深部?jī)?chǔ)層中CO2沿?cái)鄬有孤┝康挠绊懸蛩?/h1>
2017-10-12 08:17:22夏盈莉許天福楊志杰封官宏袁益龍田海龍
環(huán)境科學(xué)研究 2017年10期
夏盈莉, 許天福, 楊志杰, 封官宏, 袁益龍, 田海龍*
1.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130021 2.吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長(zhǎng)春 130021
深部?jī)?chǔ)層中CO2沿?cái)鄬有孤┝康挠绊懸蛩?/p>
夏盈莉1,2, 許天福1,2, 楊志杰1,2, 封官宏1,2, 袁益龍1,2, 田海龍1,2*
1.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130021 2.吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長(zhǎng)春 130021
CGS(CO2地質(zhì)儲(chǔ)存)是CO2減排的重要手段之一，天然裂隙的存在則是CGS的潛在風(fēng)險(xiǎn). CO2地質(zhì)儲(chǔ)存過(guò)程中儲(chǔ)層上覆蓋層及其淺部含水層是防止CO2泄漏的天然屏障，為了探究深部咸水層中CO2沿?cái)鄬拥男孤┻^(guò)程并獲得斷層滲透率及儲(chǔ)層中超臨界CO2流體初始條件(初始飽和度、初始泄漏壓力)對(duì)CO2沿?cái)鄬有孤┧俾屎托孤┝康挠绊懗潭龋罁?jù)鄂爾多斯CO2灌注工程示范區(qū)資料，使用多相、多組分溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬軟件TOUGH2建立了2D概念模型. 結(jié)果表明，深部咸水層中的CO2在壓力差和濃度差的作用下沿?cái)鄬影l(fā)生泄漏，到達(dá)淺部含水層后開(kāi)始發(fā)生側(cè)向運(yùn)移，100 a內(nèi)運(yùn)移了約200 m的水平距離；由于浮力的作用，CO2集中在含水層頂板處，有效地防止了CO2向外泄漏. 影響因素分析表明，100 a內(nèi)斷層滲透性能為低滲、中滲和高滲條件時(shí)，CO2累積泄漏量分別為0、1 050 和 3 000 t；CO2初始飽和度分別為0.20、0.50和0.99時(shí)，CO2累積泄漏量分別為550、1 050 和 1 650 t；初始泄漏壓力分別為17.3、17.6和18.1 MPa時(shí)，CO2累積泄漏量則分別為900、1 050 和 1 400 t. 除此之外，斷層滲透性、CO2初始?xì)怏w飽和度和初始泄漏壓力對(duì)CO2泄漏的影響還體現(xiàn)在泄漏發(fā)生時(shí)間和平均泄漏速率上. 研究顯示，各因素對(duì)CO2沿?cái)鄬有孤┻^(guò)程的影響程度表現(xiàn)為斷層滲透性能>CO2初始飽和度> CO2初始泄漏壓力.
CO2； 泄漏量； 斷層； 數(shù)值模擬； 鄂爾多斯盆地
Abstract： Carbon dioxide geological storage (CGS) is one of the important ways to mitigate CO2. However, the presence of natural fractures is a potential risk of CGS. The cap rock and shallow aquifers covering a CO2reservoir may be a natural barrier to prevent CO2from leaking. According to the data of Ordos CO2storage demonstration site, we established a 2D conceptual model based on the migration theory of multi-component and multiphase flow, using the numerical simulation software TOUGH2 to study the process of CO2leakage along a fault from a deep saline aquifer, and to analyze the influence of fault porosity, permeability and the initial conditions of CO2fluid (initial saturation, leak pressure) on the amount of CO2leakage along the fault. The results showed that CO2in deep saline aquifer will leak along the fault under the action of pressure difference and concentration difference, and then migrate laterally in the shallow aquifer. The distance of migration is about 200 m in 100 years. CO2will be concentrated on the top because of buoyancy, and the aquifer can effectively prevent the leakage of CO2. The analyses of uncertain parameters showed that the accumulation of CO2leakage was 0, 1050 and 3000 t when fault permeability was low, medium and high respectively over 100 years, and the accumulation of CO2leakage was 550, 1050 and 1650 t when CO2initial saturation was 0.20, 0.50 and 0.99 respectively. Moreover, the accumulation of CO2leakage was 900, 1050 and 1400 t when CO2initial leak pressure was 17.3, 17.6 and 18.1 MPa respectively. In addition, the leakage time and average leakage rate of CO2have to do with the different levels of these three factors, and the effects of each influencing factor in the process of CO2leakage can be arranged as follows: fault permeability > CO2initial saturation > CO2initial leak pressure.
Keywords： CO2; leakage amount; fault; numerical simulation; Ordos Basin
工業(yè)活動(dòng)在推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)也產(chǎn)生了大量的CO2，加速了全球變暖的腳步[1]. 將CO2捕集起來(lái)埋藏到地球深部合適地層中[2- 6]是實(shí)現(xiàn)CO2減排的一個(gè)重要手段[7- 9]，大量CO2被封存在儲(chǔ)層中后會(huì)受到壓力梯度的作用而發(fā)生運(yùn)移擴(kuò)散. 由于地層的非均質(zhì)性，CO2流體在運(yùn)移擴(kuò)散過(guò)程中可能會(huì)遇到地層沉積過(guò)程中形成的斷層等優(yōu)勢(shì)通道，從而泄漏到淺部含水層甚至地表，對(duì)淺層地下水和地表的生態(tài)環(huán)境造成污染[10]. Lewicki等[11]對(duì)已發(fā)生的CO2泄漏事件的起因、特征及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)等進(jìn)行歸納總結(jié)，從中得到地質(zhì)封存的CO2可能會(huì)沿著廢棄井筒或天然裂隙、地震誘發(fā)斷層等通道發(fā)生泄漏的相關(guān)認(rèn)知.
關(guān)于CO2的泄漏問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外有許多專家學(xué)者都進(jìn)行了研究，如Nordbotten等[12]利用多層CO2儲(chǔ)層和多個(gè)可作為CO2泄漏途徑的井筒模型預(yù)測(cè)CO2的泄漏量，其模擬過(guò)程較靈活，模擬結(jié)果也可適用于多個(gè)地區(qū)；KANG等[13]對(duì)近海碳封存時(shí)CO2沿?cái)鄬拥男孤┻^(guò)程進(jìn)行模擬，并研究了不同CO2注入速率的影響；Pruess等[14- 16]利用數(shù)值模擬方法，研究了沿裂隙和廢棄井筒泄漏時(shí)CO2的相態(tài)變化過(guò)程；以上研究著眼于CO2的泄漏過(guò)程，Apps等[17- 18]則采用試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬的方法說(shuō)明了CO2的泄漏會(huì)對(duì)上覆含水層的水質(zhì)造成影響，體現(xiàn)了研究CO2泄漏問(wèn)題的必要性. 在對(duì)CO2泄漏問(wèn)題進(jìn)行研究時(shí)，還要考慮影響CO2泄漏量的因素，從而能更好地控制CO2的泄漏，LU等[19]分別對(duì)蓋層、含水層和斷層的滲透率進(jìn)行了敏感性分析，結(jié)果顯示，斷層滲透率對(duì)CO2泄漏量的影響程度最大；Antonio等[20]在進(jìn)行CO2沿?cái)鄬有孤┑哪M時(shí)，探討了蓋層和儲(chǔ)層厚度對(duì)泄漏量的影響. 綜合而言，目前國(guó)外對(duì)CO2泄漏問(wèn)題的研究主要集中在泄漏過(guò)程中的相變以及CO2的泄漏對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響等方面，多是對(duì)某一場(chǎng)地條件下CO2的泄漏過(guò)程加以刻畫或?qū)⒀芯拷Y(jié)果應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)地加以驗(yàn)證，而關(guān)于CO2泄漏量影響因素的研究則多著重于地層固有性質(zhì)的影響程度的探討. 但在實(shí)際工程中選定施工地點(diǎn)后，這些因素便不可改變，該研究主要考慮可控因素對(duì)CO2泄漏量的影響，可為CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程實(shí)施提供一定的參考依據(jù). 另外，由于斷層滲透率對(duì)CO2泄漏量的作用較為明顯，是一個(gè)不可忽略的影響因素，在研究過(guò)程中也要考慮. 目前國(guó)內(nèi)關(guān)于CO2泄漏問(wèn)題的研究較少，多是對(duì)泄漏過(guò)程進(jìn)行了定性分析[21- 23]，其中胡葉軍等[24]考慮了斷層與注入井間距離、斷層傾角、斷層破碎帶寬度、斷層滲透率、CO2注入速率及注入深度對(duì)CO2泄漏量的影響，對(duì)斷層性質(zhì)方面的因素考慮得較為全面，但未考慮CO2初始特征的作用，其認(rèn)為斷層破碎帶寬度和斷層滲透率的影響程度最強(qiáng)，再一次說(shuō)明了斷層滲透率是不可忽略的因素.
