CN102348614A - 用于在地质构造中埋存流体的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于水溶性流体的地下埋存的方法，包括目标含水地质构造的选择，所述目标含水地质构造具有低渗透性的上部构造形成的边界，所述方法提供位于构造中的注入井，并在为使流体进入构造并在构造内上升而选择的条件下向该注入井注入流体。这产生了构造水的密度驱动对流，该对流促进水溶性流体与构造水的加强性混合。
Description
技术领域
本发明涉及流体的地质埋存，尤其涉及水溶性气体、例如CO2和其它温室气体在含水地质构造中的埋存。
背景技术
本发明要求申请日为2009年3月11日的美国专利申请61/159,335、以及申请日为2009年4月28日的美国专利申请61/173,301的权益，这两个申请的全部内容都以引用的方式纳入本申请。
人类的活动影响了大气中温室气体的水平，而据信这又反过来影响到全世界的气候。大气中温室气体浓度的变化会改变气候系统的能量平衡，而人为导致的温室气体浓度的增加很可能是引起自二十世纪中叶以来全球平均温度上升的最主要原因。地球上最充足的温室气体包括二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、臭氧和氯氟碳。而其中人类工业活动产生最多的便是二氧化碳。
对于永久性贮存二氧化碳，已设想出种种策略。这些形式包括：将气体埋存在各种深层地质构造中（包括咸水含水层和废气田）、液态贮存于海洋中、以及通过使CO2与金属氧化物发生反应来形成稳定的碳酸盐的方式进行固态贮存。
在称为“地质埋存”（geo-sequestration）的方法中，CO2通常以超临界（SC）形式直接注入地下地质构造中。已提出的作为贮存地点的有：油田、气田、咸水含水层、不可开采煤层和咸水填充的玄武岩构造。设计各种物理的（例如高度防渗性盖岩）、可溶性和地理化学诱捕机构，以防止CO2逃逸至地表。地质埋存也能用于其它适合的气体。
咸水含水层含有高度矿化的卤水，迄今被认为对人类几乎无益。在少数情况下，将咸水含水层用于贮存化学废物，也尝试过利用这种含水层来埋存CO2。咸水含水层最主要的优点是其高的潜在贮存量和普遍的存在。而将咸水含水层实际用于这一目的的一个不利之处在于，相对来说目前人们对咸水含水层所知甚少。CO2泄漏回至大气中可能是咸水含水层贮存中的一个问题。然而，当前的研究显示，各种诱捕机构将二氧化碳固化在地下，降低了泄漏的风险。
能放置于多孔构造、例如咸水含水层中的浓度最大的CO2是处于超临界态的CO2——在此称SC-CO2。多数埋存计划都建立在注入这种超临界态CO2的基础上，在这种状态下，物质表现为相对密集的可压缩液体，其粘度极低，远低于任何形式的液体。其目的是以SC-CO2替代咸水含水层中大多数水或全部的水，100%地取代或部分地取代其多孔特性。
这种地质埋存策略的一个突出例子是挪威石油和天然气公司StatoilHydro 所运作的Sleipner项目（Sleipner project），该项目从附近气井所采集的天然气中分离CO2（含量为4% 到9.5 %）。所分离的CO2转化为超临界形式（SC-CO2），并注入称为Utsira 构造的咸水沙层，这种构造位于海底1000米下。正进行各种地震勘察，来研究这种CO2贮存能否保持安全。
将气态CO2（即，不是临界态的）注入地下构造中并以最大溶解限度溶解在水溶液中，这是一种过去提出的、成功过的埋存这种气体的理想方式。在本发明之前，通过溶解于地质构造内水溶液的方式埋存CO2的一个问题是，对构造中孔隙容积的占有率远低于注入SC-CO2时的对孔隙容积的占有率。一旦完成主动注入阶段，在孔隙介质内将不会有主动混合。因此，CO2在构造层水中的溶解受浓度差异、接触面积和扩散路径长度的控制。与多孔介质中这种浓度梯度-驱动扩散过程相关的传质速率是慢的，预计将需要数千年的时间来达到地质构造内CO2在水相中的充分溶解。
即便是注入SC-CO2，也存在这种“低混合、长期浓度梯度扩散”问题。在为SC-CO2埋存而设计的高速率注入时，所述SC-CO2将首先取代水，并直接占据孔隙空间，只在驱替前缘有少量的对流性分散产生的混合。随着SC-CO2的注入，两种液体之间产生增大的接触面积，并形成溶解地带。SC-CO2因而开始沿着该接触区域逐步溶解在咸水中，很大程度上是压力驱动流（来自在压力下注入SC-CO2）引起的强迫对流带来的扩散和分散的结果。
由于咸水与SC-CO2之间的浓度差异，还存在倾向于分离咸水含水层中的液体的重力：SC-CO2将上升至密度更大的水之上，在渗透性较差的更细粒度地带（页岩薄层、泥砂岩等）之下形成“煎饼”状。这不但压制了本会以更均匀的移位而上升的部分混合成分，还导致进入地质构造孔隙容积的低效率：远离注入点的构造部分是任何贮存机构都很难进入的（将CO2转移或溶解到溶液中）。
