崔國棟, 任韶然, 張 亮, 莊 園, 王延永, 宮智武, 蘇帥杰

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二氧化碳羽流地?zé)嵯到y(tǒng)中地層水回流和巖石-流體作用對采熱能力的影響

崔國棟, 任韶然, 張 亮, 莊 園, 王延永, 宮智武, 蘇帥杰

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院油藏工程系, 山東青島266580)

針對超臨界CO2(SCCO2)開采地?zé)徇^程中的滲流特征和可能產(chǎn)生的儲層傷害，基于熱力學(xué)原理和地化反應(yīng)機(jī)理，建立了考慮地層水蒸發(fā)、CO2-地層水-巖石地化反應(yīng)、鹽沉淀/溶解和儲層孔滲變化的SCCO2地?zé)衢_采綜合模型，分析了流體滲流特征和巖石-流體作用對采熱速率的影響，并提出了提高SCCO2采熱速率的相應(yīng)方法。研究結(jié)果表明，干燥SCCO2持續(xù)注入會加劇地層水蒸發(fā)，造成注入井附近地層水飽和度梯度增加，使得氣液毛管力大于驅(qū)替壓差情況，導(dǎo)致地層水回流。地層水回流加劇了地化反應(yīng)和鹽析對注入井區(qū)域的傷害，使得SCCO2滲流速度和采熱速率降低。敏感性分析表明，儲層溫度、壓力、孔隙度、滲透率和注采壓差均會影響SCCO2采熱速率，其中地層水礦化度是影響儲層鹽析及采熱速率降低的最重要因素。注SCCO2前預(yù)注低礦化度水可有效緩解鹽析對儲層的傷害。

超臨界二氧化碳；地層水回流；地化反應(yīng)；地?zé)衢_采；蒸發(fā)鹽析；采熱速率

1 前 言

CO2資源化利用的思想應(yīng)用于地?zé)崮荛_發(fā)，是一種新穎的地?zé)衢_采技術(shù)[1~6]。同時(shí)，該技術(shù)還可將大部分注入的CO2埋存于地?zé)醿樱瑢?shí)現(xiàn)溫室氣體減排作用[7~10]。Brown等人首先提出利用超臨界CO2(SCCO2)優(yōu)良的流動能力和熱力學(xué)性質(zhì)開采干熱巖地?zé)岬母拍?CO2-EGS)，隨后Pruess等人對CO2-EGS滲流特征和采熱能力做了詳細(xì)研究[1~3]。但由于CO2-EGS需要超深井鉆探技術(shù)，同時(shí)其深部壓裂技術(shù)可能誘發(fā)地震活動，導(dǎo)致CO2泄露風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)濟(jì)效益和儲層封閉性均不明朗[9]。針對此等問題，Randolph 等人提出注SCCO2開采天然高滲儲層地?zé)崮苄路椒?CO2-plume geothermal CPG)[7,8]。CPG系統(tǒng)中，采用天然高孔隙度滲透率儲層作為地?zé)衢_發(fā)儲層，無需壓裂；同時(shí)其較大的儲層體積使得采熱潛力大于CO2-EGS，且具有更好的CO2埋存前景[9~11]。

但是天然高滲儲層中充滿地層水，SCCO2注入后會與地層水發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，影響流體滲流能力和儲層物性，最終影響地?zé)衢_采[11,13~20]。研究指出，干燥的SCCO2注入后不僅與地層水、巖石發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)[11,13~15]，還會持續(xù)蒸發(fā)地層水從而導(dǎo)致水中溶解的NaCl析出，最終損害儲層[17~21]。更有研究指出，地層水的快速蒸發(fā)會導(dǎo)致注入井區(qū)域形成較大的地層水飽和度梯度，導(dǎo)致地層水在氣液毛管力作用下回流至注入井端，加劇鹽析對儲層的傷害[18~20]。

