地质封存论文

地质封存论文（精选4篇）

地质封存论文 篇1

中国在CO2地质封存尤其是环境监测领域仍处在初步阶段, 积极借鉴国际典型CO2地质封存监测的经验和教训, 无疑对中国CO2地质封存的发展具有重要意义。

CCUS (CO2捕捉、利用和封存) 技术在中国受到了越来越广泛的重视和关注。神华集团于2011年在内蒙古鄂尔多斯启动了年10万吨的CO2深部咸水层注入项目。中国政府和许多企业都认为CCUS将在中国中长期CO2减排战略中发挥重要作用。地质封存是CCUS中技术上最具挑战性的一个环节, 也是环境风险和环境影响最大的环节。当前国际上CO2地质封存项目发展很快, 但包括加拿大Weyburn项目在内的多数项目受阻和备受争议的主要原因都是环境问题。中国在CO2地质封存尤其是环境监测领域仍处在初步阶段, 积极借鉴国际典型CO2地质封存监测的经验和教训, 无疑对中国CO2地质封存的发展具有重要意义。

二氧化碳地质封存特点

2010年以前, 除了Sleipner, In Salah和Snøhvit项目外, 所有CO2地质封存项目都是CO2驱油项目, 真正单纯CO2地质封存项目极少。在CCUS整个过程中, 相比捕获和运输, 地质封存经验要少得多, 其环境风险和环境影响也相对要大。CO2地质封存可以在许多类型的沉积岩盆地中进行。适宜CO2封存的地层主要可以分为4大类 (图1) :枯竭的油气藏;CO2提高油/气采收率;CO2提高煤层气采收率;深部咸水层。

枯竭的油藏、气藏是当前最为现实和具有可操作性的CO2封存地层类型。因为这些油气藏已经被研究的较为彻底, 所以数据资料丰富且容易获取, 从而可以直接有效地支持CO2地质封存评估以及理解CO2注入地层后的动态情况。同时, 这些地层的压力状态都比较适宜CO2的注入和封存。但已有钻井也是破坏地层完整性的潜在因素, 需要进一步评价、修复和监测。

通过注入CO2从而实现EOR (CO2提高石油采收率) 和EGR (CO2提高天然气采收率) 是当前CO2地质封存中唯一经济可行 (具有成本效益) 的类型。CO2在石油行业被用于EOR已有几十年的历史, 通常能提高原油采收率7%～23% (平均为13.2%) 。但注入的约50%～67%的CO2会随着石油开采返回到地面, 之后会被再次分离出来重新注入油井中加以循环利用。剩下的CO2则会通过各类机制被油藏捕获。

深部咸水层是最具潜力的CO2地质封存地层。因为其覆盖范围广且地质特征接近CO2地质封存要求。具有良好封存条件的深部咸水层往往和油气藏分布在同样的盆地中, 并且其地质条件和天然油气藏也比较相似。

煤层是CO2地质封存类型中较为独特的一种。因为注入的CO2很大程度上是取代煤层气 (主要是甲烷) 而吸附于煤基质上, 因为CO2比煤层气更加容易吸附于煤基质上。有观点认为, 既然煤层可以储存煤层气达百万年, 它也可以储存CO2达到同样的时间尺度。但CO2和煤基质之间的反应仍需要进一步深入研究。特别是在CO2注入煤层后的化学反应和物理过程, 以及它们对煤层储存完整性的影响, 这些方面当前都缺乏深入的研究和了解。

CO2注入地层后, 是依靠一系列的地质捕获过程将其永久封存于地层中的。主要有4种捕获过程:结构和地层捕获;残余捕获;溶解捕获和矿化捕获 (图2) 。随着时间的推移, 物理捕获过程 (结构和地层捕获, 残余捕获) 发挥的作用将会逐渐降低, 而地球化学捕获过程 (溶解捕获, 矿化捕获) 的作用则会逐步增加, 并且封存的安全性也随之逐步得到提高。

当CO2注入到地层中后会进入岩石空隙, 而这些岩石空隙往往被盐水充满, 所以在注入压力下, CO2会挤压盐水, 充满岩石空隙, 并和盐水混合。因为CO2的密度要低于盐水, 所以处于超临界状态的CO2会受浮力的作用向上移动。但CO2向上移动到盖层时就停止移动, 因为盖层渗透性极低, 使其无法通过。通常盖层岩石都是泥岩等。盖层相当于盖子, 将CO2限制其内, 防止其向上移动, 从而在有地质褶皱或隆起的地方, 盖层下面就会逐渐累积起大量的CO2, 这种过程就是结构和地层捕获。残余捕获发生在储层中岩石空隙较小的情况中, 当CO2通过时, 少量的CO2由于受毛细作用力而存留下来, 尽管这时CO2和周围盐水之间仍存在着密度差异。总体上讲, 残余捕获是大量CO2在移动过程中, 在岩石缝隙中残留一定量CO2的过程, 这种过程会逐渐减弱CO2的移动范围。CO2可以溶解于水或油中, 溶解捕获就是CO2在地层溶液中的溶解过程。并且溶解有CO2的盐水要比没有溶解CO2的盐水重, 这便使得CO2随溶解盐水向地层下部移动, 提高了CO2封存的安全性。溶解于盐水的CO2会与岩石发生反应, 反应结果是部分CO2转化为碳酸盐, 这便是矿化捕获。矿化捕获是CO2地质捕获中最具永久性和安全性的捕获过程。但矿化捕获过程相当缓慢, 通常要经过上千年甚至更长。

