基于TOUGH2模拟CO2地质封存对地层温度的影响

陈 卓， 杨瑞琰， 胡志高

(中国地质大学(武汉) 数学与物理学院，湖北 武汉 430074)



基于TOUGH2模拟CO2地质封存对地层温度的影响

陈 卓， 杨瑞琰， 胡志高

(中国地质大学(武汉) 数学与物理学院，湖北 武汉 430074)

运用水流及热量运移的数值模拟软件TOUGH2建立三维模型，通过长时间恒速地注入含CO2的流体，模拟研究CO2地质封存对地层温度的影响。结果表明，CO2地质封存之前地层温度处于平衡状态，封存之后打破原有平衡；地层渗透率越高，越利于温度的交流；整个地层温度经历从非稳态到稳态的过程，温度的交换由于受到能量守恒的制约，整个地层的最后温度约处于初始时刻上、下地层温度的中间值；不断注入的流体对整个地层温度的影响有限，地层温度早期变化速度较快，后期变化速度逐渐减缓。

TOUGH2软件； 数值模拟； CO2地质封存； 地层温度

大量化石燃料的燃烧造成CO2气体的急剧增加，严重影响全球的生态环境。作为有效的CO2减排途径，CO2地质封存前景乐观。CO2地质封存技术是CCS技术重要的组成部分，主要是将捕捉到的高纯度CO2注入到选定的、安全的地质构造中[1]。CO2持续不断地注入到咸水层将引起一系列的物理和化学变化，包括多相流体运动、有效应力的变化、溶质运移以及流体与地层矿物之间的化学反应。这些作用相互影响，构成一个多场耦合过程[2]。

对CO2的地质封存与研究工作始于20世纪末期，到21世纪开始得以迅速发展。2008年，许雅琴等[3]详细探究了基于TOUGH2软件进行场地规模CO2地质封存数值模拟所采用的方法，为今后开展大规模CO2地质封存的数值模拟研究提供了参考依据。随着时间的推移，众多学者开始尝试估算CO2地质封存中的储存容量。如G.H.Lee等[4]对济州岛盆地的CO2地质封存的储存容量进行了估计，结果为(235～6 870)×108t。P.Li等[5]探究到北部湾盆地富有高孔隙度、高渗透率的储层等有利地质条件，预估盆地有效储存CO2容量为485.6×108t，且主要分布在深部咸水层。

CO2地质封存的巨大储存量能很大程度上改善全球的生态环境，但它的贡献不止于此。近些年，国内外学者对CO2地质封存的温度场或地热进行了大量的研究，并取得了一定成果。H.Lei 等[6]基于TOUGH2Biot软件实现了耦合地热、水动力、机械过程的地下流体系统的CO2地质封存和地热发展的应用研究。龙芳[7]研究了注入温度对CO2驱油效率的影响，证实考虑温度场的必要性。传统油气的开采研究主要考虑地层压力的变化情况，温度场研究则多在热采等领域。目前，注CO2温度场研究多在CO2封存方面。现代生油理论认为地温是有机质向油气演化过程中最为重要的因素，并且地热是一种宝贵的热能资源，具有成本低、使用简便、污染小等优点，因此研究地层温度具有重要意义。实际资料表明，影响地层温度的主要因素有大地构造性质、基底起伏、岩浆活动、岩性、盖层褶皱、断层、地下水活动、烃类聚集等。本文基于TOUGH2软件对CO2的地质封存过程进行模拟，重点分析CO2进入地层后，地层岩性、断层、含CO2流体的运移等对地层温度的影响。模拟结果有利于我国对CO2地质封存机理的进一步研究，可对工程实际应用提供理论指导。

1 数值模拟软件

鉴于实地研究的巨大耗资和实施困难，国内外学者们主要运用PetraSim软件模拟CO2的地质封存。其中，PetraSim软件是地下水模拟仿真图形化建模分析工具，它用于TOUGH2模拟程序家族的图形化界面。TOUGH2及其衍生程序由伯克利劳伦斯国家实验室研发，因其在孔隙和裂隙介质中多相流和热运移的强大模拟能力而被认可，已成功应用于地热储藏工程、核废料处置、饱和/非饱和带水文、环境评价和修复及CO2地质处置[8]。

为方便处理不同的多组分、多相水流系统问题，TOUGH2软件设置了不同的模块。EOS1适用于水或示踪水这种单相流或两相流问题，EOS2适用于水和CO2多相混合问题，EOS3适用于水和氢气多相混合问题，EOS5适用于水和空气多相混合问题，EOS9适用于渗流带的饱和、非饱和水流问题，ECO2适用于水、盐水、CO2的封存研究[9]。

