深部咸水层超临界CO2灌注毛细压力对盐沉淀的影响

房 琦，李义连，喻 英，刘丹青

（中国地质大学（武汉）环境学院，湖北 武汉 430074）

将超临界二氧化碳（CO2）灌注到深部咸水层中，CO2流体首先将可流动的咸水驱替掉，随后残余的咸水则会蒸发或溶解到流动的CO2气流中，导致咸水的盐度增加直至达到饱和，从而发生盐沉淀［1-3］。盐固体颗粒会降低流体运动的孔隙空间，使渗透率大大降低，从而阻碍CO2的进一步注入［4-6］，这种现象尤其发生在高盐度咸水层中CO2灌注井孔内及井孔周围。

Giorgis等［1］模拟了枯竭气田中干燥CO2气体注入引发的盐沉淀行为，结果表明岩盐沉淀量取决于初始液体饱和度和咸水的流动性；Pruess等［2］认为较低的毛细压力对岩盐沉淀量的影响不大，仅使岩盐固体饱和度增加10%；Alkan等［7］研究发现当毛细压力越高时，对岩盐沉淀量的影响也就越大，高毛细压力作用下蒸干区的岩盐沉淀行为受毛细压力控制，至于其影响机制是咸水回流盐分的吸入还是咸水滞留的影响尚不清楚。

本文以江汉盆地江陵凹陷高盐度卤水层为例，采用数值模拟的方法对超临界CO2灌注到深部咸水层中毛细压力耦合盐度和CO2注入速率对注入井附近盐沉淀的影响进行了研究，并通过对咸水流速曲线进行分段解析，揭示了毛细压力作用下盐沉淀量变化的机理。

1 研究方法

1.1 模型建立

采用二维均质径向模型模拟位于地表以下2 000m 径向延伸10km 且厚度为50m 的深部咸水层，见图1。模型垂向上每1 m 剖分一层共50层，灌注井井孔半径为0.1m，井孔径向10m 范围采用等距剖分法每0.1m 剖分一个网格共99个网格，井孔径向10～100m 范围采用径向递增剖分法共剖分100个网格，井孔径向100～1 000m 范围采用径向递增剖分法共剖分50 个网格，井孔径向1 000～10 000m 范围采用径向递增剖分法共剖分50个网格。最外面的网格体积设为1040m3，模拟无限边界，咸水层上下均为封闭边界。CO2灌注井为咸水层底部20m 区域（见图1），采用恒速注入方式，CO2注入速率Q 为20kg／s，模拟时间为30a。咸水层的水文地质参数参考江汉盆地江陵凹陷沙4井钻孔新沟咀组储层岩石物性参数［8］，平均孔隙度为16%，平均渗透率为100mD；江汉盆地地表温度为15℃，平均地温梯度为35℃／km，属于典型的“热盆”，正常压力梯度分布，得到2 000m 埋深储层温度为85℃，压力为20 MPa。

图1 模型示意图Fig.1 Schematic diagram of model used in this study

1.2 数值模拟方法

本次数值模拟采用美国劳伦斯伯克利国家实验室开发的专为深部咸水层CO2地质封存研究设计的CO2-水-NaCl 多相流 模拟软 件 TOUGH2／ECO2N［9-11］。对于多相流模拟，TOUGH2 软件提供了不同的相对渗透率和毛细压力方程。由于缺少研究区相对渗透率曲线和毛细压力曲线相关资料，本文采用文献中引用较多的模型，即相对渗透率曲线采用Corey模型，毛细压力曲线采用van Genuchten模型，具体方程如下：

式中：krw为液相相对渗透率；krg为Pcap相相对渗透率；Pcap为毛细压力；P0为启动压力；Sw为液体饱和度；Swr为残余液体饱和度；Sgr为残余气体饱和度；λ为孔隙大小分布参数。

为了对比毛细压力的影响，这里假定了两组毛细压力曲线（见图2）：第一组参考有关文献［9-11］参数，孔隙大小分布系数λ取0.46，启动压力P0取19 608Pa，代表低毛细压力；另一组将λ降低至0.36，启动压力P0提高至62 500Pa，代表高毛细压力。为了不涉及残余水饱和度对盐沉淀的影响，两种毛细压力曲线假定残余水饱和度Swr相同都为0.30。

