咸水層二氧化碳封存試驗的水文和地球化學監(jiān)測

1、咸水層二氧化碳封存試驗的水文和地球化學監(jiān)測*Christine Doughty Karsten Pruess和Sally M. Benson等（Earth Sciences Division E.O. Lawrence Berkeley National Laboratory Berkeley, California, USA；Carbon and Energy Management Alberta Research Council Edmonton, Alberta, Canada）翻譯：趙玉軍；校對：苑惠明【摘 要】水文和地球化學監(jiān)測是典型試驗場地特征描述和二氧化碳羽流監(jiān)測的主要組成部分。

2、本次試驗把二氧化碳注入德克薩斯州北部海灣地區(qū)河成三角洲Frio地層的含咸水砂層。注入的二氧化碳在原地形成超臨界相，與周圍咸水相比超臨界相二氧化碳具有氣體特征（低密度和粘度），而一些二氧化碳溶解于咸水。典型試驗通過1個注入井和1個監(jiān)測井完成。在兩個水井均開展了壓力和流速監(jiān)測；在監(jiān)測井持續(xù)采集地表流體樣品和定期采集井下液體樣品。在二氧化碳注入之前開展的場地特征描述包括：在抽水試驗的同時進行壓力瞬變分析，來評估單相流動特征；確定注入井和監(jiān)測井之間的水力連通性；確定對應的邊界條件以及分析地層范圍內(nèi)的環(huán)境條件。此外，在注入二氧化碳前開展的示蹤劑試驗，有助于評估在單相條件下注入井和監(jiān)測井之間的動態(tài)孔隙率和

3、流徑的幾何形狀。在注入二氧化碳前開展的地球化學采樣，能為隨后開展的地球化學監(jiān)測提供基準，并有助于確定注入二氧化碳時使用的最佳示蹤劑。在二氧化碳注入期間，開展水文監(jiān)測來評估兩相流動特征，并協(xié)助監(jiān)測注入的二氧化碳羽流的運動；而通過地球化學采樣能夠提供二氧化碳和示蹤劑到達監(jiān)測井的直接證據(jù)。而且，含有二氧化碳的水能起到弱酸的作用，可與含水層內(nèi)多種礦物發(fā)生反應，在監(jiān)測井采集水樣時可提供明顯的化學信號。單相示蹤劑試驗和二氧化碳（以及與二氧化碳同時注入的示蹤劑）的臨界點曲線對比結(jié)果顯示：超臨界二氧化碳與固有咸水之間存在兩相流動過程；為了有效地把二氧化碳封存于咸水含水層，必須充分了解二氧化碳封存場地當前存在的

4、不確定性因素。引言* Hydrological and Geochemical Monitoring for a CO2 Sequestration Pilot in a Brine Formation. Lawrence Berkeley National Laboratory, Year 2004 Paper LBNL-55104建議把咸水層地質(zhì)封存二氧化碳用作降低大氣溫室氣體負荷的手段。把二氧化碳地質(zhì)封存于咸水層對全球碳循環(huán)具有深遠影響。利用這種方法可把大量二氧化碳注入地下，并把二氧化碳與生物圈隔離數(shù)百年或數(shù)千年。為了確定在咸水層地質(zhì)封存二氧化碳是否可行，需要在野外開展二氧化碳注入和封存

5、試驗，并對二氧化碳進行監(jiān)測來檢驗是否能充分認識影響二氧化碳的地下進程。在過去數(shù)十年間，盡管為了提高石油采收率而開展了一些二氧化碳注入活動，但并沒有對二氧化碳進行詳細監(jiān)測。即將開展的Frio地層咸水層試驗結(jié)合多種監(jiān)測方法，包括水文、地球化學、地球物理和地面方法。本文描述了在典型試驗中進行的水文和地球化學監(jiān)測。德克薩斯州北部海灣地區(qū)咸水含水層的地質(zhì)封存 經(jīng)調(diào)查，全國（美國）范圍內(nèi)的咸水層具有地質(zhì)封存二氧化碳的巨大潛力。德克薩斯州北部海灣地區(qū)的Frio地層是尤其值得關(guān)注的對象。Frio地層分布廣泛，含咸水砂層的厚度較大，在適于封存二氧化碳的深度（大于800米）具有非常大的滲透性和孔隙率，而且，其大面