該研究以我國(guó)鄂爾多斯盆地CO2灌注工程示范場(chǎng)地為研究區(qū)[25- 26]，以劉家溝組為目標(biāo)儲(chǔ)層建立深部咸水層[27- 31]中CO2沿?cái)鄬有孤┑臄?shù)值模型，分析CO2沿?cái)鄬有孤┑倪\(yùn)移規(guī)律，并探討斷層滲透性能、初始泄漏壓力、CO2初始飽和度等不確定因素對(duì)CO2泄漏速率和泄漏量的影響規(guī)律，以期為CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程選址和灌注工作提供參考.
1 研究區(qū)概況
鄂爾多斯盆地位于陜西省和內(nèi)蒙古交界處，地形較平緩，海拔總體較高，為北溫帶干旱、半干旱大陸性氣候. 研究區(qū)內(nèi)從老至新發(fā)育古生界至新生界地層[32- 33]，其中太原組、山西組、石盒子組、石千峰組、劉家溝組為CO2儲(chǔ)層，和尚溝組、紙坊組和延長(zhǎng)組為蓋層. 該研究以劉家溝組地層為目標(biāo)儲(chǔ)層，儲(chǔ)層巖性以含礫砂巖、粗砂巖為主，孔滲條件較好，蓋層以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主要巖性，基本不透水. 經(jīng)物探資料分析，區(qū)內(nèi)斷層一般為近南-北走向，構(gòu)造較為單一，距注入井2 km范圍內(nèi)約有16條斷層，其中有5條貫穿劉家溝組. 因此，研究區(qū)內(nèi)存在的斷層可能會(huì)成為CO2泄漏的通道. 通過(guò)收集和分析鄂爾多斯盆地場(chǎng)地資料和射孔數(shù)據(jù)，可知盆地多數(shù)地區(qū)地溫梯度為2.0～2.8 ℃(100 m)，只在盆地中南部地區(qū)出現(xiàn)大于3.0 ℃(100 m)的地溫梯度，平均為2.7 ℃(100 m)[34]. 研究區(qū)內(nèi)地層壓力符合靜水壓力分布規(guī)律；盆地內(nèi)含水系統(tǒng)包括寒武系-奧陶系碳酸鹽巖巖溶含水系統(tǒng)、白堊系碎屑巖裂隙孔隙含水系統(tǒng)及石炭-侏羅碎屑巖裂隙與上覆松散層孔隙含水層系統(tǒng)[35]，研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地中東部，區(qū)內(nèi)含水系統(tǒng)主要為白堊系碎屑巖裂隙孔隙含水系統(tǒng)，部分地區(qū)為石炭-侏羅碎屑巖裂隙與上覆松散層孔隙含水層系統(tǒng)，即區(qū)內(nèi)含水層主要分布在白堊系、石炭-侏羅系地層中，厚度為60～80 m.
2 研究方法
2.1 模擬工具及控制方程簡(jiǎn)介
采用多相流多組分?jǐn)?shù)值模擬軟件TOUGH2進(jìn)行模擬，使用ECO2M模塊，模擬時(shí)間為100 a. TOUGH2是國(guó)際上公認(rèn)的模擬一維、二維和三維孔隙或裂隙介質(zhì)中多相流、多組分及非等溫的水流及熱量傳遞的數(shù)值模擬程序. ECO2M是TOUGH2中一個(gè)可以綜合刻畫深部咸水層中H2O-CO2-NaCl多相混合物的熱力學(xué)和熱物理性質(zhì)變化的模塊，它考慮了CO2可能出現(xiàn)的所有相態(tài)，包括超臨界和亞臨界、液相和氣相以及各種相態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程，適用的溫壓范圍是10～110 ℃、≤60 MPa[36].
該研究主要分析CO2-咸水-熱量的作用過(guò)程，不考慮化學(xué)作用，基于此可建立質(zhì)量守恒微分方程：
(1)
式中：Mk為k組分的體積質(zhì)量，kg/m3；Fk為k組分的質(zhì)量流速矢量，kg/(s·m2)；qk為k組分的源匯項(xiàng). 基于式(1)，可分別對(duì)模型中咸水、CO2和熱量建立質(zhì)量守恒方程，如式(2)～(4)：
(4)
式中：sl和sg分別指模型中液相、氣相飽和度，滿足sl+sg=1；ρl、ρg、ρs分別指液相、氣相、固相的密度，kg/m3；Xwl、Xwg分別指液相、氣相中咸水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Xcl、Xcg分別指液相、氣相中CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；φ為巖石骨架孔隙度；k為絕對(duì)滲透率，m2；krl、krg分別指液相、氣相的相對(duì)滲透率；μl、μg分別指液相、氣相的動(dòng)力黏滯系數(shù)，Pa·s；Pl、Pg分別指液相、氣相壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；qwl、qwg、qcl、qcg、qh分別指液相中咸水的源匯項(xiàng)、氣相中咸水的源匯項(xiàng)、液相中CO2源匯項(xiàng)、氣相中CO2源匯項(xiàng)、熱相關(guān)源匯項(xiàng)；Ul、Ug、Us分別指液相、氣相、固相中的內(nèi)能，J/kg；hl、hg分別指液相、氣相在巖體中的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K).
2.2 二維儲(chǔ)蓋層巖相概念模型構(gòu)建
為了分析CO2沿?cái)鄬拥倪\(yùn)移及擴(kuò)散規(guī)律，建立二維概念模型(見(jiàn)圖1). 實(shí)際場(chǎng)地資料顯示，劉家溝組底板埋深為 1 699 m，其上部石炭-侏羅系地層內(nèi)分布有含水層. TAO等[37]在2013年的研究結(jié)果顯示，透水地層會(huì)使斷層頂部CO2的流量降為零，說(shuō)明透水地層能夠有效地阻止CO2泄漏，因此只考慮CO2沿?cái)鄬酉蛏闲孤┑阶畹撞亢畬拥那闆r. 根據(jù)實(shí)測(cè)資料，最底部含水層處于三疊系紙坊組砂巖巖層中，將其頂板埋深設(shè)定為 1 300 m. 另外為了直觀顯示含水層對(duì)CO2泄漏的阻礙作用，實(shí)際模擬范圍應(yīng)高于含水層頂板一定厚度，此處設(shè)置為100 m，因此模型垂向高度取499 m；另外根據(jù)地層巖性條件將水平方向?qū)挾仍O(shè)定為200 m. 當(dāng)考慮斷層時(shí)，CO2在斷層兩側(cè)的運(yùn)移規(guī)律相同，所以只討論斷層一側(cè)的變化規(guī)律即可. 實(shí)際資料顯示，在注入井2 km范圍內(nèi)有16條斷層，其中有5條切入劉家溝組地層，分布穿切關(guān)系較復(fù)雜，不易刻畫，該研究將其簡(jiǎn)化為一條寬為5 m的直立斷層，連接上覆含水層和劉家溝組儲(chǔ)層，即斷層高度為339 m.
為了使模擬結(jié)果更貼近實(shí)際，在對(duì)模型進(jìn)行空間離散時(shí)采用不等距剖分：垂向上在含水層和底板處加密，其余等距剖分，每層10 m，共剖分為73層；水平方向上在斷層處加密，將寬度為5 m的斷層等距剖分為10列，每列0.5 m，其余每列寬度從1～30 m遞增，共剖分為44列.
在該研究數(shù)值模型中，將CO2儲(chǔ)層刻畫為底部一層網(wǎng)格，網(wǎng)格體積計(jì)算方法如式(5).
VCO2=VS×a×φ=MCO2/ρ
(5)
圖1 CO2沿?cái)鄬有孤┑亩S概念模型示意Fig.1 2D conceptual model of CO2 leakage through a fault zone
式中：VCO2為儲(chǔ)存的CO2體積，m3;MCO2為儲(chǔ)存的CO2質(zhì)量，kg；ρ為超臨界CO2密度，kg/m3；a為儲(chǔ)層中CO2飽和度；VS為儲(chǔ)存一定質(zhì)量CO2所需的地層體積，m3.
