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Design of Carbon Dioxide Injection in Wangchang Oilfield-Jianghan Basin, China

Anne Nyatichi Omambia  
【摘要】: 将CO2捕获并封存到深部咸水含水层是减少大气中CO2排放、缓和温室效应以及相应的气候变化的措施之一。然而,大规模的CO2注入到如中国江汉盆地王场油田的咸水含水层将会导致一些列尚未知晓的物理化学变化,需要详细了解这一变化以保证这一技术的广泛施行。这一物理化学变化是由多相液体流、溶质运移以及C02和储层水、围岩之间的化学反应引起的。因此,该研究是第一次利用TOUGH2的模块ECO2N进行王场油田的CO2注入设计研究。本研究中,考虑了以下四个参数建立概念模型:(1)盐度;(2)初始残余气体饱和度;(3)垂直方向的渗透率与水平方向的渗透率的比值;(4)CO2的注入速度。此外,还建立了一个模型模拟包含三个砂岩含水层被低渗透性的泥岩和盐岩盖层分开的层状的地质体CO2封存。在所有的模型中,CO2的注入时间是10年,模拟时间是500年。同时还建立了一个一维模型进行CO2通过储层中的断层泄露的风险研究。模拟结果表明该模型能够较好的反映王场油田中CO2储存的主要过程。敏感性分析的结果表明在CO2储存中考虑盐度、渗透率和残余气体饱和度的时空变化规律是很重要的。一维CO2通过储层中的断层泄露的研究表明:由于压力的变化和渗透系数的影响,运移到浅部上覆地层的CO2经历了从液态到气态的变化,这一过程可能是自我促进的,将会导致泄漏的CO2运移到浅层含水层并污染可饮用地下水。本研究通过一系列的数值模拟建立两个二维放射状模型进行王场油田的二氧化碳注入设计研究来评价盐度、残余气体饱和度、垂直方向的渗透率与水平方向的渗透率的比值以及二氧化碳的注入速度来研究这些因素对气体捕集的时间及空间变化规律的影响。第二个模型用来研究多层模型中的二氧化碳捕集。最后,建立一个一维的放射状模型研究二氧化碳通过砂岩储层中的泥岩盖层的断层泄露。主要结论如下: 盐度的影响: 1.增加储层水的盐度(从12%到21%和30%),在base case中,42.7%的二氧化碳以溶解的形式被捕集,在case 2中,26.6%的二氧化碳以溶解的形式被捕集,在case 3中,以溶解的形式被捕集的二氧化碳的量最少,仅为20.3%。在高盐度的储层水中,大体积的二氧化碳以气体状态形式被捕集。 2.利用较大的注入速度以及较高的盐度,由于较大的浮力作用,更多的二氧化碳以气体状态形式被捕集在储层中。这也就意味着在较高的盐度条件下,如果气体运移到储层的不连续部分,例如断层、裂隙或者王场油田的废弃井,二氧化碳泄露的可能性将增加。 3.较高的盐度导致了储层压强的增加,因此泄露的可能性增加,对盖层稳定性及二氧化碳地质储存造成威胁。在较高的注入速率以及较长的注入时间内这一现象尤为严重。 4.由于岩盐的沉淀,较高的盐度导致注入井附近更多的区域形成了抽干区。由于王场油田较高的盐度,在较长的注入时间下(大于10年),可能形成较多的岩盐构造。因此由于注入井被堵塞,总的注入量将可能降低。 残余气体饱和度的影响: 将残余气体饱和度Sgr从0.05升至0.25,导致了溶解捕获的减少和气体捕获的增加。在500年的模拟时间内,与base case的42.7%相比,case4a中只有24%的注入总量溶解于溶液中。case4b中,气体饱和度值降至0.025,43.3%的气体通过溶解捕获。在多层储层(case7)中,残余气体饱和度增加至0.30(case8),与case7相比,只有15.3%的二氧化碳注入量储存在溶液中。这说明残余气体饱和度越高,通过水动力和残余捕获的二氧化碳所占的比例就越大。因此,残余气体饱和度是二氧化碳注入和储存项目中需要考虑的重要的参数。较小的残余气体饱和度将会导致更多的气体迁移增加二氧化碳和咸水的接触,从而增加咸水中二氧化碳的溶解,反之亦然。 垂向与横向渗透率比(Kv/Kh)的影响 垂向与横向渗透率比的增加会降低二氧化碳溶解捕获的量,正如base case的24.77%降至case5的32.4%。在该case中,横向渗透率减少,垂向渗透率保持不变。结果表明较大的垂向气体迁移限制了二氧化碳羽的横向扩散从而降低沿储层流动时的接触。从而降低了储层中二氧化碳的溶解量。 二氧化碳注入速率影响 注入速率的增加导致储层咸水中气体溶解从而可以注入更多的二氧化碳。尽管较大的注入速率会导致更多的二氧化碳溶解,但储层压力的增加同时也会威胁到盖层的完整性,尤其是靠近注入区。这也将导致先前存在的断裂或断层的开裂,或通过封闭性差的废弃井发生二氧化碳泄露。 二氧化碳透过盖层中的断层泄露 将人为排放的二氧化碳注入并储存到深部咸水含水层中,二氧化碳会在储层中随着时间迁移,期间可能会遇到盖层不完整地方,如断层、断裂或封闭性差的废弃井。本项研究通过建立1-D模型用来评价二氧化碳通过盖层中的断层泄露带来的风险,研究表明向上覆地层迁移泄露的二氧化碳羽,会经历由于压强减弱或渗透率影响导致的从液态到气态的的相态变化,这可能是一个自我增强的过程将会导致气体向包含饮用地下水的浅层地层的泄露。该研究的结果有助于判断咸水含水层中CO2储存的可行性,也可作为未来大规模的模拟研究、实验研究和野外研究的基准并弥补知识上的缺陷。


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