鄂尔多斯盆地二氧化碳地质封存机理研究

鄂尔多斯盆地二氧化碳地质封存机理研究以CO2为主的温室气体效应引起了一系列全球气候变化问题：极地冰雪融化,海平面上升,物种灭绝等,无不令人触目惊心。

积极采取措施应对气候变化是目前人类共同面临的紧迫责任。

目前,CO2减排已成为人类共同关注的热点问题。

国内外研究表明,碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage,缩写为CCS)技术是能够有效减少CO2排放以应对气候变化的重要措施之一,其原理是将CO2转变成超临界态封存于地下埋存体中。

而CO2地质埋存体主要有三种：深部咸水层、枯竭油气藏和不适宜开采的煤层。

其中,深部咸水层由于其分布广泛,上部隔水层没有被过多地穿透(而油田开采时油井大量地破坏圈闭),封闭性能相对较好,总孔隙体积容量巨大等优点被认为是最具封存潜力和可实施的地质容器。

关于深部咸水层CO2封存技术已开展了很多研究和示范工程。

研究重点主要集中于CO2在深部咸水层中的运移规律、封存机理和储存潜力评估等方面,为深入研究和实施深部咸水层CO2地质储存工程奠定了一定的理论基础。

然而,不同沉积盆地、不同深部咸水层具有不同的地质条件和物理化学特征,这些差异使CO2—水—岩石相互作用因盆地储层而异,导致CO2在深部咸水层中的封存机理呈现复杂化。

神华集团CCS全流程示范工程项目所在的鄂尔多斯盆地覆盖面积为25万平方公里,是我国的第二大沉积盆地。

盆地内深部咸水层分布广泛,其中发育有多套适宜于CO2地质封存的储盖层组合,评估的CO2总封存潜力达数百亿吨,封存前景广阔。

但是由于该盆地深部咸水层中砂岩杂基含量普遍较高,矿物成分和结构成熟度普遍低,物性差,基本上是
一套低孔隙度、低渗透性的致密型储集体,这使得CO2的注入能力和长期封存能力表现出复杂性。

本论文以鄂尔多斯盆地神华集团CCS示范工程为背景,针对示范场地内三个低孔隙度低渗透性主力储层(刘家沟组、石千峰组、石盒子组),以解决实际问题为导向,主要采用数值模拟的方法深入研究了超临界CO2—水一岩石的物理化学作用及其对储层可注入性和长期封存性的影响,分析了其中重要的影响因素,揭示了鄂尔多斯盆地神华CCS示范工程中低孔渗储层CO2注入性增强的原因；阐明了鄂尔多斯盆地CO2长期封存的矿物交替转化机制,并初步预测和评估了咸水层CO2封存的注入能力和长期封存能力,可为实施深部咸水层规模化CO2地质储存工程提供科学依据和技术支持。

注入性对于实际的CO2地质封存工程是一个重要的技术和经济问题。

而孔隙度和渗透率的大小是衡量储层可注入性强弱的关键指标。

孔隙度增大可以提高储层的注入性,有利于提高储层的封存潜力及实际工程的实施；反之,则不利于CO2的注入。

针对CO2注入后引起的物理化学反应对C02注入过程中近井周围可注入性的影响问题,利用TOUGH2建立二维(2-D)径向模型对注入过程中孔隙度和渗透率的变化展开分析,得到的主要结论如下：(1)CO2注入后,三个储层均发生不同程度的盐沉淀。

盐沉淀的展布范围大小顺序为：刘家沟组≈石千峰组>石盒子组,但三个地层的盐沉淀量依次为刘家沟组>石千峰组>石盒子组。

同时,储层渗透率随着盐沉淀效应的增大而减小。

(2)根据盐沉淀影响因素的不同作用,将其分为形状影响因素和质量影响因素,其中形状影响因素是指能够改变盐沉淀空间分布的因素,主要包括注入速率、地层埋深和孔隙度；而质量影
响因素是指影响盐沉淀量大小的因素,如盐度、渗透率和残余水饱和度。

另外,有些因素既是形状影响因素又是质量影响因素,如渗透率和残余水饱和度。

(3)注入阶段,C02-水-岩石相互作用使各储层孔隙度随着时间的推移逐渐增大,变化范围与CO2迁移范围一致,但非均匀分布。

刘家沟组孔隙度变化最为平缓,石盒子组变化增幅最大,孔隙度和渗透率的改变与初始和次生矿物的溶解和沉淀直接相关。

(4)鄂尔多斯盆地神华CCS示范项目CO2注入过程中储层注入能力提高是因为储层中方解石和白云石的溶解,其中白云石是引起储层孔隙度变大的最关键性矿物；当方解石和白云石同时存在时,白云石的溶解会抑制方解石的溶解,并促进方解石沉淀：奥长石的溶解也会改善储层的孔隙结构,但主要位于C02-咸水两相区,而奥长石的存在会抑制白云石的溶解,不利于近井区域储层注入性的提升；高温高压环境有利于白云石等矿物的溶解,对储层的注入性具有积极作用。

(5)在未考虑C02-水-岩石相互作用的影响下,三个储层的注入能力依次为：石千峰组>石盒子组>刘家沟组,其中刘家沟组的注入能力较前两组相差很大。

对于超临界C02—水—储层岩石的地球化学过程及可封存性研究,结合三个主要注入层的地质特征,以示范工程实际灌注参数开展单井注入CO2的模拟研究,以分析储层中的地球化学过程为主要线索,刻画了不同C02捕集形式(水动力捕集、溶解捕集、矿物捕集)随时空推移的演化模式,考察了深部咸水层水化学变化和岩石矿物溶解沉淀过程,以及所导致的孔隙度、渗透率变化,确定C02长期封存的固碳矿物,并与自然类比物进行对比,评估其封存能力。

