延長油田CO2大氣擴散數值模擬研究及監測點位優化

楊 康，楊 紅,3，沈振振，劉 瑛，梁全勝，楊強強，王 宏，姚振杰，王苛宇，馬振鵬

（1.陜西省CO2封存與提高采收率重點實驗室，陜西 西安 710065；2.陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，陜西 西安 710065；3.西北大學地質學系，陜西 西安 710000；4.陜西延長石油（集團）有限責任公司延長氣田采氣一廠，陜西 延安 716000）

0 引 言

碳捕集、利用與封存（Carbon Capture, Utilization and Storage， CCUS）技術，不僅可以將CO2注入地下深部咸水層封存枯竭油氣藏和不可開采煤層，還可以用于油藏驅油，增大波及面積和提高驅替效率，進而提高采收率[1-3]。經過幾十年的探索與研究，CO2驅油技術已經成為了油藏開發過程中的重要手段[4-6]。但是，由于地質條件的不確定性，以及驅油現場井筒的腐蝕老化，CO2驅油與封存存在泄漏風險[7-8]。

國內外學者研究認為CO2驅油與封存可能存在泄漏風險的途徑為井筒或井口、斷層或裂縫、蓋層或其他封閉帶[9]。CO2沿著地質泄漏通道（斷層、裂縫和蓋層）侵入地層水，污染地層水；CO2沿著工程泄漏通道（井筒或井口）泄漏至大氣中，大氣中過高的CO2濃度嚴重影響動植物的生長[10-12]。1986年喀麥隆的尼奧斯湖CO2泄漏事件是歷史上發生過的最大泄漏事件之一，這次事件對周圍的人類和牲畜都造成了不可逆轉的傷害[13]。大氣中的CO2濃度為0.03%～0.06%，當其濃度為5%時，可能引起呼吸短促和頭疼；當濃度增加到10%時，可能引起人神志不清、頭暈、嚴重的肌肉抽搐；當濃度增加到30%時，可能會引起人行為失控、昏迷甚至死亡[14]。因此，當CO2發生泄漏后，合理的監測點位可以及時發出警示，以便迅速采取響應措施，把對動植物的影響降到最低。

為了研究CO2泄漏到大氣中的擴散規律，眾多學者開展了廣泛研究。LEUNING等[15]研究歸納了CO2封存過程中CO2泄漏到大氣中的6種監測方法。朱前林等[9]利用重氣模型分析研究了CO2運移及體積分數分布特征，并根據分布特征制定了相應的CO2大氣監測方案。LOH等[16]研究發現拉格朗日大氣擴散模型適用于CO2地質封存泄漏，但是當空氣通過源時，示蹤氣體濃度的富集必須大于環境濃度的1%。樊貴縣[17]通過數值模擬的方法研究了神華CCS項目區緩沖罐CO2泄漏在下風向的泄漏規律及對區域監測設備的影響。綜上所述，眾多學者采用了不同的模型和方法研究大氣中CO2運移分布規律，并制定相應的CO2大氣監測方案。由于延長油田地處黃土塬，地貌溝壑縱橫高低起伏，而且陜北地區局部氣象環境復雜，造成CO2濃度擴散方向的不確定性。一旦CO2驅油與封存過程中發生泄漏，不合理的監測點位無法做出迅速響應，這會對陜北地區的動植物和脆弱的生態環境造成不可逆的傷害[18-21]。目前，延長油田已經開展了CO2監測的先導性試驗，但大氣中CO2監測點位有待完善[22]。因此，亟需研究CO2泄漏至大氣后的擴散規律，進而優化監測點位布局，以便迅速做出響應。

本文針對黃土塬地貌，基于Fluent軟件模擬了不同風速、不同泄漏速度下CO2驅油與封存泄漏后在大氣中的擴散規律。結合模擬結果和陜北地區水文環境情況，最終確定監測井場和點位，并且開展CO2濃度的在線監測。本文研究結果可為油氣田礦場驅油封存過程的安全監測提供一些理論依據。

