抽采井对咸水层CCS技术潜在影响的初步探讨

熊 伦

（四川大学建筑与环境学院，四川 成都，610065）

1 引言

作为有效的温室气体减排措施，CCS技术（CO2 Capture and Storage；CO2捕获和封存）可在短时间内显著减少大气中CO2的含量［1－2］。该技术即指将工厂集中排放的CO2进行捕捉压缩后注入地下适宜目标场地，从而进行CO2地下处置。可作为CO2目标场地的地下场所主要包括深部高温咸水层、废弃的油气藏以及深部无经济开采价值的煤层等［3］。咸水层由于其分布面积最广，封存量最大，是主要的CO2地下储存场地［3－4］。但CO2咸水层封存易由于CO2的持续注入而导致原始地层压力不断增加［5］。基于此，谢和平等人提出在进行CO2咸水层封存的同时，可在注入井周围按照合适方式布置抽采井，从而对储层初始流体进行抽采，抽采的流体可作为地热资源以用于发电或者直接利用，从而缓解储层孔隙压力的持续增加。本文在此基础上，针对鄂尔多斯盆地咸水层CCS项目某CO2注入层段的水文地质条件，建立相应数值模型，对咸水层CCS技术在布置抽采井和不布置抽采井两种情况下分别进行数值模拟，对比分析两者在注入CO2后储层的压力变化和CO2晕分布特征，以及两者注入井中CO2注入速率和储层碳累积封存量差异，从而依据数值模拟结果探讨抽采井对咸水层CCS技术的潜在影响。

2 模型建立

对于咸水层CCS技术，布置抽采井对储层初始流体进行抽采时，可以缓解储层孔隙压力因CO2的持续注入而逐渐升高，大大提高长期安全性；同时，储层流体的抽采可为CO2封存留出更多的封存空间，大大提高储层碳封存量。为定量分析咸水层CCS技术在布置抽采井和不布置抽采井时储层安全性以及碳累积封存量的差异，针对鄂尔多斯盆地咸水层CCS技术示范项目某注入层段的水文地质条件，对该两类情况分别建立数值模型。

以该CCS技术示范项目注入层段中厚度为150m的砂岩层作为目标储层、以其相邻上部覆盖的45m厚泥岩层为盖层进行分析；模拟深度范围2305～2500m。布置抽采井和不布置抽采井两种情况下沿井轴竖直方向的剖面图如图1所示；即对于单纯CCS技术，仅在储层中心位置布置一口注入井，不在周围布置抽采井；而对于布置抽采井的情况，即在距离注入井水平距离500m处布置一口抽采井，储层参数和初始条件等和单纯CCS技术完全相同。作为概化模型，不考虑非均质性的影响，模型中主要参数如表1所示。采用美国劳伦斯伯克利国家重点实验室开发的多相流模拟软件TOUGH2［6］中的ECO2N［7］模块对该两种情况分别进行模拟分析。整个模型侧向及顶底面定义为隔水边界，储层初始流体孔隙压力为静水压力分布。注入井井底CO2的注入采用恒压注入方式，并取注入压力为1.4倍初始流体孔隙压力，即29.4MPa。根据现有类似项目研究实际经验，该注入压力能够满足裂隙封闭压力要求［8－9］。注入井中CO2的注入和抽采井中流体的抽采过程均采用虚拟井的方式进行模拟，注入位置和抽采位置如图1所示，模拟注采时间为30年。

图1 抽采井和注入井布置简图

表1 模拟参数选择

3 模拟结果

3.1 CO2注入后储层压力和CO2晕分布对比

对于选定的场地地质条件，在相同储层条件、相同注入压力和注入温度下，咸水层CCS技术在布置抽采井和不布置抽采井两种情况下，在注入井中注入CO2三十年后，沿注入井井轴竖直剖面的孔隙压力分布和CO2饱和度分布分别如图2、图3所示。由图2可知，对于不布置抽采井的咸水层CCS技术，在以恒定压力注入CO2三十年后，储层压力沿储层深度从下而上逐渐降低，在水平方向随着离注入井距离的增加而逐渐降低；在注入点正上方的盖层孔隙压力较盖层其他位置大，即该位置处易由于孔隙压力过大而导致盖层开裂，从而成为CO2潜在的泄露路径；而由CO2在储层中的饱和度分布图可知，在30年时，CO2主要富集在盖层底部，沿水平方向约扩散了800m左右；由于CO2的密度小于咸水，在浮力、重力和储层压力等综合因素的作用下在储层中呈倒三角形分布，仅有微量CO2渗透到底部盖层中。而对于布置抽采井的咸水层CCS技术，由图3可知，注入CO230年后，储层孔隙压力在注入井周围相对较高，而在抽采井周围相对较低，注入井一侧的储层孔隙压力显著高于抽采井一侧；盖层孔隙压力在注入井的竖直正上方位置达到最大；而从CO2饱和度在储层中的分布图可知，30年后储层中的CO2主要聚集在注入井和抽采井之间，在生产井一侧沿着水平方向向外约运移300m左右，而在抽采井一侧水平方向约运移了1200m；与不布置抽采井的CCS技术相似，在盖层底部，CO2饱和度很低。

