环境科学研究  2017, Vol. 30 Issue (10): 1533-1541  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.02.88

引用本文  

夏盈莉, 许天福, 杨志杰, 等. 深部储层中CO2沿断层泄漏量的影响因素[J]. 环境科学研究, 2017, 30(10): 1533-1541.
XIA Yingli, XU Tianfu, YANG Zhijie, et al. Factors Influencing Amount of CO2 Leakage through a Fault Zone in Deep Storage Aquifer[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(10): 1533-1541.

基金项目

大型煤气田及煤层气开发国家科技重大专项(2016ZX05016-005);中国地质调查局地质调查项目(121201012000150010)

责任作者

田海龙(1978-), 男, 吉林长春人, 讲师, 博士, 主要从事地下水多相、多组分反应溶质运移数值模拟及试验研究, thl@jlu.edu.cn

作者简介

夏盈莉(1995-), 女, 河南信阳人, 18844190406@163.com

文章历史

收稿日期:2017-01-02
修订日期:2017-06-15
深部储层中CO2沿断层泄漏量的影响因素
夏盈莉1,2 , 许天福1,2 , 杨志杰1,2 , 封官宏1,2 , 袁益龙1,2 , 田海龙1,2     
1. 吉林大学环境与资源学院, 吉林 长春 130021;
2. 吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室, 吉林 长春 130021
摘要:CGS(CO2地质储存)是CO2减排的重要手段之一,天然裂隙的存在则是CGS的潜在风险.CO2地质储存过程中储层上覆盖层及其浅部含水层是防止CO2泄漏的天然屏障,为了探究深部咸水层中CO2沿断层的泄漏过程并获得断层渗透率及储层中超临界CO2流体初始条件(初始饱和度、初始泄漏压力)对CO2沿断层泄漏速率和泄漏量的影响程度,依据鄂尔多斯CO2灌注工程示范区资料,使用多相、多组分溶质运移数值模拟软件TOUGH2建立了2D概念模型.结果表明,深部咸水层中的CO2在压力差和浓度差的作用下沿断层发生泄漏,到达浅部含水层后开始发生侧向运移,100 a内运移了约200 m的水平距离;由于浮力的作用,CO2集中在含水层顶板处,有效地防止了CO2向外泄漏.影响因素分析表明,100 a内断层渗透性能为低渗、中渗和高渗条件时,CO2累积泄漏量分别为0、1 050和3 000 t;CO2初始饱和度分别为0.20、0.50和0.99时,CO2累积泄漏量分别为550、1 050和1 650 t;初始泄漏压力分别为17.3、17.6和18.1 MPa时,CO2累积泄漏量则分别为900、1 050和1 400 t.除此之外,断层渗透性、CO2初始气体饱和度和初始泄漏压力对CO2泄漏的影响还体现在泄漏发生时间和平均泄漏速率上.研究显示,各因素对CO2沿断层泄漏过程的影响程度表现为断层渗透性能> CO2初始饱和度> CO2初始泄漏压力.
关键词CO2    泄漏量    断层    数值模拟    鄂尔多斯盆地    
Factors Influencing Amount of CO2 Leakage through a Fault Zone in Deep Storage Aquifer
XIA Yingli1,2 , XU Tianfu1,2 , YANG Zhijie1,2 , FENG Guanhong1,2 , YUAN Yilong1,2 , TIAN Hailong1,2     
1. College of Environment and Resources, Jilin University, Changchun 130021, China;
2. Key Lab of Groundwater Resources and Environment of Ministry of Education, Jilin University, Changchun 130021, China
Abstract: Carbon dioxide geological storage (CGS) is one of the important ways to mitigate CO2. However, the presence of natural fractures is a potential risk of CGS. The cap rock and shallow aquifers covering a CO2 reservoir may be a natural barrier to prevent CO2 from leaking. According to the data of Ordos CO2 storage demonstration site, we established a 2D conceptual model based on the migration theory of multi-component and multiphase flow, using the numerical simulation software TOUGH2 to study the process of CO2 leakage along a fault from a deep saline aquifer, and to analyze the influence of fault porosity, permeability and the initial conditions of CO2 fluid (initial saturation, leak pressure) on the amount of CO2 leakage along the fault. The results showed that CO2 in deep saline aquifer will leak along the fault under the action of pressure difference and concentration difference, and then migrate laterally in the shallow aquifer. The distance of migration is about 200 m in 100 years. CO2 will be concentrated on the top because of buoyancy, and the aquifer can effectively prevent the leakage of CO2. The analyses of uncertain parameters showed that the accumulation of CO2 leakage was 0, 1050 and 3000 t when fault permeability was low, medium and high respectively over 100 years, and the accumulation of CO2 leakage was 550, 1050 and 1650 t when CO2 initial saturation was 0.20, 0.50 and 0.99 respectively. Moreover, the accumulation of CO2 leakage was 900, 1050 and 1400 t when CO2 initial leak pressure was 17.3, 17.6 and 18.1 MPa respectively. In addition, the leakage time and average leakage rate of CO2 have to do with the different levels of these three factors, and the effects of each influencing factor in the process of CO2 leakage can be arranged as follows:fault permeability > CO2 initial saturation > CO2 initial leak pressure.
Keywords: CO2    leakage amount    fault    numerical simulation    Ordos Basin    

