低渗卤水盆地提高CO2注入性的技术方法: 以江汉盆地为例

注入性是关系CO₂地质储存成功与否的一个关键的技术和经济问题, 评价与提高CO₂在中国陆相沉积盆地普遍存在的低渗储层中的注入能力对于碳捕集与封存技术在中国的应用与推广具有重要意义.以江汉盆地江陵凹陷为例, 通过数值模拟的方法开展高盐低渗储层CO₂注入能力评估与提高方案研究.结果表明: 预注入淡水和低盐度的微咸水溶液均可不同程度地缓解注入井周围的盐沉淀问题; 预注入CO₂饱和溶液或稀盐酸溶液, 可显著提高注入井周围的孔渗值, 提高CO₂注入性, 但由于储层本身的低渗性, 迁移距离有限, 短时间内较难实现CO₂注入速率的大幅度提高.采取水力压裂措施可显著提高低渗储层中CO₂的注入性, 其提升能力取决于压裂裂缝的半长度以及压裂程度.对于单个垂直井, 通过水力压裂对储层加以改造, 并采取多层注入的方式, 在低渗储层中实现数十万吨的年注入量是可能的.      

苏北盆地层状盐穴储气库CO2封存数值模拟研究

地下盐岩溶腔是CO₂封存的有效地质体,CO₂沿盐岩软弱夹层和盐层-夹层交界面泄漏是制约地下盐岩溶腔CO₂安全封存的关键。以苏北盆地金坛地区CO₂盐穴储气库为研究对象,建立了层状盐穴储气库CO₂封存的流-固耦合数学模型,分析了盐岩及泥岩夹层中CO₂运移泄漏规律及其对CO₂安全封存的影响,并探讨了盐岩及泥岩夹层渗透率的动态响应特征。结果表明：渗透率是决定盐岩层中CO₂运移速率和泄漏范围的关键,在其影响下,相同封存时间内泥岩夹层中CO₂运移速率和影响范围远大于盐岩,但随封存时间延长,盐岩和泥岩夹层中CO₂运移速率和压力增幅均呈降低趋势,并随着CO₂压力传播至模拟边界而趋于稳定。渗透率动态变化是上覆地层压力负效应与盐岩层中CO₂压力正效应共同作用的结果,并受盐岩和泥岩夹层力学性质的影响。CO₂封存时间<3 ...     

鄂尔多斯盆地深部咸水层二氧化碳地质储存热-水动力-力学(THM)耦合过程数值模拟

注入CO₂到深部咸水层(CO₂地质储存)被认为是一种直接有效地减少CO₂向大气排放的途径。CO₂地质储存涉及到热、水动力和力学耦合过程,该耦合过程是预测CO₂在储层中的迁移转化、评价储层储存能力和分析潜在风险的关键。基于Terzaghi固结理论,在热-水动力(TH)耦合软件TOUGH2框架中加入了力学模块,形成了新的热-水动力-力学(THM)模拟器。结合鄂尔多斯盆地CO₂捕获和储存(CCS)示范工程场地的地质、水文地质条件,采用新的THM模拟器数值分析了CO₂注入后地层中的温度、压力、CO₂饱和度、位移和有效应力的时空变化特征。结果显示:在井口保持8 MPa和35℃情况下,能够实现10万 t/a的CO₂注入量;压力上升的范围远远大于CO₂运移和温度降低的范围,注入20 a后,其最大距离分别达到接近边界10 km、620 m和100 m;位移和应力变化主要与压力变化相关,注入引起最大抬升为0.14 m,在注入井附近位置储层中有效应力变化水平方向要大于垂直方向,而在远井位置相反;注入引起井附近有效应力明显减小,从而导致了孔隙度和渗透率的增大,增强了CO₂注入能力。     

黑龙江林甸地区深部咸水层CO2地质储存条件与潜力评估

CO₂地质储存是减少碳排放、缓解温室效应的有效措施。经地热勘探与综合研究,黑龙江林甸地区埋藏深度940～2062 m的中生代白垩系泉头组三四段、青山口组和姚家组砂岩层状地层中蕴含丰富的咸水,溶解性总固体可达2000～9000 mg/L,孔隙发育较好,水流速缓慢,其上盖层以白垩系嫩江组、四方台组、明水组的层状泥质岩为主,厚度为800～1300 m,未被主要断裂带穿透,封闭良好,决定了其可以作为储存CO₂的良好地质储体。同时,大庆市紧邻林甸地区,化工企业众多,碳源集中且充足,规模大,距离短,为研究区的CO₂地质储存提供了有利条件。因林甸地区油气资源匮乏,缺少石油井,本次工作首次利用地热勘探井,根据CO₂地质储存技术机理,采用国际权威潜力评估公式,开展了深部咸水层CO₂地质储存的潜力评估。结果表明,其深部咸水层CO₂理论储存量为478.91×108 t,有效储存量为11.49×108 t,储存潜力较大,未来可作为大庆、齐齐哈尔等邻近城市减碳的地质储存场所。此项工作的开展,为林甸地区下一步实施CO₂地质储存适宜性评价、目标靶区筛选和场地选址及示范工程建设提供了技术支撑。     

