天然CO2沿井筒泄漏两相反应流动特征模拟

郑长远,蔡雨娜,雷宏武,封官宏

(1.青海省水文地质工程地质环境地质调查院青海省水文地质及地热地质重点实验室,青海 西宁 810008;2.武汉大学土木建筑工程学院, 湖北 武汉 430072;3.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071;4.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室,吉林 长春 130021)

人为温室气体过量排放加剧了全球气候变化,碳减排等应对措施刻不容缓。2020年,习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重宣布,中国力争于2030年前达到CO2排放峰值,努力争取2060年前实现碳中和[1]。2021年,中共中央、国务院印发了《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》,为碳达峰和碳中和工作进行了系统谋划和总体部署[2],其中提出规模化碳捕集利用与封存(carbon capture,utilization and storage,CCUS)技术研发、示范和产业化应用作为低碳科技的重要组成部分亟需攻关。

二氧化碳地质封存(carbon dioxide geological storage,CGS)是CCUS技术的核心组成部分,它致力于将捕获自工业或其他排放源的CO2封存于地质环境中,实现CO2与大气的长期隔离。CGS的目标储层包括深部咸水层、枯竭油气田、不可开采煤层、海底、基于二氧化碳的增强地热系统等。其中,广泛分布的深部咸水层由于其巨大的封存潜力被认为是最具前景的CGS目标储层[3-5]。

CGS的安全性和有效性是CCUS技术研究的重点之一,而明确CO2注入后的泄漏风险和泄漏特征是评价其安全性和有效性的重要内容[6-7]。注入储层的CO2可能沿断层或裂缝系统、失效的井筒及薄弱盖层等通道发生泄漏[8-9]。其中,由于勘探生产晚期的成熟沉积盆地往往分布有大量井筒,使得井筒泄漏风险剧增[10]。目前,CCUS项目中还未有深部封存的CO2发生泄漏事故的报道,但天然CO2泄漏事件并不少见[11-12]。因此,对天然CO2泄漏场地进行类比研究可为CCUS项目的泄漏风险评估提供重要参考依据。

我国西宁盆地南部在过去发生过多次与CO2相关的气体突出及高压井喷事故[13-14],并且广泛出露富含CO2的泉点,为一典型天然CO2泄漏场地,其中ZK10井为该泄漏场地中一处典型的CO2井筒泄漏点[15]。本文以ZK10井为研究对象,结合实测数据与数值模拟方法,对ZK10井的泄漏动力学特征及伴随的化学变化特征进行分析,在深入理解该井泄漏机制的基础上,为CCUS工程中潜在的CO2井筒泄漏事故提供参考,并为相关泄漏监测提供理论依据。

1 ZK10井概况

ZK10井位于青海省海东市三合镇,为2002年“青海省互助、平安县严重缺水地区地下水勘察”项目所钻。该井所处区域在地质上属于西宁盆地南部,由基底和盖层组成双层结构。构造基底凹凸不平,四周被断裂围限,内部断层和褶皱构造发育,而沉积盖层产状平缓、褶皱开阔。图1为研究区水文地质简图,区内主要发育河谷型孔隙水系统、碎屑岩类裂隙孔隙水系统和基岩裂隙水系统。其中,中新生界碎屑岩类裂隙孔隙水为区内主要承压含水层,也是本文主要涉及的含水层系统,其补给来源主要为周边山区地下水,以及依靠西宁盆地边缘粗碎屑岩接受的大气降水和地表水补给,局部地区可从基岩山区得到隐伏侧向径流补给和河谷区潜水的补给。从西宁盆地边缘至盆地中心,碎屑岩沉积物颗粒具有由粗到细的韵律性变化,地下水在盆地边缘接收补给后,顺层或沿构造裂隙向盆地中心径流,形成多组承压水。其排泄方式主要有3种:其一是通过上升泉排泄;其二是向上部含水层以越流补给形式排泄;其三为人为开采或沿废旧井孔排泄。该含水层系统水化学特征具有较明显的水平和垂直方向分带性。水平方向上盆地边缘海拔较高部位分布矿化度小于1 g/L的重碳酸型淡水,依次向盆地中心为矿化度1～3 g/L的硫酸盐、氯化物为主的微咸水,矿化度3～10 g/L的氯化物、硫酸盐咸水、盐水卤水带[16]。值得一提的是,西宁盆地内断层的发育导致碎屑岩地层呈垒堑式分布。由于垒堑构造埋藏条件不同,其水文地质条件差异很大。本文关注的ZK10井位于平安县祁家川白垩系碎屑岩地垒式储水构造的地堑部位,补给和循环条件相对较好,地下水矿化度相对较低[17]。