工业活动在推动社会经济发展的同时也产生了大量的CO2,加速了全球变暖的脚步[1].将CO2捕集起来埋藏到地球深部合适地层中[2-6]是实现CO2减排的一个重要手段[7-9],大量CO2被封存在储层中后会受到压力梯度的作用而发生运移扩散.由于地层的非均质性,CO2流体在运移扩散过程中可能会遇到地层沉积过程中形成的断层等优势通道,从而泄漏到浅部含水层甚至地表,对浅层地下水和地表的生态环境造成污染[10]. Lewicki等[11]对已发生的CO2泄漏事件的起因、特征及经验教训等进行归纳总结,从中得到地质封存的CO2可能会沿着废弃井筒或天然裂隙、地震诱发断层等通道发生泄漏的相关认知.

关于CO2的泄漏问题,国内外有许多专家学者都进行了研究,如Nordbotten等[12]利用多层CO2储层和多个可作为CO2泄漏途径的井筒模型预测CO2的泄漏量,其模拟过程较灵活,模拟结果也可适用于多个地区;KANG等[13]对近海碳封存时CO2沿断层的泄漏过程进行模拟,并研究了不同CO2注入速率的影响;Pruess等[14-16]利用数值模拟方法,研究了沿裂隙和废弃井筒泄漏时CO2的相态变化过程;以上研究着眼于CO2的泄漏过程,Apps等[17-18]则采用试验测试和数值模拟的方法说明了CO2的泄漏会对上覆含水层的水质造成影响,体现了研究CO2泄漏问题的必要性.在对CO2泄漏问题进行研究时,还要考虑影响CO2泄漏量的因素,从而能更好地控制CO2的泄漏,LU等[19]分别对盖层、含水层和断层的渗透率进行了敏感性分析,结果显示,断层渗透率对CO2泄漏量的影响程度最大;Antonio等[20]在进行CO2沿断层泄漏的模拟时,探讨了盖层和储层厚度对泄漏量的影响.综合而言,目前国外对CO2泄漏问题的研究主要集中在泄漏过程中的相变以及CO2的泄漏对生态环境造成的影响等方面,多是对某一场地条件下CO2的泄漏过程加以刻画或将研究结果应用于实际场地加以验证,而关于CO2泄漏量影响因素的研究则多着重于地层固有性质的影响程度的探讨.但在实际工程中选定施工地点后,这些因素便不可改变,该研究主要考虑可控因素对CO2泄漏量的影响,可为CO2地质储存工程实施提供一定的参考依据.另外,由于断层渗透率对CO2泄漏量的作用较为明显,是一个不可忽略的影响因素,在研究过程中也要考虑.目前国内关于CO2泄漏问题的研究较少,多是对泄漏过程进行了定性分析[21-23],其中胡叶军等[24]考虑了断层与注入井间距离、断层倾角、断层破碎带宽度、断层渗透率、CO2注入速率及注入深度对CO2泄漏量的影响,对断层性质方面的因素考虑得较为全面,但未考虑CO2初始特征的作用,其认为断层破碎带宽度和断层渗透率的影响程度最强,再一次说明了断层渗透率是不可忽略的因素.

