盐水层CO_(2)封存稳定性评价指标建立及储层优选

盐水层中CO_(2)封存被认为是缓解温室效应的主要途径,而CO_(2)长期封存的稳定性受储层和注入参数的影响,目前评价盐水层CO_(2)长期封存稳定性仍缺乏统一的指标.为实现盐水层CO_(2)长期封存稳定性评价,优选能够实现CO_(2)稳定封存的储层和注气强度,提出将封存量和转化速率(或封存速率)作为CO_(2)长期封存稳定性的因素指标.考虑主控因素,基于数值模拟和非线性多元回归分析,结合变异系数法,建立CO_(2)不同封存方式长期封存稳定性的评价指标.利用专家赋权法确定构造、残余、溶解和矿化4种封存方式的权重,建立综合考虑4种封存方式的CO_(2)长期封存稳定性的评价指标,并对CO_(2)封存评价指标划分为较稳定、稳定和不稳定3个等级,实现矿场特定储层及注气强度下的CO_(2)封存稳定性评价.同时,建立储层参数及注入参数影响下的CO_(2)长期封存稳定性评价指标图版,对优选适合CO_(2)长期稳定封存的盐水层具有参考价值.

三河尖关闭煤矿煤层CO_(2)封存潜力研究

关闭煤矿煤层CO_(2)地质封存是CO_(2)封存的重要方式之一,也是短期内实现碳减排指标的有效手段之一。以江苏省徐州市三河尖关闭煤矿为例,分析了已采7号煤和9号煤的煤岩煤质特征,统计了剩余煤炭资源储量,运用模糊综合评价法,选取了稳定系数、上覆岩层性质、地质构造复杂程度、地下水指标、封存煤层压温比、封存煤层深厚比、封存煤层渗透率、采空塌陷程度和其他因素等9个主要影响因素指标对7号煤和9号煤封存CO_(2)稳定性进行评价,建立关闭煤矿煤层CO_(2)封存评价方法并评估CO_(2)封存潜力。结果表明,三河尖关闭煤矿7号煤和9号煤剩余储量较大,CO_(2)封存稳定性综合评价结果分别为86.209和87.698,评价等级均为较稳定,封存潜力较高。根据建立的关闭煤矿煤层CO_(2)封存评价方法,计算获得三河尖关闭煤矿7号和9号煤层CO_(2)理论封存量分别为207.6 Mt和80.9 Mt,并据此划分封存有利区为有利区、较有利区和不利区3个等级。研究可为关闭煤矿煤层CO_(2)封存研究提供基础依据。

CO_(2)-EOR过程中油藏储层构造封存能力的模拟

为应对日益严峻的能源危机和温室效应,CO_(2)提高采收率技术脱颖而出,因此CO_(2)提高采收率后的地质封存安全性和相应的封存能力评估引起了广泛关注。借助数值模拟方法,基于吉林油田某区块油藏的实际储层条件,构建了注入CO_(2)含量为10%~90%的9个模型,分别探究了含水饱和度为30%,50%和90%以及储层压力为10 MPa,20 MPa和30 MPa时油藏各相组分的分布规律;基于前人对封存CO_(2)安全储存状态划分的研究,最终明确了CO_(2)的安全封存量。结果表明:1)当含水饱和度(30%)和压力(10 MPa)一定时,增加CO_(2)含量(10%~90%)可大幅提高CO_(2)的有效封存体积分数(26%~93%);2)压力的提升(10~30 MPa)促进了CO_(2)在油相中的溶解,从而略微降低了储层的封存能力(18%~7%);3)含水饱和度对储层封存CO_(2)的能力的影响微乎其微。该研究旨在阐明不同条件下CO_(2)的构造埋存量,为相关研究提供借鉴。

