（油气井工程专业论文）co2盐水层埋存机理数值模拟研究.pdf

u t 0 知 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs e q u e s t r a t i o nm e c h a n i s m i ns a l i n ea q u i f e r sf o rg e o l o g i c a lc 0 2s t o r a g e at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：z h a n gx i n p i n g s u p e r v i s o r ：r e ns h a o r a n s c h o o lo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e 仃o l e u m ( e a s tc h i n a ) 抄 ， 上i耵气 一 善 ， 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：鍪堑空 日期：动l7 年冬明耖日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 稚新手 指导教师签名： 宅骝占： 一 日期：矽j 年巍稠够专日 日期：知似年p 罗月2 3 日 每。；毒 t 弋 囊 歹 一 摘要 以c 0 2 为主的温室气体的大量排放已经引起了一系列的环境和生态问题。c 0 2 减排 成为全球研究的热点。c 0 2 地质埋存是当前减排最现实有效的方法，盐水层作为新出现 的最有潜力的埋存体，以其分布广泛，规模庞大受到人们青睐。本文，分析了c q 、盐 水和岩石的性质和相互作用并对相应参数行了计算；建立了基本模型分析c 0 2 迁移和分 布情况；对基本模型进行修改，分析各种不同的储层参数和注入工艺参数对迁移和埋存 的影响。 研究表明，c 0 2 在盐水中的溶解、扩散和对流等影响c 0 2 的运移，运移规律为注入 到盐水层底部的c 0 2 会慢慢的向上聚集，到达盖层以后受到盖层的阻挡，沿着盖层在其 下面铺展开来，成倒锥形分布，对网格进行细化可以更清楚的看清c 0 2 的迁移情况，对 埋存机理的影响也更加明显。c 0 2 在盐水层中的埋存状态以流动态为主，主要的埋存方 式是地质构造封存。 温度、压力这些储层条件影响c 0 2 的溶解和在地层中的迁移范围；储层的孔隙度、 渗透率以及渗透率比值对c 0 2 的埋存也有重要影响，在低的渗透率比值条件下，c 0 2 更 容易在注入层的横向运移，随着比值增加，加速c 0 2 的垂向运动，增加c 0 2 在盖层下面 的横向运移：滞后、毛管力对残余气封存影响较大，他们会降低c o = 的流动性，当c 0 2 羽运移的时候产生一个更高的残余气痕迹；相同注入比例下，储层厚度对埋存的影响不 是特别大；倾角对封存数量有较大影响；夹层和断层可以阻止c 0 2 的运移。 注入工艺参数对埋存也有一定影响，每天注入量越少，注入时间越长，c 0 2 与盐水 的接触越多，埋存量相对就越多；注入井的数量和位置对埋存的影响可以不用考虑，这 也是盐水层埋存的优点之一，可以钻少量的井，节约成本；与直井相比，水平井更有利 于c 0 2 的埋存，不同位置和不同长度的水平井对埋存的影响差别较大，完井的位置越深， c 0 2 羽到达构造顶部的路径越长，结果就是可以接触到的水的体积越大，羽的分布也更 广，会有更大体积的c 0 2 被封存。 关键词：c 0 2 ；盐水层；埋存；溶解封存；流动态c 0 2 ： ， 一 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs e q u e s t r a t i o nm e c h a n i s m i nsa l i n ea q u i f e r sf o rg e o l o g i c a lc 0 2s t o r a g e x i n p i n gz h a n g ( o i la n dg a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f s h a o r a nr e n a b s t r a c t t h ei n c r e a s ei ng l o b a lt e m p e r a t u r ei sa l m o s tc e r t a i n l ye x a c e r b a t e db yt h ee m i s s i o no f a n t h r o p o g e n i cg r e e n h o u s eg a