CO2 作为含水层压缩气体储能系统工作流体的数值模拟研究

陈红旭，石 岩，白 皓，刘诚丞，李明奇

（吉林建筑大学市政与环境工程学院，吉林长春130118）

0 引言

随着我国经济的快速发展，污染物排放量大幅度增加，如不采取有效措施防治污染，环境质量将会进一步恶化[1]。国家积极倡导实施可再生能源替代行动，大力发展风能、太阳能、生物质能、海洋能、地热能等，从而降低CO2等温室气体的排放[2]。然而，随着太阳能、风能的迅速增长，电网储能不足仍然是一个严重的问题，因此需要发展其他的电能储存方式，如压缩CO2（或压缩空气）储能。目前国内外学者针对压缩CO2储能和压缩空气储能已进行了相关的对比研究：Li Y 等[3]用数值方法比较了在含水层压缩CO2储能和压缩空气储能，研究结果表明，当CO2含量充足时，采用含水层压缩CO2储能是一种较好的选择。Alami A H 等[4]对压缩CO2储能系统进行了实验研究，并与压缩空气储能系统进行了对比，结果表明，压缩CO2储能系统在能量和效率方面具有明显的优势。

当前针对以CO2作为含水层压缩气体储能系统工作流体的研究，缺乏对井筒-储层地下部分的热力学分析。为了更好分析含水层压缩CO2储能系统地下部分的循环性能，本文首先建立了含水层压缩CO2储能系统的概念模型，并采用T2WELL/ECO2N 程序对含水层压缩CO2周循环运行模式下的性能进行了分析，以此寻找系统最优能量回收效率的方案，实现高效的储能。

1 数值模拟

1.1 概念模型

含水层压缩CO2储能系统的概念模型如图1所示：在系统设置中有两个步骤，步骤1 为初始气囊形成阶段，工作流体首先通过压缩机利用电网的剩余电力进行压缩，然后通过井筒注入深部含水层，形成缓冲气泡，为后续循环周期提供压力支撑，避免水侵；步骤2 为储能－释能阶段，通过循环注入和释放CO2进行电能存储和发电。目前世界上运行的压缩储能电站，工作气体的循环周期大多采用日循环，因此对日循环研究的较多，对其他循环的研究较少，本文主要对周循环的运行过程进行分析。

图1 含水层压缩CO2 储能系统的概念模型

1.2 数学模型

1.2.1 TOUGH2-T2WELL

TOUGH2 软件是一个多组分、多相流体在一、二、三维多孔和裂缝介质中的非等温流动的数值模拟器，由劳伦斯国家实验室开发[5]，可以处理地热储藏工程、CO2地质处置、饱和/非饱和带水文、环境评价和修复及核废料处置的问题[6]。图2 为TOUGH2软件的建模步骤。

图2 TOUGH2 建模步骤

T2WELL 是在地质储层模拟器TOUGH2 的基础上进行扩展形成的，通过在数值网格中引入一个特殊的井筒子域，实现井筒和储层中流动的耦合计算[7]。用于模拟CO2注入和井筒泄漏的情况，采用有限差分格式对质量和热能平衡方程进行数值求解。针对井筒对储层的传热进行半解析或数值处理，采用半显式格式对井筒内流体的动量平衡方程进行数值求解，T2WELL 质能平衡方程及速度方程见表1。

表1 T2WELL 质能平衡方程及速度方程[8]

1.2.2 ECO2N/2.0

ECO2N/2.0 模块是多相、多组分模拟器TOUGH2 的流体特性模块，适用于井筒耦合储层的情况，它可以模拟在含有H2O-NaCl-CO2混合物的多维非均质系统中流体和热流之间的耦合，H2O 和CO2在不同相之间的分配，以及固体盐的沉淀/溶解，是一种非等温多相井筒模拟器[9]。在本文采用的井筒储层耦合模型中，对ECO2N 模块进行了简化，只考虑在含水层中CO2和水的运移规律，没有考虑盐层。