世界二氧化碳地质封存项目现状

全球CCS研究所 (Global CCS Institute) 在其《全球2012年CCS现状》中称, 2011年全球处于不同状态 (确认、评价、决定、建设和运行) 的大规模完整CCS项目 (相当于工业规模水平CCUS项目) 共有75个。2012年内, 全球有8个前期确定的大规模完整CCUS项目由于资金不足或规范问题等原因下马或停止进展, 同时开始9个新项目, 新项目中5个项目源自中国。

在全球75个CCUS项目中, 8个处于运行状态, 8个正在施工建设, 这16个项目总CO2封存能力达到每年3, 600万吨。另外59个项目正处于规划发展阶段, 这些项目的封存能力将超过11, 000万吨/年。

从图3可以看出, 北美和欧洲是工业规模水平CO2地质封存项目的主要地区。北美和欧洲的大规模完整CCUS项目分别有24个和21个, 之和占总项目的60%, 其次是加拿大和澳大利亚。

美国是CCUS项目最为活跃的地区, 不仅项目数量位居全球第一, 而且总CO2封存量也居世界第一。2012年全球大规模完整CCUS项目中的大部分都是预计在2015～2020年才开始实施。从CO2地质封存类型上看, 46%的全球大规模完整CCUS项目属于EOR项目, 26%属于陆地咸水层项目, 14%属于海上咸水层项目, 7%属于海上枯竭油气藏项目, 另外其它7%处于不确定和其他类型。

典型二氧化碳地质封存项目环境监测技术

世界当前正在进行的CO2地质封存项目可以分为两大类:工业规模水平和实验规模水平, 其分类主要是依据CO2的年注入量。本文参考大规模完整CCUS项目标准, 低于这个规模水平的, 都可以认为是实验规模水平的CO2地质封存项目。

国际上真正的CO2地质封存项目并不多, 而大规模注入量的就更少。Sleipner (挪威) , Weyburn (加拿大) 和In Salah (阿尔及利亚) 三个项目的年注入规模都超过了100万吨 (图4) , 是非常典型的工业规模水平CO2地质封存项目。其中, Sleipner是全球第一个大规模CO2地质封存项目, Weyburn是当前CO2地质封存项目中注入规模最大的, 年注入量为300万吨CO2。但这些工业规模水平的项目, 其监测方案和技术并不侧重环境领域, 而主要是针对CO2在地层中的移动。例如Sleipner和Weyburn项目的3D-4D地震成像技术应用较为成功, 而In Salah项目的合成孔径雷达干涉测量技术取得了很好的结果。由于早期CO2地质封存项目未对环境监测给予足够的重视, 因而后期环境问题逐渐凸显出来。所以, 国际马上出现了实验规模水平的CO2地质封存, 来进行各类环境监测技术的应用和评估。

实验规模水平的CO2地质封存项目给我们提供检验各种不同监测技术的可能和平台, 甚至可以利用人工受控释放CO2的方法, 来模拟地质封存CO2泄漏的情况下, 不同监测技术的监测结果。同时, 实验规模水平项目可以检测尚未应用的新监测技术, 而这些在工业规模水平的项目中都很难实现。由于实验规模水平的项目规模小, 易于控制, 并且可以随时改变条件和注入情况, 人工可控制性强, 利于研究不同情况下的环境风险及监测方法, 也可以多途径的探测和检验地质储层特征和大规模封存后可能的潜在问题。实验规模水平的项目甚至为一些CO2地质封存的法规制定提供了有力支持, 澳大利亚CO2 CRC Otway CO2地质封存项目就是一个实验规模水平的项目, 该项目对澳大利亚维多利亚州的陆地CO2封存法规的制定和出台发挥了实质性的推动作用。

世界上最著名的实验规模水平的CO2地质封存项目有两个, 分别为澳大利亚的CO2 CRC Otway项目和美国的ZERT项目, 这两个实验规模的项目在国际上影响较大, 而且成果丰硕, 尤其在CO2地质封存的环境监测方面做出了许多重要尝试和探索。两个项目环境监测主要技术见表1。

Otway项目是澳大利亚第一个深部地层CO2注入示范项目。该项目展示了各种有价值的监测技术和设备。在Otway项目的第一阶段, 约6.5万吨的CO2被注入到深部枯竭的天然气藏。第一阶段注入深度约为2, 100m。同时Otway项目还开展了一系列受控CO2释放试验。

ZERT项目位于美国蒙大纳州博兹曼市的农业区内。ZERT项目的主要工作是受控CO2释放研究, 目的是研究CO2地质封存的不同泄漏水平所造成的各类环境影响, 同时评价不同监测方法和手段对于不同泄漏水平的有效性和敏感度。CO2通过埋于地下管道输送。实验注入的CO2流量为0.3和0.1吨CO2/天。ZERT项目同时也利用了高光谱遥感监测地表植被在受控CO2释放过程中的反应和影响。遥感监测主要集中于与管道垂直距离为1m范围内的植被, 主要分析植被近红外 (650nm～750nm) 反射光谱变化特征, 从而监测植被的生长状况和受影响情况。监测结果显示, CO2地质封存区域内的植被监测对于长期监测CO2地质封存的可靠性和安全性具有重要意义。监测结果同时也表明, 植被健康对于CO2注入水平和泄漏存在一个阈值。对于0.3吨CO2/天的注入水平, 植被健康明显受损, 受损植被主要出现在管道两边垂直距离为0.5m的范围内。