s e s ，a n dp r i n c i p a l l yc 0 2 ，i n t ot h ea t m o s p h e r e t h i sd i s s e r t a t i o n w i l lf o c u so nt h es t o r a g eo fc 0 2i na q u i f e r s ，w h i c hh a v i n gt h eh i g h e s te s t i m a t e dc a p a c i t yt o s t o r ec 0 2i ng e o l o g i c a lf o r m a t i o n s t h ee f f i c i e n c yo fl o n g - t e r ms t o r a g ei na q u i f e r sw i l lb e d i r e c t l yr e l a t e dt ot h ee f f i c i e n c yo f e a c ho ft h et r a p p i n gm e c h a n i s m si n v o l v e d a c c o r d i n gt o t h es e q u e s t r a t i o nm e c h a n i s m ，t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e si n t e r r e a c t i o na m o n gc 0 2 ，s a l i n ea n d v a r i e t yo fi n f l u e n c i n gp a r a m e t e ra r ec a l c u l a t e d s e l e c t i n gt h ea p p r o p r i a t es i m u l a t i o ns o f t w a r e ， w eh a v ee s t a b l i s h e dab a s i cm o d e lt os t u d yt h em i g r a t i o n w ep r e s e n tt h er e s u l t so fa n u m e r i c a ls e n s i t i v i t ya n a l y s i sa n dc o m p a r et h ec o n t r i b u t i o no ft h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r s t ot h et r a p p i n go fc 0 2 t h ew o r kf o c u s e so nt h ei m p a c to fd i s s o l u t i o na n dr e s i d u a lt r a p p i n g c 0 2i n j e c t e di nt h eb o t t o mo ft h es a l i n em i g r a t eu p w a r du n t i lt h ec o v e rw h i c hp r e v e n t c 0 2f u r t h e rm i g r a t i o n c 0 2s p r e a d so u tu n d e r n e a t ht h ec a pr o c kl a t e r a l l y t h e s es t u d i e ss h o w t h a tt h ed i s s o l u t i o n , d i f f u s i o na n dc o n v e c t i o ni m p a c tc 0 2s t o r a g ei na q u i f e r s c 0 2i n j e c t e di n t h eb o t t o m o ft h es a l i n em i g r a t eu p w a r du n t i lt h ec o v e rw h i c hp r e v e n tc 0 2f u r t h e rm i g r a t i o n c 0 2m i g r a t ea l o n gc o v e r u s i n gam o r er e f i n e d 西d ，w ec a ns e et h a tt h ef r e ec 0 2a tt h et o po f t h ep l u m ew i l ld i s s o l v ei n t ot h eb r i n e m o s tc 0 