该研究以我国鄂尔多斯盆地CO2灌注工程示范场地为研究区[25-26],以刘家沟组为目标储层建立深部咸水层[27-31]中CO2沿断层泄漏的数值模型,分析CO2沿断层泄漏的运移规律,并探讨断层渗透性能、初始泄漏压力、CO2初始饱和度等不确定因素对CO2泄漏速率和泄漏量的影响规律,以期为CO2地质储存工程选址和灌注工作提供参考.

1 研究区概况

鄂尔多斯盆地位于陕西省和内蒙古交界处,地形较平缓,海拔总体较高,为北温带干旱、半干旱大陆性气候.研究区内从老至新发育古生界至新生界地层[32-33],其中太原组、山西组、石盒子组、石千峰组、刘家沟组为CO2储层,和尚沟组、纸坊组和延长组为盖层.该研究以刘家沟组地层为目标储层,储层岩性以含砾砂岩、粗砂岩为主,孔渗条件较好,盖层以泥岩、粉砂质泥岩为主要岩性,基本不透水.经物探资料分析,区内断层一般为近南-北走向,构造较为单一,距注入井2 km范围内约有16条断层,其中有5条贯穿刘家沟组.因此,研究区内存在的断层可能会成为CO2泄漏的通道.通过收集和分析鄂尔多斯盆地场地资料和射孔数据,可知盆地多数地区地温梯度为2.0~2.8 ℃/(100 m),只在盆地中南部地区出现大于3.0 ℃/(100 m)的地温梯度,平均为2.7 ℃/(100 m)[34].研究区内地层压力符合静水压力分布规律;盆地内含水系统包括寒武系-奥陶系碳酸盐岩岩溶含水系统、白垩系碎屑岩裂隙孔隙含水系统及石炭-侏罗碎屑岩裂隙与上覆松散层孔隙含水层系统[35],研究区位于鄂尔多斯盆地中东部,区内含水系统主要为白垩系碎屑岩裂隙孔隙含水系统,部分地区为石炭-侏罗碎屑岩裂隙与上覆松散层孔隙含水层系统,即区内含水层主要分布在白垩系、石炭-侏罗系地层中,厚度为60~80 m.

2 研究方法 2.1 模拟工具及控制方程简介

采用多相流多组分数值模拟软件TOUGH2进行模拟,使用ECO2M模块,模拟时间为100 a. TOUGH2是国际上公认的模拟一维、二维和三维孔隙或裂隙介质中多相流、多组分及非等温的水流及热量传递的数值模拟程序. ECO2M是TOUGH2中一个可以综合刻画深部咸水层中H2O-CO2-NaCl多相混合物的热力学和热物理性质变化的模块,它考虑了CO2可能出现的所有相态,包括超临界和亚临界、液相和气相以及各种相态之间的转换过程,适用的温压范围是10~110 ℃、≤60 MPa[36].