根據(jù)實(shí)際工程資料可知，研究區(qū)CO2的總儲(chǔ)存量為2×108kg，儲(chǔ)層孔隙度為0.1，超臨界CO2密度約為700 kg/m3，初始飽和度設(shè)置為0.5，計(jì)算可得所需地層體積為5.72×106m3，即為底部44個(gè)網(wǎng)格的總體積.
2.3 儲(chǔ)蓋層數(shù)值模型參數(shù)及定解條件設(shè)置
儲(chǔ)蓋層數(shù)值模型的物性參數(shù)依據(jù)實(shí)際地層測(cè)試結(jié)果設(shè)置如表1所示. 蓋層的滲透率為1.0×10-17m2，孔隙度為0.10；含水層的滲透率為2.8×10-14m2，孔隙度為0.25；在模型設(shè)置時(shí)將斷層刻畫為砂巖斷裂帶，其孔滲條件是水平方向漸變的. 參考Gherardi等[38]對(duì)斷裂帶的分區(qū)方法，將5 m寬的斷層等分為5個(gè)區(qū)域，一區(qū)為斷層核部，其孔滲條件最好，滲透率為100×10-15m2，孔隙度為0.35；五區(qū)靠近圍巖，孔滲條件最差，滲透率為0.1×10-15m2，孔隙度為0.15，各區(qū)具體取值見(jiàn)表2. 數(shù)值模型模擬時(shí)間為100 a.
表1 數(shù)值模型主要地層孔滲參數(shù)
表2 斷層水平方向孔滲條件分區(qū)結(jié)果
模型的定解條件包括初始和邊界條件，其中初始條件包括壓力、鹽度、CO2飽和度及溫度，模型中初始?jí)毫?chǎng)和溫度場(chǎng)的分布分別按照靜水壓力平衡和地溫梯度給定；模型主體為蓋層，被咸水充填，所以CO2初始飽和度為0；鹽度依據(jù)實(shí)際地層水樣資料設(shè)定為0.03. 依據(jù)實(shí)際資料將模型底部CO2儲(chǔ)層壓力設(shè)定為17.6 MPa，飽和度為0.5. 考慮到模型邊界對(duì)數(shù)值解的影響，將遠(yuǎn)離斷層的右側(cè)邊界設(shè)定為第一類邊界；考慮到模型頂?shù)装搴蛿鄬油膺吔绲淖饔靡约盁崃總鬟f，將上下邊界和左側(cè)邊界設(shè)定為隔水導(dǎo)熱邊界.
2.4 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)
由文獻(xiàn)[24]可知，深部咸水層中CO2沿?cái)鄬有孤┻^(guò)程主要受CO2的初始條件和斷層特征兩方面的影響. CO2的初始條件主要包括初始?jí)毫Α柡投取囟群宛鹊龋渲叙纫话爿^固定，約為0.03 Pa·s，溫度主要受地層溫度的控制，也不會(huì)輕易發(fā)生變化，所以該研究主要考慮底部?jī)?chǔ)層中CO2的初始?jí)毫惋柡投冗@兩個(gè)因素. 除此之外，斷層的物性特征(斷層規(guī)模、孔滲條件等)也會(huì)對(duì)CO2泄漏量產(chǎn)生影響. 由于一個(gè)地區(qū)的斷層規(guī)模在一定時(shí)期內(nèi)是固定的，所以該研究不予考慮. 綜上所述，筆者對(duì)CO2的初始泄漏壓力、初始飽和度和斷層滲透性能這3個(gè)不確定因素進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了如表3所示的模擬方案.
表3 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)表
經(jīng)重力平衡計(jì)算，模型底板處地層壓力為17.1 MPa，base-case、case1、case2分別考慮了CO2初始?jí)毫Ω哂诘貙訅毫?.5、0.2、1.0 MPa的情況，其模擬結(jié)果對(duì)比分析可得到CO2初始?jí)毫?duì)泄漏量和泄漏速率的影響；case3、case4與base-case對(duì)比可知CO2初始飽和度的作用，case5和case6則是考慮了斷層滲透性能的影響. 每個(gè)敏感性研究方案模型的邊界條件與2.3節(jié)描述的保持一致. 考慮到孔隙度和滲透率存在一定的正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)改變斷層滲透率時(shí)，對(duì)其孔隙度值也進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，依據(jù)實(shí)際巖性資料中的滲透率數(shù)值范圍進(jìn)行分級(jí)，不同方案中斷層孔滲參數(shù)如表4所示.
表4 斷層滲透率分級(jí)結(jié)果
注：紅色虛線框代表斷層的分布范圍.圖2 泄漏過(guò)程中CO2飽和度時(shí)空分布Fig.2 Spatial and temporal distribution of saturation of CO2 during leakage
3 結(jié)果分析
3.1 CO2沿?cái)鄬拥倪\(yùn)移規(guī)律
CO2沿?cái)鄬有孤?、5、10、30、50、100 a時(shí)的飽和度分布如圖2所示.
由圖2可知，隨著時(shí)間的推移，CO2沿著斷層向上泄漏，30 a后運(yùn)移至上覆含水層，此后，由于上覆含水層的阻礙作用不再向上泄漏. 泄漏到上覆含水層內(nèi)的CO2在浮力的作用下聚集在頂板處，并向水平方向擴(kuò)散；同時(shí)，在無(wú)斷層處，儲(chǔ)層中的CO2以極緩慢的速度向蓋層中運(yùn)移. CO2泄漏100 a后，泄漏到上覆含水層中的CO2在水平方向擴(kuò)散了200 m，而蓋層內(nèi)的CO2垂向運(yùn)移距離不到10 m，表明斷層是CO2向上覆含水層甚至地表泄漏的主要通道. CO2的泄漏會(huì)引起產(chǎn)生嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，而不同的CO2泄漏量產(chǎn)生的影響程度也大不相同，因此要對(duì)CO2泄漏量的影響因素進(jìn)行分析，依據(jù)分析結(jié)果可采取相應(yīng)防治措施，從而降低儲(chǔ)層中CO2發(fā)生泄漏的可能性.
3.2 影響因素分析
3.2.1斷層滲透性能對(duì)泄漏量的影響
通過(guò)對(duì)比分析base-case、case5及case6的結(jié)果，研究其他條件相同時(shí)斷層滲透性能對(duì)CO2泄漏量的影響. 斷層不同滲透性能條件下CO2泄漏到上覆含水層的量及泄漏速率隨時(shí)間的變化特征如圖3所示. 由圖3可見(jiàn)，斷層滲透率增大可引起CO2泄漏量和泄漏速率明顯增加. 100 a時(shí)，中滲條件下CO2的泄漏量約為 1 050 t，高滲條件下可達(dá)到約 3 000 t，而當(dāng)斷層為低滲透性時(shí)(最大滲透率為10-14m2，孔隙度為0.25)，CO2的泄漏速率和泄漏量均為零，這是由于低滲透率時(shí)CO2泄漏速率較小，100 a內(nèi)不易穿透垂向厚度如此大的低滲斷層而泄漏至上覆含水層. 另外，斷層滲透性能明顯影響了CO2在斷層內(nèi)的運(yùn)移速率，進(jìn)而影響CO2泄漏到上覆含水層的總量. 斷層滲透性能越好，CO2泄漏至上覆含水層的時(shí)間越早，高滲條件下CO2在第8年時(shí)即發(fā)生了泄漏，而中滲條件下第22年時(shí)才發(fā)生泄漏，這也體現(xiàn)了高滲斷層可能成為CO2泄漏的優(yōu)勢(shì)通道.
100 a時(shí)低滲斷層內(nèi)的CO2飽和度分布如圖4所示，100 a時(shí)CO2沿?cái)鄬觾H運(yùn)移了約260 m，未泄漏至上覆含水層，解釋了圖5中泄漏量和泄漏速率均為零的現(xiàn)象. 因此，即使地層中存在斷層，當(dāng)其為壓扭性斷層，滲透性較差時(shí)，在一定時(shí)期內(nèi)仍可以忽略其對(duì)CO2封存產(chǎn)生的影響.