图1 研究区水文地质简图[16]Fig.1 Hydrogeological map of the study area[16]

该区域发育CO2气藏,在地表广泛分布CO2泄漏点。ZK10井揭穿了该区域内的主要承压含水含气层,完井以来长期以间歇喷发形式自流[15],流体成分为富含CO2的气-水混合物,为一典型的CO2泄漏点。

ZK10井钻孔地质结构及相关地层岩性特征,如图2(a)所示[15]。该井井深为212.43 m,深度136.81 m以上装配套管,内径为0.254 m,该深度以下仅装配滤管,内径为0.108 m。ZK10井井筒下部与白垩系民和组(K2m)承压含水含气层连通,地层岩性以粉砂岩、细砂岩为主,上覆以紫红色泥岩为主的弱透水层。通过对该地区钻井获取的白垩系民和组地层岩芯样品进行X射线衍射(XRD)分析,得到其矿物组分为45.32%石英、14.91%正长石、14.37%钠长石、8.19%伊利石、7.49%白云石、4.88%方解石、4.83%高岭石。

图2 ZK10井钻孔地质结构图[15](a)、蓄水池水位随时间的变化曲线(b)和ZK10井井口附近钙华样品照片(c)Fig.2 Schematic diagram of well configuration and exposed strata[15](a),variation in the water level with time within the sinkhole (b),and photo of travertine samples taken near ZK10 (c)

目前,ZK10井在近地表处被人为引流,并在该井口附近修建了一座排泄口及一方与排泄口连通的蓄水池。Cai等[18]采用定点录像法监测了ZK10井井口附近装配有水位标尺的蓄水池的水位变化及排泄口水气间歇喷发过程,通过对监测数据进行后处理,得到了蓄水池水位随时间的变化曲线如图2(b)所示,其中0 m表示蓄水池顶部位置。以ZK10井井口附近排泄口开始或停止喷发时蓄水池的水位(-0.45 m)作为临界水位,将间歇喷发过程划分为喷发期和潜伏期,由此得到其喷发周期约为330 s,其中喷发期持续约200 s,潜伏期持续约130 s。另外,郑长远等[15]测得 ZK10井最大瞬时喷发水相流量约为67.53 kg/s,平均喷发水相流量约为1.82 kg/s,井口水温约为17 ℃。由于地下水的脱碳酸作用,ZK10井井口附近形成了大量的钙华沉积[图2(c)],井筒内也因钙华沉积发生过数次堵塞。

本研究对ZK10井井口气样、水样及钙华样品进行取样分析。其中,对水样和固体样品直接取样,水样取样时需保证取满取样瓶,并对瓶口进行密封处理,以防止溶液中组分由于温度、压力变化而以气态形式散失;对泄漏气体在蓄水池中采用排水集气法取样,并在集气瓶中留存少许水样,密封瓶口,并在运输及存储过程中倒置瓶口,使得瓶口处于液封状态,以防止气样流失及空气混入污染样品。气体样品组分委托中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心地球化学测试部采用 MAT271 质谱计及 GC9160 气相色谱仪测定。水样中易流失的重碳酸根、碳酸根和游离CO2浓度采用Hach数字滴定器及配套试剂在现场滴定测定,pH值采用Hach HQ40D便携式多参数水质分析仪现场测定,其他阴阳离子浓度委托中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室采用ICS600 离子色谱仪测定。钙华样品矿物组分委托中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室进行XRD分析。分析测试结果列于表1。