6、積上覆頁巖層可起頂部密封作用。Frio地層適于封存二氧化碳的其他主要因素包括：許多固定二氧化碳點源的存在（如發(fā)電廠、煉油廠和化工廠）；由于Frio地層在地層和結(jié)構(gòu)上類似于石油儲層，因此，F(xiàn)rio地層具有良好的二氧化碳封存能力；通過深層井把大量有害物質(zhì)注入Frio地層；在類似的海灣地區(qū)巖層已測試了為提高石油采收率而開發(fā)的二氧化碳注入技術(shù)。圖1所示為德克薩斯州部分海灣地區(qū)的位置圖，包括位于South Liberty油田的Frio試驗場地。圖 1 德克薩斯州海灣地區(qū)位置圖，包括位于South Liberty油田的Frio試驗場地Frio地層主要地質(zhì)背景在South Liberty油田（圖2和3），F(xiàn)

7、rio地層的頂部巖層由河流三角洲環(huán)境下形成的典型砂巖和頁巖夾層組成。大部分頁巖為不連續(xù)的晶狀體，但局部較厚的稱之為Anahuac 頁巖的大面積頁巖層，能持續(xù)為Frio砂層提供頂部密封作用。在接近Frio地層頂部深度約1500米的砂層稱作C砂層，其厚度為25米。C砂層由0.3米厚的頁巖層分割為頂部砂層和底部砂層。我們注入二氧化碳的目標層，是位于薄頁巖層之上的C砂層頂部10米厚的巖層。目標層的滲透率為10-150毫達西（md），平均滲透率為50毫達西，孔隙度范圍為20%-30%，平均孔隙度25%。圖4所示為根據(jù)纜式測井記錄推斷出的典型孔隙率剖面。South Liberty油田位于鹽丘的側(cè)面，在那里

8、Frio地層的平均傾角約為15度。根據(jù)大規(guī)模近垂直斷層把Frio地層局部劃分成斷塊（圖3），這些斷塊內(nèi)含有一些小斷層。圖 2 橫穿South Liberty油田實驗場地Frio地層頂部的南北向剖面，該剖面顯示了二氧化碳注入目標層C砂層、上覆A和B砂層以及由Anahuac頁巖形成的區(qū)域密封帶的位置圖 3 South Liberty油田Frio實驗場地平面圖，該平面圖表明了劃分的斷層以及它們在數(shù)值模型中無流動邊界的表示法根據(jù)區(qū)域勘查資料推測，C砂層是咸水飽和的，總?cè)芙夤腆w（TDS）值估計為100,000毫克/升。雖然South Liberty油田目前未處于開采期，但該油田以往的碳氫化合物均開采于近

9、2400米的深度。圖 4 孔隙度與監(jiān)測井深度剖面的函數(shù)關(guān)系，以及在數(shù)值模型中使用的平均值網(wǎng)格單元；二氧化碳的注入深度范圍為1530-1540米Frio地層試驗水井Frio地層試驗主要通過兩個水井完成：一個水井是最近鉆成的，用作注入井；另一個現(xiàn)有的水井用作監(jiān)測井。在該兩個水井均安裝了直徑為5½英寸的套管，且在位于C砂層區(qū)域的套管均鉆有小孔。利用封隔器把C砂層與上覆和下伏巖層隔離。在注入井中將使用直徑27/8英寸的注入管。兩個水井之間的距離定為30米，注入井的位置直接定位在監(jiān)測井南部。流動與遷移過程 我們計劃在兩周內(nèi)注入3750噸二氧化碳。規(guī)定的注入速率為250噸/天，大致相當于50gp