對于CPG系統(tǒng)中地層水回流現(xiàn)象，特別是地層水回流對地化和鹽析的綜合影響，相關(guān)研究較少，目前鮮有文獻(xiàn)。本文在能量守恒和多相滲流過程原理的基礎(chǔ)上，建立了地層水蒸發(fā)模型、CO2-地層水-巖石地化反應(yīng)模型、NaCl沉淀/溶解模型和孔隙度-滲流模型，有效刻畫了CPG系統(tǒng)地?zé)衢_發(fā)中相關(guān)物理化學(xué)反應(yīng)及對儲層孔滲的影響。分析了地層水蒸發(fā)-毛管力綜合作用下地層水回流現(xiàn)象和地化鹽析反應(yīng)，及其對采熱速率的影響，同時(shí)做了相應(yīng)的敏感性分析。針對儲層傷害問題，提出了相關(guān)預(yù)防和解決措施，提高了SCCO2采熱速率。研究結(jié)果對地?zé)崮荛_發(fā)及CO2地質(zhì)埋存技術(shù)的應(yīng)用推廣具有一定的指導(dǎo)意義。

2 巖石-流體作用數(shù)學(xué)模型

SCCO2注入地?zé)醿雍螅芙庵恋貙铀械腃O2會與儲層巖石發(fā)生復(fù)雜的地化反應(yīng)；同時(shí)，SCCO2更會不斷蒸發(fā)地層水從而導(dǎo)致水中NaCl析出。CPG系統(tǒng)中發(fā)生的巖石-流體作用會嚴(yán)重傷害儲層，改變儲層孔隙度和滲透率，最終影響采熱速率。

2.1 地層水蒸發(fā)模型

地?zé)醿痈邷貙⒓铀俚貙铀舭l(fā)，同時(shí)增加水蒸氣在SCCO2相中的溶解度。干燥SCCO2的持續(xù)注入，也會導(dǎo)致水蒸氣不斷在SCCO2相中溶解。CO2與H2O的相互溶解度可以采用Spycher-Pruess (2010年)的相分離模型計(jì)算[21,22]。相關(guān)公式如下所示：

采用Spycher-Pruess模型計(jì)算的CO2-H2O相互溶解度數(shù)據(jù)如圖2所示，可以看出，模型計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較好[23,24]，僅在溫度高于300℃、壓力高于45 MPa時(shí)誤差較大，該條件下CO2和H2O將要達(dá)到混相。典型地?zé)醿訔l件下(壓力>10 MPa，溫度> 120℃)，隨著溫度升高，水相中CO2溶解度從2% 上升至10% 以上，CO2相中水蒸氣溶解度從5% ~10% 上升至60%以上，地層水蒸發(fā)和溶解現(xiàn)象不可忽略。

2.2 CO2地化反應(yīng)模型

地?zé)醿拥母邷馗邏簳觿O2-地層水-巖石地化反應(yīng)速率，從而在短時(shí)間內(nèi)即可影響儲層物性。本文模擬中將CO2地化反應(yīng)分為水相反應(yīng)和礦物反應(yīng)。認(rèn)為水相反應(yīng)可以瞬間達(dá)到平衡，而礦物反應(yīng)由于速度較慢，采用偏平衡方程描述[25]：

水相反應(yīng)：

其中，

礦物反應(yīng)：

地化反應(yīng)中化學(xué)平衡常數(shù)隨著溫度變化而變化，上式Keq,α與Keq,β均采用依賴于溫度的四階多項(xiàng)式計(jì)算[26,27]，相關(guān)反應(yīng)及參數(shù)見表5[25]：

2.3 NaCl沉淀/溶解模型

高滲儲層中地層水鹽度一般較高，由于注入的SCCO2不斷蒸發(fā)，會造成水中的NaCl析出，降低儲層孔隙度和滲透率，最終影響采熱速率。不同于Pruess等人的模擬方法[16]，本文采用基于阿侖尼烏斯方程的局部平衡反應(yīng)(Partial Equilibrium Reactions)來模擬地層水中NaCl沉淀/溶解過程：

在式(12)基礎(chǔ)上，建立考慮NaCl溶解度的偏平衡方程，描述NaCl的沉淀/溶解過程，NaCl反應(yīng)濃度系數(shù)為：

由于壓力和地層水鹽度對水相中NaCl溶解度影響不大，模擬中忽略壓力和地層水鹽度對NaCl溶解度的影響，僅考慮溫度對溶解度的影響(不同溫度下NaCl溶解度如圖2所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由文獻(xiàn)[28]所得)。模擬中，采用公式14，寫入不同溫度下的equilw。

