聶向榮 黃春霞 江紹靜 余華貴 王維波 湯瑞佳

(1. 西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院， 西安 710065； 2. 陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院， 西安 710075)

油藏封存CO2微逃逸機(jī)理研究

聶向榮1黃春霞2江紹靜2余華貴2王維波2湯瑞佳2

(1. 西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院， 西安 710065； 2. 陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院， 西安 710075)

明確地質(zhì)封存后的CO2逃逸機(jī)理，是CCUS工程成功應(yīng)用的關(guān)鍵。通過(guò)理論分析，提出油藏封存后的CO2微逃逸新概念；明確了擴(kuò)散逃逸、微泡逃逸和滲流逃逸等逃逸方式，并給出了其力學(xué)控制方程。

油藏； CO2封存； 逃逸； 擴(kuò)散； 微泡； 滲流

CO2充注油藏時(shí)，會(huì)在垂向上和平面上運(yùn)移。通常認(rèn)為，平面運(yùn)移不會(huì)導(dǎo)致CO2泄漏，當(dāng)CO2垂向運(yùn)移到達(dá)地表時(shí)，會(huì)在一定程度上導(dǎo)致CO2封存失效。明確CO2在油藏封存體中的垂向逃逸機(jī)理，是有效預(yù)防CO2逃逸的前提。目前關(guān)于CO2逃逸問題的基本理論構(gòu)架還未建立，僅有少數(shù)學(xué)者作了初步探索。本次研究將針對(duì)油藏封存體中的CO2微逃逸機(jī)理進(jìn)行分析。

1 CO2微逃逸新概念

CO2封存的目的是使CO2能長(zhǎng)久安全地埋存于地下，然而在工程實(shí)施中不可避免地存在CO2逃逸問題。造成逃逸的原因可能是封存體自身物性存在問題，也有可能是施工過(guò)程存在問題。CO2逃逸不但會(huì)削弱封存效果，而且也會(huì)對(duì)封存體周圍的生態(tài)環(huán)境造成危害，因此明確逃逸路徑十分重要。

2006年IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)溫室氣體清單指南總結(jié)出4類CO2地質(zhì)封存的潛在逃逸方式：通過(guò)蓋層孔隙系統(tǒng)逃逸；通過(guò)蓋層中斷層和裂縫通道逃逸；通過(guò)廢棄井或者灌注井逃逸；通過(guò)周圍巖層的水文動(dòng)力系統(tǒng)逃逸[7]。張森琦等人在此基礎(chǔ)上提出了3類逃逸路徑：人為逃逸路徑(CO2灌注井、監(jiān)測(cè)井和場(chǎng)地原有廢棄井)；地質(zhì)構(gòu)造逃逸路徑(斷裂構(gòu)造逃逸路徑、蓋層擴(kuò)散裂隙構(gòu)造逃逸路徑、構(gòu)造成因地裂縫路徑、地震成因的CO2逃逸路徑)；跨越水力圈閉逃逸[8]。對(duì)于已經(jīng)開展CO2封存的封存體或即將投入施工的封存體，在工程論證階段就已經(jīng)舍棄了存在大量CO2快速逃逸路徑的封存體。

相對(duì)而言，選作CO2封存場(chǎng)所的油藏，其開發(fā)中的地震、測(cè)井、動(dòng)態(tài)等資料較豐富。根據(jù)巖性、地質(zhì)構(gòu)造、沉積微相等方面的研究和評(píng)價(jià)，一般選作封存體的油藏不存在斷裂帶，蓋層也不存在廣泛發(fā)育的裂縫。油氣藏能夠經(jīng)歷漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代而保存良好，說(shuō)明封存體所在區(qū)域不存在活躍的強(qiáng)烈地震。相對(duì)于整個(gè)封存體地表而言，注入井、監(jiān)測(cè)井和采油井導(dǎo)致的CO2泄漏，視為點(diǎn)泄漏。點(diǎn)泄漏的泄漏速度快，易監(jiān)測(cè)，易治理。