地质封存论文 篇2

关键词：二氧化碳,地质封存,风险评估,泄漏

随着人类对化石燃料消耗量的不断增加, CO2排放量迅速增长, 由此导致的温室气体效应对全球气候造成了深远影响。因此, 控制CO2的排放是关系人类社会可持续发展的重大问题[1]。目前常见的CO2控制方法是碳捕集和封存 (CCS) 技术[2]。据国际能源总署估算, 到2050年CCS技术对于全球CO2减量的贡献将达19%[3]。

目前国外针对特定条件下的CO2渗漏风险的研究较为活跃, 如管道运输、地质封存等, 且多利用模型进行模拟, 分析可能对CO2泄漏和扩散产生影响的因素以及相关风险。而我国在该方面的研究则处于起步阶段。国内外现有针对废弃油气井CO2泄漏和扩散的研究较少, 且不同学者的研究结果之间存在较大差距, 尚无成熟的方案可供借鉴。

本工作针对我国应用潜力较大的废弃油气井, 采用理想条件下的单井模型进行模拟, 对CO2在封存过程中的泄漏风险进行评估, 研究结果可为利用废弃井封存CO2项目的安全规划及风险防控提供理论依据。

1 CO2地质封存的环境风险评价理论与方法

CO2封存技术包括海洋封存、地质封存和生物储存等。地质封存是实现CO2永久储存的有效方式, 它通过管道技术将分离后得到的高纯度CO2气体注入到地下深处具有适当封闭条件的地层中, 利用地质结构的气密性达到永久封存CO2的目的。地质封存的主要封存机理包括[4]:1) 液体封存, 将CO2以气体或超临界流体 (温度高于31.1℃、压力大于7.38 MPa) 的形态[5]存储在低渗透性的岩石盖层下;2) 溶解封存, 将CO2注入储层后, 部分CO2在岩石孔隙中运移, 与地层水接触并溶解;3) 矿物封存, 基于地球化学俘获机理, 由CO2与岩石及地层水发生化学反应并产生碳酸盐沉淀。考虑到CO2地质封存存在渗漏的风险, 对其进行风险评估是必不可少的[6]。目前常见的各种CO2地质封存泄漏风险评估方案均采取以下步骤:充分考虑各种因素, 进行筛选和剔除, 最后运用特征、事件和过程 (简称FEP) 的方法进行处理[7]。

在风险评估流体迁移模型方面, 前人主要参照油气田和地下水管理工程进行研究。Menso等[8]研究了高压管道CO2泄漏及扩散的应用模型及不确定性的起因, 该模型为高压管道CO2泄漏及扩散的研究提供了很好的基础。Fotini等[9]利用一系列的理想化仿真模型研究了地形、风速、大气稳定度等因素对CO2扩散的影响, 结果表明即使只扩散至深度10~50 m, 泄漏的CO2也能够积累到危险浓度水平, 并且CO2在高风速下也能够积累。

我国的CCS技术尚处于起步阶段, 涉足CCS示范项目的企业以国有大型企业为主, 主要的CCS项目包括:北京热电厂烟气CCS示范工程、上海石洞口第二电厂CO2捕捉项目等[10]。

2 模拟案例分析

假设某地区利用废弃井储存的CO2发生泄漏事故。该地区气象状况为:大气稳定度为最为常见的中性稳定度, 即D稳定度;风速选取实际废弃井条件下最常见的小风风速 (0.3~1.5 m/s) , 本案例中风速为1.0 m/s;钻井井心直径为228 mm。

2.1 泄漏源的CO2泄漏速率

造成CO2泄漏的原因有管道破裂、火山喷发造成封存体不稳定、钻井密封不佳等, 其相应的气体泄漏速率 (QG, mg/s) 均可按式 (1) 进行计算[11]。

式中:Y为流出系数, 对于临界流Y=1;Cd为气体泄漏系数, 裂口形状为圆形时取1;A为裂口面积, 本案例为408 cm2;P为压力, 本案例为7.4 MPa;TG为温度, 本案例为304.5 K;M为相对分子质量, CO2相对分子质量为44 g/mol;R为气体常数, 8.314 J/ (mo l·K) ;K为气体的绝热指数。

由式 (1) 计算可得, 本案例的CO2泄漏速率为2.367×109 mg/s。

2.2 CO2泄漏浓度分布

危险性物质的泄漏有两种方式, 即连续性泄漏和瞬时性泄漏。前者是指泄漏源为连续源, 或泄漏时间大于或等于扩散时间;后者是指泄漏时间相对于扩散时间较短。本案例适用于连续泄漏性泄漏模型, 其模拟分析更宜采用中等密度、气云连续泄漏的高斯烟羽扩散模型[12]。以风速 (u≠0) 方向为x轴, 坐标原点为泄漏源中心处, 得到浓度分布, 见式 (2) 。

式中:c (x, y, z) 为连续泄漏时给定地点的污染物浓度, mg/m3;u为当地常年平均风速, m/s;x为下风向距离, m;y和z分别为侧风向和气云中心离地面的距离, m;σy和σz分别为y和z方向的扩散系数, m。