圖2 不同溫度下水中NaCl溶解度

2.4 孔隙度-滲透率關(guān)系模型

地層水蒸發(fā)鹽析，CO2地化反應(yīng)引起的礦物溶解/沉淀以及儲層壓力的變化，均會造成儲層孔隙度的變化，進(jìn)而影響儲層滲透率。因此，模型中必須考慮儲層孔隙度及滲透率的變化。不考慮鹽析時(shí)孔隙度計(jì)算公式為[27]：

考慮鹽析后儲層孔隙度計(jì)算公式如下：

儲層孔隙度-滲透率關(guān)系可采用Kozeny-Carman方程描述為[27,29]：

儲層復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致孔隙度輕微的變化便可嚴(yán)重影響儲層的滲透率。為此本文進(jìn)行了巖心靜態(tài)鹽析實(shí)驗(yàn)，測試了孔隙度-滲透率的變化關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。為了確定模型中(公式17)參數(shù)值，將不同值下的計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，誤差分析結(jié)果如表1所示?？梢?，= 4時(shí)，模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方差最小。

圖3 靜態(tài)鹽析前后孔隙度-滲透率關(guān)系圖

表1 不同n值下孔隙度-滲透率模型誤差分析(%)

3 CPG系統(tǒng)綜合數(shù)值模擬模型

依據(jù)上述巖石-流體相關(guān)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)油藏?cái)?shù)值模擬軟件建立了考慮CO2-地層水-巖石地化反應(yīng)、地層水蒸發(fā)鹽析和孔滲變化的CPG綜合數(shù)值模型。針對松遼盆地的某目標(biāo)儲層[30,31]，設(shè)置了模型基本參數(shù)(表2)。其中孔隙度為0.1，滲透率為50 md，初始溫度150℃，初始壓力35 MPa。儲層毛管力如圖4所示。模型尺寸為600 m′500 m′100 m，網(wǎng)格數(shù)目為80′10′10，模型中上下層設(shè)為封閉邊界，僅有能量傳遞。采用一注一采模式開采地?zé)幔⒉蓧翰顬? MPa。

表2 數(shù)值模擬基本模型主要參數(shù)設(shè)置

Note:a.Heat capacity of water under different temperature is calculated by the formulaH2O= 4086.2-0.3403′+0.0004′2+2′10-5′3.b. Heat capacity of CO2under different temperature is calculated by the formulaCO2= 1759.8+7.4′-0.05′2.c. Parameters used in the Corey model,wn= 0.3,gn= 0.05.d. Mutual solubility of CO2and water is calculated by the Spycher-Pruess model, mole fraction.e. Diffusion coefficient of CO2in water under different temperature is calculated by the Wilke and Chang model.f. Thermal conductivity of formation water under different temperature is calculated by the formula= 571.72+2.3679′0.0133′2+2′10-5′3.g. Thermal conductivity of CO2under different temperature is calculated by the formula= 134.64-4.0617′+0.0502′2-0.0002′3.

圖4 氣-水毛管力曲線

模型中采用的地層水及礦物組成如表3所示：總礦化度為51526 ppm左右，其中NaCl的含量為50000 ppm。不同地層產(chǎn)生的地化反應(yīng)相差較大，針對地化反應(yīng)對儲層及采熱速率的影響，本文僅模擬有代表性的三種礦物所參與的地化反應(yīng)，其反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)及反應(yīng)平衡系數(shù)見表4和表5[25]。為分析CPG中地層水蒸發(fā)、不同地化反應(yīng)和鹽析等對地?zé)衢_采的影響，在基本模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了敏感性模擬方案(如表6所示)。

表3 地層水及礦物組成

表4 礦物反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)取值

表5 化學(xué)反應(yīng)式及其反應(yīng)平衡系數(shù)