该研究主要分析CO2-咸水-热量的作用过程,不考虑化学作用,基于此可建立质量守恒微分方程:

$\frac{{\partial {M_k}}}{{\partial t}} = - \nabla {\mathit{\boldsymbol{F}}_k} + {q_k}$ (1)

式中:Mkk组分的体积质量,kg/m3Fkk组分的质量流速矢量,kg/(s·m2);qkk组分的源汇项.基于式(1),可分别对模型中咸水、CO2和热量建立质量守恒方程,如式(2)~(4):

$\begin{array}{*{20}{l}} {\quad \quad \frac{\partial }{{\partial t}}\left[ {\varphi ({s_{\rm{l}}}{\rho _{\rm{l}}}{X_{{\rm{wl}}}} + {s_{\rm{g}}}{\rho _{\rm{g}}}{X_{{\rm{wg}}}})} \right] = }\\ {\quad \quad - \nabla \left\{ {{X_{{\rm{wl}}}}{\rho _{\rm{l}}}\left[ { - k\frac{{{k_{{\rm{rl}}}}}}{{{\mu _{\rm{l}}}}}(\nabla {P_{\rm{l}}} - {\rho _{\rm{l}}}{\rm{g}})} \right]} \right. + }\\ {{X_{{\rm{wg}}}}{\rho _{\rm{g}}}\left. {\left[ { - k\frac{{{k_{{\rm{rg}}}}}}{{{\mu _{\rm{g}}}}}(\nabla {P_{\rm{g}}} - {\rho _{\rm{g}}}{\rm{g}})} \right]} \right\} + ({q_{{\rm{wl}}}} + {q_{{\rm{wg}}}})} \end{array}$ (2)
$\begin{array}{*{20}{l}} {\quad \quad \frac{\partial }{{\partial t}}[\varphi ({s_{\rm{l}}}{\rho _{\rm{l}}}{X_{{\rm{cl}}}} + {s_{\rm{g}}}{\rho _{\rm{g}}}{X_{{\rm{cg}}}})] = }\\ {\quad \quad - \nabla \left\{ {{X_{{\rm{cl}}}}{\rho _{\rm{l}}}\left[ { - k\frac{{{k_{{\rm{rl}}}}}}{{{\mu _{\rm{l}}}}}(\nabla {P_{\rm{l}}} - {\rho _{\rm{l}}}{\rm{g}})} \right]} \right. + }\\ {{X_{{\rm{cg}}}}{\rho _{\rm{g}}}\left. {\left[ { - k\frac{{{k_{{\rm{rg}}}}}}{{{\mu _{\rm{g}}}}}(\nabla {P_{\rm{g}}} - {\rho _{\rm{g}}}{\rm{g}})} \right]} \right\} + ({q_{{\rm{cl}}}} + {q_{{\rm{cg}}}})} \end{array}$ (3)
$\begin{array}{*{20}{l}} {\frac{\partial }{{\partial t}}[\varphi ({s_{\rm{l}}}{\rho _{\rm{l}}}{U_{\rm{l}}} + {s_{\rm{g}}}{\rho _{\rm{g}}}{U_g}) + \left( {1 - \varphi } \right){\rho _{\rm{s}}}{U_{\rm{s}}}] = }\\ {\quad \quad - \nabla \left\{ {{h_{\rm{l}}}{\rho _{\rm{l}}}\left[ { - k\frac{{{k_{{\rm{rl}}}}}}{{{\mu _{\rm{l}}}}}(\nabla {P_{\rm{l}}} - {\rho _{\rm{l}}}{\rm{g}})} \right]} \right. + }\\ {\quad {h_{\rm{g}}}{\rho _{\rm{g}}}\left. {\left[ { - k\frac{{{k_{{\rm{rg}}}}}}{{{\mu _{\rm{g}}}}}(\nabla {P_{\rm{g}}} - {\rho _{\rm{g}}}{\rm{g}})} \right]} \right\} + {q_{\rm{h}}}} \end{array}$ (4)