此次新定義的CO2微逃逸新概念區(qū)別于上述幾種CO2逃逸方式。通常CO2微逃逸具有2類特點(diǎn)：第一，CO2微逃逸在整個(gè)封存體廣泛發(fā)生，微逃逸CO2是形成整個(gè)封存體地表及大氣CO2濃度背景值的主要原因；第二，CO2微逃逸速率小，在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)形成大量CO2泄漏。具有這2方面特點(diǎn)的油藏封存CO2逃逸，稱為CO2垂向微逃逸。根據(jù)此CO2垂向微逃逸概念，又提出3種CO2垂向微逃逸機(jī)理，分別是擴(kuò)散逃逸、微泡逃逸、滲流逃逸[9-10]。

CO2垂向微逃逸新概念的提出，將這類逃逸行為從多種多樣的逃逸路徑中分離出來(lái)，更便于界定和研究。

2 幾種CO2微逃逸機(jī)理分析

2.1 擴(kuò)散逃逸

擴(kuò)散逃逸指的是CO2分子在濃度差作用下呈分子狀態(tài)進(jìn)行物質(zhì)傳遞，CO2分子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)遷移，直至濃度達(dá)到平衡。CO2充注油藏之后，會(huì)向四周擴(kuò)散，在封存體內(nèi)部，能夠形成有效逃逸途徑的只有垂向擴(kuò)散[11]。CO2在油藏封存體中通過(guò)擴(kuò)散行為越過(guò)蓋層逃逸，其細(xì)觀機(jī)理可描述如下：通常蓋層飽和了地層水，CO2發(fā)生擴(kuò)散前先溶解于地層水中，和蓋層底部接觸的地層水中CO2分子向蓋層內(nèi)部開始擴(kuò)散，直至到達(dá)封存體地表。

為了使計(jì)算更加簡(jiǎn)便，采用穩(wěn)態(tài)Fick擴(kuò)散第一定律描述擴(kuò)散逃逸控制方程：

(1)

式中：Q—— CO2擴(kuò)散體積，m3；

t—— CO2擴(kuò)散時(shí)間，s；

D—— CO2有效擴(kuò)散系數(shù)，m2s；

C—— CO2濃度，m3m3；

x—— 垂向距離，m。

針對(duì)不同的地質(zhì)封存體，選取符合實(shí)際情況的參數(shù)值。如圖1所示，建立CO2垂向擴(kuò)散逃逸數(shù)學(xué)計(jì)算模型時(shí)，通常有2種建模思路：(1)將蓋層底部至地表整個(gè)垂向巖體的厚度作為擴(kuò)散遷移路徑，并且認(rèn)為遷移至地表的CO2瞬間因大氣流動(dòng)被帶走，地表CO2濃度C2近似為零；(2)將蓋層底部至蓋層頂部的厚度視為擴(kuò)散遷移距離，只考慮CO2在蓋層中的擴(kuò)散，認(rèn)為只要CO2通過(guò)蓋層，遲早會(huì)逃逸到地表，因而蓋層頂部CO2濃度C2不為零。計(jì)算實(shí)際油藏封存體的擴(kuò)散逃逸量時(shí)，應(yīng)選擇不同的建模思路。

CO2充注油藏進(jìn)行地質(zhì)封存，擴(kuò)散逃逸的現(xiàn)象無(wú)法避免。當(dāng)充注大量CO2后，封存體逃逸面積擴(kuò)大。漫長(zhǎng)地質(zhì)年代中的累計(jì)擴(kuò)散逃逸量是否對(duì)封存效果產(chǎn)生較大影響，需要針對(duì)不同封存體特征參數(shù)進(jìn)行建模計(jì)算。

圖1 CO2擴(kuò)散逃逸示意圖

2.2 微泡逃逸

微泡逃逸指的是，CO2微泡和油水相比密度較小，總是垂向向上浮游，直至油藏封存體地表。CO2微泡的形成是由于油水溶解CO2量有限，當(dāng)超過(guò)溶解度界限之后，多余的CO2就以微泡形式存在。微泡的幾何尺寸一般為膠體粒徑(1～100 nm)，又稱之為膠體微泡。