表1 ZK10井井口气样组分、水样主要离子浓度和钙华样品矿物组成测试结果

2 模型建立

2.1 模拟器及控制方程

本文采用Shi等[19]基于TOUGHREACT[20]及T2Well/ECO2N[21]改进的井筒-储层耦合多相反应溶质运移模拟器对ZK10井间歇喷发过程的动力学机制及伴随的化学变化特征进行分析。该模拟器对井筒和储层分别采用不同的流动控制方程,其中井筒流动过程由一维动量方程及漂移流模型描述,而储层流动过程由达西定律描述。ECO2N状态方程可描述温度范围为10～110 ℃、压力小于60 MPa、盐度高至饱和条件下H2O-NaCl-CO2体系的热力学和热物理性质[22]。模拟器中主要守恒、流动、溶质运移及动力学化学反应控制方程如表2所示,各参数符号意义列于表3中。

表2 模拟器中主要的控制方程

表3 控制方程中各参数符号及含义

2.2 网格剖分及模型参数

本文采用的模型概念图和网格剖分示意图,如图3所示。模型由一个竖直井筒及与井筒下半部分连通的补给储层组成。井筒深为212 m,深度136 m以上井径为0.254 m,该深度以下井径为0.108 m。根据实际水文地质特征,由于储层中地下水存在流动,因此在模型中通过设置稳定压力梯度模拟地下水流动情况。储层厚为76 m(Z方向),沿地下水流方向长5 000 m(X方向),垂直水流方向宽2 000 m(Y方向)。模型沿Z方向均匀剖分,剖分的网格高度为2 m;在X-Y平面上采用局部加密的不规则网格剖分模式。模型假设储层均质且各向同性,地下水以恒定压力梯度流动。具体模型参数列于表4,其中初始温度分布根据ZK10井井口及井底温度平衡得到,而井口温度给定研究区年平均气温(7.6 ℃),井底温度则由研究区平均地温梯度(39.9 ℃/km)、恒温层埋深(15 m)及温度(12.3 ℃)推测得到,压力为静水压力分布,储层孔隙度和渗透率引自文献[15]。

表4 模型主要参数

图3 模型概念图(a)和网格剖分示意图(b)Fig.3 Conceptual model (a) and grid generation in the X-Y plane (b)

由表1ZK10井井口水样化学组分及钙华样品的矿物成分实测值可知,CO2-水混合物自ZK10井井底向井口泄漏过程中,主要丢失了CO2和钙离子组分。因此,本文以ZK10井井口实测的水化学组分为基本水化学组分,使之与方解石及含有一定量CO2的地下水进行平衡反应,并将反应后的水化学组分作为储层地下水化学组分。由于ZK10井井口钙华沉淀矿物组分主要为方解石和石英,所以模型中仅考虑这两种矿物的动力学反应过程,其反应动力学参数列于表5。

表5 模型中矿物反应动力学参数[23]

需要说明的是,由于储层岩性及地下水化学成分复杂,仅由井口水化学数据反演得到的储层水化学数据具有局限性,所以在模型计算过程中忽略了储层中地下水的地球化学反应,仅关注地下水由井底沿井筒向上泄漏过程中的化学变化。

2.3 初始条件与边界条件

井口设为定温定压边界,给定大气条件(7.6 ℃,0.101 MPa);井底设为定温边界。初始条件下井筒内充满水,水中CO2质量分数假定为0,井筒初始温度及压力分布见表4。

储层X方向两端设为定温定压边界,且两端之间设定压力差,一端为静水压力,一端大于静水压力,以模拟实际场地中南西-北东向的承压地下水流向,模型忽略其他方向地下水流;储层Y方向两端设为零流量边界;由于储层上部主要为弱透水层,可作为区域性盖层,故储层顶部设为定温零流量边界。储层初始温度和初始压力分布见表4。地下水中的CO2质量分数设为定值。需要说明的是,储层X方向压力梯度和地下水中的CO2质量分数没有可靠的参考数据,需要通过拟合模型模拟结果与实测数据进行参数校正。