一旦注入停止，由于驱替前缘处存在的混合和扩散效应，以及对流驱动力（注入压力）停止，因此只有一小部分SC-CO2进入溶液中。CO2不能再与水对流地混合，这仅剩下扩散效应，该扩散效应只由水中CO2的浓度梯度所驱动。
在咸水含水层构造中，当注入后，由于SC-CO2的密度较小，因此仍保持在注入点上方的区域。这种密度-梯度系统提供了一种稳定力，能进一步降低任何扩散过程的速率。起初，扩散前缘相对较窄且明显，并具有位于CO2与水之间的大的表面，且溶解过程的发生相对高效。但随着时间的推移，该前缘增长并竖直地变宽。因此，该前缘愈加不明显。这形成更厚的扩散或过渡地带，其在CO2与低CO2浓度的水之间具有更少的表面区域（即，SC-CO2与构造水之间的过渡-溶解-接触区域逐渐充满CO2）。由于CO2不饱和水远离SC-CO2，来自构造远处区域的水与SC-CO2之间的竖直距离增大了。因此，所述扩散/溶解过程极大地变缓。因此，CO2要进入溶液中可能将花费数千年的时间，因为构造远处区域的水的原地运动（以协助CO2溶解在水中这一过程）是非常缓慢的。在这个阶段，由于密度梯度系统，SC-CO2与构造水之间无对流混合。
孔隙介质中的密度等级系统在较长时间内是极其持久稳定的。一旦主动混合停止，则在典型的埋存条件下，SC-CO2将花费数千年的时间逐步溶解在水相中。没有机构来引入“新的水”与SC-CO2接触，并且，这一过程逐步变得完全受缓慢扩散的支配。
发明内容
尽管安全而永久地处理CO2代表一个重要的挑战，如上所述，然而，为解决温室效应问题以及满足其它需求，长期处理其它水溶性气体和液体也意味着类似的挑战。因此，通过提供用于在含水性地质构造中、例如咸水含水层中混合和分散这种流体的方法和系统，以改进埋存条件，本发明涉及对各种水溶性流体的（本质）永久处理。
本发明的目的包括：
a) 提供一种对水溶性流体进行地质埋存的方法，特别针对但不限于气体；该方法通过以增强流体与构造水的混合的方式将流体注入含水构造中，以增强流体的溶解，借助于对流（convection current）或对流单元的原地产生；
b) 增加地质构造中溶解过程的容积程度，从而提高水溶性流体（例如CO2）在构造内的贮存容量；
c) 提供一种方法，以促进水溶性气体从可溶性与非可溶性气体混合物中分离，并促进可溶性气体在地质构造中的埋存，以及从地质构造中排出非可溶性气体，以保留容纳溶解的可溶性气体的可用地质构造容积；
d) 提供一种用于确定水溶性流体在地质构造中的埋存条件的方法，该方法使用地质构造的计算机模型和流体注入的计算机模拟；
e) 提供一种用于增强水溶性气体在地质构造中埋存的替代性方法，该方法无需对气体进行预注入埋存，也无需将注入气体转化为超临界态。
本发明的一个方面提供了一种用于埋存水溶性流体的方法，该方法通过在选择的、以使流体进入并分散在构造内的温度和/或压力条件下，将具有与构造水形成对比的足够的容积、压力和密度的流体从注入井注入含水地质构造中，从而在构造内产生对流或对流单位。选择包括含水层的目标地质构造，该地质构造具有低渗透层的上部边界，还可选择性地具有低渗透层的下部边界，以将含水构造保持在稳定状态。所述低渗透层可直接位于含水层之上或之下，或可由一各或多个地质层与含水层分隔。注入井延伸至目标构造。流体被加压和/或加热，并从注入井引入构造中，以产生一个或多个对流单位，从而增强流体的分散、扩散和埋存，或增加构造中大区域内的水溶性部分。
根据这一方面，由于流体从构造中渗出，低密度驱替前缘在构造中向外移动，预计构造中的流体会进行初始运动。在气体情况下，该气体初始地可能以未溶解气体的气泡或气囊形式分散。所述驱替前缘将取代构造空隙空间内的水，而水则被驱使外流，离开渗流区域。这种相关水流有助于形成原地对流单位或对流。注入的流体将由此发展成为低密度羽流（plume），羽流竖直向上地移动以穿过构造，同时横向延伸。这种羽流是密度比构造内不存在注入流体的相邻部分中的水的密度低的区域。因此，产生了平均流体密度的横向对比。这一过程引起密度对比驱动的对流单位。因而产生了密度驱动液流单位，由于密度小于相邻的构造水，低密度流体区域（例如被加热的水和/或包含未溶解气体的水）竖直地上升。而密度更大的水则横向流动以取代竖直流动的低密度流体的位置，维持大规模的对流单位。
由于对流在构造中发展，并增强了注入流体与构造水之间的混合，在此所述的密度对比驱动对流过程增强了水溶性流体与构造水的混合。未溶解的可溶性流体进入溶液中，带来构造远处区域的新鲜的流体——不饱和水，使其与额外的未溶解的可溶性流体相接触。