对于有效粗糙度大于0.1 m的粗糙地形, 扩散系数可按扩散系数σy和σz的经验公式计算[13], 见式

式中, a0~g0为扩散参数, 由经验曲线求得。

不同大气稳定度下的扩散系数方程见表1。不同大气稳定度下的扩散参数见表2。

根据CO2浓度分布以及毒性准则, 可将单井泄漏源附近区域划分为致死区、重伤区、吸入反应区。根据不同CO2浓度对人体的影响, 按照式 (2) 可求得相应的影响距离。计算结果表明:致死区CO2质量分数大于10%, 最大半径为463 m;重伤区CO2质量分数大于4%, 最大半径为1 839 m;吸入反应区CO2质量分数大于1%, 最大半径为4 956 m。

2.3 风险评价

本案例采用区域环境风险评价方法——信息扩散法进行风险评价。因致死区和重伤区对人群健康和生态环境破坏最大, 故将其风险值与泄漏源处风险作等值处理;吸入反应区按照风险随浓度降低而减小的规则进行处理。环境风险分布可按梯形模糊关系进行简化计算, 计算方法见式 (7) 。

式中:r为计算点的环境风险值;r0为泄漏风险源点的环境风险值;l 0为重伤区最大影响半径, m;l为最大影响半径, m;x0为计算点与泄漏源点的距离, m。

由于l0和l与危险物质泄漏总量有关, 事故不同则泄漏量不同, l0和l也不同[14]。r0按国内外同类性质风险源的平均风险值计算。对于毒气泄漏的事故风险概率评价, 不仅需对事故和危险物质本身的风险性进行评价, 同时还应考虑事故发生时的天气条件和周围人群分布情况, 计算方法见式 (8) [15]。

根据重伤区最大半径1 839 m, 查表得到致死百分率区人口数近似为23, D稳定度下致死百分率近似为1.99, 事故发生概率为2.2×10-5, 出现不利天气概率为1.29。由式 (8) 可求得r0=1.018×10-4。将r0带入式 (7) 得到泄漏源附近不同区域的环境风险值。例如, 在距泄漏源点3 000 m处的r为6.38×10-5。泄漏源附近不同区域的环境风险值见表3。

2.4 风险分级

根据不同的环境风险值可对各类事件进行相应的风险分级[16], 便于人们了解危害程度, 做出相应的应对措施。风险分级见表4。在本案例中, 泄漏源点及距泄漏源点3 000 m处的环境风险值数量级为10-5, 与中级危险等级相对应, 可见CO2泄漏引起的事故危险性并不低, 值得关注并应采取一定的应对措施。

3 建议

由于本文采用的模型相对理想化, 只考虑了稳定度、风速、井心直径、压力、温度等条件的影响, 尚不能涵盖所有影响风险值的因素, 需在今后工作中进一步完善。此外, 当采用高斯模型计算下风向CO2的浓度分布时, 要求气象条件守恒, 或至少平均风速和风向没有显著的时间变化, 但现实中难以满足这些条件。因此若将其作为应急救援的参考依据, 还需结合事故实际情况, 分析和判断可能受影响的区域或范围。

4 结论

a) 通过模拟某废弃井CO2泄漏事故, 对CO2泄漏事故进行风险评估。根据点源面积、温度、压力等因素计算得到在本案例中的CO2气体泄漏速率为2.367×109 mg/s。

b) 采用连续性泄漏模型, 对CO2泄漏浓度分布进行计算, 得到距离泄漏源各个地点的浓度分布及影响距离计算公式;根据毒性准则进一步将泄漏源附近区域划分为致死区、重伤区和吸入反应区。在本案例中的重伤区最大半径为1 839 m, 吸入反应区的最大半径为4 956 m。

地质封存论文 篇3

工业革命以来,人类生产和生活活动中煤、石油、天然气等化石燃料的燃烧,使得空气中温室气体的含量急剧增加,对全球生态系统和人类的可持续发展造成了严重的影响。其中,CO2气体含量约占温室气体排放总量的65%[1]。减少CO2的排放是一个关系到人类社会持续发展的关键问题。

CO2地质处置技术的基本思路是:对大规模集中排放源(发电厂、钢铁厂等)的废气进行分离、压缩,得到液体CO2;再通过输送管道送到隔离场地;最后,调整压力后,注入地下深处[2]。可用于CO2地质处置的场地主要有油气田、无商业开采价值的深部煤层、深海封存和沉积盆地内的咸水含水层[3]。地下咸水层在世界各地广泛分布,而且规模大,因此咸水层CO2地质封存被认为是切实可行和最具发展前景的二氧化碳减排途径。

大规模地把二氧化碳注入到地下咸水层会涉及到诸多的多相流体问题,比如注入率的确定、总储量的计算、压力积聚的估计、CO2晕分布的确定、对地下水系统影响的评价等,这些问题或多或少都可以通过数值模拟得到回答。近年来,国内外很多学者对CO2地质封存的数值模拟陆续展开了研究[4~8]。本文首先从理论上介绍对于场地规模CO2地质封存数值模拟所采用的方法,并以鄂尔多斯盆地的CO2地质封存为例,基于TOUGH2-MP/ECO2N软件平台的支持下,介绍数值模拟的过程,并给出数值模拟的结果,验证了这一过程的可行性。

