CN112800592A

CN112800592A - 一种二氧化碳地质封存体中泄漏风险的评价方法

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Publication number: CN112800592A
Application number: CN202110024189.8A
Authority: CN
Inventors: 刘静; 杨富康; 张钰园; 温庆志; 种珊; 林千果
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2021-01-08
Filing date: 2021-01-08
Publication date: 2021-05-14

Abstract

本发明属于二氧化碳驱油封存技术与环境安全监测及预警的技术领域，具体的涉及一种二氧化碳地质封存体中泄漏风险的评价方法。该种二氧化碳地质封存体中泄漏风险的评价方法，包括以下步骤：(1)收集CO₂封存体的基础地质信息；(2)地质封存体压力、CO₂质量分数动态分布模拟及CO₂羽流运移聚集动态分析；(3)进行个别因素的敏感性分析，以确定CO₂羽流的运移聚集规律；(4)结合指标评价体系，综合评价封存体的安全性。该评价方法不仅可以系统地评价CO₂封存体的安全性，而且可以科学分析出CO₂在封存体内发生潜在泄漏后CO₂的运移聚集动态分布及其敏感性分析，是一种集合CO₂封存体泄漏风险预测和综合评价的科学系统性方法。

Description

一种二氧化碳地质封存体中泄漏风险的评价方法

技术领域

本发明属于二氧化碳驱油封存技术与环境安全监测及预警的技术领域，具体的涉及一种二氧化碳地质封存体中泄漏风险的评价方法。

背景技术

地质碳存储(GCS)作为减少温室气体排放到大气中的有效解决方案，减轻了气候变化所带来的不良后果，并促进了地球上丰富的化石能源的继续使用，这项技术将从排放源中捕获大量的二氧化碳，并将其储存在深层地质构造中。CO₂驱油封存技术(GCS-EOR)是一种标准的、成熟的、常规的CO₂地质封存技术，注入油层中驱替原油的二氧化碳滞留在原来容纳石油和其他液体的孔隙中，通过EOR永久封存二氧化碳，实现减排。然而，虽然深部储层与潜水层之间有相当大的物理隔离，但CO₂依然可能会通过不完整的井筒或断层泄漏，向上释放到浅层含水层甚至大气中。地质封存的风险评估需要对封存体中CO₂泄漏的情况进行定量预测。封存体安全性评价需要建立在详细的CO₂释放模拟或现场试验的基础上，如果发生了CO₂泄漏，应详细分析CO₂扩散的影响区域范围、时间尺度以及CO₂浓度等参数。同时建立一套有效的安全性评价准则，确保预测或者监测的结果能够科学客观地识别风险，是CO₂驱油封存环境安全监测及预警工作中重要的一环。

针对CO₂地质封存中的泄漏风险评价问题，中国专利文献CN109033737B(申请号201810551776.0)中公开了一种CO₂地质封存过程中泄漏风险区的评价方法，使用数值模拟方法的结果并结合盖层的破裂压力与封存体内的压力动态判断泄漏风险，并提出了盖层破裂风险区的判别公式，当CO₂封存体内局部压力≥0.95倍岩石破裂压力时即视为有泄漏风险，进而以该判别标准来确定整个封存体的泄漏风险区。该种评价方法使用的判别因子过于单一，无法很好地反映封存环境系统的特征，缺乏科学系统性。

许佩瑶等人在文章《深部咸水层CO₂地质储存安全风险评价指标体系的研究》中全面研究了CO₂地质储存中存在的各种风险因素，计算了各个风险因素的权重，最终得出了以下五个需要重视的安全风险：场地地震安全性、场地25km范围内是否有其他钻井及废弃井、盖层岩性、灌注场地与固定居民点的距离以及盖层单层厚度。然而该研究提出的五个风险因素难以量化，因此该研究结论不能很好地适用于定量的风险评价中。