2p r e s e n ta sf r e eg a sa n dt h em a i nt r a p p i n g m e c h a n i s m so c c u ri ns a l i n ea q u i f e r si ss t r u c t u r a lo rs t r a t i g r a p h i ct r a p p i n g r e s e r v o i rc o n d i t i o n s ，e g p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ei n f l u e n c ec 0 2d i s s o l u t i o na n d m i g r a t i o nr a d i u s p o r o s i t y , p e r m e a b i l i t y a n dt h er a t i oo fv e r t i c a lt oh o r i z o n t a l p e r m e a b i l i t y ( k v k h ) h a v ei n f l u e n c eo nc 0 2s t o r a g e h i g h e rp o r o s i t ya n dp e r m e a b i l i t ya l l o w s t h ec 0 2p l u m et ob ed i s t r i b u t e dl a t e r a l l yo v e ral a r g e ra r e a , e n h a n c i n gs o l u b i l i t ya n dr e s i d u a l t r a p p i n g a tl o wv a l u e so fk v k h , c 0 2t e n d st om i g r a t el a t e r a l l yi nt h ei n j e c t i o nl a y e r s ， w h e r e a sa ni n c r e a s ei nt h i sr a t i oc n h a r l c e st h ev e r t i c a lm i g r a t i o na n dc 0 2s p r e a d so u t u n d e r n e a t ht h ec a pr o c kl a t e r a l l y h y s t e r e s i s ，c a p i l l a r yf o r c ea n dr e s i d u a lg a ss a t u r a t i o n i s f o u n dt ob et h eg r e a t e s tc o n t r i b u t o rt ot h ea m o u n to fr e s i d u a lc 0 2 a se x p e c t e d ，h i g h e r h y s t e r e s i s ，c a p i l l a r yf o r c ea n dr e s i d u a lg a ss a t u r a t i o nw i l lr e d u c ec 0 2m o b i l i t y , p r o d u c i n ga h i g h e rr e s i d u a lt r a i ll e f tb y t h ec 0 2p l u m ea si tm i g r a t e s a tt h es a m ei n j e c t i o nr a t i o ，r e s e r v o i r t h i c k n e s so fs e q u e s t r a t i o ni sn o tap a r t i c u l a r l yl a r g ei m p a c t t h ed i p p i n ga n dt h eb u o y a n c yo f t h ec 0 2m a k et h ep l u m em i g r a t eu p w a r d sr a p i d l ya n dc o m ei n t oc o n t a c t 丽吐1l a r g e rv o l u m e s o ff r e s hb r i n e b r e a ka n df a u l ta r eg o o df o rp r e v e n t i n gc 0 2m i g r a t i o n h l j e c t i o np a r a m e t e r sa l s oh