CN104794329B - 一种评价场地尺度co2咸水层封存潜力的方法 - Google Patents

Abstract

一种评价场地尺度CO₂咸水层封存潜力的方法，其步骤为：1)将储层中CO₂晕体形状简化为三角锥体，CO₂的有效封存体积可以用三角锥体模型计算，且该体积定义为CO₂封存的最小有效体积；再将CO₂晕体形状简化为圆柱体，将圆柱体的体积定义为CO₂封存的最大有效体积；2)分别计算该最小有效封存体积内自由态CO₂封存潜力和该最大有效封存体积内自由态CO₂封存潜力；3)分别计算该最小有效封存体积内溶解态CO₂封存潜力和该最大有效封存体积内溶解态CO₂封存潜力；4)根据自由态CO₂封存潜力和溶解态CO₂封存潜力的总和分别得出场地尺度CO₂咸水层最小封存潜力和场地尺度CO₂咸水层最大封存潜力。本发明能够准确地得到场地尺度CO₂咸水层封存潜力。

Description

一种评价场地尺度CO2咸水层封存潜力的方法

技术领域

本发明属于地球化学技术领域，具体涉及一种利用地球化学和同位素数据评价场地尺度CO₂咸水层封存潜力的方法。

背景技术

在当前气候变化的背景下，节能减排行业成为政府机构积极推动的产业。CO₂捕集和封存技术作为减少CO₂排放量的最有效的方法，已经被广大科学工作者和政府人员认可，且其在技术上是可行的。作为CO₂封存的地质体之一，深部咸水层被认为是最具潜力的。能够准确评价出咸水层的 CO₂封存潜力，对于不同规模CO₂封存项目的场址选择和实施是非常重要的。

目前已有的CO₂咸水层封存潜力评价方法都是基于传统的体积法和 CO₂封存机理，针对盆地尺度CO₂封存提出的。其中有效封存系数通常引用美国能源部针对北美地质条件利用蒙特卡洛方法得出的值，但这不能代表所有的地质条件，容易导致评价结果存在误差甚至错误，对CO₂封存场址选择等提供错误的指导。此外，这些方法多针对盆地尺度CO₂封存潜力评价，而针对更具实际意义的场地尺度的CO₂封存潜力评价方法还没有建立。

事实上中试尺度和商业规模CO₂封存项目都是场地尺度的，在进行环境和安全评价时时间尺度上多以百年-千年为主，所以需要提出一种针对场地尺度的CO₂咸水层封存潜力评价方法，为开展CO₂注入试验或者规模化封存的场址选址及后期规划提供参考依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用地球化学和同位素数据评价场地尺度 CO₂咸水层封存潜力的方法，以准确地计算场地尺度CO₂咸水层封存潜力，推动CO₂咸水层封存的研究发展。

为实现上述目的，本发明提供的基于地球化学和同位素数据的CO₂咸水层封存潜力评价方法，在确定CO₂的有效封存体积的基础上，结合地球化学和同位素参数，分别确定出自由态和溶解态CO₂封存潜力，其总和即为场地尺度CO₂咸水层封存潜力，具体步骤为：

1)根据注入到咸水层中的CO₂形成的晕体的形状，可将其简化为三角锥体，CO₂的有效封存体积即可用该三角锥的体积表示，且该体积可以认为是CO₂封存的最小有效体积；此外，由于CO₂的溶解和水-岩-CO₂相互作用，CO₂晕体形状随着时间会发生变化，在有效影响半径范围内，其有效封存体积可以用圆柱体体积表示，且该体积可以认为是CO₂封存的最大有效体积；

