江汉盆地新沟油田二氧化碳地质储存的数值模拟研究

第２Ｏ卷　２　０１　３年　第２期　３月　安全　

Ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄ　Ｅ　与环境　

ｎｖｌｒｏｎｍｅｎｔａ　工程　

１　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ＶｏＩ．２Ｏ　ＮＯ．２　

Ｍａｒ．　２０１　３　

江汉盆地新沟油田二氧化碳地质储存的数值模拟研究　邱耿彪　，李义连　，张森琦　，李旭峰　（１．中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定０７１０５１；２．中国地质大学环境学院，武汉４３００７４）　

摘要：随着全球气候的不断变暖，ＣＯ。地质储存被认为是解决全球气候变暖的一项非常有潜力的Ｃ０２减排技　术。本文通过对江汉盆地新沟油田潜力较大的新沟咀组建立二维地质储层模型，利用模拟软件ＴＯＵＧＨ２对新沟　油田进行了ＣＯ。地质储存数值模拟研究。模拟得出了ＣＯ　注入后储层压强累积随ＣＯｚ注入速率的变化规律，以　及最大安全压力下的ＣＯ　注入速率，同时对ＣＯ　注入储层后在储层中的运移扩散规律有了初步的认识，这将有助　于将来ＣＯ　地质储存的进一步研究，也将为ＣＯｚ的实际注人提供了理论依据。　关键词：二氧化碳；地质储存；数值模拟；江汉盆地；新沟油田　中图分类号：Ｘ５１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—１５５６（２０１３）０２—００５９—０５　

Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｓｔｏｒａｇｅ　ｏｆ　ＣＯ２　ｉｎ　Ｘｉｎｇｏｕ　Ｏｉｌｆｉｅｌｄ，Ｊｉａｎｇｈａｎ　Ｂａｓｉｎ，Ｃｈｉｎａ　ＱＩＵ　Ｇｅｎｇ—ｂｉａｏ　，ＬＩ　Ｙｉ－ｌｉａｎ。，ＺＨＡＮＧ　Ｓｅｎ—ｑｉ，ＬＩ　Ｘｕ—ｆｅｎｇ　（１．Ｃｅｎｔｅｒｏｆ　Ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｇｅｏｌｏｇｙ，ＣｈｉｎａＧｅｏｌｏｇｙ　Ｓｕｒｖｅｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ　０７１０５１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　０ｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓｔｕｄｉｅｓ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ｇｌｏｂａｌ　ｃｌｉｍａｔｅ　ｗａｒｍｉｎｇ，ｔｈｅ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｏｆ　ＣＯ２　ｉｓ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ　ａｓ　ａ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ＣＯ２　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａ　ｇｏｏｄ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｔｏ　ｇｌｏｂａｌ　ｗａｒｍｉｎｇ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ　ａ　ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　Ｘｉｎｇｏｕｚｕｉ　Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｘｉｎｇｏｕ　Ｏｉｌｆｉｅｌｄ　ｉｎ　ＪｉａｎｇＨ￣ｍ　ｂａｓｉｎ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ，ｕ—　ｓｉｎｇ　ＴＯＵＧＨ２，ａ　ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｏｏｌ，ｃａｒｒｉｅｓ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＣＯ２　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｔｏｒ—　ａｇｅ　ｉｎ　Ｘｉｎｇｏｕ　Ｏｉｌｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ　ｔｈｅ　ｌａｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗｈｉｃｈ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　Ｃ０２　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｓａｆｅ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｓａｆｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａｌｓｏ　ｏｂｔａｉｎｓ　ｔｈｅ　ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｌａｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｉｇｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｉｆｆｕ—　ｓｉｏｎ　ｏｆ　ＣＯ２　ｗｈｅｎ　ｉｔ　ｉｓ　ｉｎｊ　ｅｃｔｅｄ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ．Ｔｈｅｓｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｉｌｌ　ｐｒｏｍｏｔｅ　ｔｈｅ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ＣＯ２　ｇｅｏ—　ｌｏｇｉｃａｌ　ｓｔｏｒａｇｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　Ｃ０２　ｉｎｊ　ｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｆｕｔｕｒｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＣＯ２；ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｔｏｒａｇｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｊｉａｎｇｈａｎ　ｂａｓｉｎ；Ｘｉｎｇｏｕ　Ｏｉｌｆｉｅｌｄ　

