咸水层CO2封存注入阶段盖层泄漏风险的数值模拟

贾善坡, 牟心昊, 温曹轩, 张品金, 王斌涛

(1.东北石油大学 土木建筑工程学院, 黑龙江 大庆 163318; 2.东北石油大学 黑龙江省油气藏及地下储气库完整性评价重点实验室, 黑龙江 大庆 163318; 3.中国石油测井有限公司 大庆分公司, 黑龙江 大庆 163000)

0 引 言

近些年来,随着我国对能源需求大幅增加,导致CO2排放量逐年上涨,2020年中国的碳排放量达到98.99×108t,预计2030年可达120×108t[1-4]。在“碳中和”背景下,将大规模CO2埋存在地下,是实现低碳绿色发展的有效途径。根据CO2地质封存量调查结果显示,我国24个主要沉积盆地的深部咸水层可封存CO2总量可达143.5×109t[5]。咸水层具有分布广、封存稳定、可行性强等优点,被认为是最有前途的碳储存方法[6]。然而咸水层注气封存过程,受注气压力和盖层突破压力因素影响,CO2会向盖层渗透逸出,当逸出气体达到一定值后,盖层密封性受到损伤,与此同时,储层流体压力累积使盖层底部压力增加,可能对盖层力学完整性产生影响。因此,开展CO2咸水层封存气-水-固多场耦合特征及盖层力学变化特征研究具有重要的工程应用价值。

CO2地质封存中,流体-岩石相互作用、流体运移和密封属性之间的相互关系是CO2长期稳定封存的一个重要因素,良好的密封性是为了保证CO2不向储层外扩散,需要深入研究密封单元内的流体-岩石作用对流体运移的影响。国内外已有的研究多聚焦于地层本身属性,如盖层厚度、渗透率、孔隙度和毛管压力等方面,也有部分学者对不同注气条件下地层压力演化规律进行研究[7-8]。付晓飞等[9]认为盖层厚度影响其密封能力,厚度越大,横向分布越广,气密性越好。蒋有录等[10]认为盖层的关键密封机制在于毛细管密封和渗透密封,毛细管密封机制发生在CO2-盐水界面,阻止CO2向上流动,渗透密封发生在超过突破压力时,由盖层充当渗透屏障,这两种机制的泄漏量有限,但都是长期存在的。Li[11]和Cinar等[12]研究了CO2注入引起的孔隙压力变化,得出压力和总平均应力变化引起的孔隙度变化较小且有限的结论,即在盖层或具有高渗透性的相邻断层上没有高渗透路径的情况下,盖层上方的孔隙压力增加被认为是零。Yi等[13]通过数值模拟对CO2地质封存过程中各种应力变化以及井筒-储层系统渗透率的敏感性分析,得出含水层渗透性是影响CO2流动的重要参数。莫绍星等[14]分析了储层各向异性对碳封存的影响,得出储层垂向渗透率降低可以促进CO2水平运移。刁玉杰等[15]基于CO2地质储存安全性,建立了地质安全评价体系,得出盖层气密性和力学稳定性权重较大,即稳定的区域性盖层是实现CO2地质存储的有力保障。

以上等人虽然对盖层-储层系统密封完整性有了一定研究,但多聚焦于CO2流体在地层中受岩石属性影响机制的研究,比如地层属性改变对其密封完整性的影响,注气条件改变对地层压力演化的影响,而对将地层属性和注气条件变化相结合以研究地质封存过程密封性和盖层力学完整性的相关研究较少。针对盖层的失效方式主要受透过盖层的扩散损伤、超过毛细管突破压力时通过孔隙泄漏、通过断层或裂缝的泄漏等多种因素影响,本文主要考虑CO2流体经储层向盖层扩散对盖层密封性和力学完整性损伤,基于两相渗流理论,建立气-水-固多场耦合模型,在两种渗透率条件下通过改变注气速率和注气总量,模拟咸水层CO2封存期间储层流体变化规律对盖层密封性和盖层力学完整性的影响,并探讨两者发生的先后关系,以及密封性变化对地质安全封存的意义。