10、m。期望的儲層環(huán)境條件為：溫度T=64；壓力P=150巴（bars）。二氧化碳的臨界點為：溫度T=31；壓力P=73.8巴。這表明，二氧化碳將在原地形成超臨界相，且部分溶解于水相（咸水）。超臨界相二氧化碳具有氣體特征，其密度和粘滯性都小于周圍咸水。我們在這里提到的超臨界相僅指氣體。二氧化碳的溶解稍稍增加了咸水的密度，這可導致有趣的變化，即氣相和溶解相二氧化碳均承受逆向浮力。我們利用具有二氧化碳-咸水混合物的特殊流體特性模塊的數(shù)值模擬器TOUGH2,模擬二氧化碳注入期間出現(xiàn)的多相、多分量流動和遷移過程。圖4所示的孔隙率剖面為推斷其他流動特性提供了原始資料，例如，滲透率和特性曲線參數(shù)。圖4還表明了

11、在C砂層三維數(shù)值模型中使用的孔隙率剖面的離散化表示形式。斷塊橫向延伸的模擬結(jié)果見圖3。在地下，二氧化碳在壓力梯度和重力的聯(lián)合作用下從注入井向外遷移?；跀?shù)值模型模擬結(jié)果，二氧化碳有望在3-6天內(nèi)到達監(jiān)測井。圖5所示為模擬的初始壓力分布，圖6所示為在15天的注入期間內(nèi)氣相二氧化碳羽流的一系列快照。圖 5 在Frio實驗場地C砂層模型中初始壓力分布的局部剖視圖；剖面線顯露于注入井與監(jiān)測井之間的連線，隨后剖面線方向沿著兩個水井北部的小斷層延伸圖 6 在兩周的二氧化碳注入期間，模擬的C砂層在多個時期內(nèi)氣體飽和度(Sg)分布的局部剖視圖；排除C砂層頂部3米厚的砂層以顯示二氧化碳羽流的最大范圍Frio試驗

12、監(jiān)測回顧在Frio地層試驗中進行的監(jiān)測可分為4部分：水文監(jiān)測，地球化學監(jiān)測，地球物理監(jiān)測和地面監(jiān)測。水文監(jiān)測包括壓力和流速測量。地球化學監(jiān)測包括從水井收集地下樣品和地表樣品。利用現(xiàn)場手提式四極質(zhì)量光譜計實時分析采集的樣品，從而為在遠離現(xiàn)場的實驗室分析樣品提供初步結(jié)果和臨時參考。在地球物理監(jiān)測和地面監(jiān)測部分，將開展更詳細的水文和地球化學監(jiān)測計劃。圖 7 在場地特征描述抽水試驗期間模擬的壓力瞬態(tài)響應；對注入井抽水期間的壓力響應，證實了有關(guān)水井北部小斷層流動特征的三種不同假設；該三種假設均假定C砂層中不包含薄頁巖層圖 8 徑向模型的壓力瞬態(tài)響應，用于闡明常用于推斷有效地層可壓縮性值的曲線擬合技術(shù)地球

13、物理監(jiān)測包括如下3個部分：在監(jiān)測井中安裝中子探測器來確定氣相二氧化碳羽流是否到達；在二氧化碳注入前后，通過注入井和監(jiān)測井開展井間地震勘探，以研究兩個水井平面中二氧化碳的分布；在注入二氧化碳后開展垂直地震測深（VSP），來研究二氧化碳羽流的空間分布。地面監(jiān)測主要探查地下淺層滲漏和地面滲出跡象。Frio地層試驗的地面監(jiān)測計劃將收集土壤-氣體樣品、測量二氧化碳的土壤通量以及隨深度繪制二氧化碳的土壤-氣體濃度剖面。樣品采集位置集中在兩種可能的滲漏路徑：人工結(jié)構(gòu)，例如已損壞或廢棄的水井；天然地質(zhì)構(gòu)造，例如斷層和露出地面巖層。由于在Frio地層試驗中二氧化碳未預期到達地表，因此，對于鑒別自然發(fā)生過程中的二