表6 敏感性模擬方案

4 CPG數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 地層水回流現(xiàn)象分析

表6中方案1、2和3，用于分析SCCO2開采地?zé)徇^程中地層水蒸發(fā)和毛管力對滲流的影響，第5層網(wǎng)格模擬結(jié)果如圖5~8所示。由圖5可以看出，相同井距處，方案2中地層水飽和度始終低于方案1中地層水飽和度；而方案3中地層水飽和度始終高于方案1中地層水飽和度，顯然，地層水蒸發(fā)和毛管力對地層水的流動起到相反作用。進(jìn)一步分析注入井區(qū)域方案1和方案2地層水飽和度變化可知(圖7)，毛管力存在不利于地層水向生產(chǎn)井的流動；而由方案1和方案3地層水飽和度變化可知，地層水飽和度小于0.5時(shí)，蒸發(fā)作用對地層水飽和度降低起主要作用。

圖5 不同時(shí)間下地層水飽和度分布

圖6 不同時(shí)間下地層水流速分布

圖7 注入井所在網(wǎng)格含水飽和度變化

圖8 注入井所在網(wǎng)格地層水流速變化

分析儲層中地層水流速分布可知(圖6)，方案2和方案3中地層水流速始終為正值，即流向生產(chǎn)井；而方案1中地層水流速在注入井區(qū)域存在負(fù)值，說明產(chǎn)生了地層水回流現(xiàn)象。更可以看出(圖8)，0.4年之前，方案1注入井區(qū)域水相流速存在負(fù)值。

綜上可知，CPG中地層水流動主要受驅(qū)替壓差和氣液毛管力控制。地?zé)醿拥母邷靥匦院透稍颯CCO2的持續(xù)注入使得地層水快速蒸發(fā)，從而增加了氣液毛管力值。毛管力值大于驅(qū)替壓差時(shí)，地層水便產(chǎn)生回流現(xiàn)象。值得注意的是，含水飽和度須在束縛水飽和度以上時(shí)，同時(shí)應(yīng)處于毛管力曲線斜率最大處(本文中對應(yīng)地層水飽和度0.3~0.4)，才可能發(fā)生回流現(xiàn)象。當(dāng)?shù)貙铀柡投鹊陀谑`水飽和度時(shí)，地層水不再流動只發(fā)生蒸發(fā)作用。注入井區(qū)域受到干燥SCCO2持續(xù)注入，地層水回流現(xiàn)象最為嚴(yán)重。由于SCCO2滲流過程中不斷溶解水蒸氣，使得儲層深部地層水飽和度梯度平緩，不易發(fā)生地層水回流現(xiàn)象。

4.2 地化鹽析對采熱影響分析

為分析CO2-地層水-巖石地化反應(yīng)對儲層物性及采熱速率的影響，設(shè)置了方案4。圖9為模擬結(jié)束時(shí)，方案4中儲層礦物及孔隙度變化。可以看出，儲層中鈣長石主要發(fā)生溶解反應(yīng)，方解石和高嶺石主要發(fā)生沉淀反應(yīng)，部分注入CO2以方解石的形式埋存于儲層。值得注意的是，注入井區(qū)域受地層水回流影響，水中離子(Ca2+、Al3+和SiO2(aq))濃度不斷降低，打破了原有的CO2-地層水-巖石化學(xué)平衡(見表2)，加劇了鈣長石的溶解。而生產(chǎn)井區(qū)域由于溫度始終較高，較快的地化反應(yīng)速率使得礦物變化明顯。

圖9 方案4模擬結(jié)束時(shí)礦物及孔隙度分布圖

為分析鹽析對儲層物性及采熱速率的影響，設(shè)置了方案5，考慮了地化反應(yīng)和鹽析現(xiàn)象，模擬結(jié)果如圖10所示。鈣長石在注入井區(qū)域受鹽析影響較大，溶解量遠(yuǎn)小于方案4模擬結(jié)果。說明地層水中NaCl的析出會影響儲層礦物的沉淀/溶解反應(yīng)，改變儲層礦物最終沉淀/溶解量。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，受地層水回流影響，鹽析現(xiàn)象主要發(fā)生于注入井區(qū)域，使得注入井區(qū)域孔隙度由初始0.1降至0.09。