a v ei m p a c ti nc 0 2s t o r a g e t h el e s so fc 0 2i si n j e c t e dp e rd a y , t h ef a s t e rt h ec 0 2p l u m et r a v e l s t h i sc a ni n c r e a s et h em o b i l i t yc o n t r a s tb e t w e e nt h eb r i n e a n dc 0 2c a u s i n gm o r ec 0 2t ob ed i s s o l v e d l o c a t i o na n dn u m b e ro ft h ei n j e c t i o nw e l la r en o t i m p o r t a n tf o rc a r b o ns e q u e s t r a t i o n c 0 2s t o r a g ei n t h e s a l i n en e e do n ei n j e c t i o nw e l l c o m p a r i n g t od e v i a t e dw e l l sa n dv e r t i e a lw e l l s ，h o r i z o n t a lw e l l sa r eb e t t e rc h o i c e sf o rc 0 2 i n j e c t i o na n ds t o r a g e t h ed e e p e rt h ew e l lc o m p l e t i o n , t h el o n g e rt h ep a t hf o rt h ec 0 2p l u m e t or e a c ht h et o po ft h es t r u c t u r e ，a n di nc o n s e q u e n c el a r g e rv o l u m e so fw a t e ra n dal a r g e r d i s t r i b u t i o nb e n e f i t sb o t ht r a p p i n gm e c h a n i s m s k e y w o r d s ：c 0 2 ，s a l i n e ，s t o r a g e ，s o l u b i l i t yt r a p p i n g , f r c ec 0 2 m i ， 目录 第一章绪论1 1 1 选题背景及研究目的意义1 1 1 1 选题背景1 1 1 2 目的意义。l 1 2 研究现状2 1 2 1 c 0 2 地质埋存技术简介2 1 2 2 c 0 2 盐水层埋存研究现状4 第二章c 0 2 在盐水层中的封存机理5 2 1运移过程。5 2 2 封存形式：6 2 2 1 地质构造封存。7 2 2 2 残余气封存8 2 2 3 溶解封存8 2 2 4 矿物封存。9 第三章c 0 2 地层流体岩石的相互作用1 2 3 1 c 0 2 的性质1 2 3 1 1c 0 2 的相态1 2 3 1 2c 0 2 的密度1 3 3 1 3 c 0 2 的粘度：1 3 3 2 地层盐水性质1 4 、3 2 1 地层盐水的密度1 4 3 2 2 地层盐水的粘度1 5 3 2 3 地层水的压缩系数1 5 3 3 岩石的压缩性1 5 3 4 c 0 2 盐水相互作用。1 6 3 4 1 c 0 2 的溶解16 3 4 2c 0 2 在盐水中的扩散1 8 3 5 地层流体和岩石的影响18 3 5 1 相渗1 8 3 5 2 地球化学反应1 9 第四章c o = 盐水层埋存的数学模型2 2 4 1基本模型2 2 4 2 c 0 2 注入盐水层后的迁移和分布2 3 4 2 1 c 0 2 的迁移规律2 4 4 2 2 重力作用对c 0 2 迁移的影响2 8 4 2 3 c 0 2 的横向运移规律3 1 第五章c 0 2 埋存影响因素分析3 3 5 1 储层参数的影响3 3 5 1 1 储层条件的影响3 3 5 1 2 岩石物理性质的影响3 6 5 1 3 地质构造特征的影响4 5 5 2 注入工艺参数的影响。4 9 5 3 网格粗细的影响。5 5 第六章c 0 2 埋存安全风险分析5 8 6 1 废弃井泄漏5 8 6 1 1固井水泥环5 9 6 1 2 套管腐蚀。6 0 6 2 储层封闭失效的泄露6 0 第七章结论6 1 参考文献j ：6 3 攻读硕士学位期间取得的学术成果7 7 致谢7 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景及研究目的意义 1 1 1 选题背景 在过去的1 5 0 年间，全球温度升高了o 3 0 6 c t ，温度增加引起一系列严重的生态 和环境问题【2 1 。