注：紅色虛線框代表斷層的分布范圍.圖4 低滲條件下100 a時(shí)CO2飽和度分布Fig.4 The distribution of CO2 saturation on 100 years under low permeability
3.2.2CO2初始飽和度
對(duì)比分析base-case、case3和case4的模擬結(jié)果，研究其他條件相同時(shí)，CO2初始飽和度對(duì)CO2泄漏量的影響. 不同初始飽和度下CO2沿?cái)鄬有孤┑缴细埠畬又械男孤┝亢托孤┧俾孰S時(shí)間的變化特征如圖5所示，其他條件相同時(shí)，儲(chǔ)層中CO2的初始飽和度越大，其泄漏量和泄漏速率就越大，發(fā)生泄漏的時(shí)間也越早. CO2初始飽和度為0.20、0.50和0.99時(shí)，100 a的累積泄漏量分別可達(dá)到550、1 050 和 1 650 t. 另外，當(dāng)初始飽和度從0.20增至0.50時(shí)，泄漏時(shí)間提前了約20 a；初始飽和度從0.50增至0.99時(shí)，泄漏時(shí)間提前了約5 a. 與斷層滲透性能的影響效果不同的是，初始飽和度的降低不會(huì)阻止CO2的泄漏，泄漏速率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，最終達(dá)到穩(wěn)定值，主要原因是CO2泄漏后期地層壓差減小并趨于穩(wěn)定，壓力梯度帶來(lái)的動(dòng)力作用也就趨于穩(wěn)定.
CO2初始飽和度： 1—0.20； 2—0.50； 3—0.99. 圖5 不同初始飽和度下CO2泄漏量和泄漏速率隨時(shí)間的變化特征Fig.5 The variations of amount and rate of CO2 leakage over time under condition of different initial saturation
CO2初始泄漏壓力/MPa： 1—17.3； 2—17.6； 3—18.1.圖6 不同初始泄漏壓力下CO2泄漏量和泄漏速率隨時(shí)間的變化特征Fig.6 The variations of amount and rate of CO2 leakage over time under condition of different initial leak pressure
3.2.3初始泄漏壓力
對(duì)比分析base-case、case1、case2的模擬結(jié)果，研究在其他條件相同時(shí)，不同初始泄漏壓力對(duì)CO2泄漏量的影響. 不同初始泄漏壓力下CO2沿?cái)鄬有孤┑缴细埠畬又械男孤┝亢托孤┧俾孰S時(shí)間的變化特征如圖6所示. 從圖6可以看出，初始?jí)毫υ酱螅孤┝吭酱螅l(fā)生泄漏的時(shí)間也越早. 初始泄漏壓力為17.3、17.6和18.1 MPa時(shí)，CO2的累積泄漏量分別達(dá)到了900、1 050、1 400 t. 初始泄漏壓力依次從17.3 MPa增至17.6和18.1 MPa時(shí)，CO2泄漏至上覆含水層的時(shí)間均提前了約8 a，說(shuō)明初始泄漏壓力對(duì)CO2泄漏過(guò)程的影響較為明顯. 泄漏速率隨時(shí)間變化的整體趨勢(shì)是先增后減，最終趨于穩(wěn)定. 在泄漏前期，最大泄漏速率與初始泄漏壓力呈正相關(guān)，但在后期趨于穩(wěn)定時(shí)，三者的泄漏速率變化曲線基本重合，這可能是因?yàn)閴毫鬟f較快，前期初始泄漏壓力越大，與地層的壓力差就越大，泄漏速率也就越大，后期壓力傳遞完成，三種初始泄漏壓力產(chǎn)生的壓差差異縮小甚至消失，泄漏速率也就趨于一致.
不同初始飽和度和泄漏壓力下的CO2平均泄漏速率如圖7所示，可以看出，初始飽和度增量為0.3時(shí)，平均泄漏速率從6.00 t/a增至10.86 t/a，增加了4.86 t/a，而初始泄漏壓力增量為0.3 MPa時(shí)，平均泄漏速率只增加1.3 t/a. 另外，初始飽和度和泄漏壓力分別增加0.5和0.5 MPa時(shí)，平均泄漏速率分別增加了5.95和3.11 t/a，因此可認(rèn)為相比初始泄漏壓力，初始飽和度對(duì)CO2平均泄漏速率的作用更為明顯.
圖7 初始飽和度和泄漏壓力變化時(shí)平均泄漏速率變化特征Fig.7 The average leakage rate curve under the variation of initial saturation and leak pressure
相比以往研究區(qū)內(nèi)的研究[39- 41]而言，該研究考慮了地質(zhì)封存時(shí)CO2自身特征即CO2初始飽和度和泄漏壓力對(duì)泄漏量的影響，同時(shí)與前人研究認(rèn)為較重要的因素——斷層滲透性能的影響效果對(duì)比分析，可發(fā)現(xiàn)斷層滲透性能較差時(shí)，CO2在一定時(shí)期內(nèi)可能不會(huì)發(fā)生泄漏，而CO2初始飽和度和泄漏壓力則不會(huì)產(chǎn)生這樣的作用.
4 結(jié)論
a) CO2在壓力差和濃度差的作用下會(huì)沿?cái)鄬酉蛏习l(fā)生泄漏，當(dāng)遇到上覆含水層時(shí)CO2會(huì)進(jìn)入到含水層中. 在浮力的作用下，CO2會(huì)在上覆含水層的頂板處聚集，并逐漸在含水層內(nèi)部產(chǎn)生水平方向擴(kuò)散，泄漏100 a時(shí)，水平方向擴(kuò)散距離達(dá)到約200 m.
b) CO2的泄漏量和泄漏速率與斷層的滲透率和儲(chǔ)層中CO2初始飽和度在整個(gè)泄漏期內(nèi)均呈正相關(guān). 隨著斷層滲透率和儲(chǔ)層中CO2初始飽和度的增加，CO2泄漏至含水層的時(shí)間也會(huì)提前. 斷層滲透性能較差時(shí)，100 a內(nèi)沒(méi)有CO2泄漏至含水層，而從中滲條件增加到高滲條件時(shí)，泄漏時(shí)間提前了14 a；CO2初始飽和度從0.20增至0.50時(shí)，發(fā)生泄漏的時(shí)間提前了20 a；從0.50增至0.99時(shí)，提前了5 a，基本可以說(shuō)明斷層滲透性能對(duì)CO2泄漏的影響程度要大于CO2初始飽和度.
c) 泄漏前期，CO2初始泄漏壓力對(duì)CO2的泄漏量和泄漏速率影響較大，但是泄漏后期不同CO2初始泄漏壓力下的泄漏速率基本相同. 這主要是由于泄漏后期壓力傳遞完成，不同初始泄漏壓力產(chǎn)生的壓差差異縮小甚至消失引起的.
d) 斷層滲透性能、CO2初始飽和度及初始泄漏壓力均是CO2泄漏過(guò)程的重要影響因素，其影響主要體現(xiàn)在泄漏發(fā)生時(shí)間、泄漏量及平均泄漏速率這三方面. 斷層滲透性能為低滲、中滲和高滲條件時(shí)，CO2累積泄漏量分別為0、1 050 和 3 000 t；CO2初始飽和度分別為0.20、0.50和0.99時(shí)，累積泄漏量分別為550、1 050 和 1 650 t；初始泄漏壓力分別為17.3、17.6和18.1 MPa時(shí)，累積泄漏量則分別為900、1 050、1 400 t. 結(jié)合泄漏發(fā)生時(shí)間及平均泄漏速率的分析結(jié)果，可認(rèn)為三者對(duì)CO2沿?cái)鄬有孤┻^(guò)程的影響程度由大至小依次為斷層滲透性能>CO2初始飽和度>CO2初始泄漏壓力.
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Factors Influencing Amount of CO2Leakage through a Fault Zone in Deep Storage Aquifer
XIA Yingli1,2, XU Tianfu1,2, YANG Zhijie1,2, FENG Guanhong1,2, YUAN Yilong1,2, TIAN Hailong1,2*
1.College of Environment and Resources, Jilin University, Changchun 130021, China 2.Key Lab of Groundwater Resources and Environment of Ministry of Education, Jilin University, Changchun 130021, China
X511
1001- 6929(2017)10- 1533- 09
A
10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.88
2017-01-02
2017-06-15
大型煤氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2016ZX05016- 005)；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(121201012000150010)
夏盈莉(1995-)，女，河南信陽(yáng)人，18844190406@163.com.
*責(zé)任作者，田海龍(1978-)，男，吉林長(zhǎng)春人，講師，博士，主要從事地下水多相、多組分反應(yīng)溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究，thl@jlu.edu.cn
夏盈莉,許天福,楊志杰,等.深部?jī)?chǔ)層中CO2沿?cái)鄬有孤┝康挠绊懸蛩豙J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(10):1533- 1541.
