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考虑断层活化的CO2地质封存流体泄漏及交换机理研究

考虑断层活化的CO2地质封存流体泄漏及交换机理研究

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作者：张士岩中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

盐水层具有分布广泛、储存容量大的优势,被认为是最理想的CO地质封存场所。然而,当盐水层上方的盖层存在缺陷(废弃井、高渗区、断层等)时,封存的CO可能会发生泄漏。CO沿断层的泄漏是常见的CO泄漏方式之一。伴随CO泄漏,沿断层会发生特殊... 详细信息

盐水层具有分布广泛、储存容量大的优势,被认为是最理想的CO地质封存场所。然而,当盐水层上方的盖层存在缺陷(废弃井、高渗区、断层等)时,封存的CO可能会发生泄漏。CO沿断层的泄漏是常见的CO泄漏方式之一。伴随CO泄漏,沿断层会发生特殊的流体交换现象(包括CO泄漏、清洁水漏失、盐水逃逸)。目前,该现象很少被提及,而现象背后的机理尚未被揭示。为了揭示该流体交换机理,本文对伴随CO沿活化断层泄漏的流体交换现象展开调查。首先,本文对CO盐水层封存中的Water-Salt-CO系统进行特性分析,重点考虑Water-Salt-CO系统的相态组成和多孔介质多相流动特点,根据质量守恒建立了Water-Salt-CO系统的控制方程。同时,对断层水力特征进行分析,建立了断层水力耦合方程,并通过摩尔-库伦准则分析了断层活化的条件。其次,建立了CO沿断层泄漏的物理模型和数值模型,模型重点考虑了两个活化断层的特殊地质情境。通过调查CO、盐水、清洁水的泄漏速度,沿断层泄漏的流体交换机理被揭示。伴随CO泄漏的流体交换过程包括一个主要的流体交换和两个次要的流体交换。在这个主要的流体交换中,CO沿临近注入井的断层从盐水层向上泄漏到清洁水层,而清洁水沿远离注入井的断层从清洁水层向下泄漏到盐水层。这个主要的流体交换对CO地质封存非常不利,因为它增加了CO的泄漏速度。此外,在CO注入初期,沿临近注入井的断层,一个次要的流体交换发生。在CO泄漏一段时间后,沿远离注入井的断层,另一个次要的流体交换发生。然后,通过对比有抽采井和无抽井时的地层监测压力、CO羽流形态、流体泄漏速度、流体泄漏量的差异,CO地质封存中,抽采井设置的意义被调查。研究表明设置抽采井可以大大降低地层压力。此外,设置抽采井后,盐水层中断层附近的部分CO羽流受漏失清洁水的影响而向下迁移。从流体交换的角度看,设置抽采井虽然一定程度上增加了清洁水的漏失,然而,设置抽采井可以大大降低CO和盐水的泄漏,这对于降低清洁水层的酸化污染和咸化污染意义重大。此外,为了分析断层特性对流体交换的影响,不同断层分布、断层宽度、断层渗透下的CO羽流形态、流体泄漏速度和泄漏量被重点调查。研究表明断层分布对CO羽流形态有显著影响。当断层非对称分布时,将会出现更加显著的流体交换现象,且流体交换中清洁水的泄漏促进CO的泄漏,当断层对称分布时,将不会出现显著的流体交换现象,且在该较弱的流体交换中清洁水的泄漏抑制了CO的泄漏。对于任意一个断层,当断层宽度增加时,沿两个断层的流体交换将会加强,且对比而言,流体交换对远离注入井的断层的宽度变化更加敏感。断层渗透率对沿两个断层的流体交换有显著影响,随着断层渗透率增加,沿两个断层的流体交换呈增强趋势。最后,围绕主要的流体交换(两个断层的流体交换),本文对影响流体交换的诸多控制因素展开调查。这些因素包括盐水层渗透率、清洁水层渗透率、CO注入速度、残余CO饱和度、水平和垂直渗透率比。研究表明沿两个断层的流体交换会随着断层渗透率的增加而加剧,且与断层渗透率相比,盐水层渗透率变化对流体交换影响更为显著。当清洁水层渗透率为59 m D时,沿两个断层的流体交换最强。在这个渗透率下,清洁水层渗透率不论增加还是减小,沿两个断层的流体交换都会减弱,且渗透率减弱时影响更显著。当增加CO注入速率时,沿两个断层的流体交换将会显著增强。残余CO饱和度和渗透率比(水平和垂直)与流体泄漏速度都呈负相关,在较小的残余饱和度或渗透率比下,沿两个断层的流体交换更为显著。

关键词： CO2泄漏流体交换断层盐水逃逸清洁水漏失

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