枯竭油气藏储集库储热供暖耦合CO_(2)封存性能分析

利用枯竭油气藏储存热能并封存CO_(2),既可解决太阳能跨季节储热难题,又可扩大可再生能源供暖占比,同时还可提高CO_(2)地质封存的经济性。提出了枯竭油气藏储热供暖耦合CO_(2)封存的新方案,以CO_(2)作为循环工质,夏季吸收太阳热量储存于油气藏背斜构造中,而冬季取出供暖,建立了储释能过程的数学模型,重点分析了枯竭油气藏储能系统热工性能和CO_(2)封存性能。结果表明:(1)新方案储能系统热工性能优异。单井平均采热功率4808.95 kW,每个采暖季可有效利用的平均储热量49859.21 GJ,平均能量储存密度28984.23 kJ/m^(3)。(2)CO_(2)密度对温度敏感的特性降低了热损失,提高了系统效率。枯竭油气藏储能系统平均能量回收效率95.84%,平均热回收效率83.66%。(3)储能加速了CO_(2)溶解。储释能过程中周期性的注入和采出工作气导致气液界面反复膨胀收缩,增加了气水接触面积,提高了传质动力,加速了CO_(2)在水中的溶解。对比储能模式和仅CO_(2)封存模式,CO_(2)溶解比例增量由0.26%上升至2.22%。枯竭油气藏储热供暖耦合CO_(2)封存新方案既有优异的热工性能,又加速了CO_(2)的地质封存,是一种高值化的枯竭油气藏利用和可再生能源供暖方案,具有大规模推广应用的潜力。

CO_(2)地质封存与利用环境下水泥单矿C_(2)S的腐蚀速率

在CO_(2)地质封存和利用过程中,固井水泥容易与井下的酸性介质CO_(2)发生碳酸化反应,腐蚀固井水泥石造成水泥石力学性能大幅度衰退。针对水泥石单矿C_(2)S在CO_(2)地质封存和利用环境中腐蚀反应速率不清晰的问题,通过SEM、XRD以及TG的测试方法,定量分析C_(2)S腐蚀产物的变化规律。根据腐蚀产物CaCO_(3)的摩尔生成率和非稳态扩散渗透模型拟合得到腐蚀反应产物CaCO_(3)的生成系数α。SEM实验结果表明,腐蚀反应后C_(2)S水泥单矿颗粒的表面均有较大改变,生成了部分腐蚀产物CaCO_(3);XRD结果表明,单矿C_(2)S腐蚀产物CaCO_(3)的晶型主要有方解石和文石;TG测试结果表明,C_(2)S水泥单矿随着腐蚀龄期的增加,腐蚀产物的量均明显增加。拟合结果表明,C_(2)S腐蚀产物生成速率随着温度的升高而增大,90℃下CaCO_(3)腐蚀产物的生成速率系数α最大为54.90。

采空区碳封存条件下CO_(2)-水界面特性及溶解传质规律

采空区CO_(2)封存作为解决煤炭行业碳排放难题的重要负碳技术储备,在采空区废弃资源二次利用、CO_(2)封存等方面具有广泛的应用前景。利用原位界面张力测定仪开展了不同温压、地层水矿化度及阳离子溶液类型对CO_(2)地层水系统的界面张力(IFT)影响规律实验,明晰了CO_(2)注入含水碎胀煤岩体中的气液界面扩散效应,并将基于统计缔合理论结合兰纳−琼斯势能模型的状态方程(SAFT-LJ状态方程)与密度梯度理论(DGT)结合预测了IFT理论值;利用自主研发的地质封存地化反应模拟实验平台对相同条件下的CO_(2)溶解性进行了探究实验,得到了采空区储层环境下CO_(2)溶解度变化特征,采用D-S模型计算了对应CO_(2)溶解度理论值。实验结果表明:环境温度一定时,采空区储层压力与IFT呈线性负相关关系,储层温度升高,IFT相应增加,但变化幅度较小;温压条件一定时,矿化度与IFT存在正相关性,且在本实验范围内,低压、高温、高矿化度会促使IFT升高;CO_(2)−盐溶液之间的IFT呈现出随着阳离子价态升高而增大的现象(K^(+)<Na^(+)<Ca^(2+)<Mg^(2+));采空区储层压力与CO_(2)溶解度呈正相关关系,当温度为25℃、纯水条件下,压力由0.5 MPa增至2.5 MPa,对应CO_(2)溶解度由0.1627 mol/kg升至0.7141 mol/kg;CO_(2)溶解度随着温度与矿化度的升高而降低;相同质量分数下,一价阳离子溶液(NaCl、KCl)比二价阳离子溶液(CaCl_(2)、MgCl_(2))可溶解更多的CO_(2)。注入采空区中的游离相CO_(2)克服界面张力通过扩散溶解传质作用打破了采空区地层的地球化学平衡,通过明确环境温压条件、采空区水环境对IFT及CO_(2)溶解度的影响规律,阐明CO_(2)地层水气液界面效应及溶解传质机理,以期为采空区CO_(2)封存安全性及封存量评估提供理论基础。

