張明玉,王 媛,任 杰

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.水文水資源與水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

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深部互層咸水層二氧化碳分布特征探究

張明玉1，2,王 媛1，2,任 杰1，2

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.水文水資源與水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

通過(guò)構(gòu)造砂頁(yè)巖互層結(jié)構(gòu),并根據(jù)滲透率對(duì)砂巖層巖性進(jìn)行分類,建立了多巖相非均質(zhì)模型,利用多組分多相流數(shù)值模擬軟件TOUGH2/ECO2N探究二氧化碳注入深部互層咸水層后的分布特征,結(jié)果顯示二氧化碳聚集在低滲透性的頁(yè)巖層底部,呈分層結(jié)構(gòu),砂巖層中優(yōu)先在滲透率較高的巖相中運(yùn)移并呈分散分布;超臨界二氧化碳不斷溶于地層水,含飽和二氧化碳的咸水密度增加并緩慢下沉,無(wú)明顯分層現(xiàn)象。

深部咸水層；互層結(jié)構(gòu)；多巖相；二氧化碳;地質(zhì)封存;分布特征

溫室氣體以二氧化碳為主,因而二氧化碳減排成為全球一個(gè)的研究熱點(diǎn)。二氧化碳地質(zhì)封存被認(rèn)為是當(dāng)前減排的優(yōu)選方案之一。碳捕集與埋存技術(shù)(carbon capture and storage,CCS)捕集工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳并壓縮至超臨界狀態(tài),通過(guò)管道運(yùn)輸?shù)椒獯鎴?chǎng)地,使其長(zhǎng)期安全地存儲(chǔ)于特定的地質(zhì)構(gòu)造中[1],主要的封存場(chǎng)地有廢棄的油氣田、枯竭的煤層及深部咸水層[2]。深部咸水層廣泛存在,且規(guī)模較大,被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的封存場(chǎng)地[3]。

國(guó)際上,二氧化碳深部咸水層地質(zhì)封存技術(shù)研究始于20世紀(jì)90年代初期,主要研究方向有二氧化碳封存量估算、封存機(jī)理、二氧化碳-咸水-巖石的多相物理化學(xué)過(guò)程等,其中對(duì)二氧化碳在均質(zhì)咸水層中運(yùn)移規(guī)律的研究較為深入,在室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)、計(jì)算機(jī)模擬等方面均取得了重大進(jìn)展[4-5]。實(shí)際巖體形成過(guò)程中受到沉積環(huán)境、成巖作用及構(gòu)造作用等的影響[6],在自然條件下深部咸水層空間分布一般呈分層結(jié)構(gòu),巖性參數(shù)存在不均勻的變化,表現(xiàn)出強(qiáng)烈非均質(zhì)性。目前對(duì)二氧化碳運(yùn)移規(guī)律的研究成果主要基于均質(zhì)咸水層,其模擬結(jié)果與實(shí)際非均質(zhì)影響下的二氧化碳的分布必然會(huì)出現(xiàn)偏差,因此部分學(xué)者開(kāi)展了非均質(zhì)性影響的研究,如Flett等[7]應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)地球物理方法生成孔隙率的隨機(jī)分布,基于該分布通過(guò)確定性模型得到滲透率分布,并對(duì)不同砂泥比的模擬結(jié)果進(jìn)行比較,探討非均質(zhì)性對(duì)二氧化碳封存和運(yùn)移的影響;Han等[8]分別采用兩種統(tǒng)計(jì)方法生成50種滲透率隨機(jī)分布,研究了二氧化碳注入后的分布及泄漏通道等。除通過(guò)數(shù)值模擬手段表征巖體的非均質(zhì)性,并研究二氧化碳的運(yùn)移規(guī)律外,還可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地震波成像技術(shù),室內(nèi)X光成像技術(shù)等監(jiān)測(cè)到直觀的二氧化碳分布特征,如Pini等[9]提出了一種新的毛細(xì)壓力曲線測(cè)量方法,通過(guò)試驗(yàn)方法結(jié)合X光成像技術(shù)獲得巖芯滲透率隨孔隙率的變化規(guī)律,指出非均質(zhì)性在多相流流動(dòng)過(guò)程中起到重要作用; Oh等[10]切開(kāi)巖芯表征裂縫,分別用試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究二氧化碳運(yùn)移、毛細(xì)壓力及封存量,采用X光成像技術(shù)觀測(cè)二氧化碳注入過(guò)程中的鹽沉淀。