Ｏ　引　口　随着科技的不断发展，人类活动的日益加剧，由　于二氧化碳（ＣＯ。）、甲烷（ＣＨ　）和氮氧化物（ＮＯ　）　等温室气体的大量排放而引起的全球气候变暖问题　更加严重，这对生态系统和人类健康产生了严重影　响。而在众多温室气体中ＣＯ　的作用占温室效应　的６４　，因此减少大气中的ＣＯ　含量对抑制全球气　候变暖有着十分重要的意义。　目前减少和控制ＣＯ　在大气中过量排放的途　径主要有：①提高能源效率，使一定量的能源产生的　ＣＯ　量降低；②利用陆地生态系统吸收ＣＯ　；③大　力开发低碳或无碳能源；⑤深层海洋储存；⑤ＣＯ　地质封存。但前４种方法或多或少存在一些问题，　不能在短时间内有效地减少和控制ＣＯ　大气排放　的问题，而ＣＯ　地质储存（也称ＣＯ　地质封存）是近　２０多年来发展起来的一种新型的减少大气中ＣＯ　

收稿日期：２０１２－０７—１４　修回日期：２０１２－１Ｏ－０８　基金项目：国家自然科学基金项目（４０８７２１５８）　作者简介：邱耿彪（１９８４一），男，硕士，助理工程师，主要从事水文地质和二氧化碳地质储存方面的研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｑｉｕｇｅｎｇｂｉａｏ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｒｎ　６Ｏ　安全与环境工程　第２Ｏ卷　含量的有效方法。ＣＯ。地质储存是指通过将大量　产生ＣＯ　的点源（多数为发电厂或类似的工业点　源）所排放的ＣＯ　直接收集起来运输到储存地点存　储于地下空间的储存技术。该技术相对来说比较安　全，只要能保证注入后的ｃＯ　稳定地储存于地层中　即可，且对环境的破坏性影响较小。适合ＣＯ　地质　储存的地质单元主要有：①深部咸水含水层（８００　ｍ　以下）；②枯竭油气藏；③不能开采的煤层；④深海。　目前，国内外对ＣＯ　地质封存的示范性项目已　先后开展，室内试验研究也取得了丰富的成果，但　ＣＯ　的地质储存是一项长期的工程，因此有必要对　其注入地层后数百年后在地层中的迁移、与地层中　水一岩等发生相互作用以及由此带来的影响有一个　清楚的了解，对于这个实际中无法解决的问题，数值　模拟提供了解决该问题的有效工具。　江汉盆地新沟油田作为一个被开采多年的油　田，用其来对ＣＯ　进行地质储存有着天然的优势，　其地质结构在油田的开采中已经被研究得非常清　楚，这为我们模拟所需资料提供了便利。为此，本文　以江汉盆地新沟油田新沟咀组为研究区，利用　ＴＯＵＧＨ２／ＥＣＯ　Ｎ模拟工具，以地层可承受最大安　全压力为条件，对研究区进行了ＣＯ。地质储存数值　模拟，研究了ＣＯ。注入储层后在储层中的迁移扩散　规律，以期为今后ＣＯ　的大规模实际注入提供依　据。　