圖10 方案5模擬結(jié)束時(shí)礦物及孔隙度分布

由圖11和圖12可以看出，地層水的存在會影響地?zé)衢_采前期采熱速率。隨著SCCO2在生產(chǎn)井突破，受產(chǎn)出流體影響，采熱速率呈先降低然后迅速升高的趨勢。同時(shí)，地層水導(dǎo)致的地化反應(yīng)和蒸發(fā)鹽析現(xiàn)象，均會降低SCCO2采熱速率。地化反應(yīng)雖然使得近井區(qū)域孔隙度變大，但儲層大部分方解石的生成會造成孔隙度下降，最終降低SCCO2滲流速度。而受地層水回流影響，鹽析對注入井區(qū)域影響較大，使得SCCO2滲流速度顯著下降?？傮w而言，鹽析對SCCO2滲流速度的影響遠(yuǎn)大于地化反應(yīng)對SCCO2滲流速度的影響。真實(shí)儲層注SCCO2開采地?zé)釙r(shí)(方案5)，受地化反應(yīng)和蒸發(fā)鹽析影響，SCCO2滲流速度會降幅2/5左右，采熱速率亦會大幅下降。

圖11 儲層流體開采速率

圖12 地?zé)衢_采速率及儲層平均溫度變化

4.3 CPG采熱敏感性分析

在考慮地化反應(yīng)和蒸發(fā)鹽析基礎(chǔ)上(方案5)，近一步分析了不同儲層條件及注采條件下CPG系統(tǒng)采熱速率，模擬結(jié)果如圖13所示。可以看出，受SCCO2熱物性影響，較高的儲層初始溫度會增加采熱速率，而較高的儲層初始壓力則會降低采熱速率，可見CPG系統(tǒng)選址時(shí)，盡量選擇低壓高溫儲層。注采壓差、孔隙度和滲透率的增加均會增加采熱速率，但過高時(shí)會導(dǎo)致儲層地?zé)衢_采過快，圍巖無法及時(shí)對儲層補(bǔ)充熱量導(dǎo)致后期采熱速率下降。同時(shí)，孔隙度過低時(shí)，會加劇地化和鹽析對儲層的影響，使得孔隙度降低導(dǎo)致采熱速率逐漸下降。值得注意的是，隨著地層水中NaCl濃度升高，鹽析對儲層的傷害急劇增加，當(dāng)水中NaCl為3 mol×L-1時(shí)，鹽析甚至完全堵塞儲層?？梢奀PG系統(tǒng)選址時(shí)，盡量選擇地層水鹽度較低儲層。此外，CPG選址時(shí)，應(yīng)針對儲層礦物組成和地層水組成，做相應(yīng)的地化分析。

圖13 采熱速率敏感性模擬結(jié)果

5 提高SCCO2采熱速率措施

上述模擬結(jié)果表明，CPG系統(tǒng)地?zé)衢_采時(shí)，地層水對SCCO2初期開采速率有較大影響。采熱前期，可通過提高注采壓差等措施縮短產(chǎn)水時(shí)間，使SCCO2盡快發(fā)揮其攜熱介質(zhì)優(yōu)勢。采熱中后期，由于采出CO2中始終含有少量水蒸氣，需增加地面氣液分離或高壓干燥裝置等設(shè)施。

敏感性模擬結(jié)果表明，儲層鹽析對采熱速率有很大影響。在地?zé)醿舆x址時(shí)，應(yīng)盡可能選擇低礦化度儲層。為預(yù)防SCCO2開采地?zé)徇^程中鹽析對儲層，尤其是注入井區(qū)域的傷害，可以在注SCCO2前預(yù)注低礦化度水段塞，產(chǎn)生驅(qū)替并稀釋地層水的效果，并在SCCO2和地層水中間起到隔絕作用。圖14、15為在方案5基礎(chǔ)上，注SCCO2前預(yù)注1個(gè)月去離子水段塞模擬結(jié)果。可以看出，預(yù)注去離子水段塞后CO2滲流速率明顯增加，穩(wěn)定期采熱速率從19 MW提高到25 MW(接近方案1)。預(yù)注去離子水可以顯著緩解地層水鹽析對儲層的傷害，提高SCCO2采熱速率，建議現(xiàn)場采用預(yù)注低礦化度水方法。