中國(guó)大多數(shù)盆地是陸相沉積盆地,眾多的儲(chǔ)層和薄的隔層相互間隔,儲(chǔ)層薄而多,非均質(zhì)性強(qiáng)。因此,研究非均質(zhì)性的影響,對(duì)于二氧化碳地質(zhì)封存在中國(guó)的開(kāi)展具有重要意義。描述非均質(zhì)地層、考慮非均質(zhì)性對(duì)二氧化碳分布等的影響是重要的研究方向。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料較少,所測(cè)水文地質(zhì)參數(shù)在水平方向近似不變,但隨埋深方向有一定的變化時(shí),可將咸水含水層視為分層結(jié)構(gòu)。較為典型的分層結(jié)構(gòu)為砂巖-頁(yè)巖互層結(jié)構(gòu),包含兩類巖性,一類為滲透率較高的砂巖,另一類為滲透率較低的頁(yè)巖。本文根據(jù)水文地質(zhì)參數(shù)對(duì)砂巖層的巖性進(jìn)行分類,具有相同水文地質(zhì)特征的巖體歸為同一類巖相,建立砂頁(yè)巖互層嵌套多巖相非均質(zhì)結(jié)構(gòu)模型,探究二氧化碳注入互層非均質(zhì)咸水層后的分布特征,并與均質(zhì)結(jié)構(gòu)及未考慮非均質(zhì)性的深部互層結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比,探究考慮非均質(zhì)性的必要性及非均質(zhì)性對(duì)二氧化碳分布的具體影響。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 質(zhì)量守恒定律

深部咸水層二氧化碳地質(zhì)封存應(yīng)具備一定的地質(zhì)、溫度、壓力條件:深部咸水層的埋深大于800 m,具有足夠的孔隙度,滲透性較好[11],目標(biāo)儲(chǔ)層之上有良好的蓋層,以保證注入的二氧化碳不發(fā)生泄漏。當(dāng)?shù)貙由疃却笥?00 m時(shí),咸水層的壓力和溫度超過(guò)臨界值(7.38 MPa,31.1℃),二氧化碳達(dá)到超臨界狀態(tài)。

深部咸水層中超臨界二氧化碳以單一的非潤(rùn)濕形式存在,與咸水層中的鹽溶液組成一個(gè)多組分多相流系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中,各組分的流動(dòng)滿足質(zhì)量守恒定律。該系統(tǒng)不考慮溫度變化,其質(zhì)量守恒方程由質(zhì)量變化項(xiàng)、流動(dòng)項(xiàng)及源匯項(xiàng)組成。體積中的流體質(zhì)量變化等于由體表流入的流體質(zhì)量與源匯項(xiàng)流體質(zhì)量之和[12]:

(1)

式中:Mκ為κ組分的體積質(zhì)量,kg/m3;Mκ，β為κ組分β相態(tài)的體積質(zhì)量,kg/m3;Mβ為β相態(tài)的體積質(zhì)量,kg/m3;Xκ，β為κ組分β相態(tài)的質(zhì)量分?jǐn)?shù);φ為巖層孔隙率;Sβ為β相態(tài)的飽和度;ρβ為β相態(tài)的密度,kg/m3;Fκ為κ組分的質(zhì)量流速矢量,kg/(s·m2);Fβ為β相態(tài)的質(zhì)量流速矢量,kg/(s·m2);k為絕對(duì)滲透率,m2;krβ為β相態(tài)的相對(duì)滲透率;μβ為β相態(tài)的動(dòng)力黏滯系數(shù),Pa/s;pβ為β相態(tài)的壓力,Pa;g為重力加速度矢量,m/s2;n為微元體表面的方向向量;qκ為κ組分流出或流入微元體的體積質(zhì)量,kg/m3。

1.2 達(dá)西定律

二氧化碳驅(qū)替咸水的過(guò)程中,認(rèn)為儲(chǔ)層中的氣水兩相流動(dòng)均服從多相達(dá)西定律[12]:

(2)