在一个实施例中，将CO2（通常与其它气体组合）在上述的适当条件下注入含水构造中，所述水中溶解有不饱和的CO2。由于大规模对流单位的运动，来自构造远处区域的不饱和水则移至注入井区域，并用不含CO2的水取代本地的（在注入井的周边地区的）CO2富集水，而这种不含CO2的水可更有效地剥夺注入气体中的CO2。另外，大规模对流单位不但增加了CO2向溶液中的扩散传质速率，还将远处不含CO2的水带至注入井眼区域，从而增加了可由于冲流作用而通过注入井进入的构造的有效容积。因此，这种密度驱动对流过程提供了CO2向溶液的快速传质，并提高了地质埋存的贮存容量。
实现这种密度驱动对流过程的结果是：构造的短期贮存容量增加了，并且，通过最大化混合来提高横向水通量，构造的长期贮存容量也增加了。
所述过程可包括注入由水溶性气体和非水溶性气体的混合物所构成的流体。在这方面，配备有排出井，该排出井与含水层流体连通，或与构造中的不溶性气体的气囊相连，用于不溶性的非埋存气体的排出。非水溶性气体通过排出井从构造中排出，从而提供了构造中的额外容积，以进一步埋存水溶性流体或气体。
所述过程可进一步包括在构造中提供一个或多个注水井，并向构造中注水，以在构造内产生源自远离注水井区域的交叉水流。该注水过程进一步增加了构造中的对流/对流单位和水通量。
根据另一方面，可提供多个流体注入井，以在构造中产生多个对流，从而在构造中提供水溶性流体或气体的增强的混合。所述井的配置可设计为促进构造中形成持续的对流。所述注入井可以为水平注入井、竖直注入井或斜井。在一些实施例中，所述注入井形成与构造垂直、水平或在偏移垂线一定角度上相交的路径。
在一些实施例中，所述过程进一步包括确定注入井中用于排出流体的一个或多个开口的适当位置，例如，开口在构造上表面的下方足够低的位置，以产生对流，从而促进水溶性流体与构造水的混合。
在一些实施例中，注入流体为烟气。在此使用的术语“烟气”是指工业燃烧所产生的气体，例如壁炉、烤炉、熔炉、锅炉或蒸汽发生器，或还原过程（例如从井中还原天然气）所产生的气体。这些气体通常经由烟道排至大气中。术语“烟气”包含化石燃料或生物燃烧发电厂所产生的废气。烟气的成分取决于所燃烧的物质，但烟气最常见地则是由来自燃烧气体的氮气、CO2和水蒸气以及过量的O2（也来自燃烧气体）构成。烟气还可进一步包括甲烷（CH4）、一氧化碳、硫化氢、氮氧化物和硫氧化物以及微粒。
本发明另一方面提供了一种用于确定水溶性流体埋存条件的方法。所述方法使用计算机模拟已知的含水构造的结构和条件。用于模拟构造的计算机建模程序是现有技术中已知的。使用用于模拟含水构造的常规方法以及实施在此所述方法的部件和条件，本领域技术人员将具有修正现有程序或研发新程序的知识。对应于本发明的这一方面，配备有存储于计算机可读介质上的计算机程序配备，该计算机程序包括已知构造和流体注入井。
所述计算机程序配备有改变以下一个或多个参数的算法：流体注入井在构造中的位置、构造中气体的局部压力、流体向构造中的注入速率、构造中放置的注入井的数量、构造中的水的pH值、构造中的水的盐度以及构造中的水的密度。计算机程序基于构造中的流体分散情况来计算构造中产生的对流单元的性质，该流体分散情况受一个或多个参数的影响。之后制作报告，给出建议性的井的模式和注入条件，以及可选择性的构造内的埋存条件。该埋存条件包括用于确定在遵循建议条件时产生的对流单元性质的参数。
在一些实施例中，所述计算机程序进一步配备有用于模拟构造中的多个流体注入井、气体排出井和/或注水井的不同位置的算法。
上述用于确定水溶性流体埋存条件的方法可通过如下付诸实践：根据用于产生对流单位所使用的计算机模拟参数，设置一个或多个注入井、以及可选的一个或多个排出井和/或注水井在构造内的适当位置。
除非表达或暗示了不同的含义，在此使用的术语“气体”都指气体或气体的燃烧。类似地，除非表达或暗示了不同的含义，“液体”都指液体或液体组合。
除非表达或暗示了不同的含义，在此使用的术语“流体”都是指：a) 水溶性液体；b) 水溶性气体；c)水溶性液体的组合；d)水溶性液体和非水溶性液体的组合；e)水溶性气体的组合；或f)水溶性气体和非水溶性气体的组合。所述液体或气体可包括多种类型的液体或气体。液体的密度小于构造中存在的水的密度，以促进对流或对流单位的产生。
在此使用的术语“不溶的”并非绝对化术语，而是一个表达相对性的术语，其含义是“难溶”或本质上溶解性低于本领域技术人员认为的“可溶性”物质。
在此使用的术语“构造”或“含水构造”是指含水透水岩或非紧固材料的地下层，例如砂砾、沙子、淤泥或粘土，其孔隙内含有足够的水，以在其中产生对流。咸水含水层是地质构造的一个非限制性例子，适于在此所公开的方法。相关术语“目标构造”是指为注入要埋存的液体或气体而选择的构造。