14、氧化碳特征，預先監(jiān)測二氧化碳的原始濃度至關(guān)重要。圖 9 場地特征描述示蹤劑實驗中模擬的壓力（P）和濃度（X）響應二氧化碳注入前的監(jiān)測場地特征描述壓力瞬變試驗的場地特征描述的目的，是評價單相流動特征、測試水井之間的水力連通性和描述邊界條件，以及分析地層內(nèi)的環(huán)境條件。圖7所示為當以45gpm的速率從注入井抽取液體時兩個水井（注入井和監(jiān)測井）的壓力瞬時響應。為了分析有關(guān)斷層中液體流動的不同假設的結(jié)果，假定了水井以北小斷層的3種不同情況（由于其他限制分區(qū)（圖3）的斷層遠離水井，因此，這些斷層的流動特征不會對為期數(shù)天的水井試驗產(chǎn)生明顯影響）： 斷層是閉合斷層（無流動邊界）； 不存在斷層； 斷層是開口斷層

15、（恒定壓力邊界）小斷層的不同假設對壓力瞬變晚期段的影響較小。假定小斷層為閉合斷層可得出最大壓力響應，而假定小斷層為開口斷層時得出最小壓力響應。如果忽略C砂層內(nèi)的薄頁巖層將對壓力響應產(chǎn)生較大影響，可把壓力降低約2-3巴。盡管在理論上把C砂層視為飽和的咸水層，由于C砂層鄰近石油資源，因此，C砂層中有可能存在溶解或不活動氣體（如甲烷）。通過壓力瞬變試驗確定的氣體的主要特征，是氣體具有比液體更大的可壓縮性。如果C砂層中僅存在溶解氣體，那么，在抽水試驗期間初始壓力下降迅速，這表明純相液體的可壓縮性較?。◣r石的可壓縮性也很?。?。如果初始壓力下降明顯并最終導致發(fā)生脫氣作用，那么，純相液體的可壓縮性將增大，其

16、壓力響應也相對減緩。此外，當額外的脫氣作用發(fā)生時，其壓力響應將進一步減緩。圖 10 在第一種情況下，在15天（其中有兩天停止注入）的二氧化碳注入期間模擬的壓力（P）、氣體飽和度(Sg)和溶解二氧化碳的質(zhì)量分數(shù)(XCO2L)；該圖也表明了監(jiān)測井的氣體流量系數(shù)分析程序如下。我們假設可壓縮性是累積的：C = Cr + Sl Cb +Sg Cg ，式中：C總壓縮率；Cr巖石的可壓縮性；Sl和Sg = (1- Sl)分別為液相和氣相飽和度；Cb和Cg分別為咸水和氣體的可壓縮性。對于理想的氣體而言，Cg = 1/P。利用標準的分析技術(shù)，把壓力變化對數(shù)線性曲線延遲部分的y截距用作時間的函數(shù)，來確定總壓縮率（

17、C）。根據(jù)已知的Cb 和Cg，可推斷出在環(huán)境條件下發(fā)生脫氣作用后的氣體飽和度。圖8舉例說明了假定在適當位置最初含有10%穩(wěn)定甲烷(Sg = 0.10)情況下的分析程序。最初，在初始壓力下降至足以導致脫氣作用發(fā)生之前，總壓縮率（C） = 1.410-8，該值比咸水飽和系統(tǒng)的對應C值高3.5倍，其對應的氣體飽和度Sg=0.11。在約1小時后，初始壓力下降至足以使水井周圍發(fā)生脫氣作用，總壓縮率（C）約增加兩倍，Sg=0.25。場地特征描述活動除了壓力瞬變試驗之外，還包括示蹤劑試驗。在示蹤劑試驗中，利用成對平衡（注入井的注入速率與監(jiān)測井的抽水速率相等）的保守溶解物（熒光素），在注入井和監(jiān)測井之間產(chǎn)生穩(wěn)