式中:uβ為β相態(tài)的體積流速矢量,m/s;p為參考?jí)毫?Pa,通常當(dāng)β相態(tài)為液相時(shí),p為氣體壓力;pcβ為毛細(xì)壓力,Pa。

krβ的計(jì)算中,液體相對(duì)滲透率krl的計(jì)算采用van Genuchten-Mualem模型[13-14],氣體相對(duì)滲透率krg的計(jì)算方程采用Corey模型[13]:

(3)

(4)

式中:m為經(jīng)驗(yàn)參數(shù),與孔隙分布有關(guān);Sl為液體飽和度;Slr為殘余液體飽和度;Sls為液體飽和狀態(tài)下的飽和度,對(duì)于相對(duì)滲透率方程,通常Sls=1;Sgr為殘余氣體飽和度。

毛細(xì)壓力pcβ通常考慮的毛細(xì)壓力為液態(tài)毛細(xì)壓力pcl,液態(tài)毛細(xì)壓力的計(jì)算廣泛采用VG模型[13]:

(5)

式中:p0為進(jìn)氣壓力值,Pa;Sls為液體飽和狀態(tài)下的飽和度,對(duì)于毛細(xì)壓力方程,取Sls=0.999;pmax為最大毛細(xì)壓力值,Pa。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬軟件

采用美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)研發(fā)的模擬多孔介質(zhì)或裂隙介質(zhì)中多組分、多相流動(dòng)的數(shù)值模擬程序TOUGH2(Transport of Unsaturated Groundwater and Heat)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。TOUGH2應(yīng)用范圍廣泛,在地?zé)峁こ?、核廢料處置及飽和-非飽和帶水文學(xué)等研究領(lǐng)域均有成功的應(yīng)用范例[16]。

ECO2N是TOUGH2中的一個(gè)流體特征模塊,專門為二氧化碳在咸水含水層中的地質(zhì)封存的數(shù)值模擬應(yīng)用而開(kāi)發(fā),能對(duì)H2O-NaCl-CO2體系的多相流體流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行綜合分析[17]。模塊中熱力學(xué)特征包括溫度、壓力和鹽度,覆蓋溫度范圍10～100℃，最高壓力60 MPa，最高鹽度為巖鹽的飽和鹽度。ECO2N能夠模擬簡(jiǎn)化的流體相狀態(tài):單相氣相(可能含少量水分的超臨界二氧化碳)、單相水相(可能包含溶解的CO2的鹽溶液)及兩相混合。在模擬過(guò)程中可能出現(xiàn)固相,即鹽沉淀,鹽的溶解或沉淀由系統(tǒng)的平衡溶解度控制,咸水層的孔隙度和滲透率的變化也被考慮在內(nèi)[18]。ECO2N沒(méi)有考慮流體與礦物的相互作用對(duì)模擬的影響。

表1 多巖相非均質(zhì)結(jié)構(gòu)模型參數(shù)

2.2 模型建立

為研究二氧化碳在互層非均質(zhì)結(jié)構(gòu)中的運(yùn)移規(guī)律,建立了二維互層結(jié)構(gòu)模型,水平方向的模擬總長(zhǎng)度為2 km,埋深1.1 km的咸水層。咸水層呈砂巖-頁(yè)巖的互層結(jié)構(gòu),巖層層面水平,近下邊界的砂巖層厚度為54 m,其余砂巖層均為30 m,頁(yè)巖層厚度3 m,咸水層總厚度為153 m。封閉咸水層上下邊界為隔水邊界;左邊界除注入井外其他位置為隔水邊界,注入井距離下邊界24 m,以水平井方式注入二氧化碳,注入速率為0.25 kg/s;右邊界為第一類邊界,壓力不變。初始條件:p=11 MPa,T=37℃,Sgas=0,XNaCl=3.2%，模型中砂巖、頁(yè)巖的分布如圖1所示。

圖1 互層結(jié)構(gòu)

根據(jù)水文地質(zhì)參數(shù)對(duì)砂巖層的巖性進(jìn)行分類,具有相同水文地質(zhì)特征的巖體歸為同一類巖相,建立多巖相非均質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。砂巖層根據(jù)滲透率的大小分為4組,較大的前30%的滲透率稱為巖相1,其次40%的滲透率對(duì)應(yīng)的砂巖層稱為巖相2,再其次20%的滲透率對(duì)應(yīng)的砂巖層稱為巖相3,最小的10%的滲透率稱為巖相4。模型參數(shù)見(jiàn)表1。