在此使用的术语“构造水”或“水”是指存在于构造内的水。构造水可以作为主体水相（bulk water phase）存在于构造中，或者被分隔为水囊或水滴存在于砂砾、淤泥或粘土的地质矩阵内。所述水可以是咸水或含有其它溶解物质的水。
在此使用的术语“低渗透性”指渗透率小于100毫达西（mD），术语“高渗透性”指渗透率大于300mD。
在此涉及的CO2和其它液体或气体是指经净化的、超临界态（指气体）或不纯形式的流体。
本发明这些及其它优点将通过阅读以下详细的说明书并参照附图而清晰展现。
附图说明
图1为具有一个水平注入井和两个水平排出井的地质构造的横截面示意图，其中展示了气体注入所产生的对流的方向，以及注入前用于处理气体的烟气源和组件。还示意了交叉液流。
图2为具有三个水平注入井和四个竖直排出井的地质构造的横截面示意图，其中展示了气体注入所产生的对流的方向。还示意了交叉液流。
图3为具有一个水平注入井和一个排出井的倾斜构造的横截面示意图，其中展示了气体注入所产生的对流的方向。还示意了交叉液流。
图4为具有一个注入井、两个排出井和两个注水井的气体埋存阵列的示意图。还展示了构造内的气囊。
具体实施方式
在以下对实施例的描述中，使用同一附图标记指代相同特征。
图1展示了用于注入烟气以埋存温室气体成分的方法的一个实施例。应当理解的是，相似的方法可用于埋存其它流体。图1为位于地表5下方深处的地下构造10的横截面示意图。该构造10由深埋的高渗透性咸水含水层构成。该构造在其上边缘处具有边界，并且优选地，在其下边缘处也具有边界，所述边界分别通过具有低渗透性的上层60和下层80形成。构造10可以按照各种方位和配置进行分布，例如，扁平的近似水平的方位，或斜坡或其它配置（例如参见图3）。构造10应当具备从顶部到底部足够间距的区域，以允许构造水内产生对流，这一点将在下文中详细描述。
据信，构造10应当具有最小竖直间距为约25米到30米的区域。术语“间距”是指图1所示的距离“y”，即，构造的上边缘与下边缘之间的竖直距离。竖直间距至少为y的该区域也应当水平地延伸至少约1000米的距离。注入井12在该区域内具有至少一个排放口13。竖直间距y的范围可取决于其它因素，例如从注入井12的排放口13所放出的气体的压力和温度。然而，发明人不希望受理论的约束，在适当的条件下，具有较小竖直间距的含水层、或其中具有这种最小竖直间距的区域水平延伸的程度小于上述程度，仍可用于本发明。
提供气体源25，其中的气体通常由气体混合物构成。在烟气（原料气或富含CO2的烟气）的情况下，所述气体通常由水溶性气体和非水溶性气体（例如氮气）的混合物构成。在所述例子中，气体源25包括烟气源，例如化石燃料燃烧发电厂或其它工厂。很明显，任何本质上静止不动的气体源都可作为所述气体源。所述气体混合物包括水溶性气体16和非水溶性气体18。优选地，所述水溶性气体为温室气体或其它污染物。更优选地，所述水溶性气体为以下一种或多种：CO2、NOx或硫化氢。最优选地，所述温室气体为CO2。优选地，所述非水溶性气体为氮气或甲烷。气体源25的位置可以是靠近构造10，或位于构造10上方，或距离该上方一段距离处，这样，气体用管道输送至注入点40。所述原料气可取自多个气体源，例如多个燃料燃烧设施，其中原料气用管道输送至共同处理设施中。
根据另一方面，所述水溶性气体成分可由已知方式进行加浓，以提高埋存过程效率。这种加浓可在气体源25时完成，或在埋存之前即刻完成。
一个或多个气体注入井12延伸至构造10中。在图1中，只示意了一个这种井。井12大致为传统的高压气体注入井，具有至少一个（优选地为多个）位于构造10内的气体排放口13。所述井12可包括任何适当的方位，但优选地，其在构造10内为水平的，具有多个沿水平部分间隔分布的开口13。
为提供烟气足够的压力、加热及其它条件，气体在送入注入井12之前，先从气体源25管道输送至气体处理单元40。该气体处理单元对原料气进行加压和加热，并可选择地加浓气体中的特定成分。压力和温度条件部分地取决于含水层内的条件，包括其渗透性、构造压力、含水层内水的盐度、以及所注入气体的成分。
将加压和加热（可选择的）的气体送入注入井12，并通过开口13引入含水层。将具备足够容积、驱动压力以及额外热量（可选择的）气体注入构造10中，以在构造水中产生一个或多个对流单元。据信，对流单元的产生依据以下机制。加热气体的注入首先产生了位于直接相邻的构造水内的液流。由于构造水中形成的未溶解的气泡向上运动，并且由于注入气体的上升温度（可选择地），形成这种液流，取代了构造孔隙内的自然构造水。气体起初作为未溶解气体的气泡或气囊的形式分散。随之引起构造水运动，从而开始了构造水内的一个或多个对流或单元14。