研究结果及结论如下：(1)起主导作用的C02捕集机制随着时间而发生变化。

注入结束时(3年),三个储层中C02气体捕集比例达到80%以上。

随着时间的推移,C02逐渐在地层水中溶解,C02气体捕集量逐渐减小,同时,部分溶解的C02生成了碳酸盐矿物,形成矿物捕集。

不同储层捕集机制的变化也存在较大差异,大约500年时,刘家沟组CO2的矿物捕集量与其气体捕集量相当,石千峰组次之,而石盒子组转化最为缓慢,直至近2000年,两者才基本相等。

其中刘家沟组和石千峰组10000年后CO2矿物捕集量最大可以达到28kg/m3介质。

(2)CO2注入后,系统中溶解的矿物主要有奥长石、绿泥石、白云石、伊利石和钙蒙脱石。

由于不同储层的初始矿物组成及含量不同,故溶解性矿物也存在差异,其中刘家沟组主要以奥长石和绿泥石溶解为主,而石盒子组主要溶解矿物为奥长石和白云石,后期夹杂少量钙蒙脱石,石千峰组中以奥长石溶解为主,伊利石前期处于溶解状态,后期开始沉淀。

(3)刘家沟组的固碳矿物组合为方解石+片钠铝石+菱铁矿,石千峰组为方解石+片钠铝石,石盒子组为方解石+片钠铝石+菱镁矿。

通过封存能力计算,得出三个储层中方解石是主要的稳定矿物,10000年时,均超过各自储层固碳矿物的50%,其中刘家沟组超过80%。

(4)注入初期,碳酸盐矿物(白云石、方解石)和长石矿物(奥长石)的溶解增大了石千峰组和石盒子组储层孔隙度。

这有利于减小因CO2注入引起的压力累积,从而提高注入性。

而刘家沟组孔隙度在模拟初期的变化并不明显。

随着CO2-水一岩石相互作用的进行,三个储层的孔隙度从不同的时间开始减小,其中刘家沟组孔隙度的减小出现在1000年左右,石千峰组和石盒子组分别出现在100年和500年。

长时间内,储层孔隙度的减小是因为注入的CO2附加到固体基质中产生次生碳酸盐矿物使得矿物的沉淀量大于溶解量所致。

这限制了CO2的迁移,增加了CO2与地层水、岩石矿物的接触反应时间,有利于CO2的矿物捕集。

CO2咸水层封存是一个复杂的水文地球化学作用过程,CO2注入到咸水层后增加了溶液的酸度,打破了已有的平衡,引起碳酸盐和硅铝酸盐的各种地球化学变化。

在长期CO2-水-岩石相互作用过程中可以形成含有Ca2+、Mg2+、Fe2+、Na+、Al3+(AlO2-)的碳酸盐矿物,使C02得以长期固定下来。

为弄清CO2长期封存的影响因素及机制,分析了不同因素(矿物组成,储层物性条件)对CO2-水-岩石长期相互作用过程的影响,确定了主要影响因素及关键性矿物,并对其进行了敏感性分析,得到的主要结论如下：(1)温度、孔隙度、储层厚度、渗透率等物性参数是咸水层CO2长期封存的主要影响因素。

高毛细压较低毛细压使CO2羽的分布更为均匀,有利于CO2矿物捕集。

储层水平方向渗透率相同时,垂向渗透率较之越小,越有利于CO2溶解捕集和矿物捕集。

(2)通过计算量化矿物捕集量对于每个物性参数的平均敏感度,根据平均敏感度对刘家沟组、石千峰组和石盒子组三个储层的实际物性条件进行预测评估,得出评价值分别为6.5260,81.0883和88.0387,与这三个储层的矿物捕集量6.12×108kg、9.57×108kg和1.09×109kg的排序一致。

(3)整体改变反应表面积或动力学速率常数会影响整个系统的地球化学反应进程,改变了CO2-水一岩石相互作用的时间尺度,进而导致最终固碳矿物量的差异。

(4)固碳矿物沉淀所需的阳离子来源于对应特定矿物的溶解所提供,当对应特定矿物或其替代者不存在时,对应固碳矿物则不能生成。

例如：绿泥石是CO2长期封存中的关键矿物,其直接为固碳矿物铁白云石和菱铁矿提供Fe2+,片钠铝
石沉淀所需的Na+则是由钠长石或奥长石直接提供。

另外,当初始矿物中奥长石和方解石共存时,奥长石会抑制方解石的溶解。

(5)CO2注入到深部咸水含水层后干扰了系统的初始平衡,导致一系列碳酸盐和硅铝酸盐矿物的溶解与沉淀。

在这个过程中,CO2可以通过原生碳酸盐矿物如方解石等或次生碳酸盐矿物如铁白云石、菱镁矿、菱铁矿和片钠铝石的沉淀而被固定。

此类碳酸盐矿物的基本组成成分Ca2+、Mg2+、Fe2+和Na+,主要是由方解石、钠长石(或奥长石)和绿泥石溶解提供。

同时,大多数来自硅铝酸盐的Al3+(AlO2-)和SiO2(aq)被粘土矿物如伊利石和蒙脱石的沉淀所消耗。

而高岭石是一个过渡相,经过几千年的反应后,最终几乎全部被伊利石所取代。