大气中的c 0 2 是导致全球变暖的主要成分，现在每年c 0 2 固定排放量超 过1 3 0 0 万吨 3 1 。i p c c 证实如果以c 0 2 为主的温室气体维持在2 0 0 0 年的排放水平，在 气候惯性和热膨胀共同作用下，即使没有人类活动本世纪的温度也会由每十年增加0 1 眦一1 0 1 1 年的太阳周期内，全球温度变化的幅度【5 1 ，转变成从2 0 0 8 年到2 0 3 0 年增 加o 2 2 。自改革开发开放以来，我国的工业取得了突飞猛进的发展，改善了人们的生 活水平，也提高了中国在国际上的地位，不可避免的也产生了大量的c 0 2 ，1 9 9 4 2 0 0 4 十年间，中国排放的温室气体年均增长率约为4 ，c 0 2 在温室气体排放总量中所占的 比重1 9 9 4 年为7 6 ，而到2 0 0 4 年上升到了8 3 6 1 。现在我国已经是仅次于美国的第二 大c 0 2 排放国【刁，而到2 1 0 0 年中国平均地面温度将升高3 9 _ _ 6 0 c 1 8 1 。 1 9 9 7 年在日本东京，各国通过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖 的京都议定书，其中规定到2 0 1 0 年，所有发达国家排放的c 0 2 等6 种温室气体的 数量要比1 9 9 0 年减少5 2 ，发展中国家没有减排义务。现在部分国家为了减少c q 排 放量，达到京都议定书的要求，已经开始征收碳税。这都给世界各国家打来了很大 的政治和经济压力。同时，也促使人们研究减排措施。 c 0 2 减排已变的刻不容缓，根据目前的技术水平，将c c h 直接注入到地层中是一 种技术可行、环境安全的方案。c 0 2 地质埋存是当前c 0 2 减排的最现实有效的方法【9 】， 有望实现c 0 2 近零排放【l o 】。盐水层分布在世界各地，规模庞大，i p c c 评估出的世界深 部盐水层c 0 2 埋存量为4 0 0 1 0 0 0 0 g t t l l 】，占2 0 5 0 年排放量的2 0 5 0 0 。盐水层被认为是 最具有发展前景的减排方式【1 2 1 。在中国众多的沉积盆地中有很多适合c 0 2 埋存的地点。 2 0 0 3 年，弗里德曼指出中国丰富的中新生代构造和地层历史表明中国有相当规模的c 0 2 埋存潜力。初步统计中国可用于c 0 2 处置的盐水层面积有3 4 万平方公里【1 3 , 1 4 。 1 1 2 目的意义 在这个已有很多科学家提醒人们“拯救地球刻不容缓”的时刻，利用地质埋存技术 把各大工厂集中排放源排放的c c h 注入到一定地层中，来遏制c 0 2 无节制排放的势头， 第一章绪论 解除大气中c 0 2 含量持续增加给环境和生态系统造成的日益严重的威胁和破坏，有效的 缓解温室效应，建造一个更适宜人类生活的环境，实现可持续发展具有重要的意义。 现在世界各国都在努力开展c 0 2 地质埋存的理论研究和实际储存工程项目，以减少 c 0 2 在大气中的含量。我国作为一个发展中国家，虽是京都协议书的签署国之一， 但目前还不受协议书的制约，没有承担c 0 2 减排的义务，然而却不可能永远不承担义务。 中国的能源结构决定了中国将长期主要依赖化石燃料特别是煤作为能源，因此是潜在的 第一大排放国。作为一个对国际社会负责任的大国和一个c 0 2 的排放大国，c 0 2 的排放 控制与地质处置可能很快成为我国的一个重大战略目标与重大科学问题。因此，在国家 层面上开展c 0 2 地质处置的研究，积极进行科学技术储备，具有战略性的政治、经济和 环境保护意义【1 5 1 7 】。 盐水层对c 0 2 的封存机理是保证c 0 2 可以在地下长期存储的条件，需要通过数值 模拟的方法，研究c 0 2 盐水地层的相互作用，掌握c 0 2 在盐水内的迁移规律及封存形 式，为封存( 永久) 安全性评价提供依据。 1 2 研究现状 1 2 1c 0 2 地质埋存技术简介 图1 - 1c 0 2 处理与地质埋存方案概览 f i g u r e l - 1s c h e m a t i cs h o w i n gc a r b o nd i o x i d ec a p t u r es t o r a g ef o r m a t i o n so rt h ed e e po c e a n c 0 2 地质埋存技术( 如图1 1 ) t 1 8 】是把从电厂、水泥厂、合成氨厂等集中排放源分离 得n 的c 0 2 注入到地下具有适当封闭条件的地层深处【1 9 2 0 1 。