最优化CO2地质储存方式—通过注入油藏深部咸水含水层实现.doc

通过注入油藏深部咸水层优化二氧化碳地质储存* 翻译：王春；校对：佟元清 【摘 要】本文研究目的旨在提供一种最优的二氧化碳（CO2）地质储存实例——注入二氧化碳并储存于油藏下深部咸水层。这即包含油藏中油水接触面(OWC)之下的单独咸水层（该储层在现有二氧化碳存储容量评估中常被忽略），也包括油藏下部的高孔隙度、高渗透性的咸水层。这是一种非常特殊的注入目标层，这种咸水层具有相当大的二氧化碳存储能力，我们推断在美国绝大多数油藏盆地内均存在大量此类地层。本研究主要目的是评估这种假定的可行性。通过试验测试不同含盐度、温度、压力条件下二氧化碳、二氧化碳-油以及二氧化碳-咸水的热物理参数，定量对比油藏和咸水层中的二氧化碳特性。此外，我们对比重系数(N)的分布和迁移性比率(M)进行了对比。其中：N用于描述浮力驱动二氧化碳的趋势；M用于描述二氧化碳在油藏和咸水层中迁移受阻的情况。本研究介绍了油藏/咸水层中二氧化碳注入的优缺点，包括以下方面：(1) 二氧化碳在油中的溶解度明显高于咸水（超出约30倍）；(2) 油藏中二氧化碳浮力驱动迁移趋势较弱，其原因是与咸水和油的密度差相比，二氧化碳与油的密度差较小（二氧化碳与原油密度差约100kg/m3，二氧化碳与咸水的密度差约350kg/m3）；(3) 由二氧化碳溶解所造成的油或咸水密度增量并不明显（约7～15kg/m3）；(4) 二氧化碳的溶解会使油的粘滞性显著下降（从5,790降至98mPa s）。我们通过数值模拟计算并对比这些关键参数和过程。模拟结果表明，油藏下深咸水层的二氧化碳注入降低了二氧化碳浮力驱动的迁移率。同时，与传统深部咸水层二氧化碳注入相比（即二氧化碳注入非油藏以下的咸水层），这种方案使二氧化碳迁移率达到最小值。最终，从实践和场地应用层面看，我们将储油地层和层厚（储量）作为西南地区碳储存合作组织(SWP)场地部署的一部分，场地试验选址包括美国犹他州、新墨西哥州、怀俄明州和德克萨斯州州西部等区域。 【关键词】二氧化碳储存 咸水 油 多相流体 全球变暖 1 前言 有足够证据表明最近100年来地球温度不断上升，人类向大气中排放的二氧化碳是重要原因之一。基于此原因，有关专家建议有必要减少二氧化碳排放量（约每年7.1×109t）以减缓地球温度的升高。为了实现这个目标，许多国家已同意执行1997年联合国气候框架会议起草的京都议定书的相关规定，就温室气体减排已达成国际共识。 然而，由于碳排放涉及地球能源和经济可持续发展，二氧化碳减排并不是一个简单的问题。研究表明，二氧化碳减排途径包括如下：(a) 利用非碳能源（例如核能和氢）代替含碳能源；(b) 使用更多的可再生能源，例如光能、风能、潮汐能和地热能等；(c) 捕获二氧化碳并将其储存于地层中。在这些观点中，将二氧化碳储存于地层中更具有说服力，其原因有三：(a) 能够在短期内实现二氧化碳减排量的任务目标；(b) 成本相对较低；(c) 所需技术已被油、气、废物处理工业等实现。例如，1996～2004年间，把约8,000,000t二氧化碳成功注入挪威Sleipner地区；到2004年，把约3,400,000t二氧化碳被注入加拿大Weyburn场地。此外，出于提高油田采收率的原因，二氧化碳已注入多处油藏中。在世界范围内，二氧化碳用于提高油田采收率的应用实例为420个场地。 在考虑经济和技术问题之后，我们有理由预计，在短期内二氧化碳地质储存是减缓全球变暖最直接、最有效的方法。在二氧化碳地质储存的多种方法中，本研究着重考虑油藏和咸水层中的二氧化碳注入。此处我们假定，二氧化碳注入并储存于油藏下部咸水层是沉积盆地中二氧化碳储存的最佳方式。这个特殊的储存目标层包含两类：第一类为油藏中油水接触面(OWC)下单独咸水层，这也是现有储存容量评价中常常忽视的储层，第二类是油藏正下方的高孔隙度、高矿化度咸水层，尤其指中间不含其它盖层的储层。出于简便考虑，我们将该注入方案简写为“CSBOR”，代表油藏下部的二氧化碳储存。 本研究目的是定量评估CSBOR是否为最佳存储方式。具体研究方法为定量分析二氧化碳、二氧化碳-咸水以及二氧化碳-原油的热物理参数，并将CSBOR方案与传统二氧化碳注入（把二氧化碳注入非油藏下部咸水层）做数值对比。对比结果表明，在CSBOR方案中二氧化碳捕获机理的有效性高于传统深部咸水层二氧化碳注入；CSBOR方案中浮力驱动二氧化碳迁移的机理被削弱。此外，我们通过不同状态方程和实验数据对比了临界相二氧化碳的浮力驱动迁移，溶解于流体中的二氧化碳的重力储存以及粘性效果问题。这些对比结果为二氧化碳浮力驱动迁移趋势提供了一种快速、简洁的指导。 图1 原油和纯水中二氧化碳溶解度对比图。原油中二氧化碳溶解度数据由API(美国石油协会)编辑定义的 不同密度原油数据得出；纯水中二