不同地质体中CO_(2)封存研究进展

碳捕集、利用与封存(CCUS)技术是降低二氧化碳(CO_(2))排放、缓解气候变化问题的重要措施。作为CCUS技术的重要组成部分,CO_(2)地质封存是我国能源工业领域实现碳中和目标的“兜底”技术。常见的CO_(2)封存地质体包括深部咸水层、枯竭油气藏、深部不可采煤层和玄武岩等,不同地质体中CO_(2)的封存过程及其机理存在差异。综述了不同地质体中的CO_(2)封存机理、国际国内CO_(2)封存的主要工程实例以及不同地质体中CO_(2)封存潜力的计算方法,并对CO_(2)地质封存的前景进行了展望。

枯竭型酸性气藏封存CO_(2)过程中的油管腐蚀行为及选材

为了研究不同材质油管钢在枯竭型酸性油气藏CO_(2)封存工况下的腐蚀行为,优选出适用性好的钢材,采用高温高压釜模拟CO_(2)封存工况,在不同CO_(2)分压(5、8、11 MPa)条件下,对N80钢、L80-13Cr钢和BG2532钢进行腐蚀失重测试,从腐蚀速率、腐蚀产物微观形貌和局部腐蚀深度进行研究,并对油管进行腐蚀寿命预测。结果表明:在模拟工况下N80钢、L80-13Cr钢和BG2532钢的腐蚀速率都随着CO_(2)分压的升高而增大,N80钢腐蚀速率为0.0674~0.0979 mm/a,L80-13Cr钢腐蚀速率为0.0227~0.0277 mm/a,BG2532钢腐蚀速率为0.0013~0.0029 mm/a;3种钢材的腐蚀产物主要为立方体状的FeCO3和少量的FeS,且随分压的升高,腐蚀产物逐渐增多并出现融合现象;N80钢主要表现为均匀腐蚀,而L80-13Cr钢出现点蚀,穿孔年限为5 a左右;N80钢的剩余抗拉强度和抗拉安全系数随服役年限的增长而降低,安全服役年限为27 a。研究成果为枯竭型酸性油气藏CO_(2)封存井油管选材提供依据。

海洋CO_(2)水合物封存基础性研究进展

系统探讨了CO_(2)水合物在海水环境中的热力学和动力学,特别关注盐度对水合物形成和稳定性的影响。通过综合分析现有文献,讨论了海水的温度、压力、盐度等因素对CO_(2)水合物的形成和稳定性的影响。阐述了几种常见的盐水体系下CO_(2)水合物的相平衡条件模型,总结了海水环境CO_(2)水合物形成速率与稳定性的影响,归纳出不同盐离子对CO_(2)水合物形成的抑制作用。最后,对近年来海水CO_(2)水合物封存进行评估与总结,指出目前主要问题在于海水海泥体系中CO_(2)水合物研究还不够充分,未来研究方向应主要围绕海泥作为多孔介质可以替代水合物形成促进剂展开,以期为CO_(2)水合物海洋封存技术的工业化应用和CO_(2)水合物的研究提供参考。

咸水层CO_(2)地质封存研究进展及前景展望

针对全球变暖问题,众多国家在巴黎气候变化大会上签署的协定为后续碳排放和控制气温上升提供了新思路。碳捕集、利用与封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)是处理过度排放CO_(2)的方法之一。作为CO_(2)封存方法之一,咸水层封存具有储层分布广、与碳排放源匹配性好、封存潜力大、环境影响小的特点。本文从咸水层封存中的构造、毛细管、溶解和矿化封存这4种主要机理出发,从盖层地质条件、储层物性参数、CO_(2)纯度、封存操作4种主控因素入手,结合全球应用咸水层进行CO_(2)封存的工程项目案例,通过分析和对比全球咸水层封存项目实施的地质构造背景、封存过程、封存潜力以及环境监测方法等,总结适宜CO_(2)封存的地点和合适的监测机制,以期为中国咸水层CO_(2)地质封存工作提供借鉴。