圖14 鹽析措施前后流體開采速度

圖15 鹽析措施前后采熱速度

6 結(jié) 論

本文基于CO2-地層水熱力學(xué)和地化反應(yīng)機(jī)理，建立了SCCO2天然儲層地?zé)衢_發(fā)綜合模型。分析了注SCCO2開采地?zé)徇^程中產(chǎn)生的物理化學(xué)反應(yīng)，及其對滲透率的影響。得到以下主要結(jié)論：

(1) CPG系統(tǒng)儲層溫度高，干燥SCCO2的持續(xù)注入，會導(dǎo)致地層水快速蒸發(fā)至SCCO2相中，使注入井區(qū)域地層水飽和度梯度加劇，增加了氣液毛管力。當(dāng)毛管力大于驅(qū)替壓差時(shí)，將產(chǎn)生地層水回流現(xiàn)象。

(2) CO2-地層水-巖石地化反應(yīng)會導(dǎo)致地?zé)醿拥V物的溶解和沉淀，從而影響采熱速率。本文中，儲層大部分區(qū)域受地化影響導(dǎo)致孔隙度減小，部分注入的CO2以碳酸鈣形式得以埋存。但受地層水回流影響，注入井區(qū)域鈣長石溶解較多，造成注入井區(qū)域孔隙度增加?？傮w上地化反應(yīng)會降低SCCO2采熱速率。

(3) 地層水蒸發(fā)會導(dǎo)致水中NaCl析出。受地層水回流影響，地層水不斷回流至注入井區(qū)域，使得該區(qū)域NaCl不斷沉淀富集，降低儲層孔隙度。敏感性分析表明，鹽析對采熱速率的影響最大。注SCCO2前預(yù)注去離子水可顯著緩解鹽析對儲層的傷害，維持和提高SCCO2采熱速率。

符號說明

ai?組分i在水相的活度，mol×kg-1ri?系數(shù)，計(jì)算不同濃度下NaCl飽和溶解度，℃-(i-1) ak?反應(yīng)離子k的活度，mol×kg-1R?通用氣體常數(shù)，8.314 J·(mol·K)-1 ?離子k的尺寸參數(shù)Rα?水相反應(yīng)個(gè)數(shù) ?單位體積巖石礦物β反應(yīng)比表面積，m2×m-3Rβ?礦物反應(yīng)的個(gè)數(shù) ?初始時(shí)刻的反應(yīng)比表面積，m2×m-3rβ?礦物β的溶解/沉淀速率，mol×m-3×s-1 Aγ, Bγ,?與溫度相關(guān)的參數(shù)，常數(shù)Sw?地層水飽和度 bi?化學(xué)平衡常數(shù)Keq計(jì)算參數(shù)，℃-iT?儲層實(shí)際溫度，℃ Ckw?離子k在水相中的濃度，mol×kg-1Tabs?參考溫度，℃ cequilw?水中NaCl飽和溶解度，%(mol)v?單位體積水中NaCl沉淀速率，mol×m-3×s-1 csaltw? NaCl在水中的實(shí)際濃度，%(mol)vka?水相反應(yīng)a中離子k的化學(xué)計(jì)量數(shù) CΦ?巖石壓縮系數(shù)，Pa-1xco2?水相中CO2溶解度，%(mol) Csalts?單位巖石體積析出鹽摩爾濃度，mol×m-3XH2O?水相中H2O溶解度，%(mol) ?Csaltw? NaCl反應(yīng)濃度系數(shù)，%(mol)yco2? CO2相中CO2溶解度，%(mol) Eβ?礦物反應(yīng)β的活化能，J×mol-1yH2O?CO2相中H2O溶解度，%(mol) Esalt?鹽析中活化能，本文取值0，J×mol-1zk?離子k電荷數(shù) fi?組分i的在氣相的逸度，PaγH2O? H2O在水相中的活度系數(shù) I?離子強(qiáng)度，mol×kg-1γco2? CO2在水相中活度系數(shù) Kco2? CO2在兩相中的平衡常數(shù)，Paγk?離子活度系數(shù) Keq,α?水相反應(yīng)α的化學(xué)平衡常數(shù)γi?組分i在水相中的活度系數(shù) Keq,β?礦物反應(yīng)β的化學(xué)平衡常數(shù)κ?鹽析反應(yīng)頻率因子，本文取10000，s-1 KH2O? H2O在兩相中的平衡常數(shù)，PaΦi?組分i的在氣相中的逸度系數(shù) k?當(dāng)前儲層滲透率，mdΦ?變化后的儲層孔隙度 k0?初始儲層滲透率，mdΦ0?初始孔隙度 kβ?礦物反應(yīng)β的反應(yīng)速率常數(shù)，mol×m-2×s-1ρw?地層水摩爾密度，mol×m-3 k0β?參考溫度T0下的速率常數(shù)，本文取25，℃ρβ?礦物β的摩爾密度，mol×m-3 Nβ0?初始時(shí)刻礦物β的摩爾濃度，mol×m-3ρsalts?析出鹽的摩爾密度，mol×m-3 Nβ?當(dāng)前時(shí)刻礦物β的摩爾濃度，mol×m-3上標(biāo) naq?水相反應(yīng)α中參與反應(yīng)的離子個(gè)數(shù)n?關(guān)系指數(shù)，本文取4 P?當(dāng)前儲層壓力，Pa下標(biāo) P*?參考壓力，Paα?水相反應(yīng) Qα?水相反應(yīng)α的離子活度積β?礦物反應(yīng) Qβ?礦物反應(yīng)β的離子活度積

