咸水層CO2封存注入階段蓋層泄漏風險的數值模擬

賈善坡, 牟心昊, 溫曹軒, 張品金, 王斌濤

(1.東北石油大學 土木建筑工程學院, 黑龍江 大慶 163318; 2.東北石油大學 黑龍江省油氣藏及地下儲氣庫完整性評價重點實驗室, 黑龍江 大慶 163318; 3.中國石油測井有限公司 大慶分公司, 黑龍江 大慶 163000)

0 引 言

近些年來,隨著我國對能源需求大幅增加,導致CO2排放量逐年上漲,2020年中國的碳排放量達到98.99×108t,預計2030年可達120×108t[1-4]。在“碳中和”背景下,將大規模CO2埋存在地下,是實現低碳綠色發展的有效途徑。根據CO2地質封存量調查結果顯示,我國24個主要沉積盆地的深部咸水層可封存CO2總量可達143.5×109t[5]。咸水層具有分布廣、封存穩定、可行性強等優點,被認為是最有前途的碳儲存方法[6]。然而咸水層注氣封存過程,受注氣壓力和蓋層突破壓力因素影響,CO2會向蓋層滲透逸出,當逸出氣體達到一定值后,蓋層密封性受到損傷,與此同時,儲層流體壓力累積使蓋層底部壓力增加,可能對蓋層力學完整性產生影響。因此,開展CO2咸水層封存氣-水-固多場耦合特征及蓋層力學變化特征研究具有重要的工程應用價值。

CO2地質封存中,流體-巖石相互作用、流體運移和密封屬性之間的相互關系是CO2長期穩定封存的一個重要因素,良好的密封性是為了保證CO2不向儲層外擴散,需要深入研究密封單元內的流體-巖石作用對流體運移的影響。國內外已有的研究多聚焦于地層本身屬性,如蓋層厚度、滲透率、孔隙度和毛管壓力等方面,也有部分學者對不同注氣條件下地層壓力演化規律進行研究[7-8]。付曉飛等[9]認為蓋層厚度影響其密封能力,厚度越大,橫向分布越廣,氣密性越好。蔣有錄等[10]認為蓋層的關鍵密封機制在于毛細管密封和滲透密封,毛細管密封機制發生在CO2-鹽水界面,阻止CO2向上流動,滲透密封發生在超過突破壓力時,由蓋層充當滲透屏障,這兩種機制的泄漏量有限,但都是長期存在的。Li[11]和Cinar等[12]研究了CO2注入引起的孔隙壓力變化,得出壓力和總平均應力變化引起的孔隙度變化較小且有限的結論,即在蓋層或具有高滲透性的相鄰斷層上沒有高滲透路徑的情況下,蓋層上方的孔隙壓力增加被認為是零。Yi等[13]通過數值模擬對CO2地質封存過程中各種應力變化以及井筒-儲層系統滲透率的敏感性分析,得出含水層滲透性是影響CO2流動的重要參數。莫紹星等[14]分析了儲層各向異性對碳封存的影響,得出儲層垂向滲透率降低可以促進CO2水平運移。刁玉杰等[15]基于CO2地質儲存安全性,建立了地質安全評價體系,得出蓋層氣密性和力學穩定性權重較大,即穩定的區域性蓋層是實現CO2地質存儲的有力保障。

以上等人雖然對蓋層-儲層系統密封完整性有了一定研究,但多聚焦于CO2流體在地層中受巖石屬性影響機制的研究,比如地層屬性改變對其密封完整性的影響,注氣條件改變對地層壓力演化的影響,而對將地層屬性和注氣條件變化相結合以研究地質封存過程密封性和蓋層力學完整性的相關研究較少。針對蓋層的失效方式主要受透過蓋層的擴散損傷、超過毛細管突破壓力時通過孔隙泄漏、通過斷層或裂縫的泄漏等多種因素影響,本文主要考慮CO2流體經儲層向蓋層擴散對蓋層密封性和力學完整性損傷,基于兩相滲流理論,建立氣-水-固多場耦合模型,在兩種滲透率條件下通過改變注氣速率和注氣總量,模擬咸水層CO2封存期間儲層流體變化規律對蓋層密封性和蓋層力學完整性的影響,并探討兩者發生的先后關系,以及密封性變化對地質安全封存的意義。

