CO2咸水层封存中组合盖层密封效果的影响因素

孔维钟，白 冰，李小春

（中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉 430071）

组合盖层是指在储层上部存在的多个薄夹层（盖层中存在厚度较小的高渗层）及被多个薄夹层间隔的多个盖层所构成的整体。组合盖层在实际地层中分布广泛。但是，对于组合盖层，通常会概化为单一盖层进行评价［1－2］，这必然会带来一定的误差并影响选址结果，因此必须对组合盖层进行深入的研究。作者曾以神华集团鄂尔多斯煤制油1×105t／a CCS示范工程为背景，以鄂尔多斯盆地刘家沟组为目标储盖组合，通过数值模拟，研究了组合盖层对密封效果的影响。研究［3－4］结果表明：组合盖层对CO2的密封效果非常显著。当CO2突破第1层盖层后，会沿着薄砂岩层向远处迁移。薄砂岩层的存在降低了盖层的压力积聚，同时，提升了CO2注入速率和总注入量。这些研究体现了组合盖层的密封效果比单一盖层的有更大的优越性。但是实际地质中的组合盖层有不同的组合形式和不同的岩性条件，因此，同样是组合盖层，其密封效果也会有所差异。为了研究这个问题，在之前工作的基础上，依托一定的工程背景，作者拟设计多种对比工况，研究不同形式和岩性条件下组合盖层密封效果的差异，以此探究组合盖层层数、薄夹层厚度、渗透率及孔隙度对组合盖层密封效果的影响。

1 工况与模型

在设计工况中的主要参数来源于刘家沟组。刘家沟组作为主力储盖组合，其盖层埋深为1 575～1 677m，盖层厚度为102m，因盖层缺乏相关资料，故盖层孔隙度和渗透率等参数取盆地内泥岩的经验值。考虑到盖层内薄砂岩层与储层砂岩层岩性相同，其取值与储层参数相同。储层埋深为1 677～1 700m，储层厚度为23m，储层平均孔隙度为4.5%～7%，有效储层平均渗透率为0.1～0.3mD［5－7］。因薄夹层与储层均为砂岩或粉砂岩，则薄夹层的参数取储层的相同值。为了研究不同形式和岩性条件下组合盖层密封效果的差异，本研究依托神华集团1×105t／a CCS示范项目，以刘家沟组作为目标储盖组合开展研究，设计的工况为：①双组合盖层，即在盖层中有1层6m厚的薄砂岩层；②3组合盖层，即盖层中有2层6m厚的薄砂岩层；③双组合盖层，盖层中有1层3m厚的薄砂岩层；④双组合盖层，盖层中有1层10m厚的薄砂岩层；⑤双组合盖层，薄砂岩层的渗透率为3×10－15m2；⑥双组合盖层，薄砂岩层的渗透率为3×10－17m2；⑦双组合盖层，薄砂岩层的孔隙度为0.15；⑧双组合盖层，薄砂岩层的孔隙度为0.25。计算CO2穿透组合盖层的时间和压力积聚情况。通过工况1和2的对比，研究层数对组合盖层密封效果的影响；通过工况1，3和4的对比，研究薄砂岩层的厚度对组合盖层密封效果的影响；通过工况1，5和6的对比，研究薄砂岩层渗透率对组合盖层密封效果的影响；通过工况1，7和8的对比，研究薄砂岩层孔隙度对组合盖层密封效果的影响。工况设计方案见表1。表1中，除了影响因素不同以外，其他参数一致。

在本研究中，相对渗透率方程采用Van Genuchten－Mualem模型［7－8］，气体相对渗透率方程采用Corey模型［9］，毛细压力方程采用VG模型［10－11］。具体参数见表2。根据现有资料，将盖层与储层均概化为均质地层，设置注入地层（深度1 575m）初始压力p＝16MPa，压力梯度按照ΔP＝ρgΔh计算，温度t＝50℃，气体饱和度Sgas＝0，盐质量分数XNaCl＝6%，采用恒压注入方式，注入井底压力Pw＝28MPa，模拟时间为1 000a。

表2 储层和盖层的相关参数Table 2 Parameters of caprock and saline

根据工况设计，建立二维径向模型。径向距离10 000m，垂向距离125m，使用R－Z网格剖分（R方向（水平方向）54个网格，在注入井附近采用小尺寸网格，由密至疏到远处采用大尺寸网格；Z方向（垂直方向）23个网格，根据储盖层和薄夹层厚度平均划分），共1 242个网格。网格剖分如图1所示。