微泡逃逸的力學(xué)機(jī)制為浮力，微泡逃逸控制方程可表示為：

F=V(ρw-ρc)g

(2)

式中：F—— 浮力，N；

V—— 微泡體積，m3；

ρw—— 封存體中流體密度，kgm3；

ρc—— 封存體中CO2微泡密度，kgm3；

g—— 重力加速度，Nkg。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將CO2微泡在垂向上的遷移視為勻速上升，其臨界斯托克速率為：

(3)

式中：u—— 微泡上升速率，ms；

a—— CO2微泡半徑，m；μ—— 微泡通過(guò)流體(水)時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度，m2s。

一般而言，蓋層孔喉半徑較小，CO2微泡不易在孔隙內(nèi)以微泡的形式逃逸，大多情況下是通過(guò)蓋層中發(fā)育的一些微裂隙逃逸。在評(píng)價(jià)微泡逃逸量時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)研究蓋層中的微裂隙發(fā)育情況和CO2微泡在不同條件下的幾何尺寸。

2.3 滲流逃逸

滲流逃逸指的是由壓力差造成的CO2以游離相或者水溶相克服蓋層毛管壓力后，通過(guò)孔隙和微裂隙等通道逃逸的方式。

滲流逃逸發(fā)生的力學(xué)條件是，CO2壓力pCO2與蓋層底部靜水壓力pw之差超過(guò)了CO2與水之間的毛管壓力，這個(gè)臨界值就是CO2的突破壓。如圖2所示[12]，突破壓與蓋層中水和CO2之間的毛管壓力接近。突破壓可表示為：

pc=pCO2-pw=2σcosθr

(4)

式中：σ—— CO2和地層水之間的界面張力，Nm；

θ—— CO2— 水—巖石的接觸角，(°)；

r—— 蓋層巖石內(nèi)部最大連通孔隙的孔喉半徑，m。

圖2 蓋層孔喉內(nèi)部毛管密封機(jī)制示意圖

當(dāng)發(fā)生滲流逃逸時(shí)，其逃逸行為的控制方程用達(dá)西定律表征：

(5)

式中：v—— 滲流速度，ms；

K—— 蓋層滲透率，m2；

dpdx—— 垂向壓力梯度，MPam；

μ—— 流體黏度，MPa·s。

蓋層一般為滲透率極小的泥頁(yè)巖，即便是發(fā)生了滲流逃逸，逃逸速率也極??；但是相比擴(kuò)散逃逸而言，滲流逃逸量仍很大。滲流逃逸一旦發(fā)生，就表明蓋層封閉性嚴(yán)重失效，極可能對(duì)封存體的封閉性造成嚴(yán)重影響。

3 CO2微逃逸研究展望

CO2微逃逸是油藏封存CO2安全性評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。目前針對(duì)該問題的研究還較薄弱。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)及在延長(zhǎng)石油靖邊油田CCUS項(xiàng)目的工作實(shí)踐，在此對(duì)CO2微逃逸機(jī)理室內(nèi)試驗(yàn)方向的研究趨勢(shì)進(jìn)行分析。

(1) 復(fù)雜相態(tài)下CO2溶解度和擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量。CO2通常以超臨界態(tài)封存在地層中，但是CO2在垂向逃逸時(shí)，隨著溫度和壓力的變化，CO2相態(tài)在超臨界態(tài) — 液態(tài) — 氣態(tài)之間轉(zhuǎn)變。目前，大多數(shù)CO2溶解度和擴(kuò)散系數(shù)都是在非超臨界狀態(tài)下測(cè)試的，少數(shù)學(xué)者探索了CO2在超臨界狀態(tài)的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)試[13-14]。但是不同相態(tài)轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn)附近的CO2溶解度和擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量的理論基礎(chǔ)及試驗(yàn)方法仍然沒有得到完善。

