油藏 CO2地质埋存潜力的计算方法

丁帅伟,李治平

(中国地质大学,北京 100083)

油藏 CO2地质埋存潜力的计算方法

丁帅伟,李治平

(中国地质大学,北京 100083)

油藏具有良好的封闭条件和巨大的储存空间,可以作为地质埋存 CO2的理想场所。CO2地质埋存的潜力可以从自由气埋存、溶解埋存和矿化埋存 3个方面进行计算。自由气埋存量可用基于类比法的有效埋存量计算方法进行计算,溶解埋存量采用相关溶解度公式进行计算,矿化埋存量通过 X衍射实验进行评价。利用文中提出的计算方法对某油田 CO2的地质埋存潜力进行了初步评估。结果表明：该油田 CO2埋存的潜力约为 33.569×108t,相当于 2003年全国 CO2排放总量的 94%。该计算方法也可为中国 CO2的减排提供部分依据。

CO2;减排;地质埋存;计算方法;埋存潜力

引 言

世界 CO2排放量在逐年递增,中国 CO2排放量更是连续几年位居全球前几位,过多的 CO2排放会造成很多环境问题。预计 2030年,中国 CO2排放总量可能超过美国,居世界第一位[1],减排CO2刻不容缓。

Englezos和 Lee总结了 4种方法来降低 CO2等温室气体的排放[2],地下储存就是其中的一种方法。目前,在室内与现场都进行过注 CO2驱油的实验研究,在气藏和煤层中也进行了储存 CO2的潜力评价[1,3-5]。但是,对于油藏储存 CO2相关的计算理论和计算方法[6],都只是考虑了物理埋存量,相应的化学埋存量还没有一个定量的计算。笔者从物理埋存和化学埋存 2个方面考虑,提出CO2地质埋存的计算理论和简单的计算方法。

1 地质埋存机理

CO2的地下埋存机理可分为物理埋存和化学埋存[7]2大类。物理埋存是将 CO2气体注入油藏中驱油,油气让出的空间由 CO2来填充,提高石油采收率的同时把 CO2埋存于地下。化学埋存包括溶解埋存和矿化埋存。溶解埋存是指 CO2在岩石孔隙当中运移时溶解在与其相接触的地层水或原油中。矿化埋存主要指 CO2与岩石发生化学反应从而产生碳酸类矿物沉淀。其埋存作用时间为100～10 000 a,但是其主要影响因素为地层岩石的矿物成分,当 CO2注入油藏后主要以独立相存在于岩石孔隙中,以溶解相存在于地层水、剩余油和岩石骨架中[8]。

2 地质埋存量的计算方法

2.1 物理埋存量的计算方法

许多国家、组织以及研究人员对 CO2在油藏中埋存潜力进行了计算,并提出了多种计算方法,分别从理论埋存量和有效埋存量 2个方面进行了阐述,文中采用有效埋存量的计算方法来完成物理埋存量的计算。理论埋存量假设油气让出的空间都可用于 CO2的存储,而有效埋存量是在理论埋存量基础上考虑了储层性质、储层封闭性、埋存深度、储层压力系数及孔隙体积等因素影响的埋存量,是通过引入 CO2利用系数这个参量而获得[7]。计算公式如下：

式中：MCO2为 CO2在油藏中有效埋存量,107t;EEXTRA为由于 CO2注入而获得的额外采收率,%;ND为探明石油地质储量,109m3;C为接触系数;RCO2为 CO2利用系数,净 CO2注入量与原油采出量的比值,t/m3。其中参数 EEXTRA、RCO2采用 Ecofys提出的 3个等级中的最高等级进行评价,数值分别为20、5。

2.2 化学埋存量的计算方法

2.2.1 原始地层水中溶解的 CO2量的粗略计算

地层水的物理性质及参数比较复杂,本文假设地层水是纯水的情况,计算思路为：在一定温度和压力下,根据 CO2在纯水中的溶解度的相关经验公式,代入油藏中原始地层水的总体积即可计算出原始地层水中溶解的 CO2量。