图2 模拟中采用的毛细压力曲线Fig.2 Capillary pressure curves used in simulations

盐的溶解与沉淀被视作取决于咸水层温度的岩盐溶解平衡。岩盐沉淀量用岩盐固体饱和度（Ss）即固体盐所占孔隙空间的体积分数表达。盐沉淀导致孔隙度和渗透率的相应变化采用“系列管”模型［12］。该模型将收敛发散的孔隙通道看作由一段段大小不同半径互相串连的毛细管组成。该模型有两个主要参数：含有两种不同半径的孔身分数长度（Γ）；渗透率降为零时对应的孔隙度变化率（φr=φ／φ0≡1-Ss）。岩层渗透率变化率可表示为

本模型中φr和Γ 均取值为0.8，得到渗透率变化率k／k0随岩盐固体饱和度Ss的变化曲线，见图3。当岩盐固体饱和度Ss达到0.2时，岩层的渗透率降为0。

图3 渗透率变化率（k／k0）随岩盐固体饱和度（Ss）的变化曲线Fig.3 Variation curve of k／k0with Ss

1.3 解析方法

将超临界CO2灌注到深部咸水层中，CO2流体首先将可流动的咸水驱替掉，随后残余的咸水则会蒸发或溶解到流动的CO2气流中，导致咸水盐度增加直至达到饱和，从而发生盐沉淀。岩盐沉淀量多少主要取决于咸水的流动性［1-3］。

如图4所示，对于任意网格，都会与相邻网格在接触面上发生水量交流，首先是孔隙压力驱动下的咸水外流，其次是毛细压力作用下的咸水回流。需要说明的是，对于垂向顶底接触面上的水量交换可能还受到重力作用的影响。

图4 解析方法示意图Fig.4 Schematic diagram of analytic method

咸水量q对应的岩盐固体饱和度Ss可通过下式计算：

式中：Xs为盐度（%）；ρs 为盐的密 度，取2 153 kg／m3；φ 为孔隙度；Vblock为网格的体积（m3）。

为了定量刻画毛细压力作用下CO2灌注井周围岩盐沉淀量的增加是对咸水滞留的影响还是对咸水回流的影响，本文对其咸水流速曲线进行分段解析，选取不同的观测点和剖面对比，即可得到毛细压力作用下岩盐固体饱和度Ss的增加是滞留水量的增加还是咸水回流的结果。

2 结果与讨论

2.1 盐度耦合毛细压力对岩盐沉淀的影响

图5给出了不同毛细压力作用下的岩盐沉淀固体饱和度随盐度的变化曲线。由图5可以看出：对于较低的毛细压力，岩盐固体饱和度与卤水盐度（溶解岩的质量分数XNacl）存在着显著的线性关系，如与灌注井相邻的网格A，其岩盐沉淀量明显高于距离井孔5m 处的网格B；然而，对于较高的毛细压力，卤水盐度和残余水饱和度不再是控制岩盐沉淀量的主要因素，在强烈的毛细压力作用下，岩盐固体饱和度随着时间持续积累，较短时间内岩石孔隙便被固态盐颗粒完全充满。

图5 不同毛细压力作用下岩盐固体饱和度随盐度的变化曲线Fig.5 Variation curves of Ssof salinity under different capillary pressure

为了弄清毛细压力作用下对岩盐固体饱和度的影响机理，本文选取25%盐度位于最底层的与灌注井相邻的网格A 和距井孔5 m 处的网格B（见图1），通过分段解析液体流速曲线，并利用曲线面积法计算出相应的盐分变化，以探讨毛细压力对盐沉淀的影响机理。

图6给出了网格A（见图6（a））和网格B（见图6（b））在不同毛细压力作用下的咸水流速曲线以及溶解盐的质量分数和岩盐固体饱和度随时间的变化曲线。需要说明的是，为了更好地表达咸水流速变化情况，其流速采用的是绝对值，液体流速出现突变转折表示从转折点起进入毛细压力作用下的咸水回流阶段。首先利用曲线面积法得到各阶段液体流速曲线的咸水流量（单位为kg），然后根据公式（9）、（10）、（11）计算出滞留咸水量和回流咸水量以及对应的岩盐固体饱和度，见表1。由于垂向上的咸水交换量很小，这里仅作整体考虑。