1 模型建立

1.1 幾何模型

本研究模擬了水平均質含鹽含水層-蓋層系統,整個系統呈對稱狀態,100 m厚的咸水層頂部位于地下1 500 m深處,咸水層上方被500 m厚度的低滲透蓋層覆蓋,蓋層上方為低強度介質,這些介質不被考慮在本模型中。垂直注入井位于區域中心,在區域的橫向范圍設置固定邊界條件,以模擬無限橫向延伸含水層的影響,模型尺寸為3 km×3 km×1 km,幾何模型見圖1。

圖1 幾何模型示意Fig. 1 Schematic of geometric model

三維地質模型平面網格采用15 m×15 m的網格步長,x方向共劃分200個網格,y方向共劃分200個網格,單平面共劃分40 000個網格。蓋層縱向劃分10小層,儲層縱向劃分20小層,底層縱向劃分5小層,總網格節點數為40 000×(10+20+5),總網格數目為140萬個。

1.2 流體力學

含水層和蓋層性質分別對應于透水砂巖和低滲透固結泥巖,相對滲透率遵循V-G曲線,采用Van-Genuchten計算模型,具體計算公式為

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

(1)

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

(2)

式中:S*——有效飽和度;

S1——液體飽和度;

Slr——殘余液體飽和度;

Sls——飽和液體飽和度;

pcap——毛細壓力;

p0——進氣壓力;

λ——孔隙分布指數;

pmax——毛細壓力下限的絕對值。

1.3 地質力學

蓋層在確定的突破壓力下保持其密封性,當蓋層與儲層交界處的壓力超過突破壓力時才會發生泄漏,這種泄漏不會隨時間變化而停止,只會呈現不斷降低的趨勢。由于儲層與蓋層邊界產生的泄漏與蓋層滲透率密切相關,因此,可以在數值模擬過程中通過適當調整蓋層滲透率來減少氣體的泄漏。為了能夠建立完整的動態地質力學模型,將局部圈閉,使儲層、蓋層、上覆地層和下伏地層納入模型范圍,對兩個平面之間的區域進行定義,開發結構模型,定義三維空間。通過地質力學建模和儲層流體建模后,再確定巖石物理參數。初始應力場中垂直應力大于水平應力,不同深度的垂直應力可表示為

(3)

邊界條件考慮到垂直于底部和外部邊界無位移,在蓋層上方施加恒定的垂直靜應力。為了方便計算,采用彈塑性本構模型。由于天然氣注入期間會發生明顯的壓力累積,大多數巖石屈服應力很小,會產生不可逆應變,導致應變分為兩種情況。

dε=dεe+dεi,

(4)

式中:εe——彈性應變張量;

εi——非彈性應變張量。

體積模量為

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

(5)

式中:E——楊氏模量;

v——泊松比。

剪切模量為

G=E/[2(1+v)]。

(6)

彈塑性模型采用Drucker-Prager屈服函數。由于地下巖層相關數據較少,文中參照Raziperchikolaee等[16]和Wang等[17]的研究,設定兩種地層參數,表1為模型計算參數。

表1 模型參數

2 結果分析與討論

相關研究表明注入速度和初始滲透率對流巖相互作用有顯著影響[18]。在注入CO2期間,儲層壓力將逐漸升高,如果壓力提升過快或過高,蓋層可能會受損,失去密封性,導致CO2泄漏,高效的存儲往往取決于對注入速率和儲層壓力的適當管理[19-20]。

為了保證模擬結果不受其他因素影響,將注氣總量控制在400×104t以內,將注氣速率控制在15×104m3/d以內。CO2注入使蓋層經歷一個壓力累積過程,應力場會受到影響而產生變形,蓋層可能破壞并開辟新的流體流動路徑[21]。蓋層壓力累積產生彎曲變形,上部發生水平延伸,這是由于注入早期產生沉降導致,與低滲透蓋層無關[22]。蓋層的滲透性影響含水層和蓋層中流體演化規律,含水層流體向蓋層泄漏,減少了含水層中的壓力,這種改變與滲透率密切相關,滲透率越高,受壓力積聚影響的蓋層體積越大。

2.1 流體分布

CO2在注入咸水層后,會受到地下圈閉埋存機制、殘余氣埋存機制、溶解性埋存機制和礦物埋存機制影響。本研究主要考慮的是地下圈閉埋存機制中CO2在儲層受浮力影響聚集在儲層上部時,受到上覆蓋層的抑制,此時蓋層巖石密封下的CO2是可移動的,一旦儲層壓力達到超壓狀態,可能導致蓋層的力學性能失效,發生嚴重泄漏事故。在儲層動態模擬過程,滲透率的大小決定著CO2擴散速度,如果滲透率較低,無法平衡注氣過程累積的壓力,這部分壓力會向蓋層轉移,當臨界蓋層壓力值超過CO2壓力值,蓋層孔隙會被穿透,形成逃逸通道。低注入速率意味著流體流動擴散緩慢,在該系統中,飽和前沿將花費更長的時間到達域的另一端。除此之外,在高注氣速率條件下,飽和前沿將以非常高的速度穿過域,并且在空間域內無法觀察到預期的反應和結果。因此,將注氣速率控制在15×104m3/d以內,確保儲層流體有一定擴散速度,同時蓋層不會因為注氣速率過高發生提前破壞。