式中:slsg分别指模型中液相、气相饱和度,满足sl+sg=1;ρlρgρs分别指液相、气相、固相的密度,kg/m3XwlXwg分别指液相、气相中咸水的质量分数;XclXcg分别指液相、气相中CO2的质量分数;φ为岩石骨架孔隙度;k为绝对渗透率,m2krlkrg分别指液相、气相的相对渗透率;μlμg分别指液相、气相的动力黏滞系数,Pa·s;PlPg分别指液相、气相压力,Pa;g为重力加速度,m/s2qwlqwgqclqcgqh分别指液相中咸水的源汇项、气相中咸水的源汇项、液相中CO2源汇项、气相中CO2源汇项、热相关源汇项;UlUgUs分别指液相、气相、固相中的内能,J/kg;hlhg分别指液相、气相在岩体中的导热系数,W/(m·K).

2.2 二维储盖层岩相概念模型构建

为了分析CO2沿断层的运移及扩散规律,建立二维概念模型(见图 1).实际场地资料显示,刘家沟组底板埋深为1 699 m,其上部石炭-侏罗系地层内分布有含水层. TAO等[37]在2013年的研究结果显示,透水地层会使断层顶部CO2的流量降为零,说明透水地层能够有效地阻止CO2泄漏,因此只考虑CO2沿断层向上泄漏到最底部含水层的情况.根据实测资料,最底部含水层处于三叠系纸坊组砂岩岩层中,将其顶板埋深设定为1 300 m.另外为了直观显示含水层对CO2泄漏的阻碍作用,实际模拟范围应高于含水层顶板一定厚度,此处设置为100 m,因此模型垂向高度取499 m;另外根据地层岩性条件将水平方向宽度设定为200 m.当考虑断层时,CO2在断层两侧的运移规律相同,所以只讨论断层一侧的变化规律即可.实际资料显示,在注入井2 km范围内有16条断层,其中有5条切入刘家沟组地层,分布穿切关系较复杂,不易刻画,该研究将其简化为一条宽为5 m的直立断层,连接上覆含水层和刘家沟组储层,即断层高度为339 m.

图 1 CO2沿断层泄漏的二维概念模型示意 Figure 1 2D conceptual model of CO2 leakage through a fault zone

为了使模拟结果更贴近实际,在对模型进行空间离散时采用不等距剖分:垂向上在含水层和底板处加密,其余等距剖分,每层10 m,共剖分为73层;水平方向上在断层处加密,将宽度为5 m的断层等距剖分为10列,每列0.5 m,其余每列宽度从1~30 m递增,共剖分为44列.

在该研究数值模型中,将CO2储层刻画为底部一层网格,网格体积计算方法如式(5).

${V_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}}} = {V_S} \times a \times \varphi = {M_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}}}/\rho $ (5)

式中:VCO2为储存的CO2体积,m3; MCO2为储存的CO2质量,kg;ρ为超临界CO2密度,kg/m3a为储层中CO2饱和度;VS为储存一定质量CO2所需的地层体积,m3.

根据实际工程资料可知,研究区CO2的总储存量为2×108 kg,储层孔隙度为0.1,超临界CO2密度约为700 kg/m3,初始饱和度设置为0.5,计算可得所需地层体积为5.72×106 m3,即为底部44个网格的总体积.

2.3 储盖层数值模型参数及定解条件设置

储盖层数值模型的物性参数依据实际地层测试结果设置如表 1所示.盖层的渗透率为1.0×10-17 m2,孔隙度为0.10;含水层的渗透率为2.8×10-14 m2,孔隙度为0.25;在模型设置时将断层刻画为砂岩断裂带,其孔渗条件是水平方向渐变的.参考Gherardi等[38]对断裂带的分区方法,将5 m宽的断层等分为5个区域,一区为断层核部,其孔渗条件最好,渗透率为100×10-15 m2,孔隙度为0.35;五区靠近围岩,孔渗条件最差,渗透率为0.1×10-15 m2,孔隙度为0.15,各区具体取值见表 2.数值模型模拟时间为100 a.