随着时间的推移，由于竖直流动时的水平分散以及构造异质性，气体开始分散在构造水中，因此形成相对低密度的构造水羽流。气体羽流因而倾向于横向蔓延并竖直运动。构造水和气体羽流的相应运动在构造内产生一个或多个对流或单元14。随着额外的气体输送进构造中，由于周围构造水与所述羽流的密度差异，由此形成的羽流将在注入井区域的构造水中继续产生对流或单元14。所述液流包括横向流动并上升的部分，这是所注入气体的羽流的分散运动的结果。该液流的尺寸至少部分地取决于含水层的尺寸，包括其竖直间距和密度、注入气体的驱动压力、容量或水流速率以及温度。可溶性气体16溶解在构造水中，由所述对流单元/液流引起的增强了的混合运动加以促进。非水溶性气体18由于其不可溶性而分离，上升并积累在气帽或气囊20中，该气帽或气囊20通常直接位于上部低渗透性构造60上方。
提供有至少一个排出井22（优选地为多个）。使用所述排出井22，以将非水溶性气体18从构造10中排出，从而为进一步埋存水溶性气体16提供构造10内额外的容积。排出井22延伸至构造10中，至少至其较上部分。这些井包括位于构造10内的入口23，其位于预期会积累气帽或气囊的位置。排出井22可提供至地表装置50的管道，如果——例如不溶性气体为氮气、或不溶性气体进入气体处理装置或气体捕获设备、该不溶性气体为有用产物（例如甲烷）——则不溶性气体或可通过该地表装置50中排放至大气中。
所述排气过程可依赖于气囊内部压力来排出气体，或可将所积累的气体泵出，以更快更彻底地从构造10中排出不溶性气体。优选地，排出井22的一部分为水平的，以延伸通过气囊20的延伸区域。
可将所述排气过程设计为：通过将高压排出气体传经燃气涡轮以进行发电，当高压排出气体从气囊中排出后，来提取压缩的不溶性气体中的一些能量。
图2为所述方法的另一实施例的横截面示意图，其中构造10具有多个水平注入井开口和多个排出井22，示意了气体注入所产生的对流14的方向。图中还示意了交叉液流24，该交叉液流24受对流14的形成的影响。如图1的实施例所示，由于，水溶性气体16在构造10内作为低密度羽流而分散，并产生对流14，同时水溶性气体18朝气囊20上升。交叉液流24提供水溶性气体16与构造水之间的额外混合。同样如上所述，四个排出井22用于将水溶性气体排出构造10，从而提供构造10内的额外容积，用于进一步埋存水溶性气体16。
大规模对流单元产生作用，通过“交叉液流”24将远处的水带至注入井眼区域，增加了构造10的有效容积，通过将横向水“冲流”至井眼区域，可经过一个注入井进入这些有效容积内。
图3为所述方法的另一实施例的横截面示意图，其为倾斜的构造10，示意了水平注入井12和排出井22，以及气体注入所产生的对流14的方向。如上所述，水溶性气体16在构造10内作为低密度羽流而分散，并产生对流14，同时水溶性气体18朝气囊20上升。还示意了穿过构造10、移向气囊20的交叉液流24。
图4为所述方法的另一实施例的示意图，其为分布于构造10中的气体埋存阵列，示意了用于注入气体混合物35的注入井12、排出井22和用于注水的注水井26。气体注入井12的气体出口区域靠近构造10的下边界。每个排出井22延伸至构造10内的气囊20中，用于排出其中所含的不溶性气体18，借助于混合物35中的各成分的不同溶解度，不溶性气体18从注入气体混合物35中分离。额外的水28可通过一个或多个注水井26注入构造中。该额外的水可接着流至构造10的矩阵，如箭头32所示，以将额外的水带入构造10，并促进构造10内的气体混合物35的混合。
例1：通过密度驱动对流、二氧化碳在咸水含水层中的埋存
在该例中，所注入的气体混合物包括高度水溶的CO2，以及其它在构造温度、压力、pH和盐度条件下较少溶于水的气体。所述气体混合物以高速率注入靠近构造基底的位置。所述构造具有相当大的竖直范围，或者为具有约20m竖直范围的陡峭度。例如，不排除其它可接受的可能情况，理想的咸水构造可位于地层内超过1000m的深处，并具有大的横向范围。该构造在竖直方向上具有至少1 达西的固有渗透率。所述构造可具有超过15%的孔隙率，其孔隙内的流体为咸水。更理想的是，该构造具有达20°的自然陡峭度（倾斜度）。如果该构造由对所述埋存方法中涉及的水相（包括气体和水）的低渗透性的岩石上部构造作为边界，则更具优势。
