CO2封存過程中“適應性”地質建模方法及案例

周銀邦，王 銳，趙淑霞，何應付

(中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

0 引言

CO2捕集、利用與封存(CCUS)技術是應對全球氣候變化的關鍵技術之一。目前全球共有26個在運行的大型CCUS項目，年捕集封存CO2約有4×107t。在目前碳達峰、碳中和“雙碳”目標下，開展CO2捕集、利用與封存“多角度、多層次、全鏈條”的CCUS技術研究與示范具有重要的意義[1]。建立封存區(qū)的地質模型就是整個CCUS全鏈條示范工程過程中一個有效紐帶，可以更為精準地回答CO2封存在哪里，封存量有多少，以及如何安全封存CO2的問題。然而目前油氣藏勘探開發(fā)過程中的地質模型都是基于圈閉級別建立目標區(qū)塊和目標儲層的地質模型，在平面和縱向上范圍有限，難以滿足CO2地質封存過程中時間和空間尺度的要求；另外油氣藏地質模型關注的重點多在于儲層的非均質性，在蓋層封閉性、儲蓋組合、地應力分布特征等CO2封存安全性方面很少涉及?；贑O2地質封存的特殊性，需要形成針對CO2地質封存的地質建模方法及流程，以明確封存單元中控制注入和封存能力的動態(tài)過程，明確在封存單元之外的可能會影響CO2長期封存的潛在遷移通道。該文從CO2封存地質建模的特殊性出發(fā)，通過對國外典型CCUS示范工程中地質建模方法的歸納和總結，建立CO2地質封存“適應性”建模方法和流程，并通過挪威Sleipner咸水層和阿爾及利亞In-Salah這2個典型案例，重點闡述CO2地質封存過程中“適應性”建模方法的側重點和應用，對于開展“雙碳”目標下CCUS示范工程具有重要意義，為今后CO2地質封存示范工程中開展地質建模工作提供思路和參考。

1 CO2封存過程中地質建模的特殊性

CO2地質封存不同于油氣田開發(fā)，除了注入和采出模式不同，地質封存尺度和安全性方面具有很強的特殊性，致使CO2封存地質建模與常規(guī)勘探開發(fā)中地質建模有很大的差異性。

1.1 CO2封存尺度差異

CO2封存具有空間尺度和時間尺度的差異性，在空間范圍內CO2封存具有延伸超過100 km2的羽流。CO2在空間尺度的埋存范圍可以是一個區(qū)塊、一個圈閉或者是一個盆地，模擬范圍不同，建立的模型尺度差異大，不同尺度的模擬結果差異大。另外從時間尺度來講，CO2封存的時間可以從十年、百年到數(shù)千年，不同的埋存機理封存時間不同，初期以構造埋存為主，后期以溶解和滯留作用為主，長期來講礦化埋存最為穩(wěn)定。由于CO2封存具有空間和時間的差異性，所以在封存過程中既需要大尺度、長歷史周期和全油藏范圍的巖石物理模型，也需要小尺度、短周期和局部范圍的流體模型。不同尺度的非均質性影響儲層的性質，通過描述和模擬油藏中不同尺度的沉積非均質性，利用流動尺度升級方法，明確儲層孔隙度和滲透率分布，結合沉積學特征，從巖石到流體角度建立多尺度地質模型，如圖1所示。

圖1 咸水層中CO2封存機理演化示意圖Fig.1 Schematic diagram of the evolution of CO2 storage mechanism in saline aquifers

1.2 CO2封存安全性差異

安全性是CO2封存的一個重點，CO2封存泄漏將會帶來很多環(huán)境和安全問題。從CO2封存機理的角度出發(fā)，CO2的安全性主要在于圈閉構造特征，包括蓋層溢出、斷層和裂縫泄漏以及井筒泄漏等。斷層和裂縫結構的構造特征，儲蓋層的產狀與空間展布將直接影響CO2地質埋存效果及埋存安全。綜合地質、地球物理和巖石力學等多種學科，采用地質研究、實驗室測試、測井解釋、地震反演及地震屬性預測等方法綜合建立了研究區(qū)的斷層、裂縫、儲蓋層一體化構造模型。