2)分别计算该最小有效封存体积内的自由态CO₂封存潜力和该最大有效封存体积内自由态CO₂封存潜力；

3)分别计算该最小有效封存体积内的溶解态CO₂封存潜力和该最大有效封存体积内溶解态CO₂封存潜力；

4)根据自由态CO₂封存潜力和溶解态CO₂封存潜力的总和分别得出最小和最大的场地尺度CO₂咸水层封存潜力。

所述的方法，其中，步骤1中CO₂有效封存体积是通过式1-1计算

式1-1；

步骤1中CO₂封存的最大有效体积是通过式1-2计算

V_effect-max＝π·R²·H·φ 式1-2

式中，V_effect是CO₂封存的最小有效封存体积，V_effect-max是CO₂的最大有效封存体积，单位是m³；

R是特定注入速率和压力和单井注入条件下CO₂晕的有效影响半径，通过数值模拟确定，单位是km；

H是储层有效厚度，单位是m；

φ是储层平均孔隙度，无量纲。

所述的方法，其中，步骤2中有效封存体积内的自由态CO₂封存潜力通过式1-3计算

m_CO2f＝V_effect·ρ_CO2·S_CO2·10^-3 式1-3；

步骤2中最大有效封存体积内自由态CO₂封存潜力通过式1-4计算

m_CO2f-max＝V_effect-max·ρ_CO2·S_CO2·10^-3 式1-4

式中，m_CO2f，m_CO2f-max分别是最小和最大有效封存体积内自由态CO₂封存潜力，单位是Mt；

ρ_CO2是储层温度和压力条件下CO₂的密度，单位是kg/m³；

S_CO2是自由态CO₂饱和度，无量纲。

所述的方法，其中，步骤3中最小有效封存体积内溶解态CO₂封存潜力通过式1-5计算

式1-5；

步骤3中最大有效封存体积内溶解态CO₂封存潜力通过式1-6计算

式1-6

式中，m_CO2s和m_CO2s-max分别是最小和最大有效封存体积内溶解态CO₂封存潜力，单位是Mt；

C_HCO3是CO₂注入后咸水层水的重碳酸氢根浓度，单位是mg/L；

f_CO2是CO₂溶解对重碳酸氢根浓度的贡献比例，无量纲；

M_CO2和M_HCO3分别是CO₂和HCO₃ ^-的分子量，为44mg/L和61mg/L；

S_H2O是CO₂注入后地层水饱和度，无量纲。

所述的方法，其中，步骤4中场地尺度CO₂咸水层最小封存潜力通过式1-7计算

m_CO2＝m_CO2f+m_CO2s 式1-7；

步骤4中场地尺度CO₂咸水层最大封存潜力通过式1-8计算

m_CO2-max＝m_CO2f-max+m_CO2s-max 式1-8

式中，m_CO2和m_CO2-max分别是最小和最大有效体积内溶解态CO₂封存潜力；

m_CO2f和m_CO2f-max分别是最小和最大自由态CO₂封存潜力；

m_CO2s和m_CO2s-max分别是最小和最大溶解态CO₂封存潜力。

本发明的效果是：

本发明基于注入的CO₂在咸水层中的封存形态，利用地球化学和同位素数据，建立了CO₂咸水层封存潜力评价方法，能够准确地得到场地尺度 CO₂咸水层封存潜力，包括最小和最大封存潜力，其中最小封存潜力可作为工程选址的依据。

附图说明

图1A是本发明的CO₂晕形状示意图。

图1B是本发明的CO₂最小有效封存体积计算模式示意图。

图2A是本发明的CO₂晕形状示意图。

图2B是本发明的CO₂最大有效封存体积计算模式示意图。

具体实施方式：

根据已有的研究，CO₂注入到咸水层后会以自由态、溶解态和矿物态被封存，而在百年时间尺度上，CO₂主要以自由态和溶解态的形式被封存于咸水层中，矿物态对CO₂封存潜力的贡献可以忽略不计。所以本发明方法的主要原理是根据场地尺度CO₂在咸水层中的封存形态，基于CO₂晕体的形状和有效封存体积模型，利用咸水层对CO₂注入的地球化学响应，包括地球化学和同位素参数的变化，建立自由态和溶解态CO₂咸水层封存潜力评价方法，得到总的CO₂封存潜力。