1 采用的模拟器和计算平台

将CO2注入深部咸水含水层可能导致多相流体的耦合流动过程、热传导、力学过程、化学反应和含水层物性改变[9]。本研究案例分析的并行计算采用TOUGH2-MP/ECO2N模拟器进行相关模拟,在国家超级计算天津中心的天河1号(TH-1)小系统上运算。TOUGH2是由美国劳伦斯-伯克利国家实验室开发的一个模拟一维、二维和三维孔隙或裂隙介质中多相、多组分及非等温的水流及热量运移的数值模拟程序。与其他软件相比,TOUGH2具有以下优势:(1)是CO2地质处置模拟最知名、应用最广泛的软件。(2)其并行版TOUGH2-MP[10]是目前文献中已报道的唯一成功应用于大规模精细模拟的软件。(3)TOUGH2软件能精确的刻画钻孔、断层、复杂边界、及各种非均匀的地质体。(4)在裂隙模拟方面具有绝对的优势。(5)TOUGH2系列软件包括了模拟化学反应运移过程的TOUGHREACT和力学过程耦合的TOUGH-FLAC等软件。ECO2N是通用模拟器TOUGH2的一个流体特征模块[11],是专门为地下咸水层中CO2地质封存的数值模拟应用而设计开发的。

2 模拟方法

对于场地规模CO2地质封存的模拟,在根据水文地质模型建立概念模型后,需要进行一系列的输入文件的准备过程方可利用TOUGH2进行数值模型计算。输入文件的准备包括网格文件的生成,水文地质参数的确定,初始条件的确定,边界条件的简化,输入参数的确定和注入井的模拟方案等。

2.1 空间离散和网格文件的获得

利用TOUGH2可以直接生成一些相对简单的网格,但为了实际场地规模模型的需要,形成不同形状的网格,使模型刻画的更为精细,更加符合实际情况,通常借助于其它软件,如Mview和Wingridder软件,它们都可以对模型空间进行剖分生成符合输入文件格式的网格文件。

由于压力传播比较快,大规模的二氧化碳地质封存涉及到的区域较大,三维模型剖分的网格数很容易达到几十万以上,通常的软件只可以模拟几万个网格,TOUGH2-MP软件可模拟几百万到上千万网格。在离散剖分时,网格可以做成不同分辨率的,根据需要进行局部网格加密,通常注入孔、断层等特殊地质结构附近需要细化网格。网格形状可以任意。网格的形状以及分辨率设置以实际需要而定。

2.2 边界条件的选取和刻画

很多天然边界可处理为第二类边界条件——无渗流边界条件。如果没有天然边界,只要选取的模型范围足够大,侧向边界可当成第一类边界条件——常压力边界。由于压力的传播远比CO2晕扩散快的多,且范围要大的多,因此在所选取模型范围远大于CO2晕扩散范围的情况下,能把侧向边界处理为常压力边界。对于场地规模的CO2地质封存,比较合理的模型范围在几百平方公里以上。选择合适的地质层位作为模型底部,可当成是无渗流边界条件。模型顶界面如果选择地表那就是常压力边界(大气压),如果选择某一良好的隔水层作为顶面,那么该边界就可处理为无渗流边界条件。使用TOUGH2进行CO2地质封存模拟时,如果要保证常压力边界,需将边界上的网格体积设为无穷大或将边界网格设为无效网格。

2.3 模拟参数的选择

模型需要输入的参数主要包括:(1)储层和盖层的参数:主要包括孔隙度、渗透率、相对渗透率和毛细压力等;(2)流体的参数:主要包括CO2质量分数、粘度、不同温度和压力下CO2相态变化情况等。这些参数可以通过野外勘探、钻探、测井等方法或实验室取样测试得到;通过参考文献或相关资料取得;或根据经验估计。

2.4 初始条件的确定

模型的初始条件是表征CO2注入前模型区域的系统状态。进行CO2地质封存模拟时,需要给出初始条件的参数有:压力,温度,盐度以及流体中CO2的质量分数。通常在注入前,原始地层中CO2的质量分数为0。可以根据重力平衡状态确定系统的压力分布情况:(1)通过插值获得用于进行重力平衡计算的初始条件,(2)固定某一个网格单元的压力,假设系统压力无异常,使系统模拟计算数百万年的时间,获得整个系统在重力平衡状态下的压力分布和地温分布,压力分布值乘以相应的地层压力系数,即可作为注入模拟的初始条件。

重力平衡状态下的压力和温度分别符合静水压力分布和地温梯度分布。若出现压力异常的情况,采用人工插值和野外测量数据结合的方法对压力异常分布进行校正。虽然温度对CO2的注入效果有一定的影响,并在模型中给予考虑,在目前已有的很多模型中只考虑恒温状态,不考虑CO2注入对温度的影响。若考虑CO2注入对温度的影响,在TOUGH2-MP计算过程中,在组分数不变的情况下,多考虑一个能量方程。

2.5 依据不同注入方案的注入井的设置

利用TOUGH2-MP进行大规模CO2注入模拟时,会根据不同的方案,考虑不一样的注入井设置方式。对于相同的方案,也可用不同的注入井设置方式。直接关系到的是输入文件中源汇项的设置。

在CO2定速注入中,通常有以下3种设计方案:(1)将源项设置在各储层的相应网格中。分配注入量时,按厚度所占总储层厚度的比例分配到各个储层,在各储层内,再按注入的网格个数平分注入量。在流量分配上,这种设计与实际情况可能存在一定的误差。(2)设置一口虚拟井,作为一个网格单元。虚拟井单元足够小,将源项设置在虚拟井网格中,并将该虚拟井单元和各储层中的注入网格单元相连接,CO2流量在各储层中进行自动分配,主要受该储层的深度,渗透率等的影响,此种设计相比于第一种方法更为合理,适用于各注入单元初始压力相差不大的情况。(3)设置一口虚拟井,将其分为多个网格单元。虚拟井剖分成的网格单元数与储层中注入网格单元的个数相同,使各个虚拟井网格单元足够小,并保证虚拟井网格单元在垂向上有很好的连通性。将源项设置在最上层的虚拟井网格单元中,各个虚拟井网格单元和各储层中与之深度相同的注入网格单元对应连接,CO2会通过虚拟井流向各储层中的网格单元。以上给出的都是多层统注的情况,如果采用分层注入,需根据实际情况把源项加到对应的注入单元中。