砂巖層根據(jù)滲透率特征分為4類巖相的非均質(zhì)結(jié)構(gòu),薄頁(yè)巖層為均質(zhì)結(jié)構(gòu),模型中各巖相的分布如圖2所示。

圖2 嵌套多巖相結(jié)構(gòu)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

采用TOUGH2程序中ECO2N模塊對(duì)咸水層中二氧化碳的分布特征進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬時(shí)間為1 a。分別繪制了互層嵌套多巖相非均質(zhì)結(jié)構(gòu)、互層結(jié)構(gòu)、均質(zhì)結(jié)構(gòu)中水平井注入二氧化碳1 a后的氣體飽和度分布云圖、咸水中溶解二氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖,以及互層嵌套多巖相非均質(zhì)結(jié)構(gòu)、均質(zhì)結(jié)構(gòu)、互層結(jié)構(gòu)注入二氧化碳100 d、1 a后氣體壓力等值線圖。

3.1 氣體飽和度

圖3為互層嵌套多巖相非均質(zhì)地層中二氧化碳注入1 a后的氣體飽和度分布,氣體是含少量水分的超臨界二氧化碳非潤(rùn)濕相,因此氣體飽和度的分布云圖可視為超臨界二氧化碳的分布云圖。模擬地溫地壓條件下,二氧化碳處于超臨界狀態(tài),其密度小于咸水密度,二氧化碳注入咸水層后,受浮力作用逐漸上移,上移至滲透率較低的頁(yè)巖層時(shí),大部分二氧化碳聚集在頁(yè)巖層底部,一部分滲透過(guò)頁(yè)巖繼續(xù)上移聚集到上部的頁(yè)巖層底部,整體呈分層漏斗形態(tài)分布。層間的二氧化碳由于壓力及濃度差的作用驅(qū)使向外擴(kuò)散,而由于砂巖層的非均質(zhì)性,二氧化碳在運(yùn)移的過(guò)程中,優(yōu)先選擇流向滲透率較高的巖體,繞開(kāi)滲透率低的巖體,在砂巖層間呈分散分布。

圖3 互層嵌套多巖相非均質(zhì)結(jié)構(gòu)中注入 二氧化碳1 a后的氣體飽和度分布

圖4(a)為均質(zhì)結(jié)構(gòu)水平井注入二氧化碳1 a后的氣體飽和度分布。超臨界態(tài)二氧化碳聚集在頂部,呈漏斗形態(tài)分布。由于注入井不斷有二氧化碳注入,使其附近的氣體飽和度較高。圖4(b)為互層結(jié)構(gòu)注入二氧化碳1 a后氣體飽和度分布,二氧化碳呈分層分布。由于互層結(jié)構(gòu)各層均質(zhì),每一砂巖層氣體飽和度的分布呈漏斗形態(tài)分布,二氧化碳聚集在各頁(yè)巖層底部。

圖4 注入二氧化碳1 a后的氣體飽和度分布

對(duì)比圖3與圖4(a),互層嵌套多巖相結(jié)構(gòu)最為接近真實(shí)水文地質(zhì)條件,由于地層的非均質(zhì)性,二氧化碳注入之后優(yōu)先在滲透率較高的巖體中聚集,氣體飽和度整體呈分層分布,各砂巖層內(nèi)呈分散分布。若把地層條件概化為均質(zhì)結(jié)構(gòu),注入二氧化碳1 a后氣體飽和度分布主要集中在上部蓋層底部,呈漏斗狀,各點(diǎn)的氣體飽和度、各埋深的橫向運(yùn)移范圍與互層嵌套非均質(zhì)結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)值相差較大。對(duì)比圖3及圖4(b),若把地層條件概化為簡(jiǎn)單的互層結(jié)構(gòu),互層結(jié)構(gòu)中注入井所在的最底層砂巖層橫向運(yùn)移范圍最廣,接近右側(cè)邊界,而互層嵌套多巖相非均質(zhì)結(jié)構(gòu)中滲透率較低的巖相阻礙了二氧化碳的橫向運(yùn)移,二氧化碳運(yùn)移到距右側(cè)邊界600 m處?；咏Y(jié)構(gòu)中注入井所在砂巖層的上一層二氧化碳運(yùn)移距離較上兩層遠(yuǎn),而互層嵌套多巖相非均質(zhì)結(jié)構(gòu)中則相反。雖然二氧化碳層層滲透,上兩層的二氧化碳總量小于上一層,但是互層嵌套多巖相非均質(zhì)結(jié)構(gòu)中,二氧化碳在各砂巖層中的滲流通道各異,注入井上兩層近頁(yè)巖層底部滲透率較高,二氧化碳運(yùn)移范圍較廣。對(duì)比圖3、圖4,由于互層結(jié)構(gòu)、互層嵌套多巖相非均質(zhì)結(jié)構(gòu)中的頁(yè)巖層滲透率較低,阻礙了二氧化碳向上的運(yùn)移,因此這兩種結(jié)構(gòu)中二氧化碳主要聚集在下部巖層,而均質(zhì)結(jié)構(gòu)沒(méi)有頁(yè)巖層阻礙,二氧化碳聚集在頂部隔水邊界下方。