为了评价CO₂咸水层封存潜力，首先要确定CO₂的有效封存体积，在此基础上，结合地球化学和同位素参数，确定出自由态和溶解态CO₂封存潜力。

CO₂有效封存体积的确定方法

由于CO₂较地层水密度小，注入到储层后会沿着盖层底部运移，形成一个晕体，可以简化为图1A所示的三角锥体的形状。根据已有的中试尺度和商业规模CO₂封存项目，通常场地尺度CO₂封存都是单井注入，这种情况下，三角锥的体积即可以定义为CO₂封存有效体积，计算方法如图 1B和式1-1所示。

式1-1

其中V_effect是CO₂最小有效封存体积，单位是m³；R是特定注入速率和压力和单井注入条件下有效影响半径，可以通过数值模拟确定，单位是 km；H是储层有效厚度，单位是m；φ是储层平均孔隙度，无量纲。

自由态CO₂封存潜力评价方法

自由态CO₂封存潜力可以通过式1-2计算，其中m_CO2f是自由态CO₂封存潜力，单位是Mt；ρ_CO2是储层温度和压力条件下CO₂的密度，单位是 kg/m³；S_CO2是自由态CO₂饱和度，无量纲。

m_CO2f＝V_effect·ρ_CO2·S_CO2·10^-3 式1-2

溶解态CO₂封存潜力评价方法

溶解态CO₂封存潜力可以通过式1-3计算，其中m_CO2s分别是溶解态 CO₂封存潜力，单位是Mt；C_HCO3是CO₂注入后咸水层水的重碳酸氢根浓度，单位是mg/L；f_CO2是CO₂溶解对重碳酸氢根浓度的贡献比例，无量纲；M_CO2和M_HCO3分别是CO₂和HCO₃ ^-的分子量，为44mg/L和61mg/L；S_H2O是CO₂注入后地层水饱和度，无量纲。

式1-3

场地尺度CO₂咸水层封存潜力评价方法

场地尺度CO₂咸水层封存潜力即自由态和溶解态CO₂封存潜力的总和，可用式1-4表示：

m_CO2＝m_CO2f+m_CO2s 式1-4

通过以上方法得到的场地尺度CO₂咸水层封存潜力是最小封存潜力，在进行实际的CO₂注入工程选址时，应该基于最小封存潜力。事实上，CO₂注入到咸水层后，由于对流混合和溶解CO₂的地层水的重力效应导致“指进”现象的产生，即CO₂晕的形状会发生变化。可以将CO₂晕有效影响半径范围内所有的咸水层体积定义为CO₂封存的最大有效体积(如图2A所示)，简化为圆柱体模型来表示(如图2B所示)，计算方法如式1-5所示。

V_effect-max＝π·R²·H·φ 式1-5

在计算出CO₂封存的最大有效体积的情况下，最大有效封存体积内自由态CO₂封存潜力通过式1-6计算得到：

m_CO2f-max＝V_effect-max·ρ_CO2·S_CO2·10^-3 式1-6

最大有效封存体积内溶解态CO₂封存潜力通过式1-7计算

式1-7

场地尺度CO₂咸水层最大封存潜力通过式1-8计算

m_CO2-max＝m_CO2f-max+m_CO2s-max 式1-8

此外，通常场地尺度CO₂封存项目是单井注入，所以本发明是基于单井注入提出的。对于多井注入，为了实现CO₂封存潜力最大化，在布井时会考虑CO₂晕的有效影响半径，避免重叠。所以CO₂封存潜力相当于N 个单井注入条件下CO₂封存潜力的总和。这个方法也适用于盆地尺度CO₂咸水层封存潜力的评价，其中N是CO₂注入井的数量，计算方法与场地尺度有效封存体积计算方法一致。