1.3 数值模拟

1.3.1 模型的建立

1）研究区地质概况

研究区位于吉林省长春市高新技术开发区现代物流大厦项目内部的吉特一号井，属于松辽盆地营城组区域，作为长春新区能源转型升级的标杆项目，现代物流大厦项目采用地热清洁能源替代传统锅炉，松辽盆地营城组区域具有良好的地热资源开发利用前景，物流大厦所在区域为营城组四段，此区域开采出来的岩样主要以沉积岩为主，根据现场大量钻孔温度测量统计分析，地温梯度约为0.031 4℃/m，井底温度为63.5 ℃，测温结果显示区内地温梯度较为稳定，本次研究井深2 000 m，该深度范围内地层岩性主要为沉积岩类，其厚度为100 m，其上覆岩层和下伏岩层的厚度相等，厚度均为20 m。

2）网格剖分

模型的网格采用IGMESH 网格剖分程序进行剖分，具体的网格划分方式如下：数值模型的网格尺寸为1 200 m×1 200 m×100 m。井孔位于储层网格中间，井筒长度为2 000 m，地热井附近网格径向长度为0.2 m，径向网格逐渐增大至400 m，为了提高井孔周围热过程计算时的准确度，进行了尺寸30 m×30 m 的网格细化，经过计算得出模型中的网格总数为45 640 个，生成的网格如图3 所示。

图3 模型网格剖分图

3）初始与边界条件

①模型的初始条件表面压力为0.2×106Pa、底部压力为25.84×106Pa、地表温度为20 ℃、模型底部温度为120 ℃，含水层充满液态水，气体饱和度为0。②模型的边界条件∶地热井与岩层之间的边界只有热传导，没有水的流动[10]，地层的边界被看作是恒温恒压的。可以在T2WELL 模拟程序中，通过将储层顶部的体积设置为无穷大来实现力的恒定，储层底部的密度设置为无穷大来实现温度的恒定。

4）参数设置

该模型的初始压力分布与大气压力处于静水压平衡状态，假设其压力为1.01×105Pa。实际情况下，地层相当于一个开放的含水层。因此数值模拟时，将其边界条件进行调整，将其顶部边界设置为开放边界，底部边界设置为封闭的边界，在此边界上无流动和无传热。模型和水文地质热力学参数见表2。

表2 模型和水文地质热力学参数

5）模拟方案

①初始气囊阶段，以5 kg/s 的速率向含水层中注入超临界CO2，压缩CO2逐渐驱替地下水，形成一个较大的气囊，可以为后续抽采阶段提供足够的压力[11]。②储释能循环阶段，采用周循环对含水层压缩CO2的运行过程进行分析，设定循环时间为160 d，循环一周期定为8 d，并将循环的一周期分为四个时间段，第一个时间段为以5 kg/s 的速率注入2 d；第二个时间段为停止注入2 d；第三个时间段为以5 kg/s 的速率抽采2 d；第四个时间段为再次停止注入2 d，共设计了20 个周期。本文选择其中一个循环周期进行介绍，其循环方案如图4 所示。

图4 周循环过程中循环时间与速率

2 结果与讨论

2.1 初始气囊建立阶段

2.1.1 气体饱和度变化

图5 为初始气囊形成阶段气相饱和度的变化，本次模拟选取第6 周期和第20 周期进行对比分析，分析CO2气体饱和度的变化情况。可以看出，最远处的气体饱和度为0.05，离井筒最近处的气体饱和度为1，随着注入时间的增加，含水层孔隙内将逐渐被超临界CO2充满，但岩石表面还附着少量的水，因此，距离井筒越近，压力梯度就越大，井筒附近有足够的压力对含水层中CO2进行驱替，使得距离井筒最近处的气体饱和度最高，最远处的气体饱和度最低。