XIA Yingli,XU Tianfu,YANG Zhijie,etal.Factors influencing amount of CO2leakage through a fault zone in deep storage aquifer[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(10):1533- 1541.
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夏盈莉, 許天福, 楊志杰, 封官宏, 袁益龍, 田海龍*
1.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130021 2.吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長(zhǎng)春 130021
深部?jī)?chǔ)層中CO2沿?cái)鄬有孤┝康挠绊懸蛩?/p>
夏盈莉1,2, 許天福1,2, 楊志杰1,2, 封官宏1,2, 袁益龍1,2, 田海龍1,2*
1.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130021 2.吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長(zhǎng)春 130021
CGS(CO2地質(zhì)儲(chǔ)存)是CO2減排的重要手段之一，天然裂隙的存在則是CGS的潛在風(fēng)險(xiǎn). CO2地質(zhì)儲(chǔ)存過(guò)程中儲(chǔ)層上覆蓋層及其淺部含水層是防止CO2泄漏的天然屏障，為了探究深部咸水層中CO2沿?cái)鄬拥男孤┻^(guò)程并獲得斷層滲透率及儲(chǔ)層中超臨界CO2流體初始條件(初始飽和度、初始泄漏壓力)對(duì)CO2沿?cái)鄬有孤┧俾屎托孤┝康挠绊懗潭龋罁?jù)鄂爾多斯CO2灌注工程示范區(qū)資料，使用多相、多組分溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬軟件TOUGH2建立了2D概念模型. 結(jié)果表明，深部咸水層中的CO2在壓力差和濃度差的作用下沿?cái)鄬影l(fā)生泄漏，到達(dá)淺部含水層后開(kāi)始發(fā)生側(cè)向運(yùn)移，100 a內(nèi)運(yùn)移了約200 m的水平距離；由于浮力的作用，CO2集中在含水層頂板處，有效地防止了CO2向外泄漏. 影響因素分析表明，100 a內(nèi)斷層滲透性能為低滲、中滲和高滲條件時(shí)，CO2累積泄漏量分別為0、1 050 和 3 000 t；CO2初始飽和度分別為0.20、0.50和0.99時(shí)，CO2累積泄漏量分別為550、1 050 和 1 650 t；初始泄漏壓力分別為17.3、17.6和18.1 MPa時(shí)，CO2累積泄漏量則分別為900、1 050 和 1 400 t. 除此之外，斷層滲透性、CO2初始?xì)怏w飽和度和初始泄漏壓力對(duì)CO2泄漏的影響還體現(xiàn)在泄漏發(fā)生時(shí)間和平均泄漏速率上. 研究顯示，各因素對(duì)CO2沿?cái)鄬有孤┻^(guò)程的影響程度表現(xiàn)為斷層滲透性能>CO2初始飽和度> CO2初始泄漏壓力.
CO2； 泄漏量； 斷層； 數(shù)值模擬； 鄂爾多斯盆地
Abstract： Carbon dioxide geological storage (CGS) is one of the important ways to mitigate CO2. However, the presence of natural fractures is a potential risk of CGS. The cap rock and shallow aquifers covering a CO2reservoir may be a natural barrier to prevent CO2from leaking. According to the data of Ordos CO2storage demonstration site, we established a 2D conceptual model based on the migration theory of multi-component and multiphase flow, using the numerical simulation software TOUGH2 to study the process of CO2leakage along a fault from a deep saline aquifer, and to analyze the influence of fault porosity, permeability and the initial conditions of CO2fluid (initial saturation, leak pressure) on the amount of CO2leakage along the fault. The results showed that CO2in deep saline aquifer will leak along the fault under the action of pressure difference and concentration difference, and then migrate laterally in the shallow aquifer. The distance of migration is about 200 m in 100 years. CO2will be concentrated on the top because of buoyancy, and the aquifer can effectively prevent the leakage of CO2. The analyses of uncertain parameters showed that the accumulation of CO2leakage was 0, 1050 and 3000 t when fault permeability was low, medium and high respectively over 100 years, and the accumulation of CO2leakage was 550, 1050 and 1650 t when CO2initial saturation was 0.20, 0.50 and 0.99 respectively. Moreover, the accumulation of CO2leakage was 900, 1050 and 1400 t when CO2initial leak pressure was 17.3, 17.6 and 18.1 MPa respectively. In addition, the leakage time and average leakage rate of CO2have to do with the different levels of these three factors, and the effects of each influencing factor in the process of CO2leakage can be arranged as follows: fault permeability > CO2initial saturation > CO2initial leak pressure.
Keywords： CO2; leakage amount; fault; numerical simulation; Ordos Basin
工業(yè)活動(dòng)在推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)也產(chǎn)生了大量的CO2，加速了全球變暖的腳步[1]. 將CO2捕集起來(lái)埋藏到地球深部合適地層中[2- 6]是實(shí)現(xiàn)CO2減排的一個(gè)重要手段[7- 9]，大量CO2被封存在儲(chǔ)層中后會(huì)受到壓力梯度的作用而發(fā)生運(yùn)移擴(kuò)散. 由于地層的非均質(zhì)性，CO2流體在運(yùn)移擴(kuò)散過(guò)程中可能會(huì)遇到地層沉積過(guò)程中形成的斷層等優(yōu)勢(shì)通道，從而泄漏到淺部含水層甚至地表，對(duì)淺層地下水和地表的生態(tài)環(huán)境造成污染[10]. Lewicki等[11]對(duì)已發(fā)生的CO2泄漏事件的起因、特征及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)等進(jìn)行歸納總結(jié)，從中得到地質(zhì)封存的CO2可能會(huì)沿著廢棄井筒或天然裂隙、地震誘發(fā)斷層等通道發(fā)生泄漏的相關(guān)認(rèn)知.
關(guān)于CO2的泄漏問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外有許多專家學(xué)者都進(jìn)行了研究，如Nordbotten等[12]利用多層CO2儲(chǔ)層和多個(gè)可作為CO2泄漏途徑的井筒模型預(yù)測(cè)CO2的泄漏量，其模擬過(guò)程較靈活，模擬結(jié)果也可適用于多個(gè)地區(qū)；KANG等[13]對(duì)近海碳封存時(shí)CO2沿?cái)鄬拥男孤┻^(guò)程進(jìn)行模擬，并研究了不同CO2注入速率的影響；Pruess等[14- 16]利用數(shù)值模擬方法，研究了沿裂隙和廢棄井筒泄漏時(shí)CO2的相態(tài)變化過(guò)程；以上研究著眼于CO2的泄漏過(guò)程，Apps等[17- 18]則采用試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬的方法說(shuō)明了CO2的泄漏會(huì)對(duì)上覆含水層的水質(zhì)造成影響，體現(xiàn)了研究CO2泄漏問(wèn)題的必要性. 在對(duì)CO2泄漏問(wèn)題進(jìn)行研究時(shí)，還要考慮影響CO2泄漏量的因素，從而能更好地控制CO2的泄漏，LU等[19]分別對(duì)蓋層、含水層和斷層的滲透率進(jìn)行了敏感性分析，結(jié)果顯示，斷層滲透率對(duì)CO2泄漏量的影響程度最大；Antonio等[20]在進(jìn)行CO2沿?cái)鄬有孤┑哪M時(shí)，探討了蓋層和儲(chǔ)層厚度對(duì)泄漏量的影響. 綜合而言，目前國(guó)外對(duì)CO2泄漏問(wèn)題的研究主要集中在泄漏過(guò)程中的相變以及CO2的泄漏對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響等方面，多是對(duì)某一場(chǎng)地條件下CO2的泄漏過(guò)程加以刻畫或?qū)⒀芯拷Y(jié)果應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)地加以驗(yàn)證，而關(guān)于CO2泄漏量影響因素的研究則多著重于地層固有性質(zhì)的影響程度的探討. 但在實(shí)際工程中選定施工地點(diǎn)后，這些因素便不可改變，該研究主要考慮可控因素對(duì)CO2泄漏量的影響，可為CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程實(shí)施提供一定的參考依據(jù). 另外，由于斷層滲透率對(duì)CO2泄漏量的作用較為明顯，是一個(gè)不可忽略的影響因素，在研究過(guò)程中也要考慮. 目前國(guó)內(nèi)關(guān)于CO2泄漏問(wèn)題的研究較少，多是對(duì)泄漏過(guò)程進(jìn)行了定性分析[21- 23]，其中胡葉軍等[24]考慮了斷層與注入井間距離、斷層傾角、斷層破碎帶寬度、斷層滲透率、CO2注入速率及注入深度對(duì)CO2泄漏量的影響，對(duì)斷層性質(zhì)方面的因素考慮得較為全面，但未考慮CO2初始特征的作用，其認(rèn)為斷層破碎帶寬度和斷層滲透率的影響程度最強(qiáng)，再一次說(shuō)明了斷層滲透率是不可忽略的因素.