3.2 咸水中溶解二氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖5 互層嵌套多巖相非均質(zhì)結(jié)構(gòu)中注入二氧化碳1 a后 咸水中溶解二氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖5顯示了互層嵌套多巖相非均質(zhì)地層中二氧化碳注入1 a后,咸水中溶解二氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布特征。超臨界二氧化碳注入咸水層后,與咸水接觸不斷溶解于咸水。二氧化碳注入咸水層1 a后,溶解的二氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要集中在4.5%～4.9%。注入的二氧化碳溶解到咸水中,咸水密度增加并向下流動(dòng),而未溶解或少量溶解二氧化碳的較輕的咸水向上流動(dòng),形成對(duì)流現(xiàn)象,加快二氧化碳在咸水中的溶解。各巖層中二氧化碳濃度相同,無(wú)明顯分層,呈三角形分布。含飽和二氧化碳的咸水下沉,二氧化碳不可能運(yùn)移到地表,從而實(shí)現(xiàn)了安全封存。

圖6(a)顯示了均質(zhì)結(jié)構(gòu)中注入二氧化碳1 a后咸水中溶解二氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布,其分布輪廓與該模型氣體飽和度分布圖4(a)形似。圖6(b)顯示了互層結(jié)構(gòu)注入二氧化碳1 a后咸水中溶解二氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布,其分布輪廓與該模型氣體飽和度分布圖4(b)形似,這是由于沿著超臨界二氧化碳的運(yùn)移路徑,部分二氧化碳溶解于咸水。溶解態(tài)二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的區(qū)域均呈三角形分布,以相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)封存于地層。

圖6 注入二氧化碳1 a后咸水中 溶解二氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

對(duì)比各模型氣體飽和度分布圖和咸水中溶解的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖(如對(duì)比圖3、圖5),與超臨界二氧化碳相比,液相二氧化碳的橫向運(yùn)移距離較遠(yuǎn)。由于水動(dòng)力彌散、毛細(xì)壓力作用等,加之溶于咸水的二氧化碳隨咸水流動(dòng),且咸水對(duì)超臨界二氧化碳有阻滯作用[19],液相二氧化碳運(yùn)移速率略大于超臨界二氧化碳,故液相二氧化碳橫向運(yùn)移距離大于超臨界二氧化碳。

3.3 氣體壓力

根據(jù)超臨界二氧化碳?xì)怏w的分布,可得到模擬區(qū)域氣體壓力的等值線,圖7(a)(b)分別為互層嵌套多巖相非均質(zhì)結(jié)構(gòu)中注入二氧化碳100 d及1 a后的氣體壓力等值線。注入二氧化碳100 d后注入井附近氣體壓力等值線密集且壓力值較高,這是由于巖層的非均質(zhì)特性導(dǎo)致氣體積聚、傳輸速度較慢。注入二氧化碳1 a后等值線的坡度較緩,這是由于流體的流動(dòng)會(huì)引起壓力傳遞,氣體壓力隨著二氧化碳的緩慢運(yùn)移傳遞到更遠(yuǎn)的地方。

圖7 互層嵌套多巖相非均質(zhì)結(jié)構(gòu)中注入 二氧化碳后的氣體壓力等值線(單位：MPa)

圖8 均質(zhì)結(jié)構(gòu)中注入二氧化碳后的 氣體壓力等值線(單位：MPa)