18、定流場。示蹤劑試驗臨界點曲線具有3種主要特征：首次到達時間；峰值濃度；曲線的總體形狀。首次到達時間決定著二氧化碳流過最快流徑的速度。根據(jù)二氧化碳的平均到達時間和注入速率，評估示蹤劑的流量體積。對于單相示蹤劑試驗而言，流量體積僅為根據(jù)孔隙度測量的相連孔隙空間（有時指用于測量流量體積的動態(tài)孔隙率）。對于多相示蹤劑試驗而言（基本上在注入二氧化碳時開始該項試驗），通過孔隙率和示蹤劑相飽和度（存在示蹤劑時的飽和度）的乘積來確定這種流量體積。因此，為了從氣相二氧化碳的到達時間推斷平均氣體飽和度，我們需要單獨對孔隙率進行評估。因此，這就促進了單相示蹤劑試驗的開展。此外，臨界點曲線的總體形狀能提供有關(guān)流徑分布

19、的信息（例如，均勻流動與超優(yōu)先流動）。如果在單相示蹤劑試驗和多相示蹤劑試驗中的臨界點曲線形狀存在差異，則能為我們提供有關(guān)多相效應引起的流徑變化的信息。圖 11 在第二種情況下，在15天（其中有兩天停止注入）的二氧化碳注入期間模擬的壓力（P）、氣體飽和度(Sg)和溶解二氧化碳的質(zhì)量分數(shù)(XCO2L)；該圖也標明了監(jiān)測井的氣體流量系數(shù)圖9所示為示蹤劑試驗中模擬的壓力和濃度響應，該示蹤劑試驗的試驗順序如下： 0-2天：對監(jiān)測井抽水； 2-4天：使注入速率和抽水速率達到平衡，建立穩(wěn)定流場； 4天：向注入井添加示蹤劑； 4天或更長時間：記錄監(jiān)測井的臨界點曲線（BTC）。試驗結(jié)果表明，示蹤劑在數(shù)天內(nèi)快速達

20、到初始臨界點。有關(guān)水井以北小斷層流動條件的不同假設與本試驗結(jié)果大致相同。場地描述活動的最后階段是收集孔下受擾動最小的樣品，從而建立實驗場地的地球化學基線。充分了解現(xiàn)場條件有助于確定在注入二氧化碳時添加的最佳示蹤劑。二氧化碳注入期間的監(jiān)測對注入井和監(jiān)測井均開展了持續(xù)的水文監(jiān)測（壓力和流速），來評估兩相流特征和協(xié)助注入的二氧化碳羽流運動的監(jiān)測。在監(jiān)測井進行地球化學采樣有助于提供二氧化碳和示蹤劑臨界點的直接證據(jù)。而且，含有二氧化碳的水能起弱酸作用，可與含水層中的多種金屬發(fā)生反應，且在監(jiān)測井采集水樣時可產(chǎn)生明顯的化學信號。我們計劃向?qū)⒁⑷氲叵碌乃幸后w中添加特定的示蹤劑，這是典型試驗的一部分（二氧化

21、碳、鉆探泥漿和成井注漿等）。這樣，采集的樣品將具有易于檢測的特征，這將促進液體活動和交互作用的再現(xiàn)。利用帶有井內(nèi)止回閥的新型小口徑U型管采樣系統(tǒng)，在地面采集樣品。在地面利用高壓分離器和集合管對液相和氣相組分進行單獨分析。通過定期采集井內(nèi)樣品來補充這種采樣系統(tǒng)。采樣方法的主要標準是能夠準確地考慮井底條件的變化。在地面利用手提式四極質(zhì)量光譜儀對示蹤劑進行實時分析。圖 12 相對滲透率與在模擬的兩種情況下使用的不同殘余相飽和度值的函數(shù)關(guān)系推薦的二氧化碳注入程序包括以恒定的速率注入的多個時期，其間也包括停止注入時期，此時二氧化碳的注入和監(jiān)測井的抽水均停止。停止與恢復二氧化碳注入的壓力瞬變響應將反映注入