1 大氣CO2濃度擴散數值模擬

1.1 基本假設

受限空間內的空氣作為不可壓縮流體處理，呈湍流狀態；空氣與CO2的混合氣體為理想氣體，遵循理想狀態方程，且在流動過程中不與空氣發生反應；假設溫度為常溫，與外界無熱量交換；假設在泄漏的過程中，泄漏速度保持不變。

1.2 研究方法

運用Fluent軟件對CO2擴散問題進行模擬。首先，建立物理模型，Gambit創建網格并輸出，Fluent讀入網格并檢查；其次，選擇求解器，同時選擇求解的基本方程，確定需要的附件模型和流體的材料物性，指定邊界類型及條件；最后，流場初始化，進行迭代求解計算，檢查并保存結果。結合模擬結果和陜北地區水文環境，最終確定監測井場和監測點位，并且開展CO2濃度的在線監測。

1.3 風速對CO2濃度擴散的影響

此時假設泄漏源為地面，并且泄漏速度保持0.1 m/s。圖1為風速分別為0.6 m/s、2.0 m/s和7.0 m/s時，近地表CO2云的濃度示意圖。由圖1可知，越靠近泄漏源，CO2云顏色越深，此時CO2云的濃度最大。隨著風速的不斷增加，CO2云的濃度在縱向上呈現出一直縮小的趨勢，但是CO2云的濃度在橫向上的擴散距離呈現出先增大后縮小的趨勢。

圖1 不同風速下近地面CO2云的濃度示意圖Fig.1 Schematic diagram of the concentration of the CO2 clouds near the ground under different wind speeds

圖2為不同風速下CO2云的擴散距離變化。由圖2可知，隨著風速的不斷增加，CO2云的擴散距離先增大后減小。當風速為2.0 m/s時，CO2云的擴散距離最遠為47 m，濃度最大的CO2云的擴散距離為15 m。這可能是因為當風速小于2.0 m/s時，風速對CO2云的擴散距離起主導作用；當風速大于2.0 m/s時，不斷增大的風速會引起湍流的增加，會加速CO2與附近大氣的混合。CO2在下風方向擴散的距離隨著風速的增加而增加，但同時大氣的湍流程度也在增大，湍流程度越大，CO2與周圍大氣的混合就越快，CO2就越容易被稀釋。當風速達到2.0 m/s時，風對CO2的稀釋作用成為影響擴散的主要因素，此時CO2可達到的距離會隨著風速的增大而減小。圖3為不同風速下CO2云的寬度變化。由圖3可知，由于自然風是沿X軸負方向吹，風在Z方向的動量遠遠小于X方向的動量，CO2在Z方向擴散時，風起到“稀釋”的主要作用，CO2云的寬度會隨著風速的增加而減小。因此，當泄漏發生時，可以通過增加風速，盡可能“稀釋”CO2，防止對附近的動植物造成傷害。

圖2 不同風速下CO2云的擴散距離變化Fig.2 Changes in the diffusion distance of the CO2 clouds under different wind speeds

圖3 不同風速下CO2云的寬度變化Fig.3 Changes in the width of the CO2 clouds under different wind speeds

1.4 泄漏速度對CO2擴散的影響

此時假設泄漏源為地面，并且風速保持2.0 m/s。世界歷史上地質封存及自然存在的CO2泄漏事件統計結果表明，一般情況下CO2泄漏速度的范圍為0～1.0 m/s[23]，因此，本文泄漏速度取0～1.0 m/s。圖4為泄漏速度分別為0.1 m/s、0.4 m/s和1.0 m/s時，近地表CO2云的濃度示意圖。由圖4可知，越靠近泄漏源，CO2云顏色越深，此時CO2云的濃度最大。隨著泄漏速度的增大，近地表處CO2云的濃度無論在縱向上還是橫向上都在不斷增大。

圖4 不同泄漏速度下近地表CO2云的濃度示意圖Fig.4 Schematic diagram of the concentration of the CO2 clouds near the ground under different leakage rates