由于两种情况下盖层中的孔隙压力均在注入井竖直正上方位置出现最大值，因此选取注入井正上方底部盖层某单元进行特别分析，其压力和CO2饱和度随模拟时间的变化曲线如图4所示。由图4可知，两种情况下盖层该位置处的孔隙压力均在注入CO2的早期迅速增加，达到28.0MPa左右后基本维持不变；不布置抽采井的CCS技术下盖层该位置的压力略高于布置抽采井的情况，30年后两者相差约0.3MPa。而由CO2饱和度曲线可知，在储层中注入CO2两年左右后，两种情况下注入的CO2基本同时运移到盖层该位置，并随模拟时间逐渐增加，布置抽采井时增加的速率略快于不布置抽采井的情况。在注入CO2三十年后，对于不布置抽采井的CCS技术，CO2饱和度达到0.17，而布置抽采井时达到0.20。但两种情况下，在盖层顶面均未监测到CO2出现，即对于选定储层的地质条件，在模拟时间范围内，两种情况下该储层中的CO2均不会穿透盖层而发生明显泄漏现象。

图2 不布置抽采井的CCS技术在注入CO230年后储层的孔隙压力（上图）和CO2饱和度（下图）分布图

3.2 CO2注入速率变化和碳累积封存量对比

不布置抽采井的CCS技术与布置抽采井的CCS技术，注入井中CO2的注入速率和储层中碳累积封存量随注入时间的变化曲线如图5所示。由图5可知，对于该两种情况，在恒定的注入压力下，由于储层压力的逐渐增加，CO2注入速率随着模拟时间均逐渐降低，但对于布置抽采井的CCS技术，由于在抽采井中抽采流体，使得CO2注入速率降低程度较不布置抽采井的CCS技术慢。在注入CO2三十年后，布置抽采井的CCS技术与不布置抽采井的CCS技术，在注入井中CO2的注入速率分别为9.43kg／s和2.12kg／s，可见在相同的储层条件、相同的注入压力下，布置抽采井时可显著提高注入井中CO2的注入速率。

对于不布置抽采井的咸水层CCS技术，作为初步分析，可假定CO2累积注入量即为CO2累积封存量，而对于布置抽采井的咸水层CCS技术，可认为CO2累积封存量为注入井中CO2累积注入量与抽采井中CO2累积采出量的差值。由图5中CO2累积封存量曲线可知，两种技术下CO2累积封存量均随模拟时间而逐渐增加，但增加速率却逐渐降低，即随着注入井中CO2注入时间的增加，CO2的封存量与注入量的比值会逐渐减小，使得封存效率逐渐下降，不布置抽采井的CCS技术较布置抽采井的CCS技术降低的更显著。在30年后，对于布置抽采井的CCS技术，CO2累积封存量为698万吨，即平均每年大约可封存23.3万吨CO2；而对于不布置抽采井的CCS技术，累积封存量约为607万吨，仅约为布置抽采井时的87%；可见，对于相同的储层条件、相同注入压力和注入温度下，布置抽采井可在提高CO2注入速率的同时可显著提高CO2的累积封存量。

图3 布置抽采井的CCS技术在注入CO230年后储层的孔隙压力（上图）和CO2饱和度（下图）分布图

图4 盖层在两种情况下的孔隙压力和CO2饱和度随时间变化曲线

4 结论

鉴于单纯CCS技术易造成储层孔隙压力持续增加等缺点，考虑在注入井周围布置抽采井以对储层初始流体进行抽采。通过数值模拟，可知，在相同储层和相同注入条件下，相比于不布置抽采井的CCS技术，布置抽采井时可在显著提高注入井中CO2注入速率的同时显著增加储层中CO2累积封存量，并可缓解因注入CO2而导致盖层中孔隙压力的持续增加。从而使得咸水层CCS技术在有足够安全性保障的同时能够获得较高CO2封存量的环保效益。

图5 布置抽采井和不布置抽采井的CCS技术的CO2注入速率和碳累积封存量随注入时间的变化曲线

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