咸水层CO₂地质封存深部地下利用空间范围评估涉及3个重要边界, 即综合考虑CO₂羽流、扰动边界和经济因素确定的“ 三级边界” ^[8](图1)。为规范CO₂地质封存项目地下利用空间审核及登记备案, 建议在扰动边界确定的基础上, 将其投影到平面上, 以经纬度1'× 1'划分的区块为基本单位确定地下空间; 垂向深度上建议精确到米。

图1

Fig.1

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	图1 封存工程地下利用空间评估概念模型垂向示意[8]Fig.1 Conceptual model of underground space for CO2 geological storage project[8]

美国环保署(Environmental Proteetion Agency, EPA)《Underground Injection Control (UIC)-Class VI》要求使用“ 直接” 方法监测注入区是否有压力升高(例如压力波前缘监测), 以及间接地球物理方法监测CO₂羽流的范围(表1)。这些方法与国际上已有的咸水层CO₂地质封存工业或示范工程的技术方法基本一致。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 EPA确定CO2羽流和相关压力波前缘位置要求和建议 Tab.1 Requirements and recommendations for determining the CO2 plume and pressure wave by EPA 技术 说明 EPA-Class VI规定 压力直接监测 可以利用放置在注入区监测井内套管压力计后方的传感器, 或者通过直接测量通过射孔的流体深度, 实现现场流体压力测量 要求监测注入区内是否有压力升高 间接地球物理监测 地震、重力或电磁方法 要求监测注入区内是否有压力升高以及CO2羽流的范围, 条件不允许或不适宜情况除外 直接CO2羽流监测 借助地球化学方法, 利用注入区内的监测井证实是否有CO2或显著的化学变化 要求监测CO2羽流的范围, 条件不允许或不适宜情况除外 数值模拟方法 支撑现场监测策略的制定, 并将测量数据并入现场综合数据模型 计算机模拟方法应作为影响区划定和重新评估的一部分

表1 EPA确定CO2羽流和相关压力波前缘位置要求和建议 Tab.1 Requirements and recommendations for determining the CO2 plume and pressure wave by EPA

扰动边界是指CO₂封存活动可能引起地层流体压力扰动的空间范围, 一般认为是现状技术水平下可探测的压力波前缘。美国环保署(EPA)建议, CO₂羽流和压力波前跟踪可以直接监测的最高精度为0.7 psi(约为0.005 MPa), 考虑到我国目前井下压力传感器的平均精度, 建议为3 psi(约为0.02 MPa)。刁玉杰等^[8]建议借助直接或间接地球物理技术监测储层中CO₂羽流运移范围, 利用数值模拟技术尽可能分析压力变化特征, 预测停止注入某个时刻、某个模拟监测点增加的压力差, 进而提出这个时刻3 psi的扰动边界近似最优的扰动边界。

CO₂地质封存工程地下利用空间评估, 即在CO₂羽流确定基础上, 从安全性和经济性角度出发, 进一步确定扰动边界和地下利用空间边界, 以供政府管理部门审核及登记备案。评估主要包括以下几项:

(1)CO₂羽流。通过综合直接监测、间接地球物理监测及数值模拟等方法获得。

(2)扰动边界。通过综合直接监测、间接地球物理监测及数值模拟等方法获得。

(3)盖层安全性。通过盖层力学稳定性等综合评估获得。

(4)底板封隔层安全性。尽管CO₂与流体的密度差异会驱动CO₂向上运移, 但从安全性考虑, 也应参考盖层安全性开展底板封隔层安全性评估。

(5)断裂封闭性。通过断裂结构探测及封闭性评估等方法获得。

经济性主要影响因素包括以下几项:

(1)储层体积。基于CO₂羽流与扰动边界确定的最小储层体积, CCS运营商可以根据经济情况和CO₂羽流与压力波前预测扩大储层体积。

(2)盖层体积。综合盖层力学稳定性、经济因素, 确定能够保证安全封盖储层且有效利用地下空间的盖层体积; 平面上盖层面积不小于储层面积, 垂向上登记利用盖层厚度不小于直接有效盖层厚度。