22、井周圍的兩相流動條件，我們希望通過模擬這些兩相條件獲得更多有關(guān)兩相流動過程的信息?，F(xiàn)有計劃將包括兩種截然不同的停止注入時期，從而對比不同兩相體積流的壓力瞬變。其中，一個停止時期是在二氧化碳注入初期，即當兩相二氧化碳羽流較小時；另一個停止時期是在二氧化碳注入的后期，即當兩相二氧化碳羽流較大時。數(shù)值模擬結(jié)果僅考慮了包括1個停止注入時期（持續(xù)4天注入二氧化碳，停止2天，再持續(xù)注入11天）的簡單注入程序，詳見圖10和11。數(shù)值模型假定了兩種不同殘余相飽和度值的情況。殘余氣飽和度在控制兩相流動過程方面起著非常重要的作用，在下一節(jié)將對此作詳細論述。模擬結(jié)果表明，在停止注入二氧化碳之前，在假定的兩種情況下溶

23、解相二氧化碳均在2到3天內(nèi)到達監(jiān)測井。在第一種情況下，氣相二氧化碳滯后于溶解相二氧化碳，且氣相二氧化碳直到停止注入時期結(jié)束后（凈傳遞時間為5到6天）恢復注入時才到達監(jiān)測井。在第二種情況下則相反，氣相二氧化碳與溶解相二氧化碳的到達時間一致，均在3天左右到達監(jiān)測井。值得注意的是，由于二氧化碳的流動取決于流體的活動性，而不是飽和度，因此，在氣相二氧化碳到達監(jiān)測井后，氣相流動分數(shù)（井內(nèi)鉆開的生產(chǎn)層表面）并不等同于原地氣體飽和度。通過水文和地球化學監(jiān)測獲得基本資料超臨界二氧化碳與天然咸水系統(tǒng)的兩相流動過程（例如，兩相流如何交互和干擾）是很難理解的。數(shù)學模型如果利用相對滲透率和毛細管壓力作用來闡明兩相流動

24、過程，必須提供有關(guān)這些作用的對應功能組成與參數(shù)。尤其，殘余氣體飽和度（在氣相二氧化碳不活動情況下的飽和度）對二氧化碳羽流狀態(tài)具有重大影響。例如，對于圖10和11中顯示的結(jié)果，在第一種情況下使用的殘余氣體飽和度Sgr=0.24，而第二種情況下的Sgr=0.05。圖12表明了這些Sgr值對應的相對滲透率曲線。在上述兩種情況下，當氣相二氧化碳羽流具有顯著活動性時的飽和度范圍存在較大差異：對于第一種情況，當液體飽和度Sl值低于第二種情況時，氣相二氧化碳開始活動，其對應的氣體飽和度Sg值較高。因此，必須向第一種情況下的系統(tǒng)添加更多的氣相二氧化碳，從而使二氧化碳羽流與第二種情況下的二氧化碳羽流一樣快速流動

25、。得出的結(jié)果，在第一種情況下，更多的壓縮二氧化碳羽流具有較高的氣體飽和度Sg值，這些壓縮的二氧化碳羽流并不像在第二種情況下的二氧化碳羽流那樣迅速遠離注入井，其到達監(jiān)測井的時間將更長。圖 13 在第一種情況下，在為期15天的二氧化碳注入過程結(jié)束后，通過模型模擬的C砂層在不同時期氣體飽和度分布的局部剖視圖 ； 為了展示二氧化碳羽流的最大范圍， 在模擬中不考慮C砂層頂部2米厚的巖層 殘余相飽和度部分取決于孔隙幾何形狀特征和存在流體的濕潤性，同樣需要利用巖心樣品對殘余相飽和度開展實驗室研究。然而，通過巖心開展的研究不能預測不同相位氣體在野外場地是如何相互作用和干擾的，在這些場地已具有更大范圍的地質(zhì)多相性。所以，為了獲得可靠的殘余氣體飽和度值，必須