主要包括以下几个环节： 首先是利用吸附、吸收、低温及膜系统等技术对大规模集中排放源( 电厂、水泥厂等) 的废气进行捕集和分离得到纯净的c 0 2 ，经压缩机压缩后达到要求的状态；再通过输 2 一 令 第一章绪论 不像前三种埋存方式一样可以带来附加的经济效益，但在如果政府征收c 0 2 排放配 额及附加税时，仍不失为一经济有利的方案，经济原因是其次，最主要的是可以减少 c 0 2 量，缓解温室效应，保护环境。盐水层具有埋存c 0 2 的巨大的体积，世界上大多 数的沉积盆地都可进行埋存 5 0 - 5 1 1 。理论埋存量和实际埋存量之间存在一定差距，需要 进一步确定盐水层的埋存数量【5 2 , 5 3 ，深入的分析得到实际可行的埋存潜力【5 4 1 。将c 0 2 注入盐水层具有效率高、所需井数少、储存成本低、受地理位置限制少等优点。早期， 油气田对c 0 2 埋存很有吸引力，但面对巨大的排放量，对世界范围的地质储层的评估显 示只有盐水层才可以提供足够的埋存能力【5 5 】。 1 2 2c 0 2 盐水层埋存研究现状 c 0 2 地质储存是减排最现实有效的方法，应用前景一片光明，很多发达国家十分 重视c 0 2 地质储存技术的研究，已开展了大量的理论研究并实施了一些实际的储存工 程 5 6 - 5 9 】。其中对c 0 2 在油田的埋存已经具有了成熟的市场，其他埋存方式都处于示范 阶段。发达国家实施的较成功的具有工业规模( 1 兆吨c 0 2 年或以上的量级) 的c 0 2 地质 封存项目有：挪威s 1 e i p n e r 的c 0 2 盐水层埋存工程【6 0 】一这也是第一个埋存工程【6 1 1 、加 拿大w e y b u r n 油田的c 0 2e o r 和埋存工程【6 2 】和阿尔及利亚的i ns a l a h 天然气田的c 0 2 e c b m 和埋存工程【6 3 舶】。此外，挪威、加拿大、英国、丹麦、阿尔及利亚、美国、日 本、德国和澳大利亚等国也开展了c 0 2 地质封存研究项目和地质封存工程【6 7 缶9 1 。 虽然国内对c 0 2 提高采收率及油气田中的埋存有一定得研究，在吉林油田开展了 c 0 2 e o i 己地质埋存工程【7 0 1 ，与加拿大w e y b u m 油田【7 l 】示范工程较为相似，主要目的也是 在注c 0 2 提高采收率的同时，实现将部分c 0 2 永久埋存；对于盐水层中的埋存研究主要 是对国外研究成果的总结和理论探讨，还没有看到国内公开发表的关于c 0 2 盐水层埋 存工程的专门研究成果【7 2 7 6 】。但是油田中的成果可以为盐水层埋存提供技术支持【7 7 1 。 盐水层c 0 2 地质埋存的研究开始于上个世纪九十年代【7 8 】，也就是前面提到的s l e i p n e r 盐水层埋存，c 0 2 被注入到u t s h 储层，埋存量很大，每年大约埋存挪威排放量1 拘3 t 7 9 。8 1 1 。 此后，也有一些国家进行了c 0 2 盐水层的埋存的研究。但是总体来说研究相对较少，对 c 0 2 在盐水层中的迁移规律和分布情况并不是特别清楚，对影响埋存的因素并没有进行 系统全面的分析。 4 ， ， 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章c 0 2 在盐水层中的封存机理 盐水层中埋存c 0 2 ，必须保证注入的c 0 2 在地下保存上百或上千年而不泄露出来。 与油气藏中不同，因为缺少地质信息c 0 2 在盐水中的行为和运移分布没有得到足够的了 解 8 2 】。下面就具体分析一下c 0 2 在盐水层中的运移情况和封存机理。 2 1 运移过程 c 0 2 在地下盐水中的运移过程比较复杂涉及到对流、溶解、扩散等几个作用，在典 型的储层条件下超临界状态的c 0 2 密度比盐水的密度轻4 0 6 0 1 8 3 3 ；粘度比地层盐水低 5 1 0 倍【州。密度差使注入的c 0 2 形成一个有浮力的气相【8 5 】，在浮力的作用下将会发生 对流，c 0 2 向地面运移，直到遇到一个地质障碍盖层，阻止其继续垂向运移【8 6 】。 在向上运移的过程中，c 0 2 与盐水接触，会有部分c 0 2 溶解到盐水中，c 0 2 刚开始 溶解的时候，对流造成了一个饱和c 0 2 的盐水的薄层【8 7 1 。不同地方的盐水层中溶解的 c 0 2 量不同，这样在不同浓度的盐水层中形成一个浓度差，在浓度差的作用下c 0 2 就会 从浓度高的地方向浓度低的地方沿着含水层的项部作重力流扩散 8 8 , 8 9 】，沿横向铺展开 来，涉及到的扩散主要是分子扩散，在这个扩散运移的过程中，一部分注入的c 0 2 将会 进一步溶解到地层盐水中，另外一些将会继续横向运移。 分子扩散系数非常小，通过扩散产生的溶解就非常缓慢，c 0 2 溶解到盐水中要花费 很长的时间【则。