咸水層CO2封存注入階段蓋層泄漏風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)值模擬

賈善坡, 牟心昊, 溫曹軒, 張品金, 王斌濤

(1.東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 黑龍江 大慶 163318; 2.東北石油大學(xué) 黑龍江省油氣藏及地下儲(chǔ)氣庫(kù)完整性評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 大慶 163318; 3.中國(guó)石油測(cè)井有限公司 大慶分公司, 黑龍江 大慶 163000)

0 引 言

近些年來(lái),隨著我國(guó)對(duì)能源需求大幅增加,導(dǎo)致CO2排放量逐年上漲,2020年中國(guó)的碳排放量達(dá)到98.99×108t,預(yù)計(jì)2030年可達(dá)120×108t[1-4]。在“碳中和”背景下,將大規(guī)模CO2埋存在地下,是實(shí)現(xiàn)低碳綠色發(fā)展的有效途徑。根據(jù)CO2地質(zhì)封存量調(diào)查結(jié)果顯示,我國(guó)24個(gè)主要沉積盆地的深部咸水層可封存CO2總量可達(dá)143.5×109t[5]。咸水層具有分布廣、封存穩(wěn)定、可行性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是最有前途的碳儲(chǔ)存方法[6]。然而咸水層注氣封存過(guò)程,受注氣壓力和蓋層突破壓力因素影響,CO2會(huì)向蓋層滲透逸出,當(dāng)逸出氣體達(dá)到一定值后,蓋層密封性受到損傷,與此同時(shí),儲(chǔ)層流體壓力累積使蓋層底部壓力增加,可能對(duì)蓋層力學(xué)完整性產(chǎn)生影響。因此,開(kāi)展CO2咸水層封存氣-水-固多場(chǎng)耦合特征及蓋層力學(xué)變化特征研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

CO2地質(zhì)封存中,流體-巖石相互作用、流體運(yùn)移和密封屬性之間的相互關(guān)系是CO2長(zhǎng)期穩(wěn)定封存的一個(gè)重要因素,良好的密封性是為了保證CO2不向儲(chǔ)層外擴(kuò)散,需要深入研究密封單元內(nèi)的流體-巖石作用對(duì)流體運(yùn)移的影響。國(guó)內(nèi)外已有的研究多聚焦于地層本身屬性,如蓋層厚度、滲透率、孔隙度和毛管壓力等方面,也有部分學(xué)者對(duì)不同注氣條件下地層壓力演化規(guī)律進(jìn)行研究[7-8]。付曉飛等[9]認(rèn)為蓋層厚度影響其密封能力,厚度越大,橫向分布越廣,氣密性越好。蔣有錄等[10]認(rèn)為蓋層的關(guān)鍵密封機(jī)制在于毛細(xì)管密封和滲透密封,毛細(xì)管密封機(jī)制發(fā)生在CO2-鹽水界面,阻止CO2向上流動(dòng),滲透密封發(fā)生在超過(guò)突破壓力時(shí),由蓋層充當(dāng)滲透屏障,這兩種機(jī)制的泄漏量有限,但都是長(zhǎng)期存在的。Li[11]和Cinar等[12]研究了CO2注入引起的孔隙壓力變化,得出壓力和總平均應(yīng)力變化引起的孔隙度變化較小且有限的結(jié)論,即在蓋層或具有高滲透性的相鄰斷層上沒(méi)有高滲透路徑的情況下,蓋層上方的孔隙壓力增加被認(rèn)為是零。Yi等[13]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)CO2地質(zhì)封存過(guò)程中各種應(yīng)力變化以及井筒-儲(chǔ)層系統(tǒng)滲透率的敏感性分析,得出含水層滲透性是影響CO2流動(dòng)的重要參數(shù)。莫紹星等[14]分析了儲(chǔ)層各向異性對(duì)碳封存的影響,得出儲(chǔ)層垂向滲透率降低可以促進(jìn)CO2水平運(yùn)移。刁玉杰等[15]基于CO2地質(zhì)儲(chǔ)存安全性,建立了地質(zhì)安全評(píng)價(jià)體系,得出蓋層氣密性和力學(xué)穩(wěn)定性權(quán)重較大,即穩(wěn)定的區(qū)域性蓋層是實(shí)現(xiàn)CO2地質(zhì)存儲(chǔ)的有力保障。