这里采用参考文献[9]的经验公式：

式中：Rs为标准状态下溶解气水比,m3/m3;Kp为水合平衡常数;bm为 CO2的范德华体积,m3/mol;φi为 CO2的有效间隙度;R为理想气体常数,约为8.314 41J/(mol·K);T为水的温度,K;p为水的压力 ,Pa。

对于 CO2的有效间隙度的求取,先采用甲烷的有效间隙度,其值与温度有关,相关的关系图版可以参照文献[9]的研究所得。

2.2.2 剩余油中溶解 CO2量的粗略计算

相对于探明储量,这里假设储量的 60%为剩余油,溶解度计算时采用参考文献 [10]的经验公式：

式中：Rs为标准状态下的溶解气油比,m3/m3;K为反应平衡常数;poil为油藏压力,MPa;ρo为原油在地面的密度,g/cm3;α为二次作用系数,与温度有关;xT为烃的质量分数;MT为烃的平均分子质量;Toil为油藏温度,K;t为油藏温度,℃。

2.2.3 岩石骨架溶解 CO2量的粗略计算

当 CO2被注入储层后,就会以气体的形式被储存或作为临界流体被储存于盖层之下,会发生如下化学方应[7]：

由于储层酸性的增加使原始的储层矿物得以溶解,主要的矿化反应如下：

这些溶解的碳酸氢根离子与二价的阳离子(Ca2+、Mg2+、Fe2+)反应而沉淀为新的碳质矿物(CaCO3、MgCO3、FeCO3)。

故含有 Ca、Mg、Fe(Ⅱ)元素矿物的储层可以成为埋存 CO2的储层。

利用目标储层中的岩心进行 X衍射实验,经过分析可以半定量得出岩石中各类矿物质的体积百分含量,结合单位体积矿物储存 CO2的潜力[7],就能得出每立方米目标岩性的岩石的 CO2反应量。从而可以估计出油田的 CO2最终地下矿物埋藏量。

3 实例计算

某油田截至 2004年底,共探明 26个油藏,累计含油面积为 2 048.6 km2,探明石油地质储量为10.83×108t,平均原始含水饱和度为 45%。油藏埋深为 500～2 500 m,大部分在 1 000～2 000 m之间。储集层物性差,渗透率一般小于 10×10-3μm2,孔隙度为 11%～15%,计算中孔隙度取值11.28%。油田地层油黏度为 3～6 mPa·s,地面脱气原油密度为 0.840 8 g/m3,地层原油体积系数为 1.157 2,地层平均温度为 101.6℃,平均压力为21.2 MPa。

根据上述的一系列理论和文献调研所获取的数据,计算时烃的质量分数 xT及烃的平均分子量M T取值分别为 0.989 3、210.444,油层平均有效厚度取值为 1 172.235 m。最终计算结果如表 1所示。该油田可减排 CO2量大约为 33.569×108t,相当于 2003年全国 CO2排放总量的 94%。可见该计算方法也可为中国 CO2的减排提供部分依据。另外对于物理埋存,可以提高的最高石油采收率为20%,提高的原油产量为 1 623.75×104m3,相当于发现了一个中小型油田。

表 1 某油田 CO2地质埋存潜力统计

根据单位体积矿物储存 CO2的潜力评价表[7],计算时可知岩石中只有斜长石 (CaAl2Si2O8)能与注入的 CO2气体发生反应,假设单位体积的矿物只有 50%与 CO2接触并完全吸收该气体。其中斜长石与 CO2混合潜力为 436.4 kg/m3。反应如下：

从表 1可以看出,CO2矿化埋存的潜力最大,但其完全埋存所需要的时间也最长。为此在进行CO2地质埋存时,需考虑若干年后的扩散情况。

4 结 论

(1)地质埋存对于全球温室气体 CO2的减排具有极大的潜力,并且埋存的同时还能达到提高石油采收率的目的。本文提出的计算方法考虑了CO2的化学埋存量,对于 CO2地质埋存的定量评价具有一定的参考价值,但尚有改进与提升的空间,如 CO2在水中的溶解,可以建立原始地层水而非纯水的模型进行计算,因此精确化是需要进一步完善的内容。