圖5為不同泄漏速度下CO2云的擴散距離變化。由圖5可知，當泄漏速度小于0.4 m/s時，隨著泄漏速度的增加CO2云的擴散距離增加得較快；當泄漏速度大于0.4 m/s時，隨著泄漏速度的增加，CO2云的擴散距離增加速率變緩。

圖5 不同泄漏速度下CO2云的擴散距離變化Fig.5 Changes in the diffusion distance of CO2 clouds under different leakage rates

圖6為不同泄漏速度下CO2云的寬度變化。由圖6可知，隨著泄漏速度的不斷增大，CO2云的寬度始終隨泄漏速度線性增加。在風速一定的情況下，CO2隨著泄漏速度的增大而增大，無論是在長度上還是在寬度上都隨之增加，但變化規律各不相同。泄漏速度的大小是影響CO2云的寬度和擴散距離的決定性因素。因此，當泄漏發生后需及時發現泄漏源，并控制泄漏源的泄漏速度，防止泄漏的持續擴大。

圖6 不同泄漏速度下CO2云的寬度變化Fig.6 Changes in the width of the CO2 clouds under different leakage rates

2 大氣CO2監測點位的優化

2.1 區域地質概況

靖邊喬家洼CO2驅先導試驗區位于陜北地區黃土高原，地表為100～200 m厚的第四系黃土覆蓋，因長期遭受雨水侵蝕切割，形成溝谷縱橫，梁峁相間的地貌景觀，地形條件較復雜；地面海拔1 100～1 600 m，地表高差150～250 m。靖邊喬家洼CO2驅先導試驗區的長6油藏埋深1 400～1 600 m，平均孔隙度12.8%，原始地層壓力12.9 MPa，壓力系數0.8，平均滲透率0.75 mD，屬于典型的特低滲透低壓油藏。喬家洼油區長6油藏發育了兩組正交型式的構造裂縫系統，主要為東西向和南北向兩組正向正交裂縫，現今的地應力方向為北東—南西向。

靖邊喬家洼CO2驅先導試驗區從2012年開始投入運行，共實施5口井CO2注入試驗。截至2022年底，累計注入液態CO2約10萬t。CO2注入井區有14口一線油井，有12口井不同程度地見到驅油效果。其中，見效比較明顯的有8口，產量平穩的二類見效井有4口。8口優勢見效井均處于注氣井北東—南西方向。如果CO2向上運移并泄漏至地表和大氣，會對地下水、地表生態環境產生重大影響。

2.2 區域環境概況

根據水文環境調查顯示，靖邊喬家洼CO2驅先導試驗區歷史常見風向為西北風和南風。同時，靖邊縣2013—2016年歷史風速表明，該地區94%以上的天氣風力在3級以下，風速為0～5.4 m/s[9]。

靖邊喬家洼CO2驅先導試驗區位于黃土丘陵地區，黃土覆蓋層較厚，溝壑縱橫，地表植被較為發育。CO2驅先導試驗區主要草本植物最大高度為30 cm、胸徑25 cm，長勢良好，主要類型有阿爾泰狗娃花、狗尾草、蒿草、草木犀；灌木及半灌木最大高度為50 cm、胸徑30 cm，長勢良好，主要類型有檸條錦雞兒、沙柳、沙蒿等；喬木林最大高度為15 m、冠幅6 m、胸徑0.3 m，長勢良好，主要有小葉楊、柳樹、榆樹、蘋果樹、棗樹等。由于CO2驅先導試驗區所在地特殊氣候及地理環境因素的影響，人工喬木林整體長勢較差。CO2驅先導試驗區的草本植物和灌木及半灌木平均總蓋度達85%，這些近地表植被高度普遍低于50 cm。

2.3 監測點位優化

靖邊喬家洼注氣井組分布在砂體較厚、儲層物性較好的區域，砂體總體呈南北向條帶狀分布。這些砂體是CO2注入集聚的主要層位，也是可能發生CO2泄漏的潛在區域。同時，截至目前已經有8口生產井的伴生氣中檢測到CO2，并且有5口井由于壓力升高出現油氣水混合物從油套環空噴出的現象。