赵兴雷等人在文章《神华咸水层CO₂封存监测安全评价体系的研究》中开发了CO₂地质封存过程中的多指标安全评价等级体系，并提出监测安全性评价指标的选取要遵循科学性、客观性和可操作性三个原则。文章提出的七个指标大多来源于数值模拟和监测过程，没有反映出地层信息，也没有反映出地下水流动对CO₂运移的影响，因此具有一定的局限性。

综上所述，目前对于CO₂泄漏风险评价指标体系的研究均缺乏系统性，没有一套完整的从仿真或者监测到评价指标判别风险的方法，而且评价指标的选取均无法很好地反映封存体环境的系统特征。

发明内容

本发明的目的在于针对目前CO₂泄漏风险评价缺乏系统性的问题而提供一种二氧化碳地质封存体中泄漏风险的评价方法，该评价方法不仅可以系统地评价CO₂封存体的安全性，而且可以科学分析出CO₂在封存体内发生潜在泄漏后CO₂的运移聚集动态分布及其敏感性分析，是一种集合CO₂封存体泄漏风险预测和综合评价的科学系统性方法。

本发明的技术方案为：一种二氧化碳地质封存体中泄漏风险的评价方法，包括以下步骤：

(1)收集CO₂封存体的基础地质信息：包括基础数据、测井资料、开发方案、岩心资料、分析测试数据、区域构造背景资料、地表降雨资料以及水源地勘探资料作为研究的依据和参考；

(2)地质封存体压力、CO₂质量分数动态分布模拟及CO₂羽流运移聚集动态分析：首先建立精细地质模型，反映整个封存体的地质状况，包括渗透率各向异性、地下水流动、降雨以及抽水井，根据求解问题或精度以及模拟器算力进行合理简化，即用二维模型替代三维模型以模拟对称分布问题，或者使用通过网格无关性验证之后的稀疏网格以及局部加密的方式减少网格数量；然后在0.1～10倍区间分别设置不同的泄漏速率，模拟0～500年内的CO₂质量分数的分布变化以及压力的动态变化；其中初始泄漏速率由式(1)估算得出：

其中，Y为流出系数，对于临界流Y＝1；C_d为气体泄漏系数，裂口形状为圆形时取1；A为裂口面积；P为压力；T_G为温度；M为相对分子质量，CO₂相对分子质量为44g/mol；R为气体常数，8.314J/(mol·K)；K为气体的绝热指数；

(3)进行个别因素的敏感性分析，以确定CO₂羽流的运移聚集规律：如泄漏源的数量，潜水层中的抽水井等，根据模拟结果，预测CO₂横向和垂向的扩散趋势，横向上确定潜水层中CO₂的横向扩散宽度，在一定时间内随地下水流动而迁移的距离；垂向上确定CO₂的最大扩散高度，是否突破潜水层到达包气带，若有风险泄漏到地表，确定包括浅地表的扩散范围、CO₂浓度以及深层垂直运移深度；

(4)结合指标评价体系，综合评价封存体的安全性：评价体系的指标分为浅地表特征和深层特征，浅地表特征包括CO₂浓度、最大扩散宽度、地下水流速；深层特征包括平均垂向渗透率、渗透率横纵比、垂直运移深度以及源速率；

a.基于上述步骤确定的某一时刻下评价体系中各个指标的数值，计算封存体的安全指数，计算公式如式(2)：

W_ij＝∑A_ij×X′_ij (2)

式中，W_ij为封存体的安全指数，A_ij和X′_ij分别为第i年和第j指标的权重和归一化后的数值；指标权重A_ij基于AHP确定；其中各指标不同等级的上下限值如表1所示：

表1封存体内各指标安全等级划分

续表1

归一化过程中，潜水层流速、渗透率横纵比以及垂直运移深度作为越大越安全的指标，由式(3)计算得到：

X′_ij＝(X_ij-X_j，min)/(X_j，max-X_j，min) (3)

CO₂浓度、最大扩散宽度、平均垂向渗透率以及源速率作为越小越安全的指标，由式(4)计算得到：

X″_ij＝(X_i，max-X_i，j)/(X_j，max-X_j，min) (4)

