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(zé)任公司研究院，陜西 西安 710065；3.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710000；4.陜西延長石油（集團）有限責(zé)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(shù)，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(qū)油，增大波及面積和提高驅(qū)替效率，進而提高采收率[1-3]。經(jīng)過幾十年的探索與研究，CO2驅(qū)油技術(shù)已經(jīng)成為了油藏開發(fā)過程中的重要手段[4-6]。但是，由于地質(zhì)條件的不確定性，以及驅(qū)油現(xiàn)場井筒的腐蝕老化，CO2驅(qū)油與封存存在泄漏風(fēng)險[7-8]。

國內(nèi)外學(xué)者研究認(rèn)為CO2驅(qū)油與封存可能存在泄漏風(fēng)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(zhì)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(yán)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(fā)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(zhuǎn)的傷害[13]。大氣中的CO2濃度為0.03%～0.06%，當(dāng)其濃度為5%時，可能引起呼吸短促和頭疼；當(dāng)濃度增加到10%時，可能引起人神志不清、頭暈、嚴(yán)重的肌肉抽搐；當(dāng)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(dāng)CO2發(fā)生泄漏后，合理的監(jiān)測點位可以及時發(fā)出警示，以便迅速采取響應(yīng)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(guī)律，眾多學(xué)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(jiān)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?jǐn)?shù)分布特征，并根據(jù)分布特征制定了相應(yīng)的CO2大氣監(jiān)測方案。LOH等[16]研究發(fā)現(xiàn)拉格朗日大氣擴散模型適用于CO2地質(zhì)封存泄漏，但是當(dāng)空氣通過源時，示蹤氣體濃度的富集必須大于環(huán)境濃度的1%。樊貴縣[17]通過數(shù)值模擬的方法研究了神華CCS項目區(qū)緩沖罐CO2泄漏在下風(fēng)向的泄漏規(guī)律及對區(qū)域監(jiān)測設(shè)備的影響。綜上所述，眾多學(xué)者采用了不同的模型和方法研究大氣中CO2運移分布規(guī)律，并制定相應(yīng)的CO2大氣監(jiān)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(qū)局部氣象環(huán)境復(fù)雜，造成CO2濃度擴散方向的不確定性。一旦CO2驅(qū)油與封存過程中發(fā)生泄漏，不合理的監(jiān)測點位無法做出迅速響應(yīng)，這會對陜北地區(qū)的動植物和脆弱的生態(tài)環(huán)境造成不可逆的傷害[18-21]。目前，延長油田已經(jīng)開展了CO2監(jiān)測的先導(dǎo)性試驗，但大氣中CO2監(jiān)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(guī)律，進而優(yōu)化監(jiān)測點位布局，以便迅速做出響應(yīng)。

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

1 大氣CO2濃度擴散數(shù)值模擬

1.1 基本假設(shè)

受限空間內(nèi)的空氣作為不可壓縮流體處理，呈湍流狀態(tài)；空氣與CO2的混合氣體為理想氣體，遵循理想狀態(tài)方程，且在流動過程中不與空氣發(fā)生反應(yīng)；假設(shè)溫度為常溫，與外界無熱量交換；假設(shè)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(chuàng)建網(wǎng)格并輸出，F(xiàn)luent讀入網(wǎng)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(jié)果。結(jié)合模擬結(jié)果和陜北地區(qū)水文環(huán)境，最終確定監(jiān)測井場和監(jiān)測點位，并且開展CO2濃度的在線監(jiān)測。

1.3 風(fēng)速對CO2濃度擴散的影響

此時假設(shè)泄漏源為地面，并且泄漏速度保持0.1 m/s。圖1為風(fēng)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(fēng)速的不斷增加，CO2云的濃度在縱向上呈現(xiàn)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(xiàn)出先增大后縮小的趨勢。

圖1 不同風(fēng)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(fēng)速下CO2云的擴散距離變化。由圖2可知，隨著風(fēng)速的不斷增加，CO2云的擴散距離先增大后減小。當(dāng)風(fēng)速為2.0 m/s時，CO2云的擴散距離最遠(yuǎn)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(dāng)風(fēng)速小于2.0 m/s時，風(fēng)速對CO2云的擴散距離起主導(dǎo)作用；當(dāng)風(fēng)速大于2.0 m/s時，不斷增大的風(fēng)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(fēng)方向擴散的距離隨著風(fēng)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(dāng)風(fēng)速達到2.0 m/s時，風(fēng)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(fēng)速的增大而減小。圖3為不同風(fēng)速下CO2云的寬度變化。由圖3可知，由于自然風(fēng)是沿X軸負(fù)方向吹，風(fēng)在Z方向的動量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于X方向的動量，CO2在Z方向擴散時，風(fēng)起到“稀釋”的主要作用，CO2云的寬度會隨著風(fēng)速的增加而減小。因此，當(dāng)泄漏發(fā)生時，可以通過增加風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(shè)泄漏源為地面，并且風(fēng)速保持2.0 m/s。世界歷史上地質(zhì)封存及自然存在的CO2泄漏事件統(tǒng)計結(jié)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(dāng)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(dāng)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(fēng)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(guī)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(dāng)泄漏發(fā)生后需及時發(fā)現(xiàn)泄漏源，并控制泄漏源的泄漏速度，防止泄漏的持續(xù)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(jiān)測點位的優(yōu)化