圖9 互層結(jié)構(gòu)中注入二氧化碳后的 氣體壓力等值線(單位：MPa)

圖8、圖9分別為均質(zhì)結(jié)構(gòu)和互層結(jié)構(gòu)中注入二氧化碳100 d和1 a后的氣體壓力等值線。對(duì)比圖7(b)、圖8(b)、圖9(b),互層結(jié)構(gòu)及互層嵌套多巖相非均質(zhì)結(jié)構(gòu)在靠近注入井的左邊界,壓力等值線呈水平分布,而均質(zhì)結(jié)構(gòu)中不存在此現(xiàn)象。注入井附近,壓力變化大,垂向的壓力傳遞受注入壓力等的影響傳遞速度較快,互層結(jié)構(gòu)及互層嵌套多巖相非均質(zhì)結(jié)構(gòu)中存在相對(duì)致密的頁(yè)巖層,頁(yè)巖層對(duì)壓力的傳遞存在一定的阻礙作用,且二氧化碳積聚在頁(yè)巖層底部,造成了注入井附近頁(yè)巖層底部壓力近似相等的現(xiàn)象。對(duì)比圖7(a)、圖8(a)、圖9(a),注入100 d后,互層嵌套多巖相非均質(zhì)結(jié)構(gòu)中注入井附近壓力最大,均質(zhì)結(jié)構(gòu)注入井附近壓力最小?？紤]非均質(zhì)性,注入二氧化碳造成注入井附近壓力急劇增加,符合場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)注入井處壓力積聚甚至超壓的現(xiàn)象。

4 結(jié) 語(yǔ)

a. 二氧化碳處于超臨界狀態(tài)時(shí),因受到向上的浮力,加上頁(yè)巖具有低滲透性,二氧化碳將聚集在頁(yè)巖底部,整體呈分層分布。由于地層的非均質(zhì)性,二氧化碳注入之后優(yōu)先在滲透率較高的巖體中運(yùn)移,超臨界二氧化碳在各砂巖層內(nèi)分散分布。含飽和二氧化碳的咸水密度增加,隨時(shí)間的推移緩慢下沉,從而實(shí)現(xiàn)二氧化碳安全穩(wěn)定的封存。

b. 均質(zhì)結(jié)構(gòu)中超臨界二氧化碳受浮力作用聚集在咸水層頂部,呈漏斗形態(tài),與互層嵌套多巖相非均質(zhì)結(jié)構(gòu)模型得到的分層分布差異較大,二氧化碳在均質(zhì)咸水層中的分布及運(yùn)移規(guī)律有一定的局限性。簡(jiǎn)單的互層結(jié)構(gòu)中,砂巖層中二氧化碳呈漏斗形分布,與互層嵌套多巖相非均質(zhì)結(jié)構(gòu)模型得到的分散分布差異較大,因此有必要考慮非均質(zhì)性,劃分不同的巖相建立多巖相非均質(zhì)模型。

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Distribution of CO2in deep saline aquifers composed of alternating layers//

ZHANG Mingyu1,2, WANG Yuan1,2, REN Jie1,2

(1.CollegeofCivilandTransportationEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.StateKeyLaboratoryofHydrologyWaterResourceandHydrulicEngineering,Nanjing210098,China)

Alternating layers of sandstone and shale were established. According to the permeability values, the lithology of the sandstone layer was classified, and a multiple lithofacies model was built to investigate the heterogeneity. The distribution of CO2injected into deep saline aquifers composed of alternating layers was simulated using TOUGH2/ECO2N software, which was often used to simulate multi-component and multi-phase flow. The results show that CO2accumulated in the bottom of the low-permeability shale layer and showed a layered structure. CO2preferred to migrate in highly permeable rocks and was distributed dispersedly in the sandstone layer. The supercritical CO2dissolved in the formation water continuously, and the density of the salt water consisting of saturated CO2increased, leading to the gradual subsidence of the salt water. No significant stratification was found.

deep saline aquifer; alternating layer; multiple lithofacies; CO2; geological storage; distribution characteristics

國(guó)家自然科學(xué)基金(51179060)

張明玉(1991—),女,碩士研究生,主要從事二氧化碳地質(zhì)封存研究。E-mail:zmy_911115@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.01.015

TE122

A

1006-7647(2017)01-0084-06

2015-11-26 編輯：鄭孝宇)