表 1 数值模型主要地层孔渗参数 Table 1 Main formation permeability parameters in the model

表 2 断层水平方向孔渗条件分区结果 Table 2 Partition of permeability condition in fault horizontal direction

模型的定解条件包括初始和边界条件,其中初始条件包括压力、盐度、CO2饱和度及温度,模型中初始压力场和温度场的分布分别按照静水压力平衡和地温梯度给定;模型主体为盖层,被咸水充填,所以CO2初始饱和度为0;盐度依据实际地层水样资料设定为0.03.依据实际资料将模型底部CO2储层压力设定为17.6 MPa,饱和度为0.5.考虑到模型边界对数值解的影响,将远离断层的右侧边界设定为第一类边界;考虑到模型顶底板和断层外边界的作用以及热量传递,将上下边界和左侧边界设定为隔水导热边界.

2.4 数值模拟方案设计

由文献[24]可知,深部咸水层中CO2沿断层泄漏过程主要受CO2的初始条件和断层特征两方面的影响. CO2的初始条件主要包括初始压力、饱和度、温度和黏滞度等,其中黏滞度一般较固定,约为0.03 Pa·s,温度主要受地层温度的控制,也不会轻易发生变化,所以该研究主要考虑底部储层中CO2的初始压力和饱和度这两个因素.除此之外,断层的物性特征(断层规模、孔渗条件等)也会对CO2泄漏量产生影响.由于一个地区的断层规模在一定时期内是固定的,所以该研究不予考虑.综上所述,笔者对CO2的初始泄漏压力、初始饱和度和断层渗透性能这3个不确定因素进行研究,设计了如表 3所示的模拟方案.

表 3 数值模拟方案设计表 Table 3 Scheme of numerical simulation

经重力平衡计算,模型底板处地层压力为17.1 MPa,base-case、case1、case2分别考虑了CO2初始压力高于地层压力0.5、0.2、1.0 MPa的情况,其模拟结果对比分析可得到CO2初始压力对泄漏量和泄漏速率的影响;case3、case4与base-case对比可知CO2初始饱和度的作用,case5和case6则是考虑了断层渗透性能的影响.每个敏感性研究方案模型的边界条件与2.3节描述的保持一致.考虑到孔隙度和渗透率存在一定的正相关关系,当改变断层渗透率时,对其孔隙度值也进行了适当调整,依据实际岩性资料中的渗透率数值范围进行分级,不同方案中断层孔渗参数如表 4所示.

表 4 断层渗透率分级结果 Table 4 Classification of fault permeability
3 结果分析 3.1 CO2沿断层的运移规律

CO2沿断层泄漏1、5、10、30、50、100 a时的饱和度分布如图 2所示.

注:红色虚线框代表断层的分布范围. 图 2 泄漏过程中CO2饱和度时空分布 Figure 2 Spatial and temporal distribution of saturation of CO2 during leakage

图 2可知,随着时间的推移,CO2沿着断层向上泄漏,30 a后运移至上覆含水层,此后,由于上覆含水层的阻碍作用不再向上泄漏.泄漏到上覆含水层内的CO2在浮力的作用下聚集在顶板处,并向水平方向扩散;同时,在无断层处,储层中的CO2以极缓慢的速度向盖层中运移. CO2泄漏100 a后,泄漏到上覆含水层中的CO2在水平方向扩散了200 m,而盖层内的CO2垂向运移距离不到10 m,表明断层是CO2向上覆含水层甚至地表泄漏的主要通道. CO2的泄漏会引起产生严重的生态环境效应,而不同的CO2泄漏量产生的影响程度也大不相同,因此要对CO2泄漏量的影响因素进行分析,依据分析结果可采取相应防治措施,从而降低储层中CO2发生泄漏的可能性.