优选地，注入压力高于咸水含水层中的构造压力，高出的量由围岩的孔隙率和渗透率以及其它次要因素决定。例如，水平部段具有1000m长的注入井钻入1500m深的咸水含水层，该咸水含水层具有压力为15MPa的自然构造压力。包含CO2和其它气体的混合物在高于15MPa的压力下沿水平部段的长度均匀地注入。注入压力通常些许低于构造的破裂压力。然而，在一些情况下， 当有必要鼓励和促进构造内的竖直液流时（例如，需要增大液流速率，并增强构造内的流体分布时），注入压力可稍微高于构造的自然破裂压力，以形成限制长度的竖直裂隙，从而增加气体-水接触地带的混合长度。本领域技术人员能够确定适当的注入压力或压力范围，以促使目标构造水内的密度驱使的对流的形成。一个相关的考虑是，要将延伸效率提高到何种程度，或注入气体在构造中气体横向或竖直分布的程度。
可选择地，将所述气体在高于构造水环境温度之上的升高温度下注入，以进一步增大注入气体与充满了注入气体和周围构造水的构造水之间的密度对比。
起初，在井眼附近的压力梯度下，所述注入可导致原地移位机制，其中孔隙内的流体由于正进入的气体而最大程度地移位。在适当的构造中，随着注入地带尺寸的增加，驱动压力降低（由于半径越大，因径向扩散导致压力越下降），气柱的高度增加，引起相密度差异导致的重力隔离效应。一旦该效应足够大，则气体将倾向于升向构造的顶部，最可能通过由于小的液流阻碍的存在而导致的弯路，所述小的液流阻碍例如细砂粒的痕迹或颗粒。
由于竖直液流的分散和构造的异质性，所述气体将作为向上移动的羽流而延伸，所述羽流横向延伸并竖直移动。这种羽流是相对于无自由气体的咸水构造的相邻部分的低孔隙流体密度区域，因此，形成平均流体密度的横向对比，由此产生大的密度差异驱动的对流单元。
该密度对比将极大地增强注入气体与构造水之间的原地被迫混合。由于大规模对流单元的产生，将水从构造的远处位置带至注入点，而这以无CO2的水取代了部分本地水，从而更有效地从注入气体中剥夺CO2。因此，大规模对流单元不仅加快了CO2向溶液中的散布传质，还将远处的水带至注入井眼区域，增加了能以将横向水“冲流”冲流至井眼区域的方式、经过一个注入井而进入的构造中的有效容积。 低溶解度的气体仍保持为非溶解气相，并横向延伸并大致向上，在那里这些气体可通过排出井、例如被动吸井而移除。密度驱动对流方法提供了向溶液的更快传质。
本方法的实施增大了构造中可溶性气体的短期贮存容量，还通过最大化混合以及促进横向水通量促进了长期容量。整体的埋存方法可涉及烟气混合物（例如，包含约13% 的CO2和 87%的N2）的预通道，该预通道是通过薄膜或其它类型的净化或气体加浓系统，以使得注入气体为25%-80%的CO2，剩余物大致为N2；这种气体/ CO2加浓处理还将有助于提高原地贮存容量，特别提高可溶性气体（在该例中为CO2）注入的速率，并受到与构造水的接触的影响。由于所述方法并不取决于注入气体中具有特定成分，因此，注入气体的特定内容可根据带动其的经济和环境因素而有所不同。
还设想的是，所述处理可包括一个或多个长的水平钻井眼，用于使用无水泥的割缝衬管所完成的注入。这种井可以平行偏移地分布，井与井之间的距离取决于分析结果，例如计算机模拟的有效对流单元尺寸。井的长度可基于气体能以适当速率进入构造、以实现最大化传质和对流混合的这种速率来进行设计。
每个井可配备有内部管路系统，以使气体的注入沿井的长度均匀地分布，因此以现有技术方式，等量体积的气体随时间在各处位置进入井眼。
可对井进行操作，通过在表面控制正在注入的气流的体积、速率和压力，以使CO2与咸水构造最大化接触。如果注入井位于构造的底部附近，无论注入井是否由水平或竖直井构成，则都是有利的。
在另一实施例中，含水构造内的水溶性流体的埋存条件由计算机执行的模拟来决定。该方法由以下构成：提供由存储在计算机可读媒介上的计算机软件来输入程序指令的计算机。所述程序包括以已知方式呈现已知的地质构造。向所述计算机输入程序指令，以呈现至少一个用于向所述构造注入可溶性流体和非可溶性流体混合物的注入井，还包括已知的用于改变一个或多个参数的算法。这些参数选自下组：
a) 将要注入所述构造的所述流体的成分；
b) 所述流体注入井在所述构造中的位置；
c) 将要注入所述构造的所述流体的温度；
d) 所述流体向所述构造中的注入速率；
e) 所述流体向所述构造中的注入压力；
f) 所述构造中的所述注入井的数量；
g) 所述注入井在所述构造中的位置和形状；
h) 所述构造中的所述水的pH；
i) 所述构造中的所述水的盐度；
j) 所述构造中的所述水的密度；
k) 所述注入流体的体积；
l) 所述构造水中的所述注入流体的局部压力；以及
m) 所述流体的密度。
配置计算机程序，以计算所述构造中产生的对流单元的性质，该对流单元来自构造内的所述流体和构造水的密度驱动运动，并受到一个或多个所述参数的影响。所述计算机产生报告，提供包括一个或多个参数的埋存条件和优选注入条件。
所述计算机程序进一步配备有用于改变所述构造中的一个或多个流体排出井或注水井的位置的方法。