該研究以我國(guó)鄂爾多斯盆地CO2灌注工程示范場(chǎng)地為研究區(qū)[25- 26]，以劉家溝組為目標(biāo)儲(chǔ)層建立深部咸水層[27- 31]中CO2沿?cái)鄬有孤┑臄?shù)值模型，分析CO2沿?cái)鄬有孤┑倪\(yùn)移規(guī)律，并探討斷層滲透性能、初始泄漏壓力、CO2初始飽和度等不確定因素對(duì)CO2泄漏速率和泄漏量的影響規(guī)律，以期為CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程選址和灌注工作提供參考.
1 研究區(qū)概況
鄂爾多斯盆地位于陜西省和內(nèi)蒙古交界處，地形較平緩，海拔總體較高，為北溫帶干旱、半干旱大陸性氣候. 研究區(qū)內(nèi)從老至新發(fā)育古生界至新生界地層[32- 33]，其中太原組、山西組、石盒子組、石千峰組、劉家溝組為CO2儲(chǔ)層，和尚溝組、紙坊組和延長(zhǎng)組為蓋層. 該研究以劉家溝組地層為目標(biāo)儲(chǔ)層，儲(chǔ)層巖性以含礫砂巖、粗砂巖為主，孔滲條件較好，蓋層以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主要巖性，基本不透水. 經(jīng)物探資料分析，區(qū)內(nèi)斷層一般為近南-北走向，構(gòu)造較為單一，距注入井2 km范圍內(nèi)約有16條斷層，其中有5條貫穿劉家溝組. 因此，研究區(qū)內(nèi)存在的斷層可能會(huì)成為CO2泄漏的通道. 通過(guò)收集和分析鄂爾多斯盆地場(chǎng)地資料和射孔數(shù)據(jù)，可知盆地多數(shù)地區(qū)地溫梯度為2.0～2.8 ℃(100 m)，只在盆地中南部地區(qū)出現(xiàn)大于3.0 ℃(100 m)的地溫梯度，平均為2.7 ℃(100 m)[34]. 研究區(qū)內(nèi)地層壓力符合靜水壓力分布規(guī)律；盆地內(nèi)含水系統(tǒng)包括寒武系-奧陶系碳酸鹽巖巖溶含水系統(tǒng)、白堊系碎屑巖裂隙孔隙含水系統(tǒng)及石炭-侏羅碎屑巖裂隙與上覆松散層孔隙含水層系統(tǒng)[35]，研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地中東部，區(qū)內(nèi)含水系統(tǒng)主要為白堊系碎屑巖裂隙孔隙含水系統(tǒng)，部分地區(qū)為石炭-侏羅碎屑巖裂隙與上覆松散層孔隙含水層系統(tǒng)，即區(qū)內(nèi)含水層主要分布在白堊系、石炭-侏羅系地層中，厚度為60～80 m.
2 研究方法
2.1 模擬工具及控制方程簡(jiǎn)介
采用多相流多組分?jǐn)?shù)值模擬軟件TOUGH2進(jìn)行模擬，使用ECO2M模塊，模擬時(shí)間為100 a. TOUGH2是國(guó)際上公認(rèn)的模擬一維、二維和三維孔隙或裂隙介質(zhì)中多相流、多組分及非等溫的水流及熱量傳遞的數(shù)值模擬程序. ECO2M是TOUGH2中一個(gè)可以綜合刻畫深部咸水層中H2O-CO2-NaCl多相混合物的熱力學(xué)和熱物理性質(zhì)變化的模塊，它考慮了CO2可能出現(xiàn)的所有相態(tài)，包括超臨界和亞臨界、液相和氣相以及各種相態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程，適用的溫壓范圍是10～110 ℃、≤60 MPa[36].
該研究主要分析CO2-咸水-熱量的作用過(guò)程，不考慮化學(xué)作用，基于此可建立質(zhì)量守恒微分方程：
(1)
式中：Mk為k組分的體積質(zhì)量，kg/m3；Fk為k組分的質(zhì)量流速矢量，kg/(s·m2)；qk為k組分的源匯項(xiàng). 基于式(1)，可分別對(duì)模型中咸水、CO2和熱量建立質(zhì)量守恒方程，如式(2)～(4)：
(4)
式中：sl和sg分別指模型中液相、氣相飽和度，滿足sl+sg=1；ρl、ρg、ρs分別指液相、氣相、固相的密度，kg/m3；Xwl、Xwg分別指液相、氣相中咸水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Xcl、Xcg分別指液相、氣相中CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；φ為巖石骨架孔隙度；k為絕對(duì)滲透率，m2；krl、krg分別指液相、氣相的相對(duì)滲透率；μl、μg分別指液相、氣相的動(dòng)力黏滯系數(shù)，Pa·s；Pl、Pg分別指液相、氣相壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；qwl、qwg、qcl、qcg、qh分別指液相中咸水的源匯項(xiàng)、氣相中咸水的源匯項(xiàng)、液相中CO2源匯項(xiàng)、氣相中CO2源匯項(xiàng)、熱相關(guān)源匯項(xiàng)；Ul、Ug、Us分別指液相、氣相、固相中的內(nèi)能，J/kg；hl、hg分別指液相、氣相在巖體中的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K).
2.2 二維儲(chǔ)蓋層巖相概念模型構(gòu)建
為了分析CO2沿?cái)鄬拥倪\(yùn)移及擴(kuò)散規(guī)律，建立二維概念模型(見(jiàn)圖1). 實(shí)際場(chǎng)地資料顯示，劉家溝組底板埋深為 1 699 m，其上部石炭-侏羅系地層內(nèi)分布有含水層. TAO等[37]在2013年的研究結(jié)果顯示，透水地層會(huì)使斷層頂部CO2的流量降為零，說(shuō)明透水地層能夠有效地阻止CO2泄漏，因此只考慮CO2沿?cái)鄬酉蛏闲孤┑阶畹撞亢畬拥那闆r. 根據(jù)實(shí)測(cè)資料，最底部含水層處于三疊系紙坊組砂巖巖層中，將其頂板埋深設(shè)定為 1 300 m. 另外為了直觀顯示含水層對(duì)CO2泄漏的阻礙作用，實(shí)際模擬范圍應(yīng)高于含水層頂板一定厚度，此處設(shè)置為100 m，因此模型垂向高度取499 m；另外根據(jù)地層巖性條件將水平方向?qū)挾仍O(shè)定為200 m. 當(dāng)考慮斷層時(shí)，CO2在斷層兩側(cè)的運(yùn)移規(guī)律相同，所以只討論斷層一側(cè)的變化規(guī)律即可. 實(shí)際資料顯示，在注入井2 km范圍內(nèi)有16條斷層，其中有5條切入劉家溝組地層，分布穿切關(guān)系較復(fù)雜，不易刻畫，該研究將其簡(jiǎn)化為一條寬為5 m的直立斷層，連接上覆含水層和劉家溝組儲(chǔ)層，即斷層高度為339 m.
為了使模擬結(jié)果更貼近實(shí)際，在對(duì)模型進(jìn)行空間離散時(shí)采用不等距剖分：垂向上在含水層和底板處加密，其余等距剖分，每層10 m，共剖分為73層；水平方向上在斷層處加密，將寬度為5 m的斷層等距剖分為10列，每列0.5 m，其余每列寬度從1～30 m遞增，共剖分為44列.
在該研究數(shù)值模型中，將CO2儲(chǔ)層刻畫為底部一層網(wǎng)格，網(wǎng)格體積計(jì)算方法如式(5).
VCO2=VS×a×φ=MCO2/ρ
(5)
圖1 CO2沿?cái)鄬有孤┑亩S概念模型示意Fig.1 2D conceptual model of CO2 leakage through a fault zone
式中：VCO2為儲(chǔ)存的CO2體積，m3;MCO2為儲(chǔ)存的CO2質(zhì)量，kg；ρ為超臨界CO2密度，kg/m3；a為儲(chǔ)層中CO2飽和度；VS為儲(chǔ)存一定質(zhì)量CO2所需的地層體積，m3.