图1 网格剖分示意Fig.1 Mesh sketch map of numerical model

顶部和底部边界为非渗透边界，侧边界为定压无流量无热交换边界。双组合盖层概念模型如图2所示。

图2 刘家沟组储盖组合概念模型Fig.2 Conceptual model of Liujiagou formation

2 模拟结果与分析

研究组合盖层层数的影响时，对模拟结果中每个工况中气态和溶解态CO2的迁移规律进行分析。由于组合盖层密封效果最直观的反映是CO2穿透组合盖层的时间，因此，对于薄砂岩层厚度的影响以及渗透率和孔隙度的影响，就不再逐一分析CO2的迁移规律，只需要对比最终的穿透时间即可。

2.1 组合盖层层数的影响

在双组合盖层工况中，初始注入的压力较大，气态CO2在0.2a以后就有少量进入上部盖层。0.4a后，有很少CO2穿透第1层盖层进入薄砂岩层，薄砂岩层内气态CO2饱和度低于0.01。1.1a后，有少量CO2突破第2层盖层进入其底部泥岩层，气态CO2饱和度低于0.01。由于多数CO2在薄砂岩层，因此，直到44.8a以后，气态CO2运移到盖层顶部，此时气态CO2饱和度低于0.01，影响范围小于5m，因上覆地层的存在，泄露风险不大。连续注入64.3a以后，盖层顶部的气态CO2饱和度达到0.18，影响范围也加大到15m，此时有较大的泄露风险。气态CO2迁移云图如图3所示。

溶解态CO2由于溶质迁移作用，在3d后，就有极少量CO2进入第1层盖层。0.1a后，有很少CO2穿透第1层盖层进入薄砂岩层，薄砂岩层内溶解态CO2的质量分数低于0.01。0.5a后，有少量CO2突破第2层盖层进入其底部泥岩层。由于薄砂岩层的渗透率较大，大部分溶解态CO2会沿着薄砂岩层向远处迁移，只有少量向上迁移。因此，直到40.7a以后，溶解态CO2才到达盖层顶部，此时溶解态CO2的质量分数约为0.01，影响范围约为9m，溶解态CO2的浓度已经较大并且分布范围较广，已经存在泄漏风险。溶解态CO2迁移云图如图4所示。

在3组合盖层工况中，气态CO2在0.2a以后就有少量进入上部盖层。0.4a后，有很少CO2穿透第1层盖层进入底部薄砂岩层。1a后，有少量CO2进入第2层盖层，但气态CO2饱和度低于0.01。6.4a后，少量CO2穿透第2层盖层进入上部薄砂岩层。7.9a后，极少量CO2进入顶部盖层。此后，进入盖层的CO2绝大多数都在2层薄砂岩层中运移，极少量继续向上运移。但是，由于两层薄砂岩层的压力削减作用，直至模拟结束，气态CO2也未能达到盖层顶部，最高达到距离盖层顶部48m处。气态CO2迁移云图如图5所示。

溶解态CO2由于溶质迁移作用，在0.006a后，就有极少量CO2进入第1层盖层。0.13a后有很少CO2穿透第1层盖层进入下部薄砂岩层，薄砂岩层内溶解态CO2的质量分数低于0.01。0.4a后，有少量CO2进入第2层盖层。0.8a后，少量CO2穿透第2层盖层进入上部薄砂岩层。6.4a后，CO2进入上部盖层，但是CO2的质量分数低于0.01。由于薄砂岩层的渗透率较大，进入盖层的大部分溶解态CO2会沿着薄砂岩层向远处迁移，只有少量向上迁移，因此，直到174a以后，溶解态CO2才到达距离盖层顶部16m处，此时溶解态CO2的质量分数约为0.01。直到模拟结束，溶解态CO2也未能到达盖层顶部。溶解态CO2迁移云图如图6所示。

图3 工况1中气态CO2迁移云图Fig.3 Migration of gas phase CO2in Case 1

图4 工况1中溶解态CO2迁移云图Fig.4 Migration of dissolved CO2in Case 1

图5 工况2中气态CO2迁移云图Fig.5 Migration of gas phase CO2in Case 2

对比2种工况1和2的结果可知：在连续高压注入情况下，双组合盖层中气态CO2在64.3a后会到达盖层顶部，造成泄漏风险；溶解态CO2在40.7a后会到达盖层顶部，形成较大规模泄漏。3组合盖层则在1 000a内可以保证气态CO2只能运移到距离盖层顶部48m处，溶解态CO2只能运移到距离盖层顶部16m处。这是由于每一层的薄砂岩层都会对气态CO2有极大的压力削弱作用，同时也可以使得大多数进入盖层的溶解态CO2沿着薄砂岩层向远处运移，从而大幅度减少进入上部盖层的数量。在工况1和2下，气态和溶解态CO2迁移高度（距离模型底部）随时间的变化关系如图7所示。