2.1 區(qū)域地質(zhì)概況

靖邊喬家洼CO2驅(qū)先導(dǎo)試驗區(qū)位于陜北地區(qū)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(fù)雜；地面海拔1 100～1 600 m，地表高差150～250 m。靖邊喬家洼CO2驅(qū)先導(dǎo)試驗區(qū)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(shù)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(qū)長6油藏發(fā)育了兩組正交型式的構(gòu)造裂縫系統(tǒng)，主要為東西向和南北向兩組正向正交裂縫，現(xiàn)今的地應(yīng)力方向為北東—南西向。

靖邊喬家洼CO2驅(qū)先導(dǎo)試驗區(qū)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(tài)CO2約10萬t。CO2注入井區(qū)有14口一線油井，有12口井不同程度地見到驅(qū)油效果。其中，見效比較明顯的有8口，產(chǎn)量平穩(wěn)的二類見效井有4口。8口優(yōu)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(tài)環(huán)境產(chǎn)生重大影響。

2.2 區(qū)域環(huán)境概況

根據(jù)水文環(huán)境調(diào)查顯示，靖邊喬家洼CO2驅(qū)先導(dǎo)試驗區(qū)歷史常見風(fēng)向為西北風(fēng)和南風(fēng)。同時，靖邊縣2013—2016年歷史風(fēng)速表明，該地區(qū)94%以上的天氣風(fēng)力在3級以下，風(fēng)速為0～5.4 m/s[9]。

靖邊喬家洼CO2驅(qū)先導(dǎo)試驗區(qū)位于黃土丘陵地區(qū)，黃土覆蓋層較厚，溝壑縱橫，地表植被較為發(fā)育。CO2驅(qū)先導(dǎo)試驗區(qū)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(qū)先導(dǎo)試驗區(qū)所在地特殊氣候及地理環(huán)境因素的影響，人工喬木林整體長勢較差。CO2驅(qū)先導(dǎo)試驗區(qū)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(jiān)測點位優(yōu)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(qū)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(fā)生CO2泄漏的潛在區(qū)域。同時，截至目前已經(jīng)有8口生產(chǎn)井的伴生氣中檢測到CO2，并且有5口井由于壓力升高出現(xiàn)油氣水混合物從油套環(huán)空噴出的現(xiàn)象。

根據(jù)靖邊喬家洼CO2驅(qū)先導(dǎo)試驗區(qū)裂縫發(fā)育方向、“注氣”優(yōu)勢方向、CO2富集區(qū)和油井生產(chǎn)動態(tài)資料，同時兼顧監(jiān)測成本的經(jīng)濟性，最終確定了3處CO2濃度在線監(jiān)測井場，3處監(jiān)測井場分別為45543監(jiān)測井場、45544監(jiān)測井場和45586監(jiān)測井場。

圖7為大氣CO2濃度監(jiān)測裝置井場監(jiān)測示意圖，其中，A、B和C分別為45543監(jiān)測井場、45544監(jiān)測井場和45586監(jiān)測井場。由圖7可知，A監(jiān)測井場和C監(jiān)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(fēng)向為西北風(fēng)；B監(jiān)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(fēng)向為南風(fēng)。因此，監(jiān)測點位應(yīng)根據(jù)監(jiān)測井場的實際氣象條件布置在下風(fēng)向。

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

結(jié)合以上研究結(jié)論，隨著風(fēng)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(qū)先導(dǎo)試驗區(qū)的常見平均風(fēng)速為2.0 m/s，當(dāng)風(fēng)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(jiān)測預(yù)警范圍應(yīng)為47 m，監(jiān)測點位應(yīng)根據(jù)監(jiān)測井場的井口位置布置在距離井口下風(fēng)向15 m處。

由于CO2密度大于空氣，CO2容易在地勢低洼區(qū)形成高濃度CO2聚集區(qū)。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(qū)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(jiān)測的影響，保證數(shù)據(jù)的真實性。因此，大氣CO2濃度監(jiān)測采樣高度選擇在距離地表以上50 cm處。

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

2.4 監(jiān)測實踐

針對靖邊喬家洼CO2驅(qū)先導(dǎo)試驗區(qū)，優(yōu)選3處監(jiān)測點，開展靖邊喬家洼CO2試驗區(qū)CO2濃度在線監(jiān)測，獲取試驗區(qū)CO2濃度變化數(shù)據(jù)。圖8為3個井場監(jiān)測點大氣CO2濃度一年的變化曲線。由圖8可知，井場監(jiān)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(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，大氣中暫未發(fā)現(xiàn)CO2泄漏現(xiàn)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(huán)境影響、安全評價和CO2泄漏預(yù)警預(yù)報提供數(shù)據(jù)支撐。

圖8 井場監(jiān)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(jié) 論

1）隨著風(fēng)速的不斷增加，CO2云的濃度在縱向上呈現(xiàn)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(xiàn)出先增大后縮小的趨勢。隨著風(fēng)速的不斷增加，CO2云的擴散距離先增大后減小。當(dāng)風(fēng)速為2.0 m/s時，CO2云的擴散距離最遠(yuǎn)為47 m，濃度最大的CO2云的擴散距離為15 m。

2）結(jié)合模擬結(jié)果、陜北地區(qū)氣象環(huán)境、裂縫發(fā)育方向、“注氣”優(yōu)勢方向和近地表植被高度，確定監(jiān)測點位布局：方向上為北東—南西向；平面上為距離井口下風(fēng)向47 m；縱向上為采樣高度50 cm。

3）監(jiān)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(jiān)測點的監(jiān)測結(jié)果表明并未發(fā)生泄漏。