优选地，所述流体包括温室气体，如上所述。
根据另一实施例，本发明涉及一种用于水溶性流体在含水地质构造内埋存的方法。根据该实施例，执行了上述的计算机模拟步骤。在现场的真实条件下复制所述模型中确定的参数，包括复制在已知构造中的现场注入井系统的部件，以在所述构造内产生至少一个密度驱动对流，从而使用所述注入井系统实现所述水溶性流体的埋存。
应当清楚，本发明通过对代表本发明各方面的实施例而进行了描述。然而，应当理解的是，本领域技术人员可能会脱离或改变在此详细描述的实施例，却仍保持在本发明的范围内，如本申请的说明书包括权利要求书所述。
Claims (27)
1.一种用于在地下含水构造中埋存水溶性流体的方法，所述方法包括：
选择目标含水地质构造；
提供通向所述构造中的流体注入井的井眼，所述井眼包括至少一个开口，以将流体排入所述构造中；
提供流体源，所述流体源与所述注入井相通；
在选择的温度或压力、或温度与压力条件下，将所述流体从所述注入井注入所述构造中，上述条件的选择导致所述流体进入所述构造中，并以足够的体积、流速和密度对比在所述构造中上升，以引发所述流体与所述构造内的水的对流；其中，所述密度对比为所述流体与所述构造内的水的密度对比；相对于在不引发对流的条件下注入的流体而言，所述对流足以提高所述流体与所述水的对流混合。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述注入提高了所述流体向所述水中的扩散传质速率或溶解速率，并使额外的水大致横向地冲流进所述井眼的区域，从而提高了所述流体在所述构造中的贮存容量和贮存率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述流体包括至少一种水溶性气体和至少一种非水溶性气体，所述方法进一步包括：
提供所述构造中的排出井；以及
从所述构造中通过所述排出井排出所述非水溶性气体，从而在所述构造内提供额外容积，用于所述水溶性气体的进一步埋存。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述非水溶性气体包括当从所述构造中排出后，将所述非水溶性气体传经燃气涡轮以发电的步骤。
5.根据权利要求1到4中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
提供构造中的注水井；以及
将水注入所述构造中，以在所述构造内产生来自所述构造井的远处区域的交叉水流，以进一步促进所述流体与所述构造水的所述对流混合。
6.根据权利要求1到5中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括提供多个位于所述构造内的注入井，以在所述构造内产生多个对流。
7.根据权利要求1到6中的任一项所述的方法，其特征在于：在低于所述构造的破裂压力的压力下注入所述流体。
8.根据权利要求1到6中的任一项所述的方法，其特征在于：在高于所述构造的破裂压力的压力下注入所述流体。
9.根据权利要求1到8中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将额外的水注入所述构造、以在所述注入井区域引发流体未饱和水流入所述构造中的步骤。
10.根据权利要求1到9中的任一项所述的方法，其特征在于：所述注入井为大致竖直的注入井、水平注入井或偏移井。
11.根据权利要求9到10中的任一项所述的方法，其特征在于：所述注入井形成用于促进所述构造中的对流混合的路径。
12.根据权利要求1到11中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括确定构造井中至少一个开口相对于所述构造形态的位置、以增大所述对流、从而进一步促进所述水溶性流体与所述构造水的增强混合的步骤。
13.根据权利要求1126中的任一项所述的方法，其特征在于：所述构造在竖直方向上具有至少300 mD的固有渗透率。
14.根据权利要求1到13中的任一项所述的方法，其特征在于：所述构造具有超过15%的孔隙率，其中构造水为咸水。
15.根据权利要求1到14中的任一项所述的方法，其特征在于：对一个或多个以下参数进行评估和/或单独或集体地操控，以增强所述流体的所述对流混合：
a) 将要注入所述构造的所述流体的成分；
b) 所述流体注入井在所述构造中的位置；
c) 将要注入所述构造的所述流体的温度；
d) 所述流体向所述构造中的注入速率；
e) 所述流体向所述构造中的注入压力；
f) 所述构造中的所述注入井的数量；
g) 所述注入井在所述构造中的位置和形状；
h) 所述构造中的所述水的pH值；
i) 所述构造中的所述水的盐度；