式中，X″_ij和X″_ij均为第i年和第j指标的归一化后的数值，X_j，max和X_j，min分别为第j指标的最大值与最小值；

b.将计算得出的安全指数与下述表2中的安全等级划分范围进行比对，确定封存体的安全等级；

表2封存体安全等级划分

所述步骤(2)中采用TOUGH2/TMVOC模拟器对0～500年内的CO₂质量分数的分布变化以及压力的动态变化进行模拟。

所述步骤(2)和步骤(3)以石油地质为基础，应用地下水流动数值模型以及CO₂相变模型，建立精确CO₂封存体数值模型，使用TOUGH2/TMVOC软件迭代计算，综合分析降雨、潜水层地下水流速、源速率、渗透率各向异性的变化对封存体中CO₂运移聚集趋势的影响，描述封存体内CO₂流体的活动规律。

所述步骤(4)中用于确定指标权重A_ij的AHP中层次结构模型中A层代表封存体CO₂泄露风险评价指标，B₁层代表浅地表特征，B₂层代表深层特征，C层中C₁₁代表CO₂浓度，C₁₂代表最大扩散宽度，C₁₃代表地下水流速，C₂₁代表平均垂向渗透率，C₂₂代表渗透率横纵比，C₂₃代表垂直运移深度，C₂₄代表源速率；各层评价矩阵及各指标的权重结果见表3至表5；

表3：A层安全风险因素重要性比较结果

表4：B₁层安全风险因素重要性比较结果

表5：B₂层安全风险因素重要性比较结果

表6：C层对A层的排序权重

C层安全风险因素	权重
		CO<sub>2</sub>垂直运移深度C<sub>23</sub>	0.3758
源速率C<sub>24</sub>	0.1972
		最大扩散宽度C<sub>12</sub>	0.1583
垂向渗透率(平均)C<sub>21</sub>	0.1193
		CO<sub>2</sub>浓度C<sub>11</sub>	0.0651
渗透率横纵比C<sub>22</sub>	0.0576
		地下水流速C<sub>13</sub>	0.0265

。

本发明的有益效果为：本发明所述二氧化碳地质封存体中泄漏风险的评价方法首先基于获取的地层信息，利用精细建模和数值模型，深入研究潜在的CO₂泄漏情形，由假想泄漏源开始释放CO₂之后封存体内压力以及CO₂质量分数的动态变化，分析封存体中CO₂的运移聚集规律，进行CO₂运移预测；然后分析出影响CO₂运移的主要因子，以模拟仿真结论为基础，通过综合指数分析法和层次分析法，建立封存体CO₂泄漏风险安全评价指标体系，为仿真和监测数据提供科学解释，综合评价某一时间封存体的安全性。该方法重点解决了CO₂在封存体内发生潜在泄漏后CO₂运移聚集动态分布及其敏感性分析问题以及封存体CO₂泄漏安全的系统性评价问题。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)系统性，从建模仿真到规律识别，再到指标评价，从盖层到地表，能够最大限度地反应实际封存场地的环境特征；(2)科学性，评价指标选择了影响CO₂运移聚集的主要因子，选取标准以及安全性评价的区间值均来自于仿真结果中系统的规律总结；(3)实用性，本发明通过系统的规律识别以及综合指数分析法、层次分析法处理数值模拟结果以及各种风险评价指标并最终得到安全指数，模型尺度也决定了本发明提出的思路可根据不同封存场地的差异性调整评价指标。

综上所述，该种二氧化碳地质封存体中泄漏风险的评价方法以实际地层信息及封存场地状况为基础，通过提出的封存体安全评价指标系统评估整个封存体的安全性，该方法尤其在低渗透油藏CO₂驱油封存的环境安全监测及预警过程中有重要的实用价值，是一种集合泄漏风险预测和综合评价方法。