延长石油CO_(2)捕集与封存技术及实践

延长石油创新将煤化工CO_(2)捕集与油藏CO_(2)封存相结合,实现了煤炭清洁利用、碳减排和原油增产等多重效益,探索形成了一条煤化工产业低碳发展的新路径。系统阐述了延长石油CCUS全流程一体化技术及矿场实践,形成了煤化工低温甲醇洗低成本CO_(2)捕集技术,捕集成本105元/t,捕集示范规模30万t/a;建立了CO_(2)封存选址及潜力评价方法,评价油田CO_(2)理论封存量为8.84×10~8 t,封存适宜区主要分布在油田西部;揭示了跨时间尺度油藏CO_(2)封存状态演变规律,水气交替注入情景下CO_(2)封存10年和100年对应的构造、束缚、溶解和矿化封存量占比分别为24.38%、27.19%、48.38%、0.05%和15.09%、38.65%、45.77%、0.49%;创建了盖层封闭性评价方法,明确化子坪CO_(2)封存试验区长4+5盖层主要为Ⅰ、Ⅱ类;构建了“三位一体”CO_(2)安全监测体系,监测未发现CO_(2)地质泄漏,封存安全等级为Ⅰ级,矿场实现CO_(2)安全有效封存10.12×10~4 t。煤化工CO_(2)捕集与油藏CO_(2)封存矿场实践取得了良好的碳减排与原油增产效果,相关创新技术应用前景较为广阔。

CO_(2)封存井筒密封性及强化方法

考虑CO_(2)封存井筒的实际服役环境,基于有限元方法建立了含水泥腐蚀层的井筒屏障模型,模拟了水泥塞-地层界面微环隙发育过程,厘清了流体驱动下微环隙扩展机制及主控因素,提出了井筒密封性强化方法。模拟结果表明:超临界CO_(2)聚积会引起水泥胶结面应力改变,当界面处应力由压应力转为拉应力,且应力值高于界面胶结强度时,井筒便会产生微环隙;若水泥腐蚀后腐蚀层刚度、界面胶结强度下降,则井筒密封能力下降;膨胀性添加剂可提高胶结面初始压应力,进而增强井筒密封性。当水泥塞膨胀率为0.5‰时,微环隙扩展压力上升43.7%,微环隙长度下降了42.7%,井筒密封性得到显著增强。

气藏注CO_(2)提高采收率及封存评价方法研究进展

CO_(2)利用与封存是CCUS的两个重要环节,其中CO_(2)-EGR技术对于实现绿色碳减排与天然气增产的双重目标具有巨大的发展潜力。梳理了CO_(2)提高天然气采收率及封存机理、CO_(2)提高天然气采收率及封存的潜力与评价方法。结果表明:CO_(2)提高天然气采收率机理主要为:物性差异、竞争吸附及筛滤置换作用、连续对流排驱作用、恢复气藏压力与抑制水侵作用以及储层溶蚀改造作用;CO_(2)气藏封存机理包括构造封存、残余气封存、溶解封存以及矿化封存;CO_(2)提高天然气采收率评价方法有数值模拟评价、理论评价、物理实验评价;气藏CO_(2)封存评价方法包括有效容积法、物质平衡法、数值模拟评价、理论评价等;尽管CO_(2)提高天然气藏采收率及封存评价方法已初步建立,但适用范围仍较小,需要结合中国天然气藏地质特征进一步完善,提高封存评价准确性。

咸水层CO_(2)封存注入阶段盖层泄漏风险的数值模拟

为探究CO_(2)封存过程盖层封闭性变化,以某区块咸水层为研究背景,在数值模拟的基础上,以盖层密封性和力学完整性损伤研究为主线,基于两相渗流理论,建立了气-水-固多场耦合模型,通过改变注气速率和总量,对储层流体运移规律、盖层密封性和力学完整性变化进行研究。结果表明:随着与注入井径向距离的增加,CO_(2)-盐水界面形状逐渐垂向增加,泄漏量与注气总量和注气速率相关;通常在盖层力学失效前,盖层密封性就已经受到破坏,拉伤区通常先发生在注射孔周围。