根據(jù)實(shí)際工程資料可知，研究區(qū)CO2的總儲(chǔ)存量為2×108kg，儲(chǔ)層孔隙度為0.1，超臨界CO2密度約為700 kg/m3，初始飽和度設(shè)置為0.5，計(jì)算可得所需地層體積為5.72×106m3，即為底部44個(gè)網(wǎng)格的總體積.
2.3 儲(chǔ)蓋層數(shù)值模型參數(shù)及定解條件設(shè)置
儲(chǔ)蓋層數(shù)值模型的物性參數(shù)依據(jù)實(shí)際地層測(cè)試結(jié)果設(shè)置如表1所示. 蓋層的滲透率為1.0×10-17m2，孔隙度為0.10；含水層的滲透率為2.8×10-14m2，孔隙度為0.25；在模型設(shè)置時(shí)將斷層刻畫為砂巖斷裂帶，其孔滲條件是水平方向漸變的. 參考Gherardi等[38]對(duì)斷裂帶的分區(qū)方法，將5 m寬的斷層等分為5個(gè)區(qū)域，一區(qū)為斷層核部，其孔滲條件最好，滲透率為100×10-15m2，孔隙度為0.35；五區(qū)靠近圍巖，孔滲條件最差，滲透率為0.1×10-15m2，孔隙度為0.15，各區(qū)具體取值見(jiàn)表2. 數(shù)值模型模擬時(shí)間為100 a.
表1 數(shù)值模型主要地層孔滲參數(shù)
表2 斷層水平方向孔滲條件分區(qū)結(jié)果
模型的定解條件包括初始和邊界條件，其中初始條件包括壓力、鹽度、CO2飽和度及溫度，模型中初始?jí)毫?chǎng)和溫度場(chǎng)的分布分別按照靜水壓力平衡和地溫梯度給定；模型主體為蓋層，被咸水充填，所以CO2初始飽和度為0；鹽度依據(jù)實(shí)際地層水樣資料設(shè)定為0.03. 依據(jù)實(shí)際資料將模型底部CO2儲(chǔ)層壓力設(shè)定為17.6 MPa，飽和度為0.5. 考慮到模型邊界對(duì)數(shù)值解的影響，將遠(yuǎn)離斷層的右側(cè)邊界設(shè)定為第一類邊界；考慮到模型頂?shù)装搴蛿鄬油膺吔绲淖饔靡约盁崃總鬟f，將上下邊界和左側(cè)邊界設(shè)定為隔水導(dǎo)熱邊界.
2.4 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)
由文獻(xiàn)[24]可知，深部咸水層中CO2沿?cái)鄬有孤┻^(guò)程主要受CO2的初始條件和斷層特征兩方面的影響. CO2的初始條件主要包括初始?jí)毫Α柡投取囟群宛鹊龋渲叙纫话爿^固定，約為0.03 Pa·s，溫度主要受地層溫度的控制，也不會(huì)輕易發(fā)生變化，所以該研究主要考慮底部?jī)?chǔ)層中CO2的初始?jí)毫惋柡投冗@兩個(gè)因素. 除此之外，斷層的物性特征(斷層規(guī)模、孔滲條件等)也會(huì)對(duì)CO2泄漏量產(chǎn)生影響. 由于一個(gè)地區(qū)的斷層規(guī)模在一定時(shí)期內(nèi)是固定的，所以該研究不予考慮. 綜上所述，筆者對(duì)CO2的初始泄漏壓力、初始飽和度和斷層滲透性能這3個(gè)不確定因素進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了如表3所示的模擬方案.
表3 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)表
經(jīng)重力平衡計(jì)算，模型底板處地層壓力為17.1 MPa，base-case、case1、case2分別考慮了CO2初始?jí)毫Ω哂诘貙訅毫?.5、0.2、1.0 MPa的情況，其模擬結(jié)果對(duì)比分析可得到CO2初始?jí)毫?duì)泄漏量和泄漏速率的影響；case3、case4與base-case對(duì)比可知CO2初始飽和度的作用，case5和case6則是考慮了斷層滲透性能的影響. 每個(gè)敏感性研究方案模型的邊界條件與2.3節(jié)描述的保持一致. 考慮到孔隙度和滲透率存在一定的正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)改變斷層滲透率時(shí)，對(duì)其孔隙度值也進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，依據(jù)實(shí)際巖性資料中的滲透率數(shù)值范圍進(jìn)行分級(jí)，不同方案中斷層孔滲參數(shù)如表4所示.
表4 斷層滲透率分級(jí)結(jié)果
注：紅色虛線框代表斷層的分布范圍.圖2 泄漏過(guò)程中CO2飽和度時(shí)空分布Fig.2 Spatial and temporal distribution of saturation of CO2 during leakage
3 結(jié)果分析
3.1 CO2沿?cái)鄬拥倪\(yùn)移規(guī)律
CO2沿?cái)鄬有孤?、5、10、30、50、100 a時(shí)的飽和度分布如圖2所示.
由圖2可知，隨著時(shí)間的推移，CO2沿著斷層向上泄漏，30 a后運(yùn)移至上覆含水層，此后，由于上覆含水層的阻礙作用不再向上泄漏. 泄漏到上覆含水層內(nèi)的CO2在浮力的作用下聚集在頂板處，并向水平方向擴(kuò)散；同時(shí)，在無(wú)斷層處，儲(chǔ)層中的CO2以極緩慢的速度向蓋層中運(yùn)移. CO2泄漏100 a后，泄漏到上覆含水層中的CO2在水平方向擴(kuò)散了200 m，而蓋層內(nèi)的CO2垂向運(yùn)移距離不到10 m，表明斷層是CO2向上覆含水層甚至地表泄漏的主要通道. CO2的泄漏會(huì)引起產(chǎn)生嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，而不同的CO2泄漏量產(chǎn)生的影響程度也大不相同，因此要對(duì)CO2泄漏量的影響因素進(jìn)行分析，依據(jù)分析結(jié)果可采取相應(yīng)防治措施，從而降低儲(chǔ)層中CO2發(fā)生泄漏的可能性.
3.2 影響因素分析
3.2.1斷層滲透性能對(duì)泄漏量的影響
通過(guò)對(duì)比分析base-case、case5及case6的結(jié)果，研究其他條件相同時(shí)斷層滲透性能對(duì)CO2泄漏量的影響. 斷層不同滲透性能條件下CO2泄漏到上覆含水層的量及泄漏速率隨時(shí)間的變化特征如圖3所示. 由圖3可見(jiàn)，斷層滲透率增大可引起CO2泄漏量和泄漏速率明顯增加. 100 a時(shí)，中滲條件下CO2的泄漏量約為 1 050 t，高滲條件下可達(dá)到約 3 000 t，而當(dāng)斷層為低滲透性時(shí)(最大滲透率為10-14m2，孔隙度為0.25)，CO2的泄漏速率和泄漏量均為零，這是由于低滲透率時(shí)CO2泄漏速率較小，100 a內(nèi)不易穿透垂向厚度如此大的低滲斷層而泄漏至上覆含水層. 另外，斷層滲透性能明顯影響了CO2在斷層內(nèi)的運(yùn)移速率，進(jìn)而影響CO2泄漏到上覆含水層的總量. 斷層滲透性能越好，CO2泄漏至上覆含水層的時(shí)間越早，高滲條件下CO2在第8年時(shí)即發(fā)生了泄漏，而中滲條件下第22年時(shí)才發(fā)生泄漏，這也體現(xiàn)了高滲斷層可能成為CO2泄漏的優(yōu)勢(shì)通道.
100 a時(shí)低滲斷層內(nèi)的CO2飽和度分布如圖4所示，100 a時(shí)CO2沿?cái)鄬觾H運(yùn)移了約260 m，未泄漏至上覆含水層，解釋了圖5中泄漏量和泄漏速率均為零的現(xiàn)象. 因此，即使地層中存在斷層，當(dāng)其為壓扭性斷層，滲透性較差時(shí)，在一定時(shí)期內(nèi)仍可以忽略其對(duì)CO2封存產(chǎn)生的影響.