以上等人雖然對(duì)蓋層-儲(chǔ)層系統(tǒng)密封完整性有了一定研究,但多聚焦于CO2流體在地層中受巖石屬性影響機(jī)制的研究,比如地層屬性改變對(duì)其密封完整性的影響,注氣條件改變對(duì)地層壓力演化的影響,而對(duì)將地層屬性和注氣條件變化相結(jié)合以研究地質(zhì)封存過(guò)程密封性和蓋層力學(xué)完整性的相關(guān)研究較少。針對(duì)蓋層的失效方式主要受透過(guò)蓋層的擴(kuò)散損傷、超過(guò)毛細(xì)管突破壓力時(shí)通過(guò)孔隙泄漏、通過(guò)斷層或裂縫的泄漏等多種因素影響,本文主要考慮CO2流體經(jīng)儲(chǔ)層向蓋層擴(kuò)散對(duì)蓋層密封性和力學(xué)完整性損傷,基于兩相滲流理論,建立氣-水-固多場(chǎng)耦合模型,在兩種滲透率條件下通過(guò)改變注氣速率和注氣總量,模擬咸水層CO2封存期間儲(chǔ)層流體變化規(guī)律對(duì)蓋層密封性和蓋層力學(xué)完整性的影響,并探討兩者發(fā)生的先后關(guān)系,以及密封性變化對(duì)地質(zhì)安全封存的意義。

1 模型建立

1.1 幾何模型

本研究模擬了水平均質(zhì)含鹽含水層-蓋層系統(tǒng),整個(gè)系統(tǒng)呈對(duì)稱(chēng)狀態(tài),100 m厚的咸水層頂部位于地下1 500 m深處,咸水層上方被500 m厚度的低滲透蓋層覆蓋,蓋層上方為低強(qiáng)度介質(zhì),這些介質(zhì)不被考慮在本模型中。垂直注入井位于區(qū)域中心,在區(qū)域的橫向范圍設(shè)置固定邊界條件,以模擬無(wú)限橫向延伸含水層的影響,模型尺寸為3 km×3 km×1 km,幾何模型見(jiàn)圖1。

圖1 幾何模型示意Fig. 1 Schematic of geometric model

三維地質(zhì)模型平面網(wǎng)格采用15 m×15 m的網(wǎng)格步長(zhǎng),x方向共劃分200個(gè)網(wǎng)格,y方向共劃分200個(gè)網(wǎng)格,單平面共劃分40 000個(gè)網(wǎng)格。蓋層縱向劃分10小層,儲(chǔ)層縱向劃分20小層,底層縱向劃分5小層,總網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為40 000×(10+20+5),總網(wǎng)格數(shù)目為140萬(wàn)個(gè)。

1.2 流體力學(xué)

含水層和蓋層性質(zhì)分別對(duì)應(yīng)于透水砂巖和低滲透固結(jié)泥巖,相對(duì)滲透率遵循V-G曲線,采用Van-Genuchten計(jì)算模型,具體計(jì)算公式為

S*=(S1-Slr)/(Sls-Slr),

(1)

pcap=-p0([S*]-1/λ-1)1-λ,(-pmax≤pcap≤0),

(2)

式中:S*——有效飽和度;

S1——液體飽和度;

Slr——?dú)堄嘁后w飽和度;

Sls——飽和液體飽和度;

pcap——毛細(xì)壓力;

p0——進(jìn)氣壓力;

λ——孔隙分布指數(shù);

pmax——毛細(xì)壓力下限的絕對(duì)值。

1.3 地質(zhì)力學(xué)