1 模型建立

1.1 几何模型

本研究模拟了水平均质含盐含水层-盖层系统,整个系统呈对称状态,100 m厚的咸水层顶部位于地下1 500 m深处,咸水层上方被500 m厚度的低渗透盖层覆盖,盖层上方为低强度介质,这些介质不被考虑在本模型中。垂直注入井位于区域中心,在区域的横向范围设置固定边界条件,以模拟无限横向延伸含水层的影响,模型尺寸为3 km×3 km×1 km,几何模型见图1。

图1 几何模型示意Fig. 1 Schematic of geometric model

三维地质模型平面网格采用15 m×15 m的网格步长,x方向共划分200个网格,y方向共划分200个网格,单平面共划分40 000个网格。盖层纵向划分10小层,储层纵向划分20小层,底层纵向划分5小层,总网格节点数为40 000×(10+20+5),总网格数目为140万个。

1.2 流体力学

含水层和盖层性质分别对应于透水砂岩和低渗透固结泥岩,相对渗透率遵循V-G曲线,采用Van-Genuchten计算模型,具体计算公式为

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

(1)

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

(2)

式中:S*——有效饱和度;

S1——液体饱和度;

Slr——残余液体饱和度;

Sls——饱和液体饱和度;

pcap——毛细压力;

p0——进气压力;

λ——孔隙分布指数;

pmax——毛细压力下限的绝对值。

1.3 地质力学

盖层在确定的突破压力下保持其密封性,当盖层与储层交界处的压力超过突破压力时才会发生泄漏,这种泄漏不会随时间变化而停止,只会呈现不断降低的趋势。由于储层与盖层边界产生的泄漏与盖层渗透率密切相关,因此,可以在数值模拟过程中通过适当调整盖层渗透率来减少气体的泄漏。为了能够建立完整的动态地质力学模型,将局部圈闭,使储层、盖层、上覆地层和下伏地层纳入模型范围,对两个平面之间的区域进行定义,开发结构模型,定义三维空间。通过地质力学建模和储层流体建模后,再确定岩石物理参数。初始应力场中垂直应力大于水平应力,不同深度的垂直应力可表示为

(3)

边界条件考虑到垂直于底部和外部边界无位移,在盖层上方施加恒定的垂直静应力。为了方便计算,采用弹塑性本构模型。由于天然气注入期间会发生明显的压力累积,大多数岩石屈服应力很小,会产生不可逆应变,导致应变分为两种情况。

dε=dεe+dεi,

(4)

式中:εe——弹性应变张量;

εi——非弹性应变张量。

体积模量为

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

(5)

式中:E——杨氏模量;

v——泊松比。

剪切模量为

G=E/[2(1+v)]。

(6)

弹塑性模型采用Drucker-Prager屈服函数。由于地下岩层相关数据较少,文中参照Raziperchikolaee等[16]和Wang等[17]的研究,设定两种地层参数,表1为模型计算参数。

表1 模型参数

2 结果分析与讨论

相关研究表明注入速度和初始渗透率对流岩相互作用有显著影响[18]。在注入CO2期间,储层压力将逐渐升高,如果压力提升过快或过高,盖层可能会受损,失去密封性,导致CO2泄漏,高效的存储往往取决于对注入速率和储层压力的适当管理[19-20]。

为了保证模拟结果不受其他因素影响,将注气总量控制在400×104t以内,将注气速率控制在15×104m3/d以内。CO2注入使盖层经历一个压力累积过程,应力场会受到影响而产生变形,盖层可能破坏并开辟新的流体流动路径[21]。盖层压力累积产生弯曲变形,上部发生水平延伸,这是由于注入早期产生沉降导致,与低渗透盖层无关[22]。盖层的渗透性影响含水层和盖层中流体演化规律,含水层流体向盖层泄漏,减少了含水层中的压力,这种改变与渗透率密切相关,渗透率越高,受压力积聚影响的盖层体积越大。

2.1 流体分布

CO2在注入咸水层后,会受到地下圈闭埋存机制、残余气埋存机制、溶解性埋存机制和矿物埋存机制影响。本研究主要考虑的是地下圈闭埋存机制中CO2在储层受浮力影响聚集在储层上部时,受到上覆盖层的抑制,此时盖层岩石密封下的CO2是可移动的,一旦储层压力达到超压状态,可能导致盖层的力学性能失效,发生严重泄漏事故。在储层动态模拟过程,渗透率的大小决定着CO2扩散速度,如果渗透率较低,无法平衡注气过程累积的压力,这部分压力会向盖层转移,当临界盖层压力值超过CO2压力值,盖层孔隙会被穿透,形成逃逸通道。低注入速率意味着流体流动扩散缓慢,在该系统中,饱和前沿将花费更长的时间到达域的另一端。除此之外,在高注气速率条件下,饱和前沿将以非常高的速度穿过域,并且在空间域内无法观察到预期的反应和结果。因此,将注气速率控制在15×104m3/d以内,确保储层流体有一定扩散速度,同时盖层不会因为注气速率过高发生提前破坏。