(2) 蓋層巖石CO2突破壓力測(cè)量。蓋層巖石CO2突破壓力受到CO2— 水 — 巖石的表面張力、接觸角和巖石內(nèi)部最大連通孔隙半徑等影響。但是，CO2— 水 — 巖石之間的物理化學(xué)反應(yīng)機(jī)制十分復(fù)雜。學(xué)者們初步探索了溫度、壓力、應(yīng)力條件、含鹽度、巖石物性及CO2— 水 — 巖石相互作用等條件對(duì)突破壓力的影響，然而僅得到了部分定量認(rèn)識(shí)，未建立可準(zhǔn)確表征不同因素對(duì)突破壓力影響的數(shù)學(xué)模型[12，15]。今后仍需開展能夠反映長(zhǎng)時(shí)間封存CO2后蓋層突破壓力演化規(guī)律的試驗(yàn)研究，為準(zhǔn)確描述蓋層封閉能力提供基礎(chǔ)參數(shù)。

(3) 充注CO2后儲(chǔ)蓋層物性的影響規(guī)律研究。CO2充注封存體之后，會(huì)和儲(chǔ)蓋層巖石發(fā)生溶解和礦化地球化學(xué)反應(yīng)，對(duì)儲(chǔ)蓋層的物性造成影響。儲(chǔ)蓋層的礦物組成、地層水化學(xué)成分和溫度壓力系統(tǒng)共同決定了溶解和礦化反應(yīng)的結(jié)果。但一般情況下，巖石礦物的溶解過(guò)程需要較長(zhǎng)時(shí)間，而礦化過(guò)程則需要數(shù)十年甚至數(shù)百年的時(shí)間，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)很難對(duì)其進(jìn)行完全模擬。目前，一般采用溫度補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)加快溶解和礦化反應(yīng)進(jìn)程，采用遠(yuǎn)高于實(shí)際封存條件下的溫度場(chǎng)來(lái)模擬CO2充注后和巖石之間的地球化學(xué)反應(yīng)[16-17]。試驗(yàn)難度在于，如何測(cè)定不同礦物反應(yīng)速率及準(zhǔn)確描述礦化反應(yīng)之間的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制。

(4) 大型模擬油藏封存CO2后的微逃逸試驗(yàn)裝置研制。利用試驗(yàn)裝置模擬油藏封存CO2逃逸行為，是研究CO2逃逸機(jī)理的直觀方法。程同錦等人利用水泥與石英砂加水固結(jié)體制作了模擬天然氣微滲漏過(guò)程的大型試驗(yàn)裝置[18]，但是模擬過(guò)程沒有考慮到真實(shí)的地層情況。目前，國(guó)內(nèi)外還未見能夠直接模擬CO2油藏封存的大型試驗(yàn)裝置及相關(guān)研究成果。

4 結(jié) 語(yǔ)

本次研究提出了CO2微逃逸新概念。CO2微逃逸具有廣泛發(fā)生和逃逸速率小的特點(diǎn)，需要重點(diǎn)關(guān)注與研究其逃逸途徑。明確了3種微逃逸的方式 —— 擴(kuò)散逃逸、微泡逃逸和滲流逃逸，并給出了每種逃逸方式的控制方程，為CO2逃逸行為的進(jìn)一步研究提供了理論基礎(chǔ)。從CO2溶解度和擴(kuò)散系數(shù)、突破壓力、CO2— 水 — 巖石反應(yīng)和大型CO2油藏封存試驗(yàn)設(shè)備研制等方面，給出了今后在CO2微逃逸方向的研究趨勢(shì)。

[1] 孫亮，陳文穎.中國(guó)陸上油藏CO2封存潛力評(píng)估[J].中國(guó)人口·資源與環(huán)境，2012，22(6):76-81.