溶解速度取决于对流或者扩散使未饱和盐水与c 0 2 接触的速度。通过扩 散作用c 0 2 分布到盐水层中，对流混合加快溶解速度【9 l 】。同时，c 0 2 溶解到地层盐水中 增加了溶解有c 0 2 的盐水的密度，盐水的密度增加1 以上【络蚓，虽然增加量较小但足 以产生新的对流【9 5 1 。形成一个明显的对流场【9 6 】，c c h 与未饱和盐水间的对流混合又可以 大大加速溶解速率【9 7 】。 对流、扩散、溶解和运移这四者之间存在一定的先后顺序和相互促进的逻辑关系。 在浮力差和重力作用下会使注入的c 0 2 向含水层的顶部运移，在这个过程中因为浓度差 的存在又出现对流扩散，这样c 0 2 就会与盐水充分接触，有部分c 0 2 溶解到盐水中，饱 和c 0 2 的盐水和原生盐水之间的密度差又形成了新的对流运移。 北海的s l e i p n e r 盐水层三维地震证实，c 0 2 注入盐水层后最初是作为个独立相，在 注入井周围形成羽，上升到储层顶部沿着盖层扩展【9 8 】。可以简单的用下图2 1 表示f 蚓。 5 第二章c 0 2 在盐水层中的埋存机理 图2 - 1 注入的c 0 2 在盐水层中的运移 f i g u r e2 - 1 t h ee v o l u t i o no fb u o y a n tc 0 2i ns a l i n e 在注入阶段，c q 的运移受相对渗透率控制【1 0 0 】。注入结束后，注入井关闭，c 0 2 运移的最大驱动力是浮力，它使注入的c 0 2 向上运移【1 0 1 1 ，上升的c 0 2 会继续向上运移 直到浮力足以克服地下储层中的毛细管入口压力。如果c 0 2 前缘遇到低渗透储层，c 0 2 会向上运移，此层高的毛细管入口压力阻止c 0 2 向上运移，迫使它分散，横向运移【1 0 2 】。 致使垂直方向上渗透率减少的异质性会使垂直方向上毛细管入口压力增加【1 0 3 1 。但是在 水平方向上渗透率增加的异质性会使水平方向上毛细管压力减少。c 0 2 羽在含水层的上 升并不总是一直的，而是遵循含水层中渗透性空间相关性的优先流路径原则【1 眸1 嗍。 注入的c 0 2 上倾运移的距离受相对渗透率和盐水层中溶解速度的限制。这两个影响 结合起来阻止c 0 2 在完全溶解之前运移超出注入点数公里的范围。原生岩石和溶解的 c 0 2 之间的反应加速溶解进程【1 0 7 1 ，当注入结束后，那些未溶解的游离的c 0 2 会因为密度 低于地层水的密度而向上迁移，最终会分散在盖层下面形成气层。横向上，刚开始时， 气体( 气泡) 会很容易横向扩散，在盖层下面迁移，半径越来越大。但气体迁移和溶解存 在矛盾关系，两者之间的平衡关系决定了c 0 2 从注入点向四周运移的距离【1 0 引。 2 2 封存形式 盐水层主要是由砂岩或者碳酸岩构成的沉积岩储层，具有一定的孔隙度和渗透率， 盐水充满了孔隙空间，一般顶部具有良好的盖层封存组合。盐水层在埋存c 0 2 时必须满 足一定的条件，最好能保证c 0 2 处于超临界状态的储层深度，超临界状态时c 0 2 压力温 度分别是7 3 7 6 k p a 1 0 9 1 、3 1 0 4 c t l l o 】。一般情况下只要含水层的深度大于8 0 0 米，地下条 件就可以达到使c 0 2 处于临界状态的压力和温度条件，即可以进行地质封存【1 1 1 1 。这也 取决于地表温度和地温梯度的影响【1 1 2 , 1 1 3 】，一般含水层的顶部至少在8 0 0 m 以上【1 1 4 , 1 1 5 】， 6 l | i 一一 一 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 含水层上部应盖有隔水层或弱透水层，整个含水层的渗透率应相对较低，可以阻止c 0 2 垂向运移，从而确保c 0 2 长期储存【1 1 6 1 1 7 1 。 通过研究发现，盐水层中埋存c 0 2 的机理主要有4 种：地质构造封存、残余气体封存、 溶解封存及矿物封存【1 1 8 d 2 2 1 。其中，地质构造封存和残余气体封存属于物理封存，溶解 封存和矿物封存属于化学封存。 2 2 1 地质构造封存 注入的c 0 2 有一部分以自由相的形式存在，这部分c 0 2 将会在c 0 2 与水之间的密 度差产生的浮力作用下朝盖层做垂向运移，然后在盖层下面沿盖层横向铺展。地质构造 封存就是将c 0 2 以气体或者超临界流体等流动相的形态存储在低渗透性的岩石盖层 下面，不渗透的盖层阻止c 0 2 在浮力差的作用下继续向上运移【5 0 , 1 2 3 】。将c 0 2 聚集于地 质构造封存内，类似于油气藏中的油气聚集，相当于c 0 2 和石油、天然气一样封存在背 斜、褶皱、断块和地层歼灭等封闭的区域内。