CO2咸水層封存中組合蓋層密封效果的影響因素

孔維鐘，白 冰，李小春

（中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北武漢 430071）

組合蓋層是指在儲層上部存在的多個薄夾層（蓋層中存在厚度較小的高滲層）及被多個薄夾層間隔的多個蓋層所構成的整體。組合蓋層在實際地層中分布廣泛。但是，對于組合蓋層，通常會概化為單一蓋層進行評價［1－2］，這必然會帶來一定的誤差并影響選址結果，因此必須對組合蓋層進行深入的研究。作者曾以神華集團鄂爾多斯煤制油1×105t／a CCS示范工程為背景，以鄂爾多斯盆地劉家溝組為目標儲蓋組合，通過數值模擬，研究了組合蓋層對密封效果的影響。研究［3－4］結果表明：組合蓋層對CO2的密封效果非常顯著。當CO2突破第1層蓋層后，會沿著薄砂巖層向遠處遷移。薄砂巖層的存在降低了蓋層的壓力積聚，同時，提升了CO2注入速率和總注入量。這些研究體現了組合蓋層的密封效果比單一蓋層的有更大的優越性。但是實際地質中的組合蓋層有不同的組合形式和不同的巖性條件，因此，同樣是組合蓋層，其密封效果也會有所差異。為了研究這個問題，在之前工作的基礎上，依托一定的工程背景，作者擬設計多種對比工況，研究不同形式和巖性條件下組合蓋層密封效果的差異，以此探究組合蓋層層數、薄夾層厚度、滲透率及孔隙度對組合蓋層密封效果的影響。

1 工況與模型

在設計工況中的主要參數來源于劉家溝組。劉家溝組作為主力儲蓋組合，其蓋層埋深為1 575～1 677m，蓋層厚度為102m，因蓋層缺乏相關資料，故蓋層孔隙度和滲透率等參數取盆地內泥巖的經驗值。考慮到蓋層內薄砂巖層與儲層砂巖層巖性相同，其取值與儲層參數相同。儲層埋深為1 677～1 700m，儲層厚度為23m，儲層平均孔隙度為4.5%～7%，有效儲層平均滲透率為0.1～0.3mD［5－7］。因薄夾層與儲層均為砂巖或粉砂巖，則薄夾層的參數取儲層的相同值。為了研究不同形式和巖性條件下組合蓋層密封效果的差異，本研究依托神華集團1×105t／a CCS示范項目，以劉家溝組作為目標儲蓋組合開展研究，設計的工況為：①雙組合蓋層，即在蓋層中有1層6m厚的薄砂巖層；②3組合蓋層，即蓋層中有2層6m厚的薄砂巖層；③雙組合蓋層，蓋層中有1層3m厚的薄砂巖層；④雙組合蓋層，蓋層中有1層10m厚的薄砂巖層；⑤雙組合蓋層，薄砂巖層的滲透率為3×10－15m2；⑥雙組合蓋層，薄砂巖層的滲透率為3×10－17m2；⑦雙組合蓋層，薄砂巖層的孔隙度為0.15；⑧雙組合蓋層，薄砂巖層的孔隙度為0.25。計算CO2穿透組合蓋層的時間和壓力積聚情況。通過工況1和2的對比，研究層數對組合蓋層密封效果的影響；通過工況1，3和4的對比，研究薄砂巖層的厚度對組合蓋層密封效果的影響；通過工況1，5和6的對比，研究薄砂巖層滲透率對組合蓋層密封效果的影響；通過工況1，7和8的對比，研究薄砂巖層孔隙度對組合蓋層密封效果的影響。工況設計方案見表1。表1中，除了影響因素不同以外，其他參數一致。

在本研究中，相對滲透率方程采用Van Genuchten－Mualem模型［7－8］，氣體相對滲透率方程采用Corey模型［9］，毛細壓力方程采用VG模型［10－11］。具體參數見表2。根據現有資料，將蓋層與儲層均概化為均質地層，設置注入地層（深度1 575m）初始壓力p＝16MPa，壓力梯度按照ΔP＝ρgΔh計算，溫度t＝50℃，氣體飽和度Sgas＝0，鹽質量分數XNaCl＝6%，采用恒壓注入方式，注入井底壓力Pw＝28MPa，模擬時間為1 000a。

表2 儲層和蓋層的相關參數Table 2 Parameters of caprock and saline

根據工況設計，建立二維徑向模型。徑向距離10 000m，垂向距離125m，使用R－Z網格剖分（R方向（水平方向）54個網格，在注入井附近采用小尺寸網格，由密至疏到遠處采用大尺寸網格；Z方向（垂直方向）23個網格，根據儲蓋層和薄夾層厚度平均劃分），共1 242個網格。網格剖分如圖1所示。