CO2封存對油藏地質建模帶來了新挑戰(zhàn)。初始簡單模型都需要儲量評估，資料詳細的精細模型需要明確注入方式和長期埋存的完整性評估。CO2封存的地質建模與常規(guī)建模有相似之處，比如都需要尋找良好的滲流通道，識別重要的滲流屏障等[2-3]；但是CO2封存有一些特殊的問題需要在地質模型中反映，比如明確壓力特征及CO2溶解在鹽水中的反應，CO2通常被壓縮為液體埋存在地下深處，所以理解流體的行為也是重要因素。CO2封存需要相當大的網(wǎng)格分辨率來描述埋存空間(含水層或油層)的容積。

2 CO2封存過程中“適應性”地質建模方法流程

2.1 CO2封存過程中“適應性”地質建模

1)資源模型與決策模型

目前成熟油田一般是建立一個單一、詳細并完整的歷史擬合模型。隨著目前硬件和軟件能力的提升，表征方法變得越來越復雜。長期開采的老油田一般都擁有大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)建立詳細完整的地質模型是不可避免的，但是不可避免并不代表有用，而且這種方法也存在很多缺陷，并不是數(shù)據(jù)越多就越精細，不確定性依然存在。大多時候這種模型要反映的內容比較多，因此網(wǎng)格比較多，給后期數(shù)值模擬帶來了很多難題。而CO2封存過程中選址有很大的不同，從盆地到目標區(qū)尺度差異大，在這種情況下更應該針對具體問題建立地質模型，如果沒有明確的目的，就可以直接使用數(shù)據(jù)庫，不需要建立地質模型。在明確目的的時候都有一個隱含的尺度，在做出決策時確定模型的規(guī)模，對于老油田來說通常是井距的問題，關于加密井、定量油井增產及CO2封存效果的問題通常需要小井距精細網(wǎng)格的決策模型來反映模型的非均質性[4]。在計算整個CO2封存區(qū)封存潛力時如果用這種精細模型就很難實現(xiàn)了，實際上計算封存量時并不要求多么精細的滲透率和孔隙度描述，通過粗化可以將數(shù)值平均而得到一個相對的資源潛力，稱之為資源模型?？偟膩碚f，資源模型適應于大井距、長歷史和全油田體積，而決策模型適應于小尺度、短周期和局部流體模型，在建立模型時需要明確建模目的，最終在合適的范圍內選擇建立合適的地質模型。

2)地質-巖石力學-流體力學一體化模型

在三維建模過程中，對儲蓋層的產狀與空間展布、結構構造、物理屬性及巖石地球化學特征等信息概化是否科學合理，將直接影響CO2地質存儲過程的數(shù)值模擬評價和預測結果。因此需要綜合地質、地球物理、地球化學和巖石力學等多種學科來綜合反映研究區(qū)的地質模型，采用地質研究—實驗室測試—測井解釋—地震反演—地層屬性預測環(huán)環(huán)相扣的方法依次開展。

2.2 CO2封存“適應性”地質建模流程

鑒于CO2封存地質模型的特殊性，應該放棄建立全面、詳細、完整的地質模型，代之以靈活、便捷、能夠快速用于決策的“適應性”模型。在基于目的的思維模式下，地質學家用于CO2封存建立的模型不止一套，在初期油藏建模時，一個整體的工作流必須是以“適應性”為主，解決具體問題，實現(xiàn)更多的細節(jié)。一旦明確CO2封存，首先需要尋找封存地點，地質沉積構造以及儲層內部流體流動都是非常復雜的過程，需要進行詳細的表征預測，因此在地質建模過程中需要明確3D地質模型(靜態(tài)模型)和流體流動模擬模型(動力學模型)這2個模型。

地質模型是一個描述頂?shù)滓约斑吔鐢鄬拥摹叭萜鳌保挥杏邢薜牡卣饠?shù)據(jù)和相應的油井數(shù)據(jù)可以描述一個相對簡單的地質模型；井數(shù)較多且數(shù)據(jù)充足的情況下可以將復雜的巖相信息描述的較為清楚，可以有效表征地下儲層非均質性和巖石物理特征。Ringrose和Bentley[5]描述了模型構建的工作流程和過程，強調了地質建模隨機性和確定性之間平衡的重要性，更加明確了建模時儲層巖相流體的多尺度性質。在實踐中，可能需要幾個可供選擇的地質模型用來控制流體流動特征，且模型還需要不斷地更新和完善。以往的地質建模由于受到時間和成本的限制，只是建立一個確定性的靜態(tài)網(wǎng)絡模型，這種做法會將模型“鎖定”到一個定義不明確、甚至是錯誤的網(wǎng)格概念中，因此應該避免出現(xiàn)這種確定性的情況，并且建議始終有不確定性的替代模型能夠確保模型的結果存在一個范圍，以使其更加具有不確定性。在未來，隨著建模技術的快速發(fā)展，建模過程會更加靈活和獨立。