１研究区概况　江汉盆地新沟油田位于丫角一新沟低凸起南段，　地理位置在湖北省监利县北部的新沟镇至宴家桥以　南的地区，构造位置为江汉盆地潜江凹陷西南斜坡　新沟一老新构造断裂带东南端，如图１所示。　新沟油田作为江汉盆地的一个重要组成部分，　是在中扬子准地台凹陷内发育起来的“上叠式”盆　地，在盆地发展期间产生了一些断裂，但断裂活动结　束后，一部分泥、膏质岩的塑性作用将断面重新封　闭，致使在新沟油田所在区域由断裂活动所造成的　影响不十分明显，因此可作为ＣＯ。地质封存的一个　候选场地。　在新沟油田的开采历程中发现，新沟油田的出　油层为下第三系新沟咀组下段的工、Ⅱ、Ⅲ油组，而　江汉盆地新沟咀组生油层是仅次于潜江组的一个重　要含油层系，因此作为以新沟咀组为主要产油层的　新沟油田是整个江汉油田的重要组成部分。由新沟　油田新沟咀组地层表（见表１）ｌ＿】］可以看出，新沟咀　图１江汉盆地丫角一新沟低凸起位置图（红色部分）　Ｆｉｇ．１　Ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｍａｐ　ｏｆ　Ｙａｊｉａｏ—Ｘｉｎｇｏｕ　ｌｏｗｅｒ　ｓａｌｉｅｎｔ　ｉｎ　Ｊｉａｎｇｈａｎ　ｂａｓｉｎ　组的三套砂岩与泥膏岩互层的储盖层组合成为了　ＣＯ　地质储存的理想场所，丰富的采油说明了该地　区ＣＯ。储存潜力巨大，而储层上部的良好盖层又可　以有效地阻止ＣＯ　向上散逸。　表１新沟咀组地层表　。　Ｔａｂｌｅ　１　Ｓｔｒａｔｉｇｒａｐｈｉｃ　ｓｃａｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｘｉｎｇｏｕｚｕｉ　Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　地层系统　系　组　岩性　厚度／ｍ　第四系平原组　岩、粉砂岩、砂岩、５。～１５。　新近系广华寺组　灰色泥岩、砂岩、砂砾岩　３００～９００　荆河镇组　灰色泥岩、粉砂岩、油页岩１　５０～１　０００　潜江组　岩、盐岩、粉砂岩、７５。～４　６。。　荆沙组　墨　筹色怩岩、粉砂６０Ｏ…　。　上段红色砂岩、泥岩　２［）（】～６００　古近系　大膏层灰色泥岩、Ａ色膏岩　５～２Ｏ　Ｉ油组红、灰间互泥岩夹砂岩　５０～１５Ｏ　新沟咀组　Ⅱ油组灰色泥岩夹泥灰岩及砂岩１（】（）～２５０　泥隔层灰色泥岩夹含膏泥岩　２０～４０　Ⅲ油组灰色泥岩夹泥灰岩及砂岩８０～１５０　沙市组上段　塑为红、灰问互泥岩、泥２ｏ０～４００　２研究区ＣＯ　地质储存的数值模拟　２．１模拟软件介绍　本次数值模拟采用的模拟工具为美国伯克利实　验室开发的软件ＴＯＵＧＨ２。该软件可用于非等温　多组分、多相流体的空隙和裂隙介质中的数值模拟，　主要应用于地热储存工程、核废料的处置、环境修复　与评价以及饱和一非饱和带的水流运移等问题的研　第２期　邱耿彪等：江汉盆地新沟油田二氧化碳地质储存的数值模拟研究　６３　散范围增大，储层中ＣＯ　气体饱和度和ＣＯ　浓度均　变小，这可从模拟至２００　ａ时的结果看出，但模拟至　２００　ａ和５００　ａ时，储层底部的ＣＯ　浓度要比上层　高，这是由于溶解了Ｃｏ　的水在重力作用下向下迁　移流动，使得含水层底部ＣＯ。浓度相对较高　。　上述模拟结果显示，ＣＯ　注入储层直至５００　ａ　后，仍然被安全稳定地储存在储层中，没有向地表泄　漏而对环境造成不良影响。　

３　结　论　本文通过对江汉盆地新沟油田新沟咀组进行　ＣＯ　地质封存数值模拟研究，得出如下结论：　（１）在江汉盆地新沟油田新沟咀组中进行ＣＯｚ　地质封存，根据储层压强累积不超过静水压强的　５Ｏ　这一原则得出ｃＯ。的最佳注入速率为６０　ｋｇ／ｓ；储层压强的增长率随ＣＯ：注入速率的增加而　增加，但当ＣＯ　注入速率恒定，一段时间后储层压　强的增长率会随着ＣＯ　注入的继续而下降。因此，　在ＣＯ。注入速率为６０　ｋｇ／ｓ，储层的最大压强增长　率在安全压强以内，在此种条件下，既可保证储层的　安全稳定，又可使得ＣＯ　的注入速率尽可能大。　（２）ＣＯ。以６０　ｋｇ／ｓ注入新沟油田新沟咀组储　层，连续注入５０　ａ后，模拟结果显示ＣＯ　仅穿透第　三盖层进人第二储层，绝大部分ＣＯ　仍储存在第三　储层中；而模拟至５００　ａ时，ＣＯ　也仅仅到达第二盖　层底部，并未穿透第二盖层，说明ＣＯ。仍然安全地　储存在储层中。　（３）通过对ＣＯ　在储层中的浓度分布进行模　拟，结果显示最下层的ＣＯ　浓度最高，这是因为　ＣＯ。溶解于水后使水的密度增大而向下迁移，从而　使得最下层的ＣＯ　浓度增高。　（４）本文建立的地质模型仅为概化地质模型，　与实际情况有一定的差距。另外，ＣＯ　最大安全注　入速率也是在江汉盆地新沟油田这一地质条件下得　出的，并不完全适用于其他地质条件。本文旨在提