附图说明

图1为封存体CO₂泄漏风险评价指标图表。

图2为封存体CO₂泄漏风险AHP分析结构模型。

图3为盖层与储层双层模型。

图4为盖层内CO₂扩散高度统计图表。

图5为盖层以上至地表CO₂质量分数分布图。

图6为两种地下水流速条件下CO₂的质量分数分布图。

具体实施方式

所述方法适用于CO₂地质封存过程中封存体泄漏风险的安全性评价。实例选用鄂尔多斯盆地北部化子坪油区作为CO₂地质封存点，该地区北部的靖边乔家洼油区已有CO₂封存的实施经验，且油区勘探程度高，地质资料齐全，区内井网完善，是CO₂封存的理想场所。

下面通过该实施例对本发明所述方法进行详细说明：

(1)收集CO₂封存体的基础地质信息，包括基础数据、测井资料、开发方案、岩心资料、分析测试数据、区域构造背景资料、地表降雨资料以及水源地勘探资料作为研究的依据和参考。

该油区的长6储层为CO₂的注入层位，长4+5为盖层，盖层上方一直到地表分别为长2+3层、长1层、侏罗系地层、洛河组砂岩层以及黄土层，地表平均降雨速率为2.977×10^-5kg/s，各层岩性参数如表7所示。

表7：化子坪油区地层岩性参数

(2)地质封存体压力、CO₂质量分数动态分布模拟及CO₂羽流运移聚集动态分析。

首先，根据求解问题或精度以及模拟器算力对模拟过程进行合理简化。

注意到盖层孔渗条件较差，首先判断储层内的CO₂是否会通过盖层，具体计算过程如下，首先，建立长6储层和长4+5盖层的双层模型，如图3所示。

然后，在0.1～10倍区间分别设置不同的泄漏速率，初始泄漏速率由式(1)估算得出：

其中，Y为流出系数，对于临界流Y＝1；C_d为气体泄漏系数，裂口形状为圆形时取1；A为裂口面积；P为压力；T_G为温度；M为相对分子质量，CO₂相对分子质量为44g/mol；R为气体常数，8.314J/(mol·K)；K为气体的绝热指数。

估算后确定CO₂的源速率设置为1×10^-6kg/s，5×10^-6kg/s，1×10^-5kg/s，5×10^- ⁵kg/s，模拟器使用TOUGH2/TMVOC，500年内的最大扩散高度如图4所示。

由此可以判断盖层的安全性较高，至少在500年内，CO₂不会突破盖层。

盖层以上地层，相比盖层的孔渗来说要更大，因此将长2+3至黄土层综合模拟，CO₂源设置在长2+3底部，用以模拟假如盖层出现裂缝、断层或者通过废弃的不完整井筒，CO₂突破盖层之后，在盖层以上底层的运移情况。泄漏速率同样由式估算得出，分别设置为1×10^- ⁵kg/s，5×10^-5kg/s，1×10^-4kg/s，5×10^-4kg/s，1×10^-3kg/s，模拟结果如图5所示。

(3)进行个别因素的敏感性分析，以确定CO₂羽流的运移聚集规律。选择地下水流速作为敏感性分析的因素，如图6所示，(a)，(b)分别为地下水流速为1.92×10^-7m/s和3.85×10^-7m/s的结果，地下水流速的大小对潜水层和黄土层中CO₂的运移聚集规律有较大的影响，地下水流速如果较大会直接携带CO₂沿水流方向横向运移，并削弱垂向的扩散以至于无法到达黄土层。

综合步骤(2)和步骤(3)的结果，本地区的封存体内CO₂的运移聚集主要受渗透率，CO₂源速率，地下水流速的影响，选取CO₂源速率为1×10^-4kg/s，泄漏源上方潜水层地下水流速为1.92×10^-7m/s。