整體來說，“適應性”建模的流程首先需要明確建立模型的目的，要確認針對CO2地質封存建立的是資源模型還是決策模型；之后可以按照常規(guī)建模方法建立構造框架模型、巖相模型和屬性模型等，按照模型的“適應性”建立流體屬性模型并對其進行粗化，粗化過程中以反映CO2地質封存特征為原則，準確選擇保留和放棄的地質屬性，基于目的提供給數(shù)值模擬進行預測；最終根據(jù)所評估的明確儲層的不確定性，建立經濟和工程方案。如果建立的方案無法滿足CO2地質封存要求，則保留數(shù)據(jù)和模型，基于其他目的重復建立“適應性”模型。建模流程如圖2所示[5]。

圖2 CO2地質封存“適應性”建模流程Fig.2 Geological “fit to purpose” modeling of CO2 storage process

3 CO2封存建模案例

下面通過2個CO2封存經典實例來說明CO2封存“適應性”建模的方法。每一個封存點都有特殊的地質情況，對模型也有特殊的目的和要求。油藏建模應該是一個決策主導的過程，建模的整體過程和步驟在一定程度上可以讓決策過程變得更為簡單。

3.1 挪威北海Sleipner CO2儲存模型

挪威北海Sleipner CO2捕集和封存(CCS)項目是世界上首個CO2咸水層封存工程，運行時間長、封存量大。長期運行的Sleipner CCS項目于1996年開始向深海咸水層注入CO2，是了解CO2封存流體動力學最重要的研究案例。Sleipner位于挪威近海，主要為海相濁積巖沉積，砂體穩(wěn)定，規(guī)模大，構造簡單，斷層不發(fā)育。封存地層為Utsira砂巖層，位于海平面以下800～1 000 m深度(水深82 m)，孔隙度為38%，面積為2.6×104km2，滲透率為1～8 mD，地層厚度200～300 m，累計封存CO2約有1 980×104t，目前已形成封存量計算方法、水平井注入及地表-監(jiān)測井CO2運移動態(tài)的全流程監(jiān)測系統(tǒng)[4]。挪威CCS項目咸水層面積廣，厚度大，無大級別斷層，實施20多年壓力無明顯變化，無泄漏現(xiàn)象。

由于Sleipner面積廣、封存層位厚，如果用一個精細的模型來表征封存地必然會導致數(shù)值模擬網(wǎng)格數(shù)增大，模擬無法進行，采用“適應性”建模可以有效解決網(wǎng)格數(shù)量大、難以模擬的問題。首先需要明確建模的目的，對于Sleipner CO2封存來說有2個重要目的：1)通過建立三維地質模型來了解Sleipner CO2的封存量；2)明確表征Sleipner CO2封存的多層羽流分布，掌握影響CO2羽流遷移的關鍵因素。Sleipner CO2封存體由9個砂巖和頁巖交替組成，從注入點下方的Utsira組底部到儲層上方的蓋層?；谶@2個目的采用“適應性”建模方法分別建立了資源模型和決策模型。初期的地質模型都是為了描述整個注入封存地的資源量，尺度相對較大，以網(wǎng)格較粗的資源模型為主，對于封存體內部的非均質性和頁巖層描述不夠精細；在注入一段時間后CO2羽流的展布是CO2封存地質模型的重點，為了描述CO2羽流特征建立了更為精確的決策模型，針對CO2羽流擴散的范圍從平面和垂向對封存體進行了精細描述，如后期應用Permedia軟件建立的決策模型平面網(wǎng)格為50 m×50 m，垂向網(wǎng)格厚為0.5 m，用以表征夾層的頁巖屏障分布。網(wǎng)格邊界與地震邊界一致，橫向延伸為3.4 km×6.1 km。三維模型總共有大約520×104個網(wǎng)格(68×122×626)，由9個儲層代表橫向夾層展布。地震成像數(shù)據(jù)能夠估算CO2橫向羽流，通過多次反復地震解釋后精度提高，羽流的多層特征變的非常明顯[5-7]。當然最成功的還是最上層第9層砂巖區(qū)域，由于有高質量地震成像使得羽流分布非常明顯。從30年(2001—2030年)的羽流模擬可以看出，隨著地震精度的提高，決策模型越來越精準。早期羽流預測的多為更圓的幾何形狀，后來的研究能夠捕捉到更多細長形狀的羽流(如圖3所示)。受不確定性的影響，模擬整個多層CO2羽流的地質條件(特別是薄頁巖流動通道的位置)和流體性質非常具有挑戰(zhàn)性[7]，經過多次4D地震監(jiān)測可以更為精確地表征薄頁巖層及充滿CO2的層，這些都會進一步改進Sleipner模型匹配[8-9](如圖4所示[5])。