对于邻近井孔的网格A，低毛细压力作用下，滞留咸水量对应的岩盐固体饱和度为0.063 4，回流咸水量对应的岩盐固体饱和度为0.037 7，总岩盐固体饱和度为0.101 1，模拟值为0.101 9；对于距井孔5 m 处的网格B，低毛细压力作用下，滞留咸水量对应的岩盐固体饱和度为0.061 0，回流咸水量对应的岩盐固体饱和度为0.002 4，总岩盐固体饱和度为0.063 4，模拟值为0.062 2，表明毛细压力作用下的咸水回流量影响较小。对于高毛细压力情况，邻近井孔的网格A 则会在强烈的毛细管吸入作用下获得相邻孔隙里持续不断的咸水盐分补给，使得咸水溶液因过饱和持续发生盐沉淀，直至盐固体颗粒完全堵塞岩石孔隙，将岩层渗透率降为零。通过分析表1的数据可以发现，较高的毛细压力虽会提高滞留水量下的岩盐沉淀量，但持续的咸水回流是造成高盐分沉淀的主要原因。

图6 毛细压力作用下咸水流速曲线以及溶解盐质量分数和固体饱和度随时间的变化曲线Fig.6 Variation of salt liquid flow rate，dissolved salt mass fraction and solid saturation with time under capillary pressure

表1 各阶段液体流速曲线的咸水流量以及对应的岩盐固体饱和度（毛细压力的影响）Table 1 Salt liquid flow rate and salt solid saturation of liquid velocity curve in each stage under capillary pressure

2.2 CO2注入速率耦合毛细压力对盐沉淀的影响

图7 岩盐固体饱和度随CO2注入速率的变化曲线Fig.7 Variation of salt solid saturation with CO2injection rate

本文以25%盐度低毛细压力为例，分析了CO2注入速率对盐沉淀的影响。图7给出了岩盐固体饱和度随CO2注入速率的变化曲线。由图7可以看出：岩盐固体饱和度Ss明显受到CO2注入速率的影响，随着CO2注入速率的降低而增加；当CO2注入速率为20kg／s时，与灌注井相邻的网格A 总的岩盐固体饱和度模拟值为0.101 9，而当CO2注入速率降低至2kg／s时，总的岩盐固体饱和度模拟值达到最大值，约为0.2。通过对液体流速曲线的咸水流量以及对应的岩盐沉淀量进行分段解析（见表2）发现，较低的CO2注入速率延长了咸水回流的时间，显著增加了毛细压力作用下的咸水回流量。

表2 各阶段液体流速曲线的咸水流量以及对应的岩盐固体饱和度（注入速率的影响）Table 2 Salt liquid flow rate and salt solid saturation of liquid velocity curve in each stage under injection rate

3 结论

本文以江汉盆地江陵凹陷高盐度卤水层为研究对象，采用数值模拟的方法对超临界CO2灌注到深部咸水层中毛细压力对盐沉淀的影响进行了研究，并通过对咸水流速曲线分段解析揭示了其影响机理，得到如下结论：

（1）低毛细压力作用下，岩盐固体饱和度仍与咸水盐度存在着显著的线性关系；高毛细压力作用下，初始残余液体饱和度和咸水盐度不再是控制岩盐沉淀量的主导因素，即使是低盐度的咸水层，邻近井孔区域会在强烈的毛细管吸入作用下获得持续不断的咸水回流盐分补给，使得咸水溶液因过饱和持续发生盐沉淀，直至岩盐固体颗粒完全堵塞岩石孔隙，将岩层渗透率降为零。

（2）岩盐沉淀量还受到CO2注入速率的控制，随CO2注入速率的升高而降低，即便是在低毛细压力作用下，较低的CO2注入速率也会造成严重的盐沉淀效应，原因在于较低的CO2注入速率延长了咸水回流时间，显著增加了毛细压力作用下的咸水回流量。因此，高盐度卤水层中以较高的速率注入CO2可有效缓解盐沉淀的影响。

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