模擬較低滲透蓋層和較高滲透蓋層以2×104m3/d條件下持續注氣10 a,截取注氣第5 a、注氣第10 a和注氣結束后第10 a時射孔附近的含氣飽和度分布,如圖2、3所示。可以看出,在相同注氣速率下,低滲透和高滲透模型羽流擴散速度基本一致,隨著注氣總量的增加,部分氣體受初始速度影響向水平方向擴散,在擴散過程中受浮力影響向儲層頂部遷移,最終聚集在儲層與蓋層交界處。相比于低滲透模型而言,較高滲透模型在注氣初期就已經發生氣體泄漏,注氣結束10 a時蓋層底部的泄漏量已經超過15%,在蓋層發生破壞前就已經有泄漏趨勢。此時,蓋層密封性失效先于蓋層力學失效,泄漏量最大點位于注射孔上方蓋層部分。

圖2 低滲透模型在2×104 m3/d條件下含氣飽和度變化Fig. 2 Variation of gas saturation in low permeability model under 2×104 m3/d conditions

圖3 高滲透模型在2×104 m3/d條件下含氣飽和度變化Fig. 3 Variation of gas saturation in high permeability model under 2×104 m3/d conditions

蓋層低滲透模型在注氣總量一定時,對比以2×104m3/d和5×104m3/d注氣結束后第10 a羽流變化情況,如圖4所示。

圖4 注氣結束10 a時的含氣飽和度分布 Fig. 4 Distribution of gas saturation at end of gas injection for 10 a

由圖4可以看出,高注氣速率條件下的CO2羽流擴散更均勻,羽流擴散速度與浮力作用基本相平衡,減少了向咸水層頂部聚集速度,使其能夠一定程度上減小了儲層和蓋層交界處的氣體聚集總量,但增加了射孔周圍的儲層壓力。觀察射孔上方蓋層J點在注氣結束后第10 a氣體飽和度變化,發現低滲透蓋層一樣存在氣體泄漏情況。由于地質封存長達千年,理論上每年泄漏率應低于0.1%才能保證地質封存的安全,但實際上蓋層泄漏量達到1%時,其密封性可能已經受到損傷。圖5為蓋層泄漏量最大點J在不同注氣條件下從注氣開始到注氣結束后氣體泄漏量變化曲線,2×104m3/d和5×104m3/d條件下表明,在20 a內的泄漏總量小于0.2%,蓋層密封性未受到損傷。10×104m3/d速率下在第35 a時,J點泄漏量達到1%,10×104m3/d速率下在第30 a時,J點泄漏量達到1%,但兩者泄漏速率都在降低,可以認為,蓋層局部密封性受到損傷,但整體蓋層密封性仍保持完整。

圖5 不同注氣速率條件下CO2在J點泄漏量 Fig. 5 CO2 leakage at point J under different gas injection rates

2.2 蓋層壓力變化

注氣導致儲層流體擴散并向上部運移,低滲透蓋層的密封特性有效地抑制了CO2向蓋層遷移,儲層壓力也隨之增加,并在注氣結束時達到峰值。這種密封能力受蓋層閾值壓力影響,地質封存過程儲層壓力隨時間推移會向蓋層轉移,當蓋層壓力閾值達到上限,蓋層完整性會受到損傷。對于低滲透蓋層壓力變化,分別模擬了兩種注氣方案下蓋層應力變化情況,如圖6、7所示。由圖6、7可知,注氣結束后,儲層中積累的壓力向水平擴散的同時也向蓋層底部運移,J點處壓力增加最為明顯,蓋層底部的壓力隨時間推移向繼續向水平方向和上方運移。

圖6 10×104 m3/d注氣速率下壓力變化 Fig. 6 Pressure change under gas injection rate at 10×104 m3/d

圖7 15×104 m3/d注氣速率下壓力變化 Fig. 7 Pressure change under gas injection rate at 15×104 m3/d