蓋層在確定的突破壓力下保持其密封性,當(dāng)蓋層與儲(chǔ)層交界處的壓力超過(guò)突破壓力時(shí)才會(huì)發(fā)生泄漏,這種泄漏不會(huì)隨時(shí)間變化而停止,只會(huì)呈現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì)。由于儲(chǔ)層與蓋層邊界產(chǎn)生的泄漏與蓋層滲透率密切相關(guān),因此,可以在數(shù)值模擬過(guò)程中通過(guò)適當(dāng)調(diào)整蓋層滲透率來(lái)減少氣體的泄漏。為了能夠建立完整的動(dòng)態(tài)地質(zhì)力學(xué)模型,將局部圈閉,使儲(chǔ)層、蓋層、上覆地層和下伏地層納入模型范圍,對(duì)兩個(gè)平面之間的區(qū)域進(jìn)行定義,開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)模型,定義三維空間。通過(guò)地質(zhì)力學(xué)建模和儲(chǔ)層流體建模后,再確定巖石物理參數(shù)。初始應(yīng)力場(chǎng)中垂直應(yīng)力大于水平應(yīng)力,不同深度的垂直應(yīng)力可表示為

(3)

邊界條件考慮到垂直于底部和外部邊界無(wú)位移,在蓋層上方施加恒定的垂直靜應(yīng)力。為了方便計(jì)算,采用彈塑性本構(gòu)模型。由于天然氣注入期間會(huì)發(fā)生明顯的壓力累積,大多數(shù)巖石屈服應(yīng)力很小,會(huì)產(chǎn)生不可逆應(yīng)變,導(dǎo)致應(yīng)變分為兩種情況。

dε=dεe+dεi,

(4)

式中:εe——彈性應(yīng)變張量;

εi——非彈性應(yīng)變張量。

體積模量為

K=E/[3(1-2v)],

(5)

式中:E——楊氏模量;

v——泊松比。

剪切模量為

G=E/[2(1+v)]。

(6)

彈塑性模型采用Drucker-Prager屈服函數(shù)。由于地下巖層相關(guān)數(shù)據(jù)較少,文中參照Raziperchikolaee等[16]和Wang等[17]的研究,設(shè)定兩種地層參數(shù),表1為模型計(jì)算參數(shù)。

表1 模型參數(shù)

2 結(jié)果分析與討論

相關(guān)研究表明注入速度和初始滲透率對(duì)流巖相互作用有顯著影響[18]。在注入CO2期間,儲(chǔ)層壓力將逐漸升高,如果壓力提升過(guò)快或過(guò)高,蓋層可能會(huì)受損,失去密封性,導(dǎo)致CO2泄漏,高效的存儲(chǔ)往往取決于對(duì)注入速率和儲(chǔ)層壓力的適當(dāng)管理[19-20]。

為了保證模擬結(jié)果不受其他因素影響,將注氣總量控制在400×104t以?xún)?nèi),將注氣速率控制在15×104m3/d以?xún)?nèi)。CO2注入使蓋層經(jīng)歷一個(gè)壓力累積過(guò)程,應(yīng)力場(chǎng)會(huì)受到影響而產(chǎn)生變形,蓋層可能破壞并開(kāi)辟新的流體流動(dòng)路徑[21]。蓋層壓力累積產(chǎn)生彎曲變形,上部發(fā)生水平延伸,這是由于注入早期產(chǎn)生沉降導(dǎo)致,與低滲透蓋層無(wú)關(guān)[22]。蓋層的滲透性影響含水層和蓋層中流體演化規(guī)律,含水層流體向蓋層泄漏,減少了含水層中的壓力,這種改變與滲透率密切相關(guān),滲透率越高,受壓力積聚影響的蓋層體積越大。