在定压注入情况下,通常有以下几种设计方案:(1)设置一口虚拟井,将其分为多个网格单元。虚拟井剖分成的网格单元数与储层中注入网格单元的个数相同,使各个虚拟井网格单元足够大,从而恒定虚拟井网格的压力,设置虚拟井网格单元之间在垂向上不连通。此时系统的源项来自于虚拟井网格单元中的CO2,即通过设置各个虚拟井网格单元中的CO2气体达到饱和。将各个虚拟井网格和各储层中与之深度相同的注入网格建立对应连接,CO2会通过虚拟井流向各储层中的网格单元。(2)只采用一个虚拟井,将其作为一个网格单元,设置虚拟井网格单元足够大,恒定虚拟井网格单元的压力,设置虚拟井网格单元中CO2气体达到饱和,将该虚拟井和最顶部储层中的注入网格相连接,设置模型中注入井网格所在列除顶部盖层外从上到下所有网格的垂向连通性足够好,使注入井中的CO2能很快自由流通。这种设计对于CO2在注入井中的流通更符合实际,更合理。

对于定压注入方式,在已知储层中注入点压力的情况下,可直接给出各虚拟井网格单元处的压力,设置恒压注入。最大注入压力一般不大于地层裂隙封闭压力。在项目进行前期,难以获得确定的注入井口的最大压力参数资料,此时只能进行初步推算,地层裂隙封闭压力通常在100%~200%的静水压力,例如美国Illinois州的Mt.Simon地层的裂隙封闭压力是130%的静水压力,美国Michigan盆地的Dundee灰岩地层的裂隙封闭压力是181%的静水压力[12]。可以以这些经验参数为依据确定合适的裂隙封闭压力,推算至注入点的压力。

3 应用实例

3.1 研究区概况

鄂尔多斯盆地是我国西北地区东部的一个大型构造沉积盆地,蕴藏着丰富的矿产资源,是我国正在建设的重要能源基地;还有多个大型煤化工项目正在论证和筹备中,项目主要集中在鄂尔多斯盆地北部,建成后将形成大量CO2的集中排放源,在该地区进行咸水层CO2地质封存是必然的趋势。

鄂尔多斯盆地为一个构造沉积盆地,含水层系统由下而上分别为:寒武系-奥陶系碳酸盐岩类岩溶含水层系统、石炭系-侏罗系碎屑岩类裂隙含水层系统、白垩系碎屑岩类孔隙-裂隙含水层系统和新生界松散岩类孔隙含水层系统[13]。本研究选取一段厚度为45m的石炭系-侏罗系砂岩体作为储层进行研究,储层的顶部深度为1016m,上面覆盖厚20 m的泥岩层。

3.2 模型范围和概念模型建立

为了研究的方便,基于建立理想模型来模拟CO2的注入。三维地质模型选取的平面范围为以注入井为中心,横向(WE)与纵向(NS)距离均为5000 m的区域。模型的垂向范围设为深1000~1065 m,分为2层,图1为该模型的垂向XZ剖面的二维均质储盖层模型示意图。

3.3 网格离散

利用Mview网格剖分软件对地质模型进行网格离散。垂向和水平方向上采用不同的剖分方式。垂向上共剖分为7个模型层,储层根据厚度进行等距剖分,分为5层,每层9m;隔离层剖分为2层,靠近储层的盖层厚度为8m,远离储层的厚度为12 m。水平方向上,采用关键区域加密方案,井口附近分辨率为2m,按5个层次逐步加密,如图2(a)所示。井口附近的网格剖分如图2(b)所示。整个模型共剖分为63343个网格。

3.4 模型边界条件

通过将模型范围取足够大(10km×10km),其侧向边界可作为第一类边界条件——定压力边界,在进行模拟运算时,通过将边界网格的体积设为无限大(1050m3)来实现。模型顶界面是一个良好的隔水层,可处理为无流量边界条件,模型底部也处理为无流量边界。

3.5 模型初始条件

根据重力平衡状态(即稳态)确定整个模型范围内的初始压力分布情况,符合静水压力梯度分布。整个系统的初始温度分布由地温梯度分布给出。由于鄂尔多斯盆地的地温梯度多在2.5~3.0℃/100 m之间[14],参考我国地温分布的基本特征[15],取地表温度为15℃,地温梯度为2.5℃/100 m。

3.6 参数设置

根据该地区地层特性并参考相关文献,选取的水文地质和热力学参数如表1中所示。为了研究的方便,考虑模型的均质性,所有地层的垂向渗透率为水平渗透率的0.1倍。砂岩的平均孔隙度设为0.08,水平渗透率为20 m D;泥岩的平均孔隙度设为0.008,水平渗透率为8.0×10-6m D。多相流的相对渗透率和毛细压力计算采用Van Genuchten公式[16]。

为了保证CO2的安全封存,在模拟中设置注入量时要考虑裂隙封闭压力。在本研究中,裂隙封闭压力取为150%的静水压力。根据之前的定义,最大注入压力要小于15Mpa。

本研究中,拟通过一口垂直井将CO2以2×104t/a的速度注入,连续注入20年,模型运行20年。注入井的设置采用定速注入的第3种设计方案,设置一个虚拟井,虚拟井剖分成5个网格单元,将最上层的虚拟井网格单元设置为CO2源,各个虚拟井网格单元和各储层中与之深度相同的注入网格单元一一对应连接。