圖1 網格剖分示意Fig.1 Mesh sketch map of numerical model

頂部和底部邊界為非滲透邊界，側邊界為定壓無流量無熱交換邊界。雙組合蓋層概念模型如圖2所示。

圖2 劉家溝組儲蓋組合概念模型Fig.2 Conceptual model of Liujiagou formation

2 模擬結果與分析

研究組合蓋層層數的影響時，對模擬結果中每個工況中氣態和溶解態CO2的遷移規律進行分析。由于組合蓋層密封效果最直觀的反映是CO2穿透組合蓋層的時間，因此，對于薄砂巖層厚度的影響以及滲透率和孔隙度的影響，就不再逐一分析CO2的遷移規律，只需要對比最終的穿透時間即可。

2.1 組合蓋層層數的影響

在雙組合蓋層工況中，初始注入的壓力較大，氣態CO2在0.2a以后就有少量進入上部蓋層。0.4a后，有很少CO2穿透第1層蓋層進入薄砂巖層，薄砂巖層內氣態CO2飽和度低于0.01。1.1a后，有少量CO2突破第2層蓋層進入其底部泥巖層，氣態CO2飽和度低于0.01。由于多數CO2在薄砂巖層，因此，直到44.8a以后，氣態CO2運移到蓋層頂部，此時氣態CO2飽和度低于0.01，影響范圍小于5m，因上覆地層的存在，泄露風險不大。連續注入64.3a以后，蓋層頂部的氣態CO2飽和度達到0.18，影響范圍也加大到15m，此時有較大的泄露風險。氣態CO2遷移云圖如圖3所示。

溶解態CO2由于溶質遷移作用，在3d后，就有極少量CO2進入第1層蓋層。0.1a后，有很少CO2穿透第1層蓋層進入薄砂巖層，薄砂巖層內溶解態CO2的質量分數低于0.01。0.5a后，有少量CO2突破第2層蓋層進入其底部泥巖層。由于薄砂巖層的滲透率較大，大部分溶解態CO2會沿著薄砂巖層向遠處遷移，只有少量向上遷移。因此，直到40.7a以后，溶解態CO2才到達蓋層頂部，此時溶解態CO2的質量分數約為0.01，影響范圍約為9m，溶解態CO2的濃度已經較大并且分布范圍較廣，已經存在泄漏風險。溶解態CO2遷移云圖如圖4所示。

在3組合蓋層工況中，氣態CO2在0.2a以后就有少量進入上部蓋層。0.4a后，有很少CO2穿透第1層蓋層進入底部薄砂巖層。1a后，有少量CO2進入第2層蓋層，但氣態CO2飽和度低于0.01。6.4a后，少量CO2穿透第2層蓋層進入上部薄砂巖層。7.9a后，極少量CO2進入頂部蓋層。此后，進入蓋層的CO2絕大多數都在2層薄砂巖層中運移，極少量繼續向上運移。但是，由于兩層薄砂巖層的壓力削減作用，直至模擬結束，氣態CO2也未能達到蓋層頂部，最高達到距離蓋層頂部48m處。氣態CO2遷移云圖如圖5所示。

溶解態CO2由于溶質遷移作用，在0.006a后，就有極少量CO2進入第1層蓋層。0.13a后有很少CO2穿透第1層蓋層進入下部薄砂巖層，薄砂巖層內溶解態CO2的質量分數低于0.01。0.4a后，有少量CO2進入第2層蓋層。0.8a后，少量CO2穿透第2層蓋層進入上部薄砂巖層。6.4a后，CO2進入上部蓋層，但是CO2的質量分數低于0.01。由于薄砂巖層的滲透率較大，進入蓋層的大部分溶解態CO2會沿著薄砂巖層向遠處遷移，只有少量向上遷移，因此，直到174a以后，溶解態CO2才到達距離蓋層頂部16m處，此時溶解態CO2的質量分數約為0.01。直到模擬結束，溶解態CO2也未能到達蓋層頂部。溶解態CO2遷移云圖如圖6所示。

圖3 工況1中氣態CO2遷移云圖Fig.3 Migration of gas phase CO2in Case 1

圖4 工況1中溶解態CO2遷移云圖Fig.4 Migration of dissolved CO2in Case 1

圖5 工況2中氣態CO2遷移云圖Fig.5 Migration of gas phase CO2in Case 2

對比2種工況1和2的結果可知：在連續高壓注入情況下，雙組合蓋層中氣態CO2在64.3a后會到達蓋層頂部，造成泄漏風險；溶解態CO2在40.7a后會到達蓋層頂部，形成較大規模泄漏。3組合蓋層則在1 000a內可以保證氣態CO2只能運移到距離蓋層頂部48m處，溶解態CO2只能運移到距離蓋層頂部16m處。這是由于每一層的薄砂巖層都會對氣態CO2有極大的壓力削弱作用，同時也可以使得大多數進入蓋層的溶解態CO2沿著薄砂巖層向遠處運移，從而大幅度減少進入上部蓋層的數量。在工況1和2下，氣態和溶解態CO2遷移高度（距離模型底部）隨時間的變化關系如圖7所示。