考虑封存机理的低渗透油藏CO_(2)驱油与封存注采参数敏感性分析

低渗透油藏采用CO_(2)驱油,既可以提高油气采收率,又能实现CO_(2)地质封存。基于CO_(2)封存机理,采用数值模拟方法,建立了考虑CO_(2)构造封存、束缚封存和溶解封存的驱油与封存机理模型,研究在连续注气开发和水气交替注入开发下,不同注采参数(注水年限、CO_(2)注入速度、注采比、生产井井底流压下限、注入井井底流压上限、循环次数和气水段塞比)对低渗透油藏CO_(2)驱油采收率与CO_(2)封存效率的敏感性。结果表明:CO_(2)封存机理会对CO_(2)驱油以及CO_(2)封存造成很大的影响。连续注气开发时,CO_(2)束缚封存有利于驱油,但对CO_(2)封存影响不大;CO_(2)溶解封存不利于CO_(2)驱油,但是有利于CO_(2)封存。水气交替注入开发时,CO_(2)封存机理不利于CO_(2)驱油,但是对CO_(2)封存有促进作用。研究结果可揭示不同CO_(2)注入方式下,封存机理对驱油与封存的影响规律。

高含水油藏CO_(2)驱油与封存联合优化研究

为实现高含水油藏CO_(2)驱采收率最高、CO_(2)封存量最大的多重目的,考虑CO_(2)注入成本、驱油及封存收益等指标,建立基于经济净现值(NPV)的高含水油藏CO_(2)驱油与封存联合优化目标函数,结合油藏数值模拟方法,运用随机扰动近似梯度算法(SPSA)对优化目标函数进行迭代求解。以胜利油田某高含水油藏为例,根据不同时刻油藏含水率不同的特点,设置不同转注CO_(2)时机,分别开展注水和注CO_(2)方案优化,对比2种注入方式下生产动态及NPV差异,分析注CO_(2)时机对累积产油量及CO_(2)封存量的影响,并确定最优转注CO_(2)时机;此外,设置不同CO_(2)注入价格、封存补贴方案,分析其对经济效益的影响。研究结果显示,为使高含水油藏CO_(2)驱项目盈利,转注时含水率应低于0.97;当CO_(2)注入价格为1.2元/m^(3),封存补贴为0.114元/m3时,高含水油藏转注CO_(2)时机越早,收益越高。

废弃采空区封存CO_(2)地表形变特征模拟研究

为探究超临界CO_(2)注入废弃采空区引起的地表形变特征,利用FLAC3D模拟研究了地表形变一般特征与演变过程,并从形变范围、形变量等5个方面探讨了孔隙率、CO_(2)注入速率和封存深度对地表形变特征的影响。结果表明:CO_(2)注入废弃采空区后引起的地表形变呈“倒碗”形隆起形态,并经历孕育阶段、活跃阶段和稳定阶段的演变过程;随着地表点远离采空区,其在孕育阶段和稳定阶段的位移量占比逐渐增大;地表变形范围随着CO_(2)封存深度的增加明显减小,受孔隙率和CO_(2)注入速率变化影响较小;地表位移量随着孔隙率和CO_(2)封存深度的增大而逐渐减小,受CO_(2)注入速率变化影响较小;地表形变持续时间与孔隙率和CO_(2)注入速率正相关,与CO_(2)封存深度负相关;地表点在孕育阶段和稳定阶段的位移量占比与所需时步数与孔隙率和封存深度正相关,与CO_(2)注入速率负相关。

胜利馆下段咸水层CO_(2)封存规律

咸水层是最具潜力的CO_(2)地质封存场所,实施咸水层CCS工程是实现双碳目标的重要途径。针对胜利油田馆下段咸水层垂向非均质性强、隔夹层发育的特点,通过数值模拟研究不同射孔层位、垂向非均质性和隔夹层渗透率对CO_(2)封存规律的影响。结果表明:1砂组射孔CO_(2)扩散范围更大、平均地层压力更低,最终溶解封存与矿化封存量比例更高;随着垂向渗透率级差增大,CO_(2)扩散范围增大、平均地层压力降低,溶解封存与矿化封存量比例增加;在馆下段地层条件下,隔夹层有效封隔CO_(2)的渗透率界限为0.1×10^(-3)μm^(2)。因此胜利馆下段咸水层垂向非均质有利于封存,隔层渗透率约为0.06×10^(-3)μm^(2)具备良好的封隔能力,是理想的咸水层CO_(2)封存场所。