本发明基于CO₂注入现场试验监测和水-岩-CO₂相互作用实验得到的地球化学参数和同位素数据以及数值模拟结果，分别确定公式1-2和1-3 中的评价参数，即可计算出场地尺度CO₂咸水层封存潜力。其中自由态 CO₂饱和度S_CO2、地层水饱和度S_H2O、CO₂溶解对重碳酸氢根浓度的贡献比例f_CO2以及CO₂注入后储层水中重碳酸氢根的浓度C_HCO3等参数都可以通过同区域的CO₂注入试验监测数据、水-岩-CO₂相互作用实验数据和数值模拟来确定。有效影响半径R可以通过数值模拟或者计算的方法获取。具体方式如下所述：

储层有效厚度H和平均孔隙度φ

储层有效厚度和平均孔隙度可以通过前期的区域地质调查和钻孔数据来确定，其准确度取决于区域上数据的代表性和丰富性。

有效影响半径R

特定CO₂注入速率和压力条件下，单井注入的有效影响半径可以通过数值模拟或者计算的方式获得。基于实际地质模型，可以通过模拟注入后某个时间CO₂晕的运移形态确定CO₂晕的有效影响半径。此外，还可以通过式1-9计算。这个公式是从Buckley–Leverett石油采收率理论推导出的，其中λ₁和λ₂是CO₂和地层水的流度，单位是ms kg^-1；V_injec是CO₂注入的总体积，单位是m³。

式1-9

CO₂注入后储层水中重碳酸氢根的浓度C_HCO3

CO₂注入后特定时间HCO₃ ^-的浓度可以参考同区域邻近场址已有的 CO₂注入试验监测数据或者水-岩-CO₂相互作用实验数据。

自由态CO₂饱和度S_CO2和地层水饱和度S_H2O

已有研究表明大量CO₂注入到咸水层储层后，地层水和注入CO₂的氧同位素会发生交换，导致地层水氧同位素出现漂移现象，这在现场试验和室内实验中都被观测到了。我们可以基于质量守恒和作用定律，利用同位素变化来确定自由态CO₂饱和度S_CO2和地层水饱和度S_H2O，计算公式如式 1-10所示，其中A是储层温度和压力条件下1L自由态CO₂中氧原子的摩尔数；B是储层温度和压力条件下溶解于1L地层水中CO₂的氧原子摩尔数；C是储层温度和压力条件下1L地层水中氧原子的摩尔数。是来自于注入CO₂与地层水发生交换的氧同位素贡献比例，可以通过式1-11计算得到，其中和代表初始和评价时间点地层水的氧同位素值；是储层温度和压力条件下地层水和CO₂之间的富集系数，可以通过式1-12得到。

式1-10

式1-11

式1-12

CO₂溶解对重碳酸氢根浓度的贡献比例f_CO2

基于同位素守恒定律和注入后地层水中的HCO₃ ^-浓度，CO₂溶解对重碳酸氢根浓度的贡献比例f_CO2可以通过式1-13计算。其中和代表初始和评价时间点地层水溶解无机碳的碳同位素值；是注入CO₂的初始碳同位素值；是注入CO₂和溶解CO₂之间的富集系数，可以通过式1-14得到。

式1-13

式1-14

第一实施例

利用上述场地尺度CO₂封存潜力评价方法，进行了北大港构造带港东东地区某区块单井注入条件下CO₂咸水层封存潜力评价。其中CO₂注入储层深度为1350m，储层厚度为9.5m，储层平均孔隙度为29.27％，储层的温度为50℃和压力为135bar。查表(张川如，1999)可得储层条件下CO₂的密度为610.5kg/m³。根据2012年在该区域邻近位置开展的咸水层CO₂封存试验监测数据以及水-岩-CO₂相互作用实验数据，得出在注入速率为 300吨/天、注入量为2万吨的条件下，CO₂晕的有效影响半径为0.5km，咸水层中自由态CO₂饱和度为23％，则地层水饱和度为77％，CO₂溶解对重碳酸氢根浓度的贡献比例f_CO2为48.8％。CO₂注入后地层水中的HCO₃ ^-浓度为1320mg/L。结果表明，单井注入条件下，目标储层的CO₂封存潜力为12.8万吨，其中溶解态CO₂封存量为2.6万吨，自由态CO₂封存潜力为10.2万吨；最大CO₂封存潜力为38.5万吨，其中溶解态CO₂封存量为 7.8万吨，自由态CO₂封存潜力为30.7万吨。