圖3 Sleipner第9層CO2羽流地震響應及30年模型預測Fig.3 Sleipner layer 9 CO2 plume seismic response and 30 years model prediction

圖4 Sleipner項目CO2羽流分布地質模型Fig.4 Geological model of CO2 plume distribution in Sleipner project

另外，在Sleipner模型中,砂巖由于埋深較淺并且?guī)缀鯖]有固結,顆粒形狀變化很小。因此,基于每個巖性特征的目的,應用了一種簡單的“適應性”建模方法,頁巖內的壓力通過迭代實驗來定義,用以捕獲在Sleipner CO2封存中觀察到的CO2羽流層垂直分布。系統(tǒng)將頁巖內巖心蓋層的輸入壓力降低1.7 MPa,直到達到允許突破的每個頁巖屏障的值。CO2羽流L5是地震中最大的觀測層,其估計的突破壓力略高于其他層。為了一致性,將平均滲透率-突破壓力變換應用到0.001 mD的巖心輸入來定義蓋層突破壓力,1.7 MPa的突破壓力輸入值提供0.000 5 mD的等效滲透率值。

針對每個具體目的建立不同的“適應性”地質模型，既有效地反映了不同的地質特征和封存目的，也解決了數(shù)值模擬過程中網(wǎng)格局限性的問題，對于制定CO2地質封存工程方案和經濟方案起到了決定性作用。多個“適應性”模型的建立為Sleipner封存場地、封存量以及CO2羽流分布的認識提供了重要的基礎和建模思路。

3.2 阿爾及利亞In-Salah CO2儲存模型

在阿爾及利亞中部的In-Salah CCS項目是多油田天然氣開發(fā)項目，屬于In-Salah合資企業(yè)的一部分，其中包括一個CO2捕集和封存示范項目。該項目將捕集的CO2注入到1.9 km深的鹽水層地層單元中，該地層單元為Krechba地區(qū)石炭系砂巖儲層。該項目在2004—2011年期間注入CO2約為3.8×104t。Krechba小層為平緩背斜，形成于晚石炭世擠壓構造階段時期(約3億年前)。構造擠壓作用使之變形，古生代形成一系列褶皺；持續(xù)的擠壓導致其中一些褶皺被走滑破壞。Krechba地層構造相對未斷裂，厚度為20 m，所有的斷層都是隱蔽的并且接近地震分辨率的極限，以海西期不整合為代表的隆升導致裂縫的形成[10-11]。構造的復雜性對建模過程中斷層和裂縫的性質描述及其對CO2注入性能的影響造成了困難。

In-Salah JIP開發(fā)了許多模型和建模方法來描述注氣井和監(jiān)測情況[12]。井資料和地震資料已整合成一套地質和儲層模型，其中包括靜態(tài)地質模型(如Gocad和RMS)、流體模型(如STARS和Eclipse)、裂縫模型(如Fraca和4D Move)和地質力學模型(如Abaqus,STARS和Stimplan)，這些模型已經用于運營決策，并對目標區(qū)CO2儲存的完整性和長期安全性提供長期預測(如圖5所示)。JIP也受益于美國最先進的建模能力，包括利弗莫爾和伯克利能源部國家實驗室(LLNL和LBNL)、挪威巖土研究所Europa(TRE)和歐盟資助的CO2排放合作伙伴項目等許多研究伙伴的技術貢獻[13-16]。廣泛的地質力學和地球化學研究方案使研究者能夠利用地下模型監(jiān)測數(shù)據(jù)了解CO2注入和儲存情況。

圖5 In-Salah CO2封存“適應性”建模流程Fig.5 “Fit to purpose”modeling process of CO2 storage in In-Salah