2.1 流體分布

CO2在注入咸水層后,會(huì)受到地下圈閉埋存機(jī)制、殘余氣埋存機(jī)制、溶解性埋存機(jī)制和礦物埋存機(jī)制影響。本研究主要考慮的是地下圈閉埋存機(jī)制中CO2在儲(chǔ)層受浮力影響聚集在儲(chǔ)層上部時(shí),受到上覆蓋層的抑制,此時(shí)蓋層巖石密封下的CO2是可移動(dòng)的,一旦儲(chǔ)層壓力達(dá)到超壓狀態(tài),可能導(dǎo)致蓋層的力學(xué)性能失效,發(fā)生嚴(yán)重泄漏事故。在儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程,滲透率的大小決定著CO2擴(kuò)散速度,如果滲透率較低,無(wú)法平衡注氣過(guò)程累積的壓力,這部分壓力會(huì)向蓋層轉(zhuǎn)移,當(dāng)臨界蓋層壓力值超過(guò)CO2壓力值,蓋層孔隙會(huì)被穿透,形成逃逸通道。低注入速率意味著流體流動(dòng)擴(kuò)散緩慢,在該系統(tǒng)中,飽和前沿將花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間到達(dá)域的另一端。除此之外,在高注氣速率條件下,飽和前沿將以非常高的速度穿過(guò)域,并且在空間域內(nèi)無(wú)法觀察到預(yù)期的反應(yīng)和結(jié)果。因此,將注氣速率控制在15×104m3/d以?xún)?nèi),確保儲(chǔ)層流體有一定擴(kuò)散速度,同時(shí)蓋層不會(huì)因?yàn)樽馑俾蔬^(guò)高發(fā)生提前破壞。

模擬較低滲透蓋層和較高滲透蓋層以2×104m3/d條件下持續(xù)注氣10 a,截取注氣第5 a、注氣第10 a和注氣結(jié)束后第10 a時(shí)射孔附近的含氣飽和度分布,如圖2、3所示?？梢钥闯?在相同注氣速率下,低滲透和高滲透模型羽流擴(kuò)散速度基本一致,隨著注氣總量的增加,部分氣體受初始速度影響向水平方向擴(kuò)散,在擴(kuò)散過(guò)程中受浮力影響向儲(chǔ)層頂部遷移,最終聚集在儲(chǔ)層與蓋層交界處。相比于低滲透模型而言,較高滲透模型在注氣初期就已經(jīng)發(fā)生氣體泄漏,注氣結(jié)束10 a時(shí)蓋層底部的泄漏量已經(jīng)超過(guò)15%,在蓋層發(fā)生破壞前就已經(jīng)有泄漏趨勢(shì)。此時(shí),蓋層密封性失效先于蓋層力學(xué)失效,泄漏量最大點(diǎn)位于注射孔上方蓋層部分。

圖2 低滲透模型在2×104 m3/d條件下含氣飽和度變化Fig. 2 Variation of gas saturation in low permeability model under 2×104 m3/d conditions

圖3 高滲透模型在2×104 m3/d條件下含氣飽和度變化Fig. 3 Variation of gas saturation in high permeability model under 2×104 m3/d conditions

蓋層低滲透模型在注氣總量一定時(shí),對(duì)比以2×104m3/d和5×104m3/d注氣結(jié)束后第10 a羽流變化情況,如圖4所示。

圖4 注氣結(jié)束10 a時(shí)的含氣飽和度分布 Fig. 4 Distribution of gas saturation at end of gas injection for 10 a

由圖4可以看出,高注氣速率條件下的CO2羽流擴(kuò)散更均勻,羽流擴(kuò)散速度與浮力作用基本相平衡,減少了向咸水層頂部聚集速度,使其能夠一定程度上減小了儲(chǔ)層和蓋層交界處的氣體聚集總量,但增加了射孔周?chē)膬?chǔ)層壓力。觀察射孔上方蓋層J點(diǎn)在注氣結(jié)束后第10 a氣體飽和度變化,發(fā)現(xiàn)低滲透蓋層一樣存在氣體泄漏情況。由于地質(zhì)封存長(zhǎng)達(dá)千年,理論上每年泄漏率應(yīng)低于0.1%才能保證地質(zhì)封存的安全,但實(shí)際上蓋層泄漏量達(dá)到1%時(shí),其密封性可能已經(jīng)受到損傷。圖5為蓋層泄漏量最大點(diǎn)J在不同注氣條件下從注氣開(kāi)始到注氣結(jié)束后氣體泄漏量變化曲線,2×104m3/d和5×104m3/d條件下表明,在20 a內(nèi)的泄漏總量小于0.2%,蓋層密封性未受到損傷。10×104m3/d速率下在第35 a時(shí),J點(diǎn)泄漏量達(dá)到1%,10×104m3/d速率下在第30 a時(shí),J點(diǎn)泄漏量達(dá)到1%,但兩者泄漏速率都在降低,可以認(rèn)為,蓋層局部密封性受到損傷,但整體蓋層密封性仍保持完整。