这种把c 0 2 装进“密封罐 里，是处置 c 0 2 的最重要的方式，但如果盖层或封闭断层的完整性遭到破坏，c 0 2 能从盖层或封闭 断层中运移泄露出来，此外对于构造封存没有发育好的未成熟盆地，不适合进行地质封 存，因为地下水流动将会增加c 0 2 上倾运动的速度，导致潜在的风险【1 矧。地质构造封 存的原理图见图2 - 2 1 硐。 不渗透的盖层 黝黝 脏 j i 下水 图2 - 2c o ：在盐水层中的构造封存，c 0 2 羽的移动被盖层限制 f i g u r e2 - 1s t r u c t u r a lt r a p p i n go fc 0 2 i nas a l i n ea q u i f e rl e a d st oam o b i l ep l u m eo fc 0 2 ，t h e m i g r a t i o no f w h i c h i sb l o c k e db yt h ec a p r o c ko n l y 2 2 2 残余气封存 残余气封存首先是由k u m a r 等人提出的【1 2 7 】，是封存c 0 2 的一个重要机理。这种机 理利用岩石基质中矿物颗粒表面的毛细管作用和润湿性的影响把c 0 2 以固定相的形式 封存到多孔介质中，使注入的c 0 2 变成不连续的非流动相【1 2 和1 捌。c 0 2 注入、运移和通 7 _ _ 第二章c 0 2 在盐水层中的埋存机理 过束缚饱和作为非流动相在多孔介质中的封存全部取决于c 0 2 和地层水系统的相对渗 透率以及c o 厂盐水间毛管力。正是由于驱替和吸吮相对渗透率滞后现象的存在【1 4 0 】， c 0 2 在毛细管力的作用下充填于岩石骨架的孔隙细缝中 1 3 3 1 4 2 ，可以占据储存空间的 1 5 2 0 【1 4 3 1 。因此，又被称为毛细管封存【1 4 4 3 。 残余气封存发生在地层水侵入或者侵占c 0 2 羽时【1 4 “4 7 1 。封存的c 0 2 的数量取决于 驱替效率，因为只有在可以看见c 0 2 的地区才可能含有封存气体【1 4 8 1 。残余气封存对c 0 2 埋存的影响非常大，比溶解或者矿物封存更重要。残余气封存可能使大量的c 0 2 封存在 地层中 1 4 9 , 1 5 0 。如果毛细管力很大，c 0 2 不会运移到地层的顶部。这种封存被认为是在 数十年时间内使c 0 2 停止运移的最快方法【1 5 卜1 5 6 】。为了增强残余气封存，c 0 2 在靠近含 水层的底部注入，随着c 0 2 上升到盐水层的项部，发生吮吸，封存c 0 2 1 5 7 , 1 5 8 】。 图2 - 3 毛细臂封存 f i g u r e2 - 3c a p i l l a r yt r a p p i n go c c l l r sa st h en o n - w e t t i n gf l u i d 2 2 3 溶解封存 注入的c 0 2 会有一部分溶解在地层盐水中，随盐水向上运移 1 5 9 - 1 6 2 。由于地层水的 流动速度一般比较缓慢，这就使得更多的c 0 2 能够溶解在地层水里，从而保证c 0 2 在盐 水层中安全埋存1 6 3 1 。这种封存机理受到c 0 2 与盐水的接触关系限制，在垂向高渗透层 和厚层中有利。 图2 - 4c 0 2 在盐水层中溶解示意图 f i g u r e2 - 4s c h e m a t i co fc 0 2 d i s s o l u t i o ni nt w oa q u i f e r s 8 - 产 一一_ _ 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 c 0 2 从注入到完全溶解是一个漫长的过程，溶解的时间跨度是几百年至几千年【1 6 4 1 。 图2 - 4 中流动的c 0 2 气相是深蓝色，溶解到水中的c 0 2 是淡蓝色，残余c 0 2 是橙色，盐 水是没有颜色的。( a ) c 0 2 气体在一个构造封存的下面。c 0 2 溶解到盐水中减少c 0 2 相得 体积。( b ) c 0 2 气相沿着倾斜盐水层的顶部运移，在后面留下一个残余c 0 2 区。在这种 情况下，溶解和残余c 0 2 饱和度都可以减少流动的c 0 2 利8 6 1 。 残余气封存和溶解封存是存在竞争性的两种封存形式，他们在注入和注入后同时发 生。从实际角度来说，溶解封存和残余饱和度封存是两种低风险的c 0 2 埋存模式，它们 可以在定程度被设计，也可以预测【1 6 5 1 。 2 2 4 矿物封存 矿物封存是指地层中的c 0 2 直接或者间接与地层中的矿物发生化学反应生成次 生碳酸矿物，并产生矿物沉淀1 6 岳1 7 0 】。原生