(4)根据选取的指标计算安全指数。

计算100年时，封存体的安全指数，此时七个指标及数值分别为CO₂浓度为410μg/g，浅地表最大扩散宽度为0m，潜水层流速为1.92×10^-7m/s，CO₂源速率为1×10^-4kg/s，地层厚度加权的平均垂向渗透率为0.8063mD，渗透率横纵比为5，垂向运移深度为857m。

a.计算安全指数

首先，对各指标数值进行归一化，越大越安全的指标按照式(3)计算

X′_ij＝(X_ij-X_j，min)/(X_j，max-X_j，min) (3)

计算得到潜水层流速、渗透率横纵比、垂直运移深度三个指标的归一化数值分别为0.3840、0.4444、0.7142。

越小越安全的指标按照式(4)计算

X″_ij＝(X_i，max-X_i，j)/(X_j，max-X_j，min) (4)

计算得CO₂浓度、最大扩散宽度、平均垂向渗透率、源速率四个指标的归一化数值分别为1.0000、1.0000、0.6030、0.9000。

最后，按照式(2)计算安全指数

W_ij＝∑A_ij×X′_ij (2)

即SF＝1.0000×0.0651+1.0000×0.1583+0.3840×0.0265+0.9000×0.1972+0.6030×0.1193+0.4444×0.0576+0.7142×0.3758＝0.7766

参数汇总如表8

表8：封存体CO₂泄漏安全指数计算参数

b.根据表2判断封存体的安全等级

表2：封存体安全性指数范围

即100年内，若有CO₂突破盖层以1×10^-4kg/s速率泄漏，封存体处于Ⅱ级安全的状态。

Claims

1.一种二氧化碳地质封存体中泄漏风险的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

(3)进行个别因素的敏感性分析，以确定CO₂羽流的运移聚集规律：预测CO₂横向和垂向的扩散趋势，横向上确定潜水层中CO₂的横向扩散宽度，在一定时间内随地下水流动而迁移的距离；垂向上确定CO₂的最大扩散高度，若有风险泄漏到地表，确定包括浅地表的扩散范围、CO₂浓度以及深层垂直运移深度；

W_ij＝∑A_ij×X′_ij (2)

表1 封存体内各指标安全等级划分

续表1

X′_ij＝(X_ij-X_j，min)/(X_j，max-X_j，min) (3)

X″_ij＝(X_i，max-X_i,j)/(X_j,max-X_j,min) (4)

式中，X′_ij和X′_ij均为第i年和第j指标的归一化后的数值，X_j，max和X_j，min分别为第j指标的最大值与最小值；

表2 封存体安全等级划分

2.根据权利要求1所述二氧化碳地质封存体中泄漏风险的评价方法，其特征在于，所述步骤(2)中采用TOUGH2/TMVOC模拟器对0～500年内的CO₂质量分数的分布变化以及压力的动态变化进行模拟。

3.根据权利要求1所述二氧化碳地质封存体中泄漏风险的评价方法，其特征在于，所述步骤(2)和步骤(3)以石油地质为基础，应用地下水流动数值模型以及CO₂相变模型，建立精确CO₂封存体数值模型，使用TOUGH2/TMVOC软件迭代计算，综合分析降雨、潜水层地下水流速、源速率、渗透率各向异性的变化对封存体中CO₂运移聚集趋势的影响，描述封存体内CO₂流体的活动规律。

4.根据权利要求1所述二氧化碳地质封存体中泄漏风险的评价方法，其特征在于，所述步骤(4)中用于确定指标权重A_ij的AHP层次结构模型中A层代表封存体CO₂泄露风险评价指标，B₁层代表浅地表特征，B₂层代表深层特征，C层中C₁₁代表CO₂浓度，C₁₂代表最大扩散宽度，C₁₃代表地下水流速，C₂₁代表平均垂向渗透率，C₂₂代表渗透率横纵比，C₂₃代表垂直运移深度，C₂₄代表源速率；各层评价矩阵及各指标的权重结果见表3至表5；

表3：A层安全风险因素重要性比较结果

表4：B₁层安全风险因素重要性比较结果

表5：B₂层安全风险因素重要性比较结果