注:表中Sl指液体饱和度,ρw指水的密度;g指重力加速度;α指弥散度

3.7 模型结果

模型中各储层的渗透率相同,因此储层中压力积聚的传播距离和CO2气体饱和度的扩散情况基本一致。以第一注入层为例,由输出文件,整理得到在第0.5年,第2年,以及第20年注入停止时CO2气体饱和度分布图以及压力积聚分布图,见图3~图5。为了说明垂向上CO2晕的扩散情况,图6给出了0.5年和2年时,YZ剖面的CO2气体饱和度分布图。

从图3~图5都可以看到,这三个时刻的压力积聚最大为1.8MPa,控制在地层裂隙封闭压力的范围之内,CO2气体饱和度的最大值基本相同,在0.98左右;半年内压力扰动范围和CO2晕的扩散距离分别为650m和100m左右,2年的时候分别能传播约800m和250m的距离,注入停止时能分别传播850m和650m左右的距离。研究表明,随着时间的增加,CO2晕的扩散范围和压力扰动的传播范围增加,对比图3~图5中的压力扰动传播范围和CO2晕的扩散距离,可以看出在短时间内压力扰动传播的范围要远远大于CO2的扩散距离,随着时间的推移,压力扰动的传播范围基本稳定。另外,从图6可以看出CO2晕在垂向上的迁移情况,CO2气体基本都集中在储层,但是在一定时间内有少量的CO2气体扩散到上部的盖层,说明注入的CO2在沿着水平方向扩散的同时也在浮力的作用下向上扩散。在实际工程中可利用研究获得的CO2迁移规律情况为注入方案设计、监测井布置、安全性评价等提供依据。

4 结论与讨论

本文利用TOUGH2-MP/ECO2N模拟器,针对场地规模CO2地质封存,进行了相关的模拟研究,着重对模拟运算前输入文件的准备过程进行了详细的介绍,包括网格文件的生成,水文地质参数的确定,初始条件的确定,边界条件的简化,输入参数的确定和注入井的模拟方案等。同传统地下水数值模拟相比,具体给出了定速注入方式和定压注入方式下注入井的几种模拟设置方案。

以鄂尔多斯盆地为示例,介绍了数值模型建立的方法。对CO2迁移规律以及储层中压力扰动传播的模拟结果表明:(1)储层中的压力扰动传播范围大于CO2的扩散距离。(2)CO2在沿着水平方向扩散的同时也在浮力的作用下向上扩散。实际工程中可以利用CO2迁移规律为监测井位的布置提供参考,作为注入方案设计和安全性评价的关键依据。本研究对今后开展大规模CO2地质封存的数值模拟研究有一定的参考意义。

地质封存论文 篇4

装备封存, 是指将暂时或长期不用的装备进行科学化包装和封存保管, 避免装备因环境因素或防护手段缺失造成的装备故障、系统或零部件锈蚀、损坏, 达到降低维护成本, 节省装备投入, 延长装备使用寿命的目的, 确保装备随时处于战备状态的一种方式。

《装备管理工作条例》规定, 对长期不动用的装备均需采取封存处理。但由于管理、防护技术及手段等原因, 具多种军用装备的统计资料表明, 约60%的常用零件失效是由于腐蚀引起, 控制腐蚀成为装备防护的首要手段。因此, 迫切需要在搞清造成装备腐蚀的关键性因素的基础上, 如何利用现有的科技手段和技术措施对装备进行有效的防护, 寻求一种封存效果好、经济效益高、功能全面、操作简单的技术方法运用于装备的封存防护。深入研究民用领域成熟封存技术和手段, 对军队装备的封存具有非常重要的借鉴价值。

汽车的腐蚀与防护

腐蚀体系通常由三个基本方面构成:发生腐蚀的材料、引发腐蚀的环境以及发生腐蚀的位置, 其中材料和环境具有决定性作用。

虽然汽车所处的环境是无法改变的, 但是汽车及其零部件在贮运过程中的环境是可以通过一定的措施进行改善, 甚至汽车零部件发生某些类型腐蚀的环境都可以消除, 为此发展了多种防护技术, 对提高汽车的耐蚀性能极为有效。

任何腐蚀都是在材料与环境介质的界面开始发生, 为阻隔材料与环境的联系, 防止腐蚀的发生, 常常采用防锈密封、包装技术, 有效的防止零部件发生锈蚀。防锈包装技术就是使用各种防锈材料对机械产品进行密封, 使金属基材表面与引起锈蚀的各种因素隔绝, 达到防止金属锈蚀的目的。一般采取的方法有的两种, 一是物理阻隔技术, 二是表面处理技术。

物理阻隔防护技术通常有五种, 一是采用防锈油防锈, 通过刷涂或喷涂防锈油, 在金属表面形成一层保护层, 阻止水分、腐蚀性气体等与金属接触, 进而达到防锈目的。二是干燥密封包装, 是指在密封的包装空间内放置足够多的干燥剂, 通过干燥剂吸收包装空间的水分并利用包装材料的高阻隔性来阻止外界水分的渗透。三是将密封包装有限空间抽真空, 使零部件处于真空环境;四是将密封包装有限空间充填惰性气体, 如氮气、氩气等, 使零部件处于一个惰性环境;五是在密封包装的有限空间存放可挥发的气相缓蚀剂, 使零部件长期处于气相缓蚀的环境中。