(3)底板封隔层体积。参考盖层, 确定底板封隔层体积。

为规范CO₂地质封存项目地下利用空间审核及登记备案, 平面上以经纬度1'× 1'划分的区块为基本单位区块。

国家能源集团鄂尔多斯CCS示范工程于2011年5月9日开始实施CO₂灌注实验, 至2015年4月, 成功完成了CO₂ 30.2× 10⁴ t的设计注入目标, 持续开展的“ 地下— 地表— 大气” 监测结果表明, 示范工程未发现CO₂突破主力盖层并发生泄漏^{[10, 11]}。示范工程封存场地部署有1口注入井、2口监测井, 其中, 中神监1井主要针对储层压力、温度及流量等原位监测, 中神监2井主要针对盖层的安全性以及CO₂是否泄漏进行监测。同时, 示范场地开展了3期时移垂直地震剖面(VSP)监测, 以了解CO₂羽流特征。

中神监1井在示范工程2011年开始注入后约1个月, 监测到CO₂羽流; 时移VSP地震监测结果表明, 2011— 2014年期间平面上各储层中CO₂羽流最大运移半径约为600 m。

Diao^[9]利用示范工程场地时移VSP地震监测数据以及数值模拟技术, 进一步分析了储层中CO₂羽流分布特征, 并预测了停止注入10 a和20 a后的变化特征(图2), 认为CO₂羽流自2014年11月注入25× 10⁴ t直至关井20 a后(2035年), 平面扩散不大, WN— ES方向半径最大约1 000 m, EN— WS方向半径最大约750 m, 且随着井底压力不断趋向平衡, CO₂分布饱和度整体降低, 并由此推断, 至2035年CO₂羽流范围基本固定。

图2

Fig.2

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	图2 不同时期鄂尔多斯CCS示范场地地下CO2分布饱和度平面投影示意 注: 2014年12月为第二期VSP地震监测时间, 注入CO2约13× 104 t; 2015年5月为第三期VSP地震监测时间, 注入CO2约25× 104 t; ZSZ1为注入井。Fig.2 Plane projection drawing of underground CO2 saturation at Ordos CCS demonstration project storage site during different stage

示范工程扰动边界考虑因素包括监测井直接监测结果、时移VSP地震间接监测结果以及数值模拟预测结果, 但这些方法因数据的不完整或受监测精度限制, 尚不能提出较有说服力的3 psi扰动边界。考虑到鄂尔多斯CCS示范工程深部咸水储层为开放水文地质边界, 且场地2015年5月已经封井, 在CO₂羽流基本稳定的前提下, 假设储层压力近乎恢复到注入前的水平, CO₂羽流边界可以认为是近似的扰动边界。

如图3所示, 根据CO₂羽流预测以及扰动边界的讨论, 本文建议以平面上4个1'× 1'经纬度范围作为神华CCS示范工程地下利用空间的平面边界。

图3

Fig.3

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	图3 鄂尔多斯CCS示范工程地下利用空间平面范围示意Fig.3 Underground space utilization scope of Ordos CCS demonstration project

对于盖层安全性, 根据场地钻探及地球物理勘探综合地质分析, 以及神华集团已经开展的煤炭开发与CO₂地质封存相互影响的数值模拟结果, 总体可以认为煤层开采的应力影响主要分布在700 m范围之内, 500 m范围内影响明显, 建议以纸坊组顶界(深度约958 m)为地下封存体顶部边界。对于底板封隔层, 目前神华CCS示范工程钻探尚未钻穿马家沟组, 且已有勘探结果表明, 场地内的马家沟组赋存工业级油气流的可能性不大, 因此, 建议以深度2 800 m为底板封隔层底界(表2)。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 示范工程地下利用空间计算参数 Tab.2 Parameters of evaluation on underground space for CO2 geological storage at the demonstration project 边界条件 边界 详细参数 判据 平面边界 4个1'× 1' 10.74 km2 根据CO2羽流与扰动边界推断 盖层 纸坊组顶界 958 m 根据综合地质分析及文献分析研究结果推断 底板封隔层(垂向) 马家沟组 2 800 m 根据综合地质分析及钻探底界推断 地下利用空间总体积 19.78 km3

表2 示范工程地下利用空间计算参数 Tab.2 Parameters of evaluation on underground space for CO2 geological storage at the demonstration project