這些模擬研究表明，構造地質和巖石力學系統(tǒng)研究在早期注入階段最為關鍵，而在考慮中長期影響時(10～1 000年)，孔隙空間和裂縫流動特征變得更為重要。表征儲集單元的必要數(shù)據(jù)包括地質、地球化學、流體以及地質力學數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)類型和范圍都比常規(guī)油氣藏大。在該項目運行期間，詳細描述蓋層特征的重要性變得越來越明顯，通過多項研究描述了蓋層樣品以及三維地震成像中蓋層的特征[17-19]。

下面通過In-Salah CO2封存的具體例子說明如何使用一系列“適應性”地質模型來管理CO2封存項目的有關決策。表1說明了哪些斷層和裂縫會影響CO2的儲存，從而形成了一套詳細的“適應性”建模工作流程，主要步驟如下：

1)識別出各種斷層和斷裂及其與地層的關系。該區(qū)斷裂群為東西向和北東—西南向2組，它們主要是由走滑構造作用形成的， 受到海西造山運動過程的影響。CO2封存場地主要由背斜形成了構造圈閉，該構造單元在擠壓構造(盆地反轉)作用下形成，走滑斷層發(fā)育。

2)識別斷層和裂縫。這些斷層和裂縫嚴格對應相應的應力場，有潛在的滲流通道，在提高注入壓力的時候或者會受到影響。這項工作通過使用構造恢復地應力、地質力學建模以及基質構造建模等來了解斷層分布和斷裂破壞模式，包括斷層相關的裂縫和褶皺相關的裂縫，其中一個重要成果是在監(jiān)測井KB-5井中觀測到了CO2的早期突破，這突破與斷層相關的應力裂縫有關。之后需要解決的主要問題是明確裂縫是如何控制CO2流動的，通過建立高分辨率裂縫網(wǎng)絡，有效估計油藏網(wǎng)格單元下裂縫滲透率分布，有效滲透率為140～1 000 mD，平均滲透率為300 mD，比基質滲透率(1～10 mD)高2個數(shù)量級。

表1 CO2地質封存建模問題及分類Table 1 Problems and classification of CO2 geological storage modeling

該研究從近井裂縫研究中獲得的產生裂縫的整個石炭系Tournasian砂巖單元的模型，估計了具有水平滲透率的各向異性滲透率張量的2/3由應力敏感模型控制。從具體的實際封存問題出發(fā)，選擇不同的建模類型，建立了基于地震和地應力的構造模型、儲層的DFN裂縫網(wǎng)絡模型以及基于DFN模型改進的滲透率模型，從多個角度考慮了地質-巖石力學-流體力學一體化地質模型。通過InSAR數(shù)據(jù)檢測，與預測的各向異性滲透率張量吻合良好，有效解決了CO2封存的安全性問題。

4 結論

1)CO2地質封存建模在時空尺度和安全性方面不同于常規(guī)油氣藏勘探開發(fā)地質建模，空間尺度可以從區(qū)塊到盆地，時間尺度從十年到數(shù)千年；安全性建模方面除了常規(guī)建模之外，還須考慮蓋層封閉性、儲蓋組合、地應力分布特征及井筒泄漏等；

2)選定封存地址，計算封存量，需要建立粗網(wǎng)格、大面積資源模型，且長期預測和封存量估算需要基于經過短期監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證的模型。具體封存過程中的決策模型需要以目的為出發(fā)點建立“適應性”模型，不局限在單一模型，可基于目的建立多個模型；考慮多相流的決策模型需建立多尺度儲層流體模型，整合不同尺度參數(shù)，有效反映不同尺度封存機理，有望把復雜過程(溶解、礦化、相滲滯后)加入到長期模型中；

3)Sleipner案例為代表的常規(guī)咸水層封存應使用資源模型和決策模型來建立“適應性”模型，資源模型適應于大井距、長歷史、全油田體積，而決策模型適應于小尺度、短周期、局部流體模型；In-Salah案例為代表的斷裂發(fā)育的封存項目須基于目的和階段建立不同“適應性”模型，早期注入階段以構造斷層模型和地應力模型為主，中長期注入階段以儲蓋層模型和裂縫模型特征為主；CO2封存引起的巖石力學變形需要詳細地質力學模型合并斷層/裂縫和儲層的一體化整合，更加需要多學科融合建立“適應性”模型。