深部咸水层CO2地质储存适宜性评价方法研究

随着温室效应的加剧,CO₂地质储存已成为减缓全球气候变暖的有效方法之一. 可用于CO₂ 地下储存的场地主要有枯竭的油气田、深部咸水层和深部不可开采的煤层等,我国深部咸水层CO₂地质储存潜力占总潜力的98%以上. 在全面分析CO₂ 地质储存适宜性影响因素的基础上,建立了适宜于沉积盆地深部咸水层CO₂ 地质储存的适宜性评价体系,主要包括地质安全性、储存规模、社会环境风险和经济适宜性4大指标层,共计28个评价指标,评价方法以层次分析法及指标叠加法为主. 以西宁盆地为研究实例,通过基于排除法的地质条件综合分析与层次分析法的定量评价相互验证,表明该指标体系和评价方法具有广泛的应用价值. 结果表明,西宁盆地一级构造单元中双树坳陷最适宜CO₂地质储存,可作为CO₂地质储存的优先选区.     

沁水盆地柿庄北深部煤层水平井CO2注入参数研究

基于CO₂的吸附能力大于CH₄的原理,向深部煤层中注入并封存CO₂同时置换驱替CH₄增加煤层气井产量,具有环境和经济双重效益。研究深部煤储层特征,通过气、水两相多组分,单孔和双孔模型的三维储层数值模拟技术,模拟不同井底压力下,完成注入量所需要的时间。优化后的注入施工参数为井口注入压力低于10MPa,注入速率低于47 L/min。根据数值模拟结果选定注入压力,注入结果与模拟连续注入时间一致,说明该方法可以有效地模拟注入压力和注入量之间的关系,保障CO₂注入施工安全有效。      

使用水力屏障控制单一倾斜储层中CO2羽的迁移

摘要:在单一倾斜含水层中封存CO₂时,在浮力作用下,CO₂会向地层上升一侧快速运移,不利于封存安全.可在倾斜地层的上升一侧,距离CO₂注入井一定位置设置注水井,创造水力屏障,以阻止CO₂向上移动.建立了数值模型来探讨这一方法的有效性,分析注水位置、距离、速度等因素的影响.结果表明注水形成的水力屏障能有效阻挡CO₂羽的向上迁移,且能促进CO₂溶解,抽水能显著降低地层压力.为了确保能完全阻挡CO₂运移,需要注水长度大于CO₂羽的厚度,甚至是在全部储层注水.注水速度是影响水力屏障效果的关键因素.注水距离越近阻挡效果越好.可以在CO₂羽即将到达之前注水,以减少注水量和能源消耗.      

深部咸水层CO2地质封存数值模拟参数的全局敏感性分析:以苏北盆地盐城组为例

基于对苏北盆地盐城组下段砂岩储层概化建立二维径向剖面模型,运用TOUGH2/ECO2N程序模拟深部咸水层中CO₂迁移分布过程。采用定性(Morris法)和定量(Sobol和EFAST法)全局敏感性分析方法,以储层中注入井处的压力、气相CO₂总量及CO₂气相羽扩散距离作为模型响应变量,对储层的水平渗透率、孔隙度、残余液体饱和度、孔隙分布指数、压缩系数、进气压力的倒数和盐度7个参数进行全局敏感性分析,讨论了咸水层的水文地质参数、盐度及其他模型参数对CO₂封存运移泄漏过程的影响。Morris和Sobol法的敏感性分析结果都表明,对于不同的响应变量,参数的敏感性排序不同：以注入井处的压力为响应变量时,孔隙度的敏感性最高;以气相CO₂总量和CO₂羽扩散距离为响应变量时,水平渗透率的敏感性最高。EFAST 1阶及总敏感度分析结果与Sobol分析结果基本一致,但EFAST法相对Sobol法计算更高效稳健,需要的样本数较少。     

岩盐沉淀对咸水层二氧化碳地质封存注入过程的影响:以江汉盆地为例

依托江汉盆地基础地质和水文地质数据,通过建立新沟嘴组一维、二维径向数值模型,对该储层进行CO2封存注入数值模拟研究,分析二氧化碳注入储层后,咸水层中发生的地球物理化学作用.以CO2的溶解作用和岩盐的沉淀作用为主,分析它们对储层压力和注入性的影响.模拟结果表明,二氧化碳注入储层后,近井周围会形成3个分区,即纯液相区、两相混相区、盐沉淀区;盐沉淀会导致压力积累严重,影响CO2可注入性;对盐度的敏感性分析表明,咸水含水层盐度越大,压力积累会越严重.因此,江汉盆地CO2地质封存应考虑盐度的影响,采取相关缓解压力积累的措施.     