圖5 不同注氣速率條件下CO2在J點(diǎn)泄漏量 Fig. 5 CO2 leakage at point J under different gas injection rates

2.2 蓋層壓力變化

注氣導(dǎo)致儲(chǔ)層流體擴(kuò)散并向上部運(yùn)移,低滲透蓋層的密封特性有效地抑制了CO2向蓋層遷移,儲(chǔ)層壓力也隨之增加,并在注氣結(jié)束時(shí)達(dá)到峰值。這種密封能力受蓋層閾值壓力影響,地質(zhì)封存過(guò)程儲(chǔ)層壓力隨時(shí)間推移會(huì)向蓋層轉(zhuǎn)移,當(dāng)蓋層壓力閾值達(dá)到上限,蓋層完整性會(huì)受到損傷。對(duì)于低滲透蓋層壓力變化,分別模擬了兩種注氣方案下蓋層應(yīng)力變化情況,如圖6、7所示。由圖6、7可知,注氣結(jié)束后,儲(chǔ)層中積累的壓力向水平擴(kuò)散的同時(shí)也向蓋層底部運(yùn)移,J點(diǎn)處壓力增加最為明顯,蓋層底部的壓力隨時(shí)間推移向繼續(xù)向水平方向和上方運(yùn)移。

圖6 10×104 m3/d注氣速率下壓力變化 Fig. 6 Pressure change under gas injection rate at 10×104 m3/d

圖7 15×104 m3/d注氣速率下壓力變化 Fig. 7 Pressure change under gas injection rate at 15×104 m3/d

圖8、9為J點(diǎn)垂直應(yīng)力曲線圖。由圖8、9可知,在注氣結(jié)束10 a后,儲(chǔ)層應(yīng)力減小,J點(diǎn)垂向蓋層和底層的有效應(yīng)力變化幅度明顯大于儲(chǔ)層的有效應(yīng)力幅度。儲(chǔ)層壓力逐漸向蓋層轉(zhuǎn)移,10×104m3/d條件下儲(chǔ)層上部最大應(yīng)力從67.96 MPa降至67.03 MPa,下降0.93 MPa;蓋層底部壓力從25.85 MPa增至29.56 MPa,增長(zhǎng)3.71 MPa。15×104m3/d條件下儲(chǔ)層上部最大壓力從68.47 MPa降至67.22 MPa,下降1.25 MPa;蓋層底部壓力從23.44 MPa增至27.63 MPa,增長(zhǎng)4.19 MPa。儲(chǔ)層壓力主要沿水平方向變化,蓋層應(yīng)力變化主要發(fā)生在底部,而底層發(fā)生在頂部。在儲(chǔ)層流體壓力降低到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)前,蓋層壓力會(huì)持續(xù)增加,導(dǎo)致地層有效應(yīng)力影響減小,對(duì)蓋層完整性有直接影響。500 m厚的蓋層僅與儲(chǔ)層相鄰的100 m范圍受到影響,可以認(rèn)為,當(dāng)擁有足夠厚的蓋層時(shí),少量氣體泄漏對(duì)蓋層完整性的影響可忽略不計(jì),達(dá)到蓋層突破壓力需要長(zhǎng)時(shí)間的累積,較厚的蓋層可減緩泄漏氣體突破蓋層的速度,滿足CO2安全封存千年以上的目的。

圖8 10×104 m3/d注氣速率下J點(diǎn)垂直應(yīng)力曲線Fig. 8 J-point vertical pressure curve under gas injection rate at 10×104 m3/d

圖9 15×104 m3/d注氣速率下J點(diǎn)垂直應(yīng)力曲線Fig. 9 J-point vertical pressure curve under gas injection rate at 15×104 m3/d

2.3 蓋層力學(xué)完整性評(píng)價(jià)