j) 所述构造中的所述水的密度；
k) 所述注入流体的体积；
l) 所述构造水中的所述注入流体的局部压力；以及
m) 所述流体的密度。
16.根据权利要求1到15中的任一项所述的方法，其特征在于：所述流体包括烟气。
17.根据权利要求1到16中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在注入所述构造之前，加浓所述烟气中的二氧化碳浓度的步骤。
18.根据权利要求1到17中的任一项所述的方法，其特征在于：所述流体包括一种或多种选自下组的气体：二氧化碳、氮气、甲烷、NOx和硫化氢。
19.用于确定水溶性流体在含水构造中的埋存条件的方法，该方法包括：
提供由存储在计算机可读媒介上的计算机软件来输入程序指令的计算机，所述程序包括呈现已知的地质构造以及至少一个用于向所述构造注入可溶性流体与非可溶性流体混合物的注入井，所述计算机程序具有用于改变选自下组的一个或多个参数的算法：
a) 将要注入所述构造的所述流体的成分；
b) 所述流体注入井在所述构造中的位置；
c) 将要注入所述构造的所述流体的温度；
d) 所述流体向所述构造中的注入速率；
e) 所述流体向所述构造中的注入压力；
f) 所述构造中的所述注入井的数量；
g) 所述注入井在所述构造中的位置和形状；
h) 所述构造中的所述水的pH值；
i) 所述构造中的所述水的盐度；
j) 所述构造中的所述水的密度；
k) 所述注入流体的体积；
l) 所述构造水中的所述注入流体的局部压力；以及
m) 所述流体的密度；
其中，配置计算机程序，以计算所述构造中产生的对流单元的性质，该对流单元来自构造内的所述流体和构造水的密度驱动运动，并受到一个或多个所述参数的影响；
将a）到m）中的一些或全部参数输入所述计算机；并产生报告，提供包括一个或多个参数的埋存条件和优选注入条件。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：所述计算机程序进一步配备有用于改变构造中的一个或多个流体排出井的位置的方法。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其特征在于：所述计算机程序进一步配备有用于改变构造中的一个或多个注水井的位置的方法。
22.一种用于在含水构造内埋存水溶性流体的方法，该方法包括：
提供由存储在计算机可读媒介上的计算机软件来输入程序指令的计算机，所述程序包括呈现已知的地质构造以及至少一个流体注入井，所述计算机程序具有用于改变选自下组的一个或多个参数的算法：
a) 将要注入所述构造的所述流体的成分；
b) 所述流体注入井在所述构造中的位置；
c) 将要注入所述构造的所述流体的温度；
d) 所述流体向所述构造中的注入速率；
e) 所述流体向所述构造中的注入压力；
f) 所述构造中的所述注入井的数量；
g) 所述注入井在所述构造中的位置和形状；
h) 所述构造中的所述水的pH；
i) 所述构造中的所述水的盐度；
j) 所述构造中的所述水的密度；
k) 所述注入流体的体积；
l) 所述构造水中的所述注入流体的局部压力；以及
m) 所述流体的密度；
其中，配置计算机程序，以基于所述构造中的流体分散而计算所述构造中产生的对流单元的性质，所述流体的分散受到一个或多个所述参数的影响；
将a）到m）中的一些或全部参数输入所述计算机；
操控所述一个或多个参数，以产生有效的对流单元；
在所述构造的地点重现注入井系统的一个或多个参数，从而在所述构造内产生至少一个密度驱动对流；以及
使用所述注入井系统埋存所述水溶性流体。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于：所述计算机程序进一步配备有用于改变构造中的多个流体注入井的位置的方法。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其特征在于：所述计算机程序进一步配备有用于改变构造中的一个或多个流体排出井的位置的方法。
25.根据权利要求22或24所述的方法，其特征在于：所述计算机程序进一步具有用于改变构造中的一个或多个注水井的位置的算法。
26.根据权利要求1到25中的任一项所述的方法，其特征在于：所述水溶性流体包括非超临界态的气体。
27. 根据权利要求1到25中的任一项所述的方法，其特征在于：所述水溶性流体包括超临界态的气体。
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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