图5 初始气囊形成阶段气相饱和度变化

2.1.2 初始气囊形成后含水层温度变化情况

图6 为在初始气囊形成后含水层温度分布情况，在向含水层中注入超临界CO2的过程中，CO2的温度低于地下含水层的温度，并且由于CO2主要分布在含水层的上部，温度较低的CO2与含水层中温度较高的气体相互混合，使近井处温度整体呈下降趋势，而远离井筒周围的含水层温度逐渐升高。

图6 初始气囊形成后含水层温度分布

2.2 储释能循环阶段

2.2.1 井口压力变化情况

图7 为整个循环过程中的井口压力变化情况，分为以下四个过程。①在第一次注入阶段：向含水层注入CO2的过程中，随着CO2的注入量逐渐增多，井口附近的压力也会逐渐增大，井口压力由13.94 MPa，逐渐增加到14.23 MPa。②第一次停注阶段∶在CO2注入的过程当中，注气点附近压力高于周围含水层压力，导致CO2逐渐驱替地下水向含水层周围运移，从而压力减小[12]。井口压力在最大处保持恒定，并有下降趋势。③抽采阶段：大量的CO2被抽采出去，导致井口周围压力降低。④第二次停注阶段：停注CO2后，井口的压力低于附近含水层的压力，随后地层水驱替CO2向井口周围移动，导致井口附近压力逐渐上升，并逐渐恢复到初始注入时的压力。

图7 系统20 周期（160 d）循环过程中井口压力变化

2.2.2 储能效率

在向含水层封存CO2的过程中，储能效率是判断CO2是否为良好储能气体的重要因素之一。储能效率的定义为：在一个完整的循环周期内，产出的能量与在井口处的注入能量之比，计算储能效率公式如下：

式（1）中：η为循环过程中的储能效率；Qout为产出的能量，MW；Qin为井口处的注入能量，MW。

将CO2长期封存在地下，封存深度一般要在800 m～3 500 m 内的地质构造中，此范围的温度和压力可使CO2保持高密度的液态或超临界状态。图8 为当含水层埋深为900 m，1 200 m，1 500 m 时整个循环周期储能效率的变化情况，三种情况下的井筒均完全贯穿含水层，含水层厚度均为100 m。可以看出三种埋深情况下的储能效率都呈现上升趋势，当含水层埋深在900 m～1 000 m 时，储能效率从88.6%上升到91.7%；含水层埋深在1 200 m～1 300 m 时，储能效率从90.2%上升到93.5%；含水层埋深在1 300 m～1 400 m 时，储能效率最高，从92.6%上升到95.2%。说明含水层深度越深，地层温度、能量密度、储存压力都会增大，能够抽采出更加高压、高密度、高温的CO2，从而获得更多的能量，使储能效率增加[13]。

图8 不同含水层埋深情况下系统20 周期循环储能效率变化

3 结语

本文通过数值模拟手段，使用T2WELL/ECO2N程序建立了井筒耦合储层的三维数值传热模型，分析了CO2作为含水层压缩气体储能系统工作流体的运行过程，并采用IGMESH 程序对三维数值模型进行网格剖分，主要得出以下结论。

1）系统初始气囊建立阶段：随着注入时间的增加，距离井筒越近，压力梯度越大，井筒附近有足够的压力对含水层中的CO2进行驱替，使得近井处的气体饱和度最高，远井处的气体饱和度最低；在向含水层中注入超临界CO2时，CO2的温度低于地下含水层的温度，近井处温度整体呈下降趋势，而远离井筒周围的含水层温度则逐渐升高。

2）储能－释能循环阶段：井口压力呈周期性变化，由于含水层中固体颗粒的阻碍和渗透性限制，从井筒到含水层周围区域会形成较大的压力梯度。在注入和抽采过程中，含水层井筒附近将分别形成压力上升和压力下降区域；系统储能效率随着含水层深度的增加而增大，因此，含水层越厚越有利于系统的安全稳定运行。由于注入含水层的CO2较稳定，向周围含水层扩散的少，并且周围地层中的热量也会对整个系统进行补给，整个系统具有良好的储能效率。但随着循环次数的增加，储能效率会逐渐降低。