(2)X衍射实验可以用于 CO2矿化埋存量的定量评价,并且证明 CO2的矿化埋存的潜力最大,但埋存周期也最长,为此还需考虑其若干年后 CO2的扩散情况。

(3)实例中该油田 CO2埋存的潜力约为33.569×108t,相当于 2003年全国 CO2排放总量的 94%。其中物理埋存量约为 8.17×108t,化学埋存量约为 25.399×108t,可见化学埋存潜力较大于物理埋存潜力,但前者完全埋存需要的时间远大于后者。

[1]刘延锋,李小春,方志明,等 .中国天然气田 CO2储存容量初步评估[J].岩土力学,2006,27(12)：2277.

[2]Englezos P,Lee J D.A cleaner source of energy and opportunity for innovative technologies[J].Korean Journal of Chemical Engineering,2005,22(5)：671-681.

[3]王进安,袁广均,张军,等 .长岩心注二氧化碳驱油物理模拟实验研究 [J].特种油气藏,2001,8(2)：75-78.

[4]谷丽冰,李治平,欧瑾 .利用二氧化碳提高原油采收率研究进展[J].中国矿业,2007,16(10)：66-69.

[5]刘延锋,李小春,白冰 .中国 CO2煤层储存容量初步评价[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16)：2947-2952.

[6]沈平平,廖新维,刘庆杰 .二氧化碳在油藏中埋存量计算方法 [J].石油勘探与开发,2009,36(2)：216-220.

[7]沈平平,廖新维 .二氧化碳地质埋存与提高石油采收率技术[M].北京：石油工业出版社,2009：21-23;39-52.

[8]江怀友,沈平平,李治平,等 .世界二氧化碳埋存及利用方式研究[J].国际石油经济,2007,15(7)：17.

[9]付晓泰,王振平,卢双舫 .气体在水中的溶解机理及溶解度方程[J].中国科学 B辑,1996,26(2)：124-129.

[10]薛海涛,卢双舫,付晓泰 .甲烷、二氧化碳和氮气在油相中溶解度的预测模型[J].石油与天然气地质,2005,26(4)：444-448.

An estimation method of CO2storage potential in a reservoir

D ING Shuai-wei,L I Zhi-ping
(School of Energy Resources,China University of Geosciences,Beijing100083,China)

Geological storage of CO2has become one of the majormeasures of reducing greenhouse gas emissions in the world.Petroleum reservoirs have good seal conditions and huge storage capacity,therefore can serve as ideal place for storing CO2.CO2geological storage potential can be est imated on three aspects such as free gas storage,solution storage and mineralization storage.Free gas storage capacity can be est imated by the method of effective storage capacity based on analogymethod;solution storage capacity can be estimated by related solubility formula;and mineralization storage capacity can be est imated by X-ray diffraction experiment.The CO2geological storage potential of an oilfield is est imated preliminarily by using the methods proposed in this paper.The result is this oilfield has CO2storage potential of about 33.569×108t,equivalent to about 94%of the total CO2emission in 2003 China.This estimation method can be a certain reference for CO2emission reduction in China.

carbon dioxide;emission reduction;geological storage;estimation method;storage potential

TE992.1;TE357.45

A

1006-6535(2010)06-0057-03

20100303;改回日期：20100914

国家重大基础研究发展计划 (973计划)“温室气体提高石油采收率的资源化利用及地下埋存研究”项目 (2006CB705801);中国地质大学 (北京)第八届“创新杯”大学生课外学术科技作品竞赛项目 (51913028)

丁帅伟 (1987-),男,中国地质大学 (北京)能源学院石油工程专业本科在读,主要从事油气田开发工程方面的研究。

编辑林树龙