模拟较低渗透盖层和较高渗透盖层以2×104m3/d条件下持续注气10 a,截取注气第5 a、注气第10 a和注气结束后第10 a时射孔附近的含气饱和度分布,如图2、3所示。可以看出,在相同注气速率下,低渗透和高渗透模型羽流扩散速度基本一致,随着注气总量的增加,部分气体受初始速度影响向水平方向扩散,在扩散过程中受浮力影响向储层顶部迁移,最终聚集在储层与盖层交界处。相比于低渗透模型而言,较高渗透模型在注气初期就已经发生气体泄漏,注气结束10 a时盖层底部的泄漏量已经超过15%,在盖层发生破坏前就已经有泄漏趋势。此时,盖层密封性失效先于盖层力学失效,泄漏量最大点位于注射孔上方盖层部分。

图2 低渗透模型在2×104 m3/d条件下含气饱和度变化Fig. 2 Variation of gas saturation in low permeability model under 2×104 m3/d conditions

图3 高渗透模型在2×104 m3/d条件下含气饱和度变化Fig. 3 Variation of gas saturation in high permeability model under 2×104 m3/d conditions

盖层低渗透模型在注气总量一定时,对比以2×104m3/d和5×104m3/d注气结束后第10 a羽流变化情况,如图4所示。

图4 注气结束10 a时的含气饱和度分布 Fig. 4 Distribution of gas saturation at end of gas injection for 10 a

由图4可以看出,高注气速率条件下的CO2羽流扩散更均匀,羽流扩散速度与浮力作用基本相平衡,减少了向咸水层顶部聚集速度,使其能够一定程度上减小了储层和盖层交界处的气体聚集总量,但增加了射孔周围的储层压力。观察射孔上方盖层J点在注气结束后第10 a气体饱和度变化,发现低渗透盖层一样存在气体泄漏情况。由于地质封存长达千年,理论上每年泄漏率应低于0.1%才能保证地质封存的安全,但实际上盖层泄漏量达到1%时,其密封性可能已经受到损伤。图5为盖层泄漏量最大点J在不同注气条件下从注气开始到注气结束后气体泄漏量变化曲线,2×104m3/d和5×104m3/d条件下表明,在20 a内的泄漏总量小于0.2%,盖层密封性未受到损伤。10×104m3/d速率下在第35 a时,J点泄漏量达到1%,10×104m3/d速率下在第30 a时,J点泄漏量达到1%,但两者泄漏速率都在降低,可以认为,盖层局部密封性受到损伤,但整体盖层密封性仍保持完整。

图5 不同注气速率条件下CO2在J点泄漏量 Fig. 5 CO2 leakage at point J under different gas injection rates

2.2 盖层压力变化

注气导致储层流体扩散并向上部运移,低渗透盖层的密封特性有效地抑制了CO2向盖层迁移,储层压力也随之增加,并在注气结束时达到峰值。这种密封能力受盖层阈值压力影响,地质封存过程储层压力随时间推移会向盖层转移,当盖层压力阈值达到上限,盖层完整性会受到损伤。对于低渗透盖层压力变化,分别模拟了两种注气方案下盖层应力变化情况,如图6、7所示。由图6、7可知,注气结束后,储层中积累的压力向水平扩散的同时也向盖层底部运移,J点处压力增加最为明显,盖层底部的压力随时间推移向继续向水平方向和上方运移。

图6 10×104 m3/d注气速率下压力变化 Fig. 6 Pressure change under gas injection rate at 10×104 m3/d

图7 15×104 m3/d注气速率下压力变化 Fig. 7 Pressure change under gas injection rate at 15×104 m3/d