从图7中可以看出，组合盖层的层数越多，就会有越多的薄砂岩层对CO2进行削弱，因此密封效果也就会越好。

2.2 组合盖层中薄砂岩层厚度的影响

通过对3种工况1，3和4的对比，研究组合盖层中薄砂岩层厚度对组合盖层密封效果的影响。由于组合盖层密封效果最直观的判断依据就是CO2穿透整个盖层的时间，因此研究组合盖层中薄砂岩层厚度的影响只需要对3种工况下气态CO2和溶解态CO2穿透盖层到达盖层顶部的时间进行对比，对比结果见表3。

图6 工况2中溶解态CO2迁移云图Fig.6 Migration of dissolved CO2in Case 2

图7 2个工况下，CO2迁移高度随时间的变化关系Fig.7 Migration height of CO2in two cases

从表3中可以看出，当组合盖层总厚度一致时，薄砂岩层的厚度越小，对于溶解态CO2而言，其密封效果越好；对于气态CO2而言，则没有明显规律。其原因是：组合盖层总厚度一致时，薄砂岩层越厚，意味着盖层部分越薄。对于溶解态CO2而言，越厚的薄砂岩层越有利于CO2沿着薄砂岩层向远处运移，从而向上运移的越少，密封效果也就越好；对于气态CO2而言，薄砂岩层的存在可以对盖层底部的压力进行削减。薄砂岩层越厚，削减作用越明显。与此同时，薄砂岩层越厚，意味着盖层部分越薄，气态CO2穿透盖层也就越容易。2个相反的作用使得薄砂岩层厚度对气态CO2的密封效果规律不明显。

2.3 组合盖层中薄砂岩层孔隙度和渗透率的影响

通过对3种工况1，5和6的对比，研究组合盖层中薄砂岩层渗透率对组合盖层密封效果的影响；通过对3种工况1，7和8的对比，研究组合盖层中薄砂岩层孔隙度对组合盖层密封效果的影响。由于篇幅所限，各工况下CO2运移过程不再一一赘述。对于3种工况下气态CO2和溶解态CO2穿透盖层到达盖层顶部的时间进行对比，对比结果见表4。

表3 不同厚度下，CO2穿透时间的对比Table 3 Comparison of CO2penetration time for different thickness

表4 不同孔隙度下，CO2穿透时间的对比Table 4 Comparison of CO2penetration time for different porosity

在工况5中，气态CO2始终未能运移到盖层顶部，而溶解态CO2在171a运移到盖层顶部时的质量分数低于1.0×10－6，没有泄漏风险，其CO2在时间节点（气态1 000a，溶解态171a）时的迁移云图如图8所示。

从工况1，5和6对比的结果可以看出，薄砂岩层的渗透系数对组合盖层密封效果的影响很大。当渗透系数降低一个数量级时，CO2穿透盖层的时间缩短为原来的约1／3。当渗透系数提高一个数量级时，CO2穿透盖层的时间大大增加，甚至可能保持长期高压注入而不会发生泄漏。因此，薄砂岩层的渗透系数越高，组合盖层的密封效果越好。

从工况1，7和8对比的结果可以看出，薄砂岩层的孔隙度也会对组合盖层的密封效果产生影响。孔隙度越大，CO2在薄砂岩层运移越容易，向上突破也就越难。CO2完全穿透盖层需要的时间越多，组合盖层的密封效果就越好。

图8 工况5中CO2迁移云图Fig.8 Migration of CO2in Case 5

3 结论

在以前研究的基础上，以神华集团鄂尔多斯煤制油1×105t／a CCS示范工程为背景，以鄂尔多斯盆地刘家沟组为目标储盖组合，通过不同工况的对比计算，进一步研究了不同形式的组合盖层之间密封效果的差异，从而确定影响组合盖层密封效果的关键因素。得到结论为：

1）组合盖层的层数、薄砂岩层的厚度、薄砂岩层的渗透率和孔隙度均会影响组合盖层的密封效果。

2）组合盖层的层数越多，其密封效果越好。每增加一层，会大幅度降低CO2泄漏的风险和增加CO2完全穿透盖层所需要的时间。

3）薄砂岩层的厚度对组合盖层密封效果有一定的影响。组合盖层总厚度相同时，薄砂岩层厚度越小，对于溶解态CO2而言，密封效果越好；对于气态CO2而言，则没有明显规律。

4）薄砂岩层的渗透率越高，密封效果越好；孔隙度越大，密封效果越好。

在选址时，不仅要尽量选择有组合盖层的储盖组合，更应该选取盖层层数多、薄砂岩层渗透率高和孔隙度大的组合盖层的储盖组合。由于实际工程中的组合盖层为复杂多变，因此，对于非均质地层和含有各种构造的组合盖层，还需要做进一步的研究。

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