柴达木盆地马海盐湖地下卤水地球物理探测及应用

柴达木盆地盐湖地区地下卤水资源储量丰富,含卤水层具有孔隙度较小、非均质、各向异性较强及富卤水性能差异较大等特征。为精准探测马海盐湖地下卤水富集区域,获取盐岩分布密度差异性变化区间,针对柴达木盆地马海盐湖地区特有的盐岩介质、晶间高矿化度卤水,以及孔隙储卤、裂隙与断层控卤等多种储卤模式并存的地质条件,采用了包括抽水试验和高精度重力探测法、音频大地电磁探测法、高分辨率地震探测法的多尺度、多种物探方法对结晶盐层与富卤水地层进行了探测。抽水试验的结果表明,K₁₂、K₁₃、K₁₄等井组所处的卤水富集区Ⅰ出水量为37 297 m³/d, T₁、K₁、K₄等井组所处的卤水富集区Ⅱ出水量为35 736 m³/d;基于抽水试验和多种地球物理探测信息集成技术,确定了两处可实现持续与稳定开采的地下卤水富集区域,并刻画其地层结构与地质构造。     

湖北潜江凹陷古近系深层富钾卤水成因及演化

地下深层富钾卤水是非常重要的钾盐资源,目前很少从区域尺度系统研究沉积盆地中富钾卤水水化学特征及成因.对潜江凹陷深层富钾卤水进行了主、微量元素分析.研究区卤水矿化度为125.70～347.00 g/L,K含量为0.32～6.83 g/L;富集Li、B、I、Na、Cl,亏损Mg、Br,Ca、SO4有富集也有亏损.储层岩石矿...     

鄂尔多斯盆地山西组地下咸水CO2溶解能力

实施CO₂的地质储存是目前公认的减缓全球变暖的有效途径之一.潜在的储存场所包括衰竭的油气藏、深部不可开采煤层及深部咸水层.其中, 深部咸水层储存潜力最大.在发挥作用的诸多机理中, 溶解埋存具有埋存量大、作用时间较长以及安全性高的特点.在评价深部咸水含水层CO₂溶解储存潜力时, 溶解度是一个关键参数.提出了测定咸水含水层地层水CO₂溶解度的方法, 并将其实际应用于鄂尔多斯盆地山西组地层水.鄂尔多斯盆地是我国重要的能源基地, CO₂排放量大, 排放浓度高.采集了野外实地水样, 进行了化学成分分析, 并人工合成该水样; 测定了40~80 ℃、8~12 MPa条件下CO₂在该水样中的溶解度, 其结果可为评价鄂尔多斯盆地深部咸水含水层埋存能力提供依据.      

鄂尔多斯盆地JX井延长组砂岩固碳潜力分析

神华集团在我国CO₂地下埋藏的潜在目标区(鄂尔多斯盆地)实施的CO₂注入工程仍存在有关其注入层之上泥岩盖层安全性方面的争议.通过对与神华集团CO₂注入井相邻且钻遇地层系统、岩石组合一致的JX井三叠系延长组(位于注入层之上)的研究预测一旦CO₂透过盖层后的再续固碳能力.研究层位岩屑样品类型主要为长石砂岩和岩屑长石砂岩,其次为岩屑砂岩和岩屑石英砂岩;其物源区岩石类型主要为长英质火山岩、其次为中性火山岩及少量富含石英的沉积岩,具中性斜长岩成分特征;其上段(466~534 m)及下段(666~958 m)砂岩母岩受到弱-中等化学蚀变,并可能经历了再旋回过程;中段(534~666 m)砂岩母岩未受化学蚀变影响,并可能为第一次旋回沉积物.作为潜在的CO₂再续固碳场所,延长组砂岩具有实现CO₂矿物圈闭的物质条件及形成片钠铝石、方解石、铁白云石和菱铁矿等固碳矿物的潜力.     