圖8、9為J點垂直應力曲線圖。由圖8、9可知,在注氣結束10 a后,儲層應力減小,J點垂向蓋層和底層的有效應力變化幅度明顯大于儲層的有效應力幅度。儲層壓力逐漸向蓋層轉移,10×104m3/d條件下儲層上部最大應力從67.96 MPa降至67.03 MPa,下降0.93 MPa;蓋層底部壓力從25.85 MPa增至29.56 MPa,增長3.71 MPa。15×104m3/d條件下儲層上部最大壓力從68.47 MPa降至67.22 MPa,下降1.25 MPa;蓋層底部壓力從23.44 MPa增至27.63 MPa,增長4.19 MPa。儲層壓力主要沿水平方向變化,蓋層應力變化主要發生在底部,而底層發生在頂部。在儲層流體壓力降低到一個相對穩定狀態前,蓋層壓力會持續增加,導致地層有效應力影響減小,對蓋層完整性有直接影響。500 m厚的蓋層僅與儲層相鄰的100 m范圍受到影響,可以認為,當擁有足夠厚的蓋層時,少量氣體泄漏對蓋層完整性的影響可忽略不計,達到蓋層突破壓力需要長時間的累積,較厚的蓋層可減緩泄漏氣體突破蓋層的速度,滿足CO2安全封存千年以上的目的。

圖8 10×104 m3/d注氣速率下J點垂直應力曲線Fig. 8 J-point vertical pressure curve under gas injection rate at 10×104 m3/d

圖9 15×104 m3/d注氣速率下J點垂直應力曲線Fig. 9 J-point vertical pressure curve under gas injection rate at 15×104 m3/d

2.3 蓋層力學完整性評價

蓋層的完整性高度依賴于儲層消散注入產生的額外壓力(超壓)的能力。注入速率的增加導致壓力增加,應將壓力保持在蓋層巖石破裂壓力以下。在蓋層未發生破壞前是否發生CO2泄漏情況是評定CO2泄漏與蓋層力學完整性失效的先后順序的前提,注氣使地層孔隙壓力增加,圍壓降低,蓋層抗剪強度降低使其發生剪切破壞的可能性增加,當剪切應力超過其抗剪強度,會發生剪切破壞。而蓋層巖石拉伸應力超過巖石抗拉強度后,會發生拉伸破壞。在考慮黏聚力的情況下,采用Mohr-Coulomb失效準則和拉伸破壞準則判斷蓋層完整性。

根據兩種不同注氣方案,由注氣結束后蓋層有效應力云圖(圖10、11)可以看出,隨著注氣量增加,蓋層有效應力發生變化,但未出現負值,表明在當前注氣條件下,蓋層不會發生拉伸破壞。對比分析了兩種注氣速率條件下,J點注氣前后的莫爾圓變化規律,如圖12所示。由圖12可以看出,在注氣開始后,莫爾圓向左移動,但始終處于包絡線下方,說明這兩種情況下蓋層均未發生剪切破壞。根據拉伸破壞準則可知,CO2注入使地層有效應力發生變化,當有效應力為負值時,出現拉應力,可能出現拉伸破壞。

圖10 10×104 m3/d條件下蓋層應力變化云圖Fig. 10 Cloud chart of stress changes in rear cover layer under 10×104 m3/d

圖11 15×104 m3/d條件下蓋層應力變化云圖Fig. 11 Cloud chart of stress changes in rear cover layer under 15×104 m3/d

圖12 J點處莫爾圓狀態變化Fig. 12 State change of mohr′s circle at point J

3 結 論

(1)CO2羽狀流垂向增加時,垂直應力隨之增加,羽狀流向水平方向擴散,垂直應力減小,水平應力增加,此時儲層滲透率太低或存在阻礙流體流動的障礙,將導致注入點處的壓力增加,從而限制儲層內可能封存的CO2量或危及蓋層的完整性。

(2)CO2注氣速率和注氣總量只影響氣體泄漏總量和泄漏速度,無法杜絕泄漏情況。CO2泄漏是否對地質封存安全產生影響取決于泄漏總量和泄漏速率以及蓋層應力變化對蓋層力學完整性影響。氣體泄漏量在注氣結束后隨時間推移達到1%時發現,儲層流體水平運移速率不能有效消散注入階段產生的額外壓力,可能對蓋層完整性產生影響。

(3)在對儲層-蓋層水氣分布和蓋層力學完整性分析中,儲層存儲能力接近極限時,隨著CO2泄漏量增加,蓋層密封性受到損傷,但仍具有力學完整性,可以認為,在CO2地質封存中,力學失效通常發生在密封性失效之后,密封性失效可通過氣體泄漏情況來預測。