蓋層的完整性高度依賴(lài)于儲(chǔ)層消散注入產(chǎn)生的額外壓力(超壓)的能力。注入速率的增加導(dǎo)致壓力增加,應(yīng)將壓力保持在蓋層巖石破裂壓力以下。在蓋層未發(fā)生破壞前是否發(fā)生CO2泄漏情況是評(píng)定CO2泄漏與蓋層力學(xué)完整性失效的先后順序的前提,注氣使地層孔隙壓力增加,圍壓降低,蓋層抗剪強(qiáng)度降低使其發(fā)生剪切破壞的可能性增加,當(dāng)剪切應(yīng)力超過(guò)其抗剪強(qiáng)度,會(huì)發(fā)生剪切破壞。而蓋層巖石拉伸應(yīng)力超過(guò)巖石抗拉強(qiáng)度后,會(huì)發(fā)生拉伸破壞。在考慮黏聚力的情況下,采用Mohr-Coulomb失效準(zhǔn)則和拉伸破壞準(zhǔn)則判斷蓋層完整性。

根據(jù)兩種不同注氣方案,由注氣結(jié)束后蓋層有效應(yīng)力云圖(圖10、11)可以看出,隨著注氣量增加,蓋層有效應(yīng)力發(fā)生變化,但未出現(xiàn)負(fù)值,表明在當(dāng)前注氣條件下,蓋層不會(huì)發(fā)生拉伸破壞。對(duì)比分析了兩種注氣速率條件下,J點(diǎn)注氣前后的莫爾圓變化規(guī)律,如圖12所示。由圖12可以看出,在注氣開(kāi)始后,莫爾圓向左移動(dòng),但始終處于包絡(luò)線下方,說(shuō)明這兩種情況下蓋層均未發(fā)生剪切破壞。根據(jù)拉伸破壞準(zhǔn)則可知,CO2注入使地層有效應(yīng)力發(fā)生變化,當(dāng)有效應(yīng)力為負(fù)值時(shí),出現(xiàn)拉應(yīng)力,可能出現(xiàn)拉伸破壞。

圖10 10×104 m3/d條件下蓋層應(yīng)力變化云圖Fig. 10 Cloud chart of stress changes in rear cover layer under 10×104 m3/d

圖11 15×104 m3/d條件下蓋層應(yīng)力變化云圖Fig. 11 Cloud chart of stress changes in rear cover layer under 15×104 m3/d

圖12 J點(diǎn)處莫爾圓狀態(tài)變化Fig. 12 State change of mohr′s circle at point J

3 結(jié) 論

(1)CO2羽狀流垂向增加時(shí),垂直應(yīng)力隨之增加,羽狀流向水平方向擴(kuò)散,垂直應(yīng)力減小,水平應(yīng)力增加,此時(shí)儲(chǔ)層滲透率太低或存在阻礙流體流動(dòng)的障礙,將導(dǎo)致注入點(diǎn)處的壓力增加,從而限制儲(chǔ)層內(nèi)可能封存的CO2量或危及蓋層的完整性。

(2)CO2注氣速率和注氣總量只影響氣體泄漏總量和泄漏速度,無(wú)法杜絕泄漏情況。CO2泄漏是否對(duì)地質(zhì)封存安全產(chǎn)生影響取決于泄漏總量和泄漏速率以及蓋層應(yīng)力變化對(duì)蓋層力學(xué)完整性影響。氣體泄漏量在注氣結(jié)束后隨時(shí)間推移達(dá)到1%時(shí)發(fā)現(xiàn),儲(chǔ)層流體水平運(yùn)移速率不能有效消散注入階段產(chǎn)生的額外壓力,可能對(duì)蓋層完整性產(chǎn)生影響。

(3)在對(duì)儲(chǔ)層-蓋層水氣分布和蓋層力學(xué)完整性分析中,儲(chǔ)層存儲(chǔ)能力接近極限時(shí),隨著CO2泄漏量增加,蓋層密封性受到損傷,但仍具有力學(xué)完整性,可以認(rèn)為,在CO2地質(zhì)封存中,力學(xué)失效通常發(fā)生在密封性失效之后,密封性失效可通過(guò)氣體泄漏情況來(lái)預(yù)測(cè)。