表面处理防护技术有很多种, 如电镀技术、热浸镀技术、涂装技术、化学转化技术、热喷涂技术和达克罗技术等等, 通过以上阻隔防护手段和技术的应用, 有效地避免或减缓了材料在多种自然环境下受到的腐蚀影响, 极大地提高了材料的抗氧化能力、防电偶腐蚀势力, 耐蚀性、耐候性。

汽车产生的腐蚀有不同的类型, 如斑状腐蚀、缝隙腐蚀等, 它们产生的条件和环境不尽相同。例如缝隙腐蚀是汽车腐蚀最为普遍、最为严重的一种腐蚀, 发生缝隙腐蚀必须以缝隙环境的存在作为前提。人们开发了许多密封缝隙的涂料和技术, 有效解决了汽车结构缝隙环境问题;开发了许多高质量涂装材料和工艺, 延长了涂装涂层抗老化寿命。同时, 采用合理的设计, 规范管理, 定期清洗, 可以减少污垢在汽车零部件上的沉积, 有效地减弱污垢沉积引发的腐蚀。再比如, 汽车不同金属电偶腐蚀是以金属连接接触构成了电偶的环境为前提, 采用绝缘技术、封闭技术可消除这种电偶环境, 起到有效防腐保护作用。

在汽车一些有限空间密封系统内, 如冷却水循环系统、制动系统, 添加适量的水性缓蚀剂或油性缓蚀剂, 能有效地减弱冷却水、制动油对容器和管路的腐蚀。

民用领域封存工程应用对装备封存防护的启示

我国军用装备种类繁多、储备量大, 而在长期的保管和使用过程中, 由于受到外界环境 (如氧气、温度、湿度、海水或微生物等) 的影响, 装备不可避免的产生腐蚀、老化、生霉、起雾等不良结果, 尤其是在我国东南沿海, 由于作战、训练的特殊需求, 装备长期经受高温、高湿、高盐度的考验, 造成技术状况下降, 甚至导致装备失效, 不仅造成严重的经济损失和人力损耗, 更重要的是威胁到部队的战备、训练和作战。

虽然军用的封存技术起源于民用技术, 但由于需求不同, 功能特点也不同。通过研究民用设备的腐蚀与防护, 借鉴其防护理念, 对军用装备的封存具有一定的借鉴作用。

民用设备在设计阶段就考虑到其后期的防护问题。如汽车在车体的选材上不但研发类别不同的防腐保护的金属材料和高分子材料进行试验, 综合各种功能需求进行选择, 同时还根据防护需要适当调整车体结构。出于多种原因, 我军前期装备的制造, 作战车辆车体出于战斗防护能力的考虑, 材料选择大多均是防锈能力一般的金属材料, “反应装甲”的出现也只是为了进一步加强它的防弹性能, 而对其它防护需求几乎没有涉及, 对车体材料的选择也就缺乏深入的探索。从另一个角度来说, 装备由于受到腐蚀, 从表面上看只是表层受到影响, 实质上其内部结构也发生了微弱变化, 相应的战斗防护性能将受到一定程度的影响。因此, 必须将装备材料的防腐蚀能力纳入装备设计、制造及使用过程, 研发多功能抗氧化、防电偶腐蚀, 耐蚀性、耐候性材料, 使得装备的防护性能和指标贯穿装备的全寿命。

军用装备为了战场上的特殊防护需求, 外表均喷有伪装涂层, 用于隐身、防可见光、红外线和毫米波探测, 由于装备制造、涂层功能特点、涂刷工艺等原因, 装备防腐蚀性能受到了较大的影响, 尤其在东南沿海, 装备大都处于高温、高湿、高盐雾的恶劣气候天气下使用和保管, 使得装备表面涂层的防腐能力面临着很大的考验。因此, 装备在使用表面涂层时, 也应将涂层的防腐蚀能力一并考虑。

装备封存管理是一个系统工程, 在装备封存期间必须进行严格监管, 以应对各种人为或气候环境变化。

负责装备封存质量的人员应全程参与封存实施的过程, 以便监督和了解封存质量。检查主要包括以下几点:装备封存前的检修保养情况, 是否符合封存条件;封存方案是否适合该装备, 实施过程是否合理可靠;封存时选用的封套材料是否符合质量要求;封存施工的各个环节是否科学, 检验是否合格;干燥剂、气相防锈剂的用量及放置位置是否合适等。整个封存过程中, 管理人员应当认真检查并记录, 对不满足封存条件的进行相应处理。

利用温湿度监测装置定期检查封存环境的温湿度, 出现异常应及时查明原因及时处置, 确定是封存质量出现问题的要组织启封, 排除后再次密封。

封存信息化是在计算机、互联网技术和封存技术基础上进行延伸和扩展形成的一种新兴技术, 主要用于封存期间对各种影响因素的感知、分析、传输、显示和智能处理等。随着军队作战能力的不断提升, 信息化条件下尖端高薪装备的运用对装备保障的要求也越来越高, 装备封存规模的也在逐渐加大, 同时对装备封存条件的要求也不断提高, 现行封存技术方法越来越不能适应部队的封存需求。因此在科学合理的运用有效的先进封存技术基础上, 迫切需要建立装备封存信息化平台, 实现装备封存监控的智能化和动态化, 为装备的使用、维护及封存期间的管理提供科学依据。