3 结果与讨论

3.1 参数校正

通过调整储层X方向压力梯度和地下水中的CO2质量分数,匹配ZK10井井口水相最大瞬时流量(约为67.53 kg/s)及喷发周期(约为330 s),校正后的储层X方向压力梯度为0.007 MPa/km,地下水中的CO2质量分数为0.75%。校正后模型部分变量随时间的变化曲线如图4所示,可见模型模拟结果与实测值拟合较好。根据ZK10井井口水化学数据、钙华矿物组分和校正后的地下水CO2质量分数反演得到的储层水化学特征列于表6。

表6 模型中储层水化学特征

图4 模型计算结果和蓄水池水位实测值Fig.4 Simulation results of the model and measured water level of the sinkhole

3.2 间歇喷发机理

Cai等[18]采用热-流耦合模型对ZK10井间歇喷发过程的动力学机制进行了详细分析,本文模型在其基础上耦合了化学反应过程,其动力学模拟结果与其基本一致,故此处仅对该过程进行简要分析,以为后文化学过程分析奠定基础。

图5为间歇喷发过程中ZK10井井筒内气相CO2饱和度及水相流量随时间和空间的变化云图,以及对应的压力等值线,结合图4,可得到ZK10井水气间歇喷发的具体过程,即:①溶解了CO2的地下水自储层沿井筒向上流动,压力逐渐降低,到达CO2闪蒸深度(深度约为-45 m)后,溶解的CO2由于过饱和而逐渐析出为气相CO2,从而在井筒内形成两相流;②随着析出的CO2越来越多,气相CO2饱和度逐渐增大,当增大至一定程度后,触发气举效应,大量积累的气相CO2将水相推出井口,发生喷发,压力迅速降低,气相CO2饱和度达到最大;③喷发之后,井筒上部水相被消耗,喷发被抑制,而储层补给加快,井筒内水位逐渐上升,气相CO2饱和度逐渐降低,压力逐渐增大,直至下一次喷发开始。

图5 间歇喷发过程中ZK10井井筒内气相CO2饱和度时空变化云图及压力等值线(a)和井筒内水相流量时空变化云图(b)Fig.5 Spatial and temporal variations in gas-phase CO2 saturation and pressure (a) and aqueous phase flow rate within the wellbore (b) during the periodic eruption in ZK10

由此可见,ZK10井的周期性喷发过程受地下水中CO2的过饱和析出、气举效应以及储层动态补给等过程的共同控制。

3.3 pH值变化特征

图6为间歇喷发过程中ZK10井筒内地下水的pH值随时间和空间的变化云图,以及井筒内深度为-5 m处地下水pH值、水相饱和度、方解石沉淀量及流入流出该位置的水相流量随时间的变化曲线。

图6 间歇喷发过程中ZK10井井筒内地下水pH值时空变化云图(a)和井筒内深度为-5 m处地下水pH值、水相饱和度、方解石沉淀量及流入流出该位置的水相流量随时间的变化曲线(b)Fig.6 Spatial-temporal variation in groundwater pH (a) and temporal variations in groundwater pH,aqueous phase saturation, calcite precipitation amount,and inflow and outflow rates in aqueous phase at a depth of -5 m within the wellbore (b) during the periodic eruption in ZK10

由图6可见,井筒内地下水的pH值在闪蒸深度以下基本维持稳定,而在闪蒸深度以上其随深度的减小而增大。这是因为在闪蒸深度处,水相中溶解的CO2开始由于过饱和而析出,随着流体向井口继续泄漏,压力继续降低,CO2持续析出,反应式(1)、(2)平衡不断向左移动,导致水中H+浓度持续减小,pH值持续增大。具体反应式如下:

(1)

(2)

除此之外,在周期性喷发作用的影响下,闪蒸深度以上同一深度处地下水的pH值也表现出周期性变化特征。如图6(b)所示,喷发开始后,流体喷出,水相饱和度降低,而气相CO2大量累积,所以此时水相被CO2饱和,使得水相的pH值在喷发后很短时间内迅速降低。而此时,井筒下部水相由于已经析出了大量CO2,所以pH值较高,这部分水向上补给,与上部pH值较低的水混合,使上部水相pH值增大。随后,更深部的尚未大量析出CO2的pH值较低的地下水也向上补给,加上碳酸钙沉淀对pH值的影响,使得水相pH值逐渐降低,直至下一次喷发开始。

3.4 矿物沉淀特征

图7为ZK10井井筒内方解石和石英沉淀量随时间和空间的变化云图。

图7 ZK10井井筒内方解石和石英沉淀量随时间和空间的变化云图Fig.7 Cloud chart of precipitation amount of calcite and quartz in ZK10 within the wellbore over time and space

由图7可见:

1) 方解石沉淀仅发生在闪蒸深度以上,且主要集中在井口附近;在闪蒸深度附近,方解石随相应位置溶液pH值的周期性变化而反复沉淀与溶解[图7(a)]。结合图6(b)可知:在ZK10井井口附近,方解石虽然持续沉淀,但其沉淀速率也随周期性喷发过程发生有规律的变化;在喷发过程中,由于水相饱和度低且pH值小,所以方解石既不溶解也不沉淀,而在下部高pH值水向上补给后,方解石快速沉淀,然后随着水相pH值的降低,其沉淀速率也逐渐降低,直至下一次喷发开始。

2) 石英在整个井筒范围内均有沉积,但亦主要集中在ZK10井井口位置;不同于方解石的溶解度随溶液pH值的增大而降低,石英的溶解度随溶液pH值的增大而增大,且随温度和压力的降低而减小[24],所以在闪蒸深度以下的位置也有较多石英沉淀,而在ZK10井井口集中沉淀主要是因为主喷发后水相pH值的大幅降低[图7(b)]。

综上所述,ZK10井间歇喷发过程中井筒内方解石和石英矿物的沉淀具有不同特征,但均受控于各矿物在地下水中的溶解度,而其溶解度又进一步受控于地下水的pH值、压力及温度。需要说明的是,在实际泄漏过程中,井筒内的沉淀物会随水流运动,但本文模型未考虑这一过程。

4 结论与展望

本文以典型CO2井筒泄漏点ZK10井为研究对象,采用数值模拟方法分析了ZK10井间歇喷发过程中的动力学机制及伴随的化学变化特征,得到了以下主要结论:

1) ZK10井的间歇喷发过程主要由CO2驱动,受地下水中CO2的过饱和析出、气举效应以及储层的动态补给等过程共同控制。

2) 受控于地下水中CO2的过饱和析出及流体的混合作用,ZK10井间歇喷发过程中,井筒内地下水的pH值在闪蒸深度以下保持稳定,但在闪蒸深度以上随其深度减小而逐渐增大,且随时间发生周期性变化。

3) 受控于不同pH值、压力和温度条件下地下水中矿物的溶解度,ZK10井间歇喷发过程中,井筒内方解石在闪蒸深度以上发生沉淀,且主要集中在井口附近,而石英沉淀在整个井筒内均有分布,但亦主要集中在井口附近。

本文结论可为类似的天然或CCUS工程中CO2井筒泄漏点的泄漏机制及化学特征研究提供参考,进而为相关部门制定监测及预防措施提供理论依据。如在井下原位pH值监测过程中,由井筒内地下水的pH值变化模式可知,将监测设备下至CO2闪蒸点以下即可消除由于CO2过饱和析出造成的pH值变化。需要说明的是,本文模拟过程中未考虑井筒内沉淀矿物随流体的运动过程,这将在以后的工作中进一步完善。