[2] 李波.應(yīng)對(duì)氣候變化的有效途徑:二氧化碳捕集與封存[J].中國(guó)人口·資源與環(huán)境，2011，21(3):517-520.

[3] EASTERLING W E，KATES R W.Indexes of leading climate indicators for impact assessment[J].Climatic Change，1995，31(234):623-648.

[4] 王歡，廖新維，趙曉亮.特低滲透油藏注CO2驅(qū)參數(shù)優(yōu)化研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，36(6):95-104.

[5] 汪傳勝，田蓉，季峻峰，等.蘇北盆地油田封存二氧化碳潛力初探[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào)，2012，18(2):225-231.

[6] 任韶然，李德祥，張亮，等.地質(zhì)封存過(guò)程中CO2泄漏途徑及風(fēng)險(xiǎn)分析[J].石油學(xué)報(bào)，2014，35(3):591-601.

[7] IPCC.2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories[G].Tokyo: IGES，2006.

[8] 張森琦，刁玉杰，程旭學(xué)，等.二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存逃逸通道及環(huán)境監(jiān)測(cè)研究[J].冰川凍土，2010，32(6):1251-1261.

[9] 湯玉平，王國(guó)建，程同錦.烴類垂向微滲漏理論研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].物探與化探，2008，32(5):465-469.

[10] 楊俊.油氣微滲漏方式定量判別思考[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2011，33(3):317-322.

[11] 黃志龍，趙寶順，肖中堯，等.蓋層微滲漏散失機(jī)理與定量模型[J].天然氣地球科學(xué)，2007，18(1):37-40.

[12] 高帥，魏寧，李小春.蓋巖CO2突破壓測(cè)試方法綜述[J].巖土力學(xué)，2015，36(9):2716-2727.

[13] 趙仁保，敖文君，肖愛國(guó)，等.CO2在原油中的擴(kuò)散規(guī)律及變擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算方法[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，40(3):136-142.

[14] 張超，李兆敏，王舒華，等.超臨界CO2在飽和水多孔介質(zhì)中擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2014(4):733-743.

[15] SHUKLA R，RANJITH P，HAQUE A，et al.A review of studies on CO2，sequestration and caprock integrity[J].Fuel，2010，89(10):2651-2664.

[16] 李曉媛，常春，于青春.CO2礦化封存條件下玄武巖溶解反應(yīng)速率模型[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2013(6):1477-1483.

[17] PHAM V T H，LU P，AAGAARD P，et al.On the potential of CO2-water-rock interactions for CO2，storage using a modified kinetic model[J].International Journal of Greenhouse Gas Control，2011，5(4):1002-1015.

[18] 程同錦，王國(guó)建，范明，等.油氣藏?zé)N類垂向微滲漏的實(shí)驗(yàn)?zāi)M[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2009，31(5):522-527.

Study on CO2Microleakage Mechanism After Reservoir Storage

NIEXiangrong1HUANGChunxia2JIANGShaojing2YUHuagui2WANGWeibo2TANGRuijia2

(1.College of Petroleum Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China; 2.Research Institute of ShannxiYanchang Petroleum (Group) Co., Ltd., Xi′an 710075, China)

The mechanism study of CO2leakage after reservoir storage is critical to the success of CCUS project. Through theory analysis, a new concept named CO2microleakage after reservoir storage is presented. Three microleakage ways, such as diffusion leakage, microvesicle leakage and seepage leakage were defined and the mechanics control equations were also presented.

reservoir; CO2storage; leakage; diffusion; microvesicle; seepage

2017-02-23

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“陜北煤化工CO2捕集、埋存與提高采收率技術(shù)示范”(2012BAC26B00)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目“陜北致密砂巖油藏 CO2驅(qū)提高采收率關(guān)鍵技術(shù)研究及先導(dǎo)試驗(yàn)”(2014KTZB03-02)

聶向榮(1986 — )，男，博士，工程師，研究方向?yàn)橛蜌馓镩_發(fā)理論與方法。

P618

A

1673-1980(2017)04-0005-04