根據靖邊喬家洼CO2驅先導試驗區裂縫發育方向、“注氣”優勢方向、CO2富集區和油井生產動態資料，同時兼顧監測成本的經濟性，最終確定了3處CO2濃度在線監測井場，3處監測井場分別為45543監測井場、45544監測井場和45586監測井場。

圖7為大氣CO2濃度監測裝置井場監測示意圖，其中，A、B和C分別為45543監測井場、45544監測井場和45586監測井場。由圖7可知，A監測井場和C監測井場位于黃土塬地貌的溝壑處，處于地勢低洼處，海拔約500 m，50%以上的風向為西北風；B監測井場位于黃土塬地貌的黃土峁，地勢相對較高，海拔約1 200 m，60%以上的風向為南風。因此，監測點位應根據監測井場的實際氣象條件布置在下風向。

圖7 大氣CO2濃度監測裝置井場監測示意圖Fig.7 Schematic diagram of well site monitoring for atmospheric CO2 concentration monitoring device

結合以上研究結論，隨著風速的不斷增加，CO2云的擴散距離先增大后減小。同時隨著泄漏速度的增大，近地表處CO2云的濃度無論在縱向上還是橫向上都不斷增大。CO2驅先導試驗區的常見平均風速為2.0 m/s，當風速為2.0 m/s時，CO2云的最大擴散距離為47 m，濃度最大的CO2云的擴散距離為15 m。因此，監測預警范圍應為47 m，監測點位應根據監測井場的井口位置布置在距離井口下風向15 m處。

由于CO2密度大于空氣，CO2容易在地勢低洼區形成高濃度CO2聚集區。如果注入的CO2泄漏出地表，將首先在靠近地面的位置聚集，而陜北地區的地面草本植物生長高度一般不超過50 cm。為了消除植物光合作用對CO2濃度監測的影響，保證數據的真實性。因此，大氣CO2濃度監測采樣高度選擇在距離地表以上50 cm處。

綜合以上因素，監測點的位置選定為三個井口的下風向，距離井口15 m，采樣高度50 cm。井場監測裝置不僅可以監測大氣中的CO2濃度，還可以用于監測大氣溫度、風速、風向等環境因素。

2.4 監測實踐

針對靖邊喬家洼CO2驅先導試驗區，優選3處監測點，開展靖邊喬家洼CO2試驗區CO2濃度在線監測，獲取試驗區CO2濃度變化數據。圖8為3個井場監測點大氣CO2濃度一年的變化曲線。由圖8可知，井場監測點大氣中CO2濃度的平均值在430～450 ppm之間，屬于正常濃度范圍[24]。根據監測數據，大氣中暫未發現CO2泄漏現象，為延長石油集團靖邊喬家洼CO2提高石油采收率示范項目環境影響、安全評價和CO2泄漏預警預報提供數據支撐。

圖8 井場監測點大氣CO2濃度變化曲線Fig.8 Change curves of atmospheric CO2 concentration at well site monitoring points

3 結 論

1）隨著風速的不斷增加，CO2云的濃度在縱向上呈現出一直縮小的趨勢，但是CO2云的濃度在橫向上的擴散距離呈現出先增大后縮小的趨勢。隨著風速的不斷增加，CO2云的擴散距離先增大后減小。當風速為2.0 m/s時，CO2云的擴散距離最遠為47 m，濃度最大的CO2云的擴散距離為15 m。

2）結合模擬結果、陜北地區氣象環境、裂縫發育方向、“注氣”優勢方向和近地表植被高度，確定監測點位布局：方向上為北東—南西向；平面上為距離井口下風向47 m；縱向上為采樣高度50 cm。

3）監測點位的大氣中CO2濃度的平均值在430～450 ppm之間，屬于正常濃度范圍。CO2濃度大氣監測點的監測結果表明并未發生泄漏。