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Effects of Rock-Fluid Interaction and Water Back Flow on Heat Mining Efficiency of Geothermal Development via Carbon DioxideInjection

CUI Guo-dong, REN Shao-ran, ZHANG Liang, ZHUANG Yuan, WANG Yan-yong, GONG Zhi-wu, SU Shuai-jie

(Department of Reservoir Engineering, School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

Complicated fluid flow characteristics and rock-CO2interaction can cause geothermal reservoir damage and reduce CO2heat mining rate during geothermal exploitation via supercritical CO2(SCCO2) injection. Based on thermodynamics and geochemistry principles, an integrated numerical model for heat mining via SCCO2injection was established, and different processes including formation water evaporation, CO2geochemical reaction with formation water and rocks, salt precipitation and dissolution, and the variation of formation porosity and permeability were considered and simulated. The model can be used to analyze the effects of CO2flow and fluid-rock interaction on CO2heat mining rate. The simulation results show that high formation temperature and continuous injection of SCCO2can facilitate formation water evaporation and cause a reversed water saturation gradient, which lead to back flow of formation water toward the injection well when the capillary pressure is greater than the differential displacement pressure. The back flow of formation water can accelerate salt precipitation and geochemical reactions，which can reduce SCCO2flow rate by ~40% and greatly decrease heat mining rate. Sensitivity analysis shows that the salinity of formation water is the most significant factor on salt precipitation and heat mining rate, while temperature, pressure, porosity, permeability and injection-production pressure difference also have certain effects. Water injection with low salinity before SCCO2injection can diminish the damage caused by salt precipitation and increase heat mining rate.

supercritical carbon dioxide; back flow of formation water; geochemical reaction; geothermal exploitation ; water evaporation and salt precipitation; heat mining rate

1003-9015(2016)05-1043-10

TK52

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2016.05.009

2016-01-25；

2016-05-16。

國家自然科學(xué)基金(51674282)；山東省自然科學(xué)青年基金(ZR2013EEQ032)；青島市科技計(jì)劃項(xiàng)目產(chǎn)學(xué)研合作引導(dǎo)計(jì)劃(13-1-4-254-jch)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(15CX05036A)。

崔國棟(1990-)，男，河北滄州人，中國石油大學(xué)(華東)博士生。通訊聯(lián)系人：張亮，E-mail：zhlupc@upc.edu.cn