注：紅色虛線框代表斷層的分布范圍.圖4 低滲條件下100 a時(shí)CO2飽和度分布Fig.4 The distribution of CO2 saturation on 100 years under low permeability
3.2.2CO2初始飽和度
對(duì)比分析base-case、case3和case4的模擬結(jié)果，研究其他條件相同時(shí)，CO2初始飽和度對(duì)CO2泄漏量的影響. 不同初始飽和度下CO2沿?cái)鄬有孤┑缴细埠畬又械男孤┝亢托孤┧俾孰S時(shí)間的變化特征如圖5所示，其他條件相同時(shí)，儲(chǔ)層中CO2的初始飽和度越大，其泄漏量和泄漏速率就越大，發(fā)生泄漏的時(shí)間也越早. CO2初始飽和度為0.20、0.50和0.99時(shí)，100 a的累積泄漏量分別可達(dá)到550、1 050 和 1 650 t. 另外，當(dāng)初始飽和度從0.20增至0.50時(shí)，泄漏時(shí)間提前了約20 a；初始飽和度從0.50增至0.99時(shí)，泄漏時(shí)間提前了約5 a. 與斷層滲透性能的影響效果不同的是，初始飽和度的降低不會(huì)阻止CO2的泄漏，泄漏速率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，最終達(dá)到穩(wěn)定值，主要原因是CO2泄漏后期地層壓差減小并趨于穩(wěn)定，壓力梯度帶來(lái)的動(dòng)力作用也就趨于穩(wěn)定.
CO2初始飽和度： 1—0.20； 2—0.50； 3—0.99. 圖5 不同初始飽和度下CO2泄漏量和泄漏速率隨時(shí)間的變化特征Fig.5 The variations of amount and rate of CO2 leakage over time under condition of different initial saturation
CO2初始泄漏壓力/MPa： 1—17.3； 2—17.6； 3—18.1.圖6 不同初始泄漏壓力下CO2泄漏量和泄漏速率隨時(shí)間的變化特征Fig.6 The variations of amount and rate of CO2 leakage over time under condition of different initial leak pressure
3.2.3初始泄漏壓力
對(duì)比分析base-case、case1、case2的模擬結(jié)果，研究在其他條件相同時(shí)，不同初始泄漏壓力對(duì)CO2泄漏量的影響. 不同初始泄漏壓力下CO2沿?cái)鄬有孤┑缴细埠畬又械男孤┝亢托孤┧俾孰S時(shí)間的變化特征如圖6所示. 從圖6可以看出，初始?jí)毫υ酱螅孤┝吭酱螅l(fā)生泄漏的時(shí)間也越早. 初始泄漏壓力為17.3、17.6和18.1 MPa時(shí)，CO2的累積泄漏量分別達(dá)到了900、1 050、1 400 t. 初始泄漏壓力依次從17.3 MPa增至17.6和18.1 MPa時(shí)，CO2泄漏至上覆含水層的時(shí)間均提前了約8 a，說(shuō)明初始泄漏壓力對(duì)CO2泄漏過(guò)程的影響較為明顯. 泄漏速率隨時(shí)間變化的整體趨勢(shì)是先增后減，最終趨于穩(wěn)定. 在泄漏前期，最大泄漏速率與初始泄漏壓力呈正相關(guān)，但在后期趨于穩(wěn)定時(shí)，三者的泄漏速率變化曲線基本重合，這可能是因?yàn)閴毫鬟f較快，前期初始泄漏壓力越大，與地層的壓力差就越大，泄漏速率也就越大，后期壓力傳遞完成，三種初始泄漏壓力產(chǎn)生的壓差差異縮小甚至消失，泄漏速率也就趨于一致.
不同初始飽和度和泄漏壓力下的CO2平均泄漏速率如圖7所示，可以看出，初始飽和度增量為0.3時(shí)，平均泄漏速率從6.00 t/a增至10.86 t/a，增加了4.86 t/a，而初始泄漏壓力增量為0.3 MPa時(shí)，平均泄漏速率只增加1.3 t/a. 另外，初始飽和度和泄漏壓力分別增加0.5和0.5 MPa時(shí)，平均泄漏速率分別增加了5.95和3.11 t/a，因此可認(rèn)為相比初始泄漏壓力，初始飽和度對(duì)CO2平均泄漏速率的作用更為明顯.
圖7 初始飽和度和泄漏壓力變化時(shí)平均泄漏速率變化特征Fig.7 The average leakage rate curve under the variation of initial saturation and leak pressure
相比以往研究區(qū)內(nèi)的研究[39- 41]而言，該研究考慮了地質(zhì)封存時(shí)CO2自身特征即CO2初始飽和度和泄漏壓力對(duì)泄漏量的影響，同時(shí)與前人研究認(rèn)為較重要的因素——斷層滲透性能的影響效果對(duì)比分析，可發(fā)現(xiàn)斷層滲透性能較差時(shí)，CO2在一定時(shí)期內(nèi)可能不會(huì)發(fā)生泄漏，而CO2初始飽和度和泄漏壓力則不會(huì)產(chǎn)生這樣的作用.
4 結(jié)論
a) CO2在壓力差和濃度差的作用下會(huì)沿?cái)鄬酉蛏习l(fā)生泄漏，當(dāng)遇到上覆含水層時(shí)CO2會(huì)進(jìn)入到含水層中. 在浮力的作用下，CO2會(huì)在上覆含水層的頂板處聚集，并逐漸在含水層內(nèi)部產(chǎn)生水平方向擴(kuò)散，泄漏100 a時(shí)，水平方向擴(kuò)散距離達(dá)到約200 m.
b) CO2的泄漏量和泄漏速率與斷層的滲透率和儲(chǔ)層中CO2初始飽和度在整個(gè)泄漏期內(nèi)均呈正相關(guān). 隨著斷層滲透率和儲(chǔ)層中CO2初始飽和度的增加，CO2泄漏至含水層的時(shí)間也會(huì)提前. 斷層滲透性能較差時(shí)，100 a內(nèi)沒(méi)有CO2泄漏至含水層，而從中滲條件增加到高滲條件時(shí)，泄漏時(shí)間提前了14 a；CO2初始飽和度從0.20增至0.50時(shí)，發(fā)生泄漏的時(shí)間提前了20 a；從0.50增至0.99時(shí)，提前了5 a，基本可以說(shuō)明斷層滲透性能對(duì)CO2泄漏的影響程度要大于CO2初始飽和度.
c) 泄漏前期，CO2初始泄漏壓力對(duì)CO2的泄漏量和泄漏速率影響較大，但是泄漏后期不同CO2初始泄漏壓力下的泄漏速率基本相同. 這主要是由于泄漏后期壓力傳遞完成，不同初始泄漏壓力產(chǎn)生的壓差差異縮小甚至消失引起的.
d) 斷層滲透性能、CO2初始飽和度及初始泄漏壓力均是CO2泄漏過(guò)程的重要影響因素，其影響主要體現(xiàn)在泄漏發(fā)生時(shí)間、泄漏量及平均泄漏速率這三方面. 斷層滲透性能為低滲、中滲和高滲條件時(shí)，CO2累積泄漏量分別為0、1 050 和 3 000 t；CO2初始飽和度分別為0.20、0.50和0.99時(shí)，累積泄漏量分別為550、1 050 和 1 650 t；初始泄漏壓力分別為17.3、17.6和18.1 MPa時(shí)，累積泄漏量則分別為900、1 050、1 400 t. 結(jié)合泄漏發(fā)生時(shí)間及平均泄漏速率的分析結(jié)果，可認(rèn)為三者對(duì)CO2沿?cái)鄬有孤┻^(guò)程的影響程度由大至小依次為斷層滲透性能>CO2初始飽和度>CO2初始泄漏壓力.
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Factors Influencing Amount of CO2Leakage through a Fault Zone in Deep Storage Aquifer
XIA Yingli1,2, XU Tianfu1,2, YANG Zhijie1,2, FENG Guanhong1,2, YUAN Yilong1,2, TIAN Hailong1,2*
1.College of Environment and Resources, Jilin University, Changchun 130021, China 2.Key Lab of Groundwater Resources and Environment of Ministry of Education, Jilin University, Changchun 130021, China
X511
1001- 6929(2017)10- 1533- 09
A
10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.88
2017-01-02
2017-06-15
大型煤氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2016ZX05016- 005)；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(121201012000150010)
夏盈莉(1995-)，女，河南信陽(yáng)人，18844190406@163.com.
*責(zé)任作者，田海龍(1978-)，男，吉林長(zhǎng)春人，講師，博士，主要從事地下水多相、多組分反應(yīng)溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究，thl@jlu.edu.cn
夏盈莉,許天福,楊志杰,等.深部?jī)?chǔ)層中CO2沿?cái)鄬有孤┝康挠绊懸蛩豙J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(10):1533- 1541.
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