3.2 影响因素分析 3.2.1 断层渗透性能对泄漏量的影响

通过对比分析base-case、case5及case6的结果,研究其他条件相同时断层渗透性能对CO2泄漏量的影响.断层不同渗透性能条件下CO2泄漏到上覆含水层的量及泄漏速率随时间的变化特征如图 3所示.由图 3可见,断层渗透率增大可引起CO2泄漏量和泄漏速率明显增加. 100 a时,中渗条件下CO2的泄漏量约为1 050 t,高渗条件下可达到约3 000 t,而当断层为低渗透性时(最大渗透率为10-14 m2,孔隙度为0.25),CO2的泄漏速率和泄漏量均为零,这是由于低渗透率时CO2泄漏速率较小,100 a内不易穿透垂向厚度如此大的低渗断层而泄漏至上覆含水层.另外,断层渗透性能明显影响了CO2在断层内的运移速率,进而影响CO2泄漏到上覆含水层的总量.断层渗透性能越好,CO2泄漏至上覆含水层的时间越早,高渗条件下CO2在第8年时即发生了泄漏,而中渗条件下第22年时才发生泄漏,这也体现了高渗断层可能成为CO2泄漏的优势通道.

图 3 不同断层渗透性能条件下CO2泄漏量和泄漏速率随时间的变化特征 Figure 3 The variations of amount and rate of CO2 leakage over time under condition of different fault permeability

100 a时低渗断层内的CO2饱和度分布如图 4所示,100 a时CO2沿断层仅运移了约260 m,未泄漏至上覆含水层,解释了图 5中泄漏量和泄漏速率均为零的现象.因此,即使地层中存在断层,当其为压扭性断层,渗透性较差时,在一定时期内仍可以忽略其对CO2封存产生的影响.

注:红色虚线框代表断层的分布范围. 图 4 低渗条件下100 a时CO2饱和度分布 Figure 4 The distribution of CO2 saturation on 100 years under low permeability

CO2初始饱和度:1—0.20;2—0.50;3—0.99. 图 5 不同初始饱和度下CO2泄漏量和泄漏速率随时间的变化特征 Figure 5 The variations of amount and rate of CO2 leakage over time under condition of different initial saturation
3.2.2 CO2初始饱和度

对比分析base-case、case3和case4的模拟结果,研究其他条件相同时,CO2初始饱和度对CO2泄漏量的影响.不同初始饱和度下CO2沿断层泄漏到上覆含水层中的泄漏量和泄漏速率随时间的变化特征如图 5所示,其他条件相同时,储层中CO2的初始饱和度越大,其泄漏量和泄漏速率就越大,发生泄漏的时间也越早. CO2初始饱和度为0.20、0.50和0.99时,100 a的累积泄漏量分别可达到550、1 050和1 650 t.另外,当初始饱和度从0.20增至0.50时,泄漏时间提前了约20 a;初始饱和度从0.50增至0.99时,泄漏时间提前了约5 a.与断层渗透性能的影响效果不同的是,初始饱和度的降低不会阻止CO2的泄漏,泄漏速率呈现先增加后减小的趋势,最终达到稳定值,主要原因是CO2泄漏后期地层压差减小并趋于稳定,压力梯度带来的动力作用也就趋于稳定.

3.2.3 初始泄漏压力

对比分析base-case、case1、case2的模拟结果,研究在其他条件相同时,不同初始泄漏压力对CO2泄漏量的影响.不同初始泄漏压力下CO2沿断层泄漏到上覆含水层中的泄漏量和泄漏速率随时间的变化特征如图 6所示.从图 6可以看出,初始压力越大,泄漏量越大,发生泄漏的时间也越早.初始泄漏压力为17.3、17.6和18.1 MPa时,CO2的累积泄漏量分别达到了900、1 050、1 400 t.初始泄漏压力依次从17.3 MPa增至17.6和18.1 MPa时,CO2泄漏至上覆含水层的时间均提前了约8 a,说明初始泄漏压力对CO2泄漏过程的影响较为明显.泄漏速率随时间变化的整体趋势是先增后减,最终趋于稳定.在泄漏前期,最大泄漏速率与初始泄漏压力呈正相关,但在后期趋于稳定时,三者的泄漏速率变化曲线基本重合,这可能是因为压力传递较快,前期初始泄漏压力越大,与地层的压力差就越大,泄漏速率也就越大,后期压力传递完成,三种初始泄漏压力产生的压差差异缩小甚至消失,泄漏速率也就趋于一致.