盐湖页岩有机质富集主控因素及模式

为深入研究盐湖背景下的江汉盆地潜江凹陷潜江组3₄段第10韵律及4_下段部分韵律层的页岩有机质富集机理,采用X荧光光谱（XRF）、碳硫仪、GC、GC-MS等手段,研究该地区页岩的元素变化与TOC富集之间的关系,以此探讨有机质富集的主控因素,从而建立有机质富集模式.结果表明,潜江组页岩有机质在水进体系域（TST）中相对较为富集,在高位体系域（HST）及低位体系域（LST）中较为贫乏;潜江组页岩有机碳与古生产力指数（P/Ti）、古气候指数（Mg/Ca）、古水深指数（Rb/K）大致呈正相关,随古盐度指数（Sr/Ba）值的增加先增大后减小,与陆源物质输入量参数（SiO₂、Al₃O₂）呈负相关.页岩层段中古生产力指数（P/Ti）大于1、古盐度指数（Sr/Ba）介于2~4、古气候指数（Mg/Ca）小于0.4,古水深指数（Rb/K）大于0.007且陆源物质输入较少,有机质富集.研究揭示,潜江凹陷潜江组页岩有机质来源主要为水生生物,水进体系域中,在较为潮湿的古气候条件下,水生生物繁盛,陆源碎屑输入量低,对有机质的稀释作用减弱;同时,较多的降水使湖水深度快速增加,表层水体盐度降低,湖底盐度较大,形成盐度分层,增强深部古水体的还原性,有利于有机质的富集.      

二氧化碳地质存储与煤层气强化开发有效性研究述评

煤层CO₂地质存储与CH₄强化开采（CO₂-ECBM）技术融温室气体减排与化石新能源开发为一体,极具发展前景。CO₂-ECBM技术有效性是经济性、长期性和安全性的基础和前提,建立深部煤层CO₂-ECBM有效性理论和生产技术在中国的需求尤为迫切。中国、美国、英国、澳大利亚、日本等国家在该领域开展了大量实验模拟、数值模拟和工程探索研究。研究工作表明:CO₂可注性、CO₂封存机制与存储容量、CH₄增产效果构成了CO₂-ECBM有效性的核心内涵,其中CO₂可注性更为关键;CO₂注入时煤储层发生体积应变效应和地球化学反应效应,其导致的渗透率快速衰减与可注性变差制约着CO₂-ECBM的有效性;CO₂/CH₄竞争吸附与置换是主要的CO₂封存机制,地层条件下CO₂/CH₄竞争吸附与置换封存决定了有效存储容量的主体,对于超临界CO₂,改进的吸附势模型（Modified D-R model）表征计算结果与实验模拟结果的拟合度最好;通过优化注入参数、间歇性注入、先压后注、与N₂交替注入等方式可以提高深部煤层的CO₂可注性,试验井组煤层气生产井可实现最高3.8倍的增产效果;沁水盆地深部无烟煤CO₂-ECBM技术的有效性已得到实验室研究和工程试验的初步证实。中国科学家在持续开展和不断深化CO₂-ECBM技术的研究工作,CO₂-ECBM有效性的关键科学技术问题有望在中国得到破解。      

中国年封存量百万吨级CO2地质封存选址策略

CO₂地质封存是实现碳中和背景下难减排产业可持续发展的重要支撑技术。相较一些发达国家已经成功实现封存量为每年百万吨级CO₂封存项目工业化,中国的CO₂地质封存项目起步较晚,以封存量为每年十万吨级CO₂封存项目为主,而针对年封存量百万吨级及以上大型CO₂封存项目的选址、封存和监测尚缺乏经验。在针对世界上15个年封存量百万吨级CO₂地质封存项目成功案例调研基础上,按照封存场地圈闭地质类型划分了构造型圈闭(背斜型、断层型和裂缝型)和岩性型圈闭(砂岩型和碳酸盐岩型)两大类。在统计不同类型封存场地地质特征参数基础上,从“规模性、注入性、安全性和经济性”4大指标入手,提出了“大(Big)、通(Permeable)、保(Preserved)、值(Value)” BPPV选址原则,明确了年封存量百万吨级CO₂地质封存场地选址原则及参数标准。我国盆地类型多样差异大,需要采取不同的CO₂封存策略。针对鄂尔多斯、大庆油田等大型坳陷型盆地,由于其构造规模大、砂体分布面广、大规模背斜和岩性圈闭发育,寻找大型整装深层盐水层或者衰竭型油气藏封存场地的潜力大;针对东部渤海湾及近海断陷型盆地,由于断层发育、断层相关圈闭多、单圈闭容量较小,封存有效性受断层影响大,宜采取圈闭群综合评价与断层活动性动态评价相结合的策略;对西部叠合盆地,盆地边缘构造冲断带一般构造应力强、地层压力高、CO₂注入难度大,但盆地中央古隆起斜坡可以成为有效的封存场地,因此对西部盆地需要采取分区分带分层评价策略。