從圖7中可以看出，組合蓋層的層數越多，就會有越多的薄砂巖層對CO2進行削弱，因此密封效果也就會越好。

2.2 組合蓋層中薄砂巖層厚度的影響

通過對3種工況1，3和4的對比，研究組合蓋層中薄砂巖層厚度對組合蓋層密封效果的影響。由于組合蓋層密封效果最直觀的判斷依據就是CO2穿透整個蓋層的時間，因此研究組合蓋層中薄砂巖層厚度的影響只需要對3種工況下氣態CO2和溶解態CO2穿透蓋層到達蓋層頂部的時間進行對比，對比結果見表3。

圖6 工況2中溶解態CO2遷移云圖Fig.6 Migration of dissolved CO2in Case 2

圖7 2個工況下，CO2遷移高度隨時間的變化關系Fig.7 Migration height of CO2in two cases

從表3中可以看出，當組合蓋層總厚度一致時，薄砂巖層的厚度越小，對于溶解態CO2而言，其密封效果越好；對于氣態CO2而言，則沒有明顯規律。其原因是：組合蓋層總厚度一致時，薄砂巖層越厚，意味著蓋層部分越薄。對于溶解態CO2而言，越厚的薄砂巖層越有利于CO2沿著薄砂巖層向遠處運移，從而向上運移的越少，密封效果也就越好；對于氣態CO2而言，薄砂巖層的存在可以對蓋層底部的壓力進行削減。薄砂巖層越厚，削減作用越明顯。與此同時，薄砂巖層越厚，意味著蓋層部分越薄，氣態CO2穿透蓋層也就越容易。2個相反的作用使得薄砂巖層厚度對氣態CO2的密封效果規律不明顯。

2.3 組合蓋層中薄砂巖層孔隙度和滲透率的影響

通過對3種工況1，5和6的對比，研究組合蓋層中薄砂巖層滲透率對組合蓋層密封效果的影響；通過對3種工況1，7和8的對比，研究組合蓋層中薄砂巖層孔隙度對組合蓋層密封效果的影響。由于篇幅所限，各工況下CO2運移過程不再一一贅述。對于3種工況下氣態CO2和溶解態CO2穿透蓋層到達蓋層頂部的時間進行對比，對比結果見表4。

表3 不同厚度下，CO2穿透時間的對比Table 3 Comparison of CO2penetration time for different thickness

表4 不同孔隙度下，CO2穿透時間的對比Table 4 Comparison of CO2penetration time for different porosity

在工況5中，氣態CO2始終未能運移到蓋層頂部，而溶解態CO2在171a運移到蓋層頂部時的質量分數低于1.0×10－6，沒有泄漏風險，其CO2在時間節點（氣態1 000a，溶解態171a）時的遷移云圖如圖8所示。

從工況1，5和6對比的結果可以看出，薄砂巖層的滲透系數對組合蓋層密封效果的影響很大。當滲透系數降低一個數量級時，CO2穿透蓋層的時間縮短為原來的約1／3。當滲透系數提高一個數量級時，CO2穿透蓋層的時間大大增加，甚至可能保持長期高壓注入而不會發生泄漏。因此，薄砂巖層的滲透系數越高，組合蓋層的密封效果越好。

從工況1，7和8對比的結果可以看出，薄砂巖層的孔隙度也會對組合蓋層的密封效果產生影響。孔隙度越大，CO2在薄砂巖層運移越容易，向上突破也就越難。CO2完全穿透蓋層需要的時間越多，組合蓋層的密封效果就越好。

圖8 工況5中CO2遷移云圖Fig.8 Migration of CO2in Case 5

3 結論

在以前研究的基礎上，以神華集團鄂爾多斯煤制油1×105t／a CCS示范工程為背景，以鄂爾多斯盆地劉家溝組為目標儲蓋組合，通過不同工況的對比計算，進一步研究了不同形式的組合蓋層之間密封效果的差異，從而確定影響組合蓋層密封效果的關鍵因素。得到結論為：

1）組合蓋層的層數、薄砂巖層的厚度、薄砂巖層的滲透率和孔隙度均會影響組合蓋層的密封效果。

2）組合蓋層的層數越多，其密封效果越好。每增加一層，會大幅度降低CO2泄漏的風險和增加CO2完全穿透蓋層所需要的時間。

3）薄砂巖層的厚度對組合蓋層密封效果有一定的影響。組合蓋層總厚度相同時，薄砂巖層厚度越小，對于溶解態CO2而言，密封效果越好；對于氣態CO2而言，則沒有明顯規律。

4）薄砂巖層的滲透率越高，密封效果越好；孔隙度越大，密封效果越好。

在選址時，不僅要盡量選擇有組合蓋層的儲蓋組合，更應該選取蓋層層數多、薄砂巖層滲透率高和孔隙度大的組合蓋層的儲蓋組合。由于實際工程中的組合蓋層為復雜多變，因此，對于非均質地層和含有各種構造的組合蓋層，還需要做進一步的研究。

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