CO2初始泄漏压力/MPa:1—17.3;2—17.6;3—18.1. 图 6 不同初始泄漏压力下CO2泄漏量和泄漏速率随时间的变化特征 Figure 6 The variations of amount and rate of CO2 leakage over time under condition of different initial leak pressure

不同初始饱和度和泄漏压力下的CO2平均泄漏速率如图 7所示,可以看出,初始饱和度增量为0.3时,平均泄漏速率从6.00 t/a增至10.86 t/a,增加了4.86 t/a,而初始泄漏压力增量为0.3 MPa时,平均泄漏速率只增加1.3 t/a.另外,初始饱和度和泄漏压力分别增加0.5和0.5 MPa时,平均泄漏速率分别增加了5.95和3.11 t/a,因此可认为相比初始泄漏压力,初始饱和度对CO2平均泄漏速率的作用更为明显.

图 7 初始饱和度和泄漏压力变化时平均泄漏速率变化特征 Figure 7 The average leakage rate curve under the variation of initial saturation and leak pressure

相比以往研究区内的研究[39-41]而言,该研究考虑了地质封存时CO2自身特征即CO2初始饱和度和泄漏压力对泄漏量的影响,同时与前人研究认为较重要的因素——断层渗透性能的影响效果对比分析,可发现断层渗透性能较差时,CO2在一定时期内可能不会发生泄漏,而CO2初始饱和度和泄漏压力则不会产生这样的作用.

4 结论

a) CO2在压力差和浓度差的作用下会沿断层向上发生泄漏,当遇到上覆含水层时CO2会进入到含水层中.在浮力的作用下,CO2会在上覆含水层的顶板处聚集,并逐渐在含水层内部产生水平方向扩散,泄漏100 a时,水平方向扩散距离达到约200 m.

b) CO2的泄漏量和泄漏速率与断层的渗透率和储层中CO2初始饱和度在整个泄漏期内均呈正相关.随着断层渗透率和储层中CO2初始饱和度的增加,CO2泄漏至含水层的时间也会提前.断层渗透性能较差时,100 a内没有CO2泄漏至含水层,而从中渗条件增加到高渗条件时,泄漏时间提前了14 a;CO2初始饱和度从0.20增至0.50时,发生泄漏的时间提前了20 a;从0.50增至0.99时,提前了5 a,基本可以说明断层渗透性能对CO2泄漏的影响程度要大于CO2初始饱和度.

c)泄漏前期,CO2初始泄漏压力对CO2的泄漏量和泄漏速率影响较大,但是泄漏后期不同CO2初始泄漏压力下的泄漏速率基本相同.这主要是由于泄漏后期压力传递完成,不同初始泄漏压力产生的压差差异缩小甚至消失引起的.

d)断层渗透性能、CO2初始饱和度及初始泄漏压力均是CO2泄漏过程的重要影响因素,其影响主要体现在泄漏发生时间、泄漏量及平均泄漏速率这三方面.断层渗透性能为低渗、中渗和高渗条件时,CO2累积泄漏量分别为0、1 050和3 000 t;CO2初始饱和度分别为0.20、0.50和0.99时,累积泄漏量分别为550、1 050和1 650 t;初始泄漏压力分别为17.3、17.6和18.1 MPa时,累积泄漏量则分别为900、1 050、1 400 t.结合泄漏发生时间及平均泄漏速率的分析结果,可认为三者对CO2沿断层泄漏过程的影响程度由大至小依次为断层渗透性能>CO2初始饱和度>CO2初始泄漏压力.

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