Claims (4)

1.一种评价场地尺度CO₂咸水层封存潜力的方法，在确定CO₂的有效封存体积的基础上，结合地球化学和同位素参数，确定出自由态和溶解态CO₂封存潜力，其步骤为：

1)将注入到储层中的CO₂形成的晕体简化为三角锥体，CO₂封存的有效体积用三角锥的体积模型计算，且该体积定义为CO₂封存的最小有效体积；再将随时间变化的CO₂晕体简化为圆柱体，计算该圆柱体的体积并定义为CO₂封存的最大有效封存体积；

2)分别计算该最小有效封存体积内自由态CO₂封存潜力和该最大有效封存体积内自由态CO₂封存潜力；

3)分别计算该最小有效封存体积内溶解态CO₂封存潜力和该最大有效封存体积内溶解态CO₂封存潜力；

步骤3中最小有效体积内溶解态CO₂封存潜力通过式1-5计算

步骤3中最大有效体积内溶解态CO₂封存潜力通过式1-6计算

式中，m_CO2s和m_CO2s-max是最小有效封存体积和最大有效封存体积内溶解态CO₂封存潜力，单位是Mt；

C_HCO3是CO₂注入后咸水层水的重碳酸氢根浓度，单位是mg/L；

f_CO2是CO₂溶解对重碳酸氢根浓度的贡献比例，无量纲；

M_CO2和M_HCO3分别是CO₂和HCO₃ ^-的分子量，为44mg/L和61mg/L；

S_H2O是CO₂注入后地层水饱和度，无量纲；

4)根据自由态CO₂封存潜力和溶解态CO₂封存潜力的总和分别得出场地尺度CO₂咸水层最小封存潜力和场地尺度CO₂咸水层最大封存潜力。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤1中CO₂最小有效封存体积是通过式1-1计算

步骤1中CO₂封存的最大有效体积是通过式1-2计算

V_effect-max＝π·R²·H·φ 式1-2

式中，V_effect是CO₂的最小有效封存体积，V_effect-max是CO₂的最大有效封存体积，单位是m³；

R是特定注入速率和压力和单井注入条件下有效影响半径，通过数值模拟确定，单位是km；

H是储层有效厚度，单位是m；

φ是储层平均孔隙度，无量纲。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤2中最小有效封存体积内自由态CO₂封存潜力通过式1-3计算

m_CO2f＝V_effect·ρ_CO2·S_CO2·10^-3 式1-3；

步骤2中最大有效体积内自由态CO₂封存潜力通过式1-4计算

m_CO2f-max＝V_effect-max·ρ_CO2·S_CO2·10^-3 式1-4

式中，m_CO2f和m_CO2f-max是最小有效体积和最大有效体积内自由态CO₂封存潜力，单位是Mt；

ρ_CO2是储层温度和压力条件下CO₂的密度，单位是kg/m³；

S_CO2是自由态CO₂饱和度，无量纲。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤4中场地尺度CO₂咸水层最小封存潜力通过式1-7计算

m_CO2＝m_CO2f+m_CO2s 式1-7；

步骤4中场地尺度CO₂咸水层最大封存潜力通过式1-8计算

m_CO2-max＝m_CO2f-max+m_CO2s-max式1-8

式中，m_CO2和m_CO2-max是最小有效封存体积和最大有效封存体积内溶解态CO₂封存潜力；

m_CO2f和m_CO2f-max分别是最小自由态和最大自由态CO₂封存潜力；

m_CO2s和m_CO2s-max分别是最小溶解态和最大溶解态CO₂封存潜力。