SCCO_(2)作用下不同含水性煤孔裂隙结构变化机制

深部煤层封存CO_(2)增产CH_(4)产出过程中,处于超临界状态的CO_(2)(SCCO_(2))与煤中矿物质发生反应,改变煤的孔隙性,进而影响煤层封存CO_(2)的效果和甲烷增产效果。为发现SCCO_(2)–H_(2)O–煤岩作用对煤中孔隙的影响特征,以焦煤为研究对象,开展了不同含水条件下的超临界CO_(2)改造煤实验,基于矿物组成和孔隙性测定结果,对比煤中主要矿物质和不同尺度的孔裂隙变化的差异,探讨了不同含水状态下SCCO_(2)流体对孔裂隙性的作用机制。研究表明:①SCCO_(2)作用后,煤体表面粗糙、疏松,且由于矿物溶蚀使得一些裂隙得到贯通,微裂隙连通性增强。②SCCO_(2)流体对煤具有“扩孔”作用,表现为微、小孔含量下降,中、大孔占比升高,也即微、小孔隙向大孔隙的转化,且孔隙连通性改善;进一步发现,萃余煤吸附孔的分形维数稍微增加,粗糙度增大,而渗流孔的分形维数显著降低,复杂性和非均质性降低。③SCCO_(2)对煤中碳酸盐类矿物的溶解性最好,其次是黏土矿物,且随着含水率增加,萃余煤中的碳酸盐矿物占比先增加后减小。SCCO_(2)使干燥基态、饱和水态煤样中碳酸盐矿物显著溶解,有效改善了孔隙结构,且对饱和水态煤样作用效果更好。空气干燥基态煤样经SCCO_(2)作用后,新生成的白云石矿物聚集在孔喉中造成堵孔效应,缩小原有大孔隙尺寸,是引起不同含水性煤孔隙差异性变化的主要原因。

基于功能性充填的CO_(2)储库构筑与封存方法探索

“30·60双碳”目标是事关人类命运共同体的重大战略决策,也是推进煤炭行业转型升级与高质量发展的风向标。煤炭作为高碳化石能源的提供者,在生产和消费过程中带来的大宗固废堆存、大型采空区形成和高碳排放等问题,是制约煤炭可持续开发利用与绿色健康发展的关键所在。秉持“变害为利”、“从哪来到哪去”原则,寻求资源高效回收、固废规模化处置、采空区再利用与CO_(2)封存的有机结合点,提出基于功能性充填的CO_(2)储库构筑与封存方法学术构想,探索“功能性充填材料制备→功能性充填与CO_(2)封存储库构筑→CO_(2)物理与化学协同封存→CO_(2)封存安全及环境风险评价”的CO_(2)封存新途径。具体开展工作包括:①创新了镁渣源头改性技术,研发了新型改性镁渣基矿用胶凝材料和CO_(2)封存用功能性充填材料;②提出了短-长壁充填无煤柱开采方法,初步构筑满足稳定性要求的CO_(2)封存空间,结合功能性充填理论与技术,进一步构筑满足密封性要求的CO_(2)封存储库,阐述了储库的结构及参数、工作原理;③提出了CO_(2)储库封存物理-化学协同技术途径,根据开采深度不同物理封存技术途径分为浅-中深部低压CO_(2)储库封存和深部超临界CO_(2)储层封存,揭示了碱性固废CO_(2)化学封存机制;④梳理了功能性充填的CO_(2)封存安全及环境风险评价指标体系,给出了CO_(2)封存安全性能及环境性能的评价方法。矿山功能性充填的CO_(2)封存技术的提出,为CO_(2)封存提供了新思路。基于封存材料、封存储库、封存机理与封存评价,形成了利用固废充填技术实现矿山CO_(2)封存的理论与技术构想。