图8、9为J点垂直应力曲线图。由图8、9可知,在注气结束10 a后,储层应力减小,J点垂向盖层和底层的有效应力变化幅度明显大于储层的有效应力幅度。储层压力逐渐向盖层转移,10×104m3/d条件下储层上部最大应力从67.96 MPa降至67.03 MPa,下降0.93 MPa;盖层底部压力从25.85 MPa增至29.56 MPa,增长3.71 MPa。15×104m3/d条件下储层上部最大压力从68.47 MPa降至67.22 MPa,下降1.25 MPa;盖层底部压力从23.44 MPa增至27.63 MPa,增长4.19 MPa。储层压力主要沿水平方向变化,盖层应力变化主要发生在底部,而底层发生在顶部。在储层流体压力降低到一个相对稳定状态前,盖层压力会持续增加,导致地层有效应力影响减小,对盖层完整性有直接影响。500 m厚的盖层仅与储层相邻的100 m范围受到影响,可以认为,当拥有足够厚的盖层时,少量气体泄漏对盖层完整性的影响可忽略不计,达到盖层突破压力需要长时间的累积,较厚的盖层可减缓泄漏气体突破盖层的速度,满足CO2安全封存千年以上的目的。

图8 10×104 m3/d注气速率下J点垂直应力曲线Fig. 8 J-point vertical pressure curve under gas injection rate at 10×104 m3/d

图9 15×104 m3/d注气速率下J点垂直应力曲线Fig. 9 J-point vertical pressure curve under gas injection rate at 15×104 m3/d

2.3 盖层力学完整性评价

盖层的完整性高度依赖于储层消散注入产生的额外压力(超压)的能力。注入速率的增加导致压力增加,应将压力保持在盖层岩石破裂压力以下。在盖层未发生破坏前是否发生CO2泄漏情况是评定CO2泄漏与盖层力学完整性失效的先后顺序的前提,注气使地层孔隙压力增加,围压降低,盖层抗剪强度降低使其发生剪切破坏的可能性增加,当剪切应力超过其抗剪强度,会发生剪切破坏。而盖层岩石拉伸应力超过岩石抗拉强度后,会发生拉伸破坏。在考虑黏聚力的情况下,采用Mohr-Coulomb失效准则和拉伸破坏准则判断盖层完整性。

根据两种不同注气方案,由注气结束后盖层有效应力云图(图10、11)可以看出,随着注气量增加,盖层有效应力发生变化,但未出现负值,表明在当前注气条件下,盖层不会发生拉伸破坏。对比分析了两种注气速率条件下,J点注气前后的莫尔圆变化规律,如图12所示。由图12可以看出,在注气开始后,莫尔圆向左移动,但始终处于包络线下方,说明这两种情况下盖层均未发生剪切破坏。根据拉伸破坏准则可知,CO2注入使地层有效应力发生变化,当有效应力为负值时,出现拉应力,可能出现拉伸破坏。

图10 10×104 m3/d条件下盖层应力变化云图Fig. 10 Cloud chart of stress changes in rear cover layer under 10×104 m3/d

图11 15×104 m3/d条件下盖层应力变化云图Fig. 11 Cloud chart of stress changes in rear cover layer under 15×104 m3/d

图12 J点处莫尔圆状态变化Fig. 12 State change of mohr′s circle at point J

3 结 论

(1)CO2羽状流垂向增加时,垂直应力随之增加,羽状流向水平方向扩散,垂直应力减小,水平应力增加,此时储层渗透率太低或存在阻碍流体流动的障碍,将导致注入点处的压力增加,从而限制储层内可能封存的CO2量或危及盖层的完整性。

(2)CO2注气速率和注气总量只影响气体泄漏总量和泄漏速度,无法杜绝泄漏情况。CO2泄漏是否对地质封存安全产生影响取决于泄漏总量和泄漏速率以及盖层应力变化对盖层力学完整性影响。气体泄漏量在注气结束后随时间推移达到1%时发现,储层流体水平运移速率不能有效消散注入阶段产生的额外压力,可能对盖层完整性产生影响。

(3)在对储层-盖层水气分布和盖层力学完整性分析中,储层存储能力接近极限时,随着CO2泄漏量增加,盖层密封性受到损伤,但仍具有力学完整性,可以认为,在CO2地质封存中,力学失效通常发生在密封性失效之后,密封性失效可通过气体泄漏情况来预测。