采用的EOS1模块是最基本的模块，提供示踪水液相、气相及两相状态的描述，能够很好地刻画示踪水的流体——含CO2流体的运移。EOS1在CO2溶质的单相流体条件下，主要涉及到气相浓度场、气相压力和温度等几个变量，适用于本研究的开展。

对于CO2地质封存的模拟，在根据水文地质模型建立模型后，需要进行一系列输入文件的准备过程方可利用TOUGH2软件进行数值模拟计算。输入文件的准备过程包括模型的分层、网格文件的生成、水文地质参数的确定、初始条件的确定、输入参数的确定和注入的模拟方案等。

2 二维耦合模型

CO2注入地层后，地层温度受到很多因素的影响，在综合分析地层渗透率、CO2体积分数、CO2注入点位置、注入时间等相互影响的基础上，建立了能量守恒定律和渗流方程[10]，结果见式(1)—(4)。当仅研究x-z平面上的流体运动时，能量守恒方程的标量形式为：

(1)

其中，比热容比：

(2)

等价热扩散系数：

(3)

其次，确定盆地流体运移的控制方程组，引入渗流方程的流函数Ψ，其形式为：

(4)

式中，T为温度函数(绝对温度)，K；t为时间，s；q为达西速率，m/s；ρ为密度，kg/m3；cp为定压热容，J/(kg·K)；下标b为所属流体和固体的平均值；下标f为所属流体的值；μ为与温度有关的流体动力黏度系数，kg/(m·s-1)；k为渗透率，m2；ρf0为地表流体的密度，一般为1 000 kg/m3；g为重力加速度，m/s2；α为等压热膨胀系数，1/℃；β为溶质膨胀系数；s为CO2在流体中的体积分数；下标x和z为量在x和z方向上的分量。

储层区域两端的边界条件一般取对流函数：

(5)

温度的边界条件：

(6)

浓度的边界条件：

(7)

3 应用实例

3.1 模型范围和概念模型的确定

运用TOUGH2软件建立一个理想的三维模型来模拟CO2的注入，设置横向距离10 000 m，纵向距离3 000 m，垂向深度3 000～8 000 m。水平方向上，在地层约6 600 m设置了1处长约3 400 m的不规则垂向断裂带。图1为该模型的垂向x-z剖面地层图。

图1 模型的垂向x-z剖面地层图3.2 网格离散

利用TOUGH2软件对地质模型进行网格离散。垂向上共剖分为7个模拟层，其中地下约5 000、6 000 m处各有1层不整合面，厚度分别为50、100 m。除不整合面外，储层根据厚度进行等距剖分，分为5层或10层。水平方向上，根据厚度等距剖分为50层。整个模型设置了3种岩性，共剖分为2 350个网格。

3.3 模型的初始条件

根据重力平衡状态确定整个模型范围内的初始压力分布情况，符合静水压力梯度分布。整个系统的初始温度、压力分布按照梯度经验公式来计算，参考我国地温分布的基本特征，取地表温度为25 ℃，地温梯度为3.0 ℃/(100 m)，地表压力为1.013×105Pa，压力梯度为8 750 Pa/m。

3.4 参数设置

除已知地质参数外，需要输入的内部参数主要包括各地层的密度、孔隙度、渗透率等。为了方便研究，考虑模型的均质性，所有地层的横向、纵向、垂向的渗透率均相等，选取的水文地质和热力学参数如表1所示。

3.5 注入方案

将CO2以1.0 kg/s、水以59.0 kg/s的速度流入，注入总时间设置为500 a。将注入方案设置为：含CO2的流体从地层垂向断裂带稍上方流入(源)，从整个模型的四周流出(汇)。源、汇的参数见表2。

表1 模型中水文地质及热力学参数

表2 源、汇的参数

4 模拟结果及分析

设置好初始条件和内部参数后，运用TOUGH2软件控制输出文件，整理得到在初始时刻(1 s)、5、50、500 a时模型剖面地层中(x为横向范围，z为纵向范围)温度场的分布情况，结果见图2。

由图2(a)可知，在CO2注入之前，上下地层的温度呈梯度递增，且为正常地温梯度，地层温差超过100℃；由图2(b)可知，CO2注入之后，温度的交换方向主要由地层渗透率较大区域来控制，由于岩性差异和注入点在断裂带稍上方，随着含CO2流体的运移，能量得到及时补给，温度开始沿着断裂带上下交流，使得温度迅速地交换，5 a时整个断裂带的温度几乎处处相等，约为200 ℃。

由图2(b)、(c)可知，50 a时温度已经沿着不整合面和岩性2交换迅速，对照图1可以看出，地层稍上方、稍下方两处的岩性2地层和不整合面的温度此时几乎处处相等，分别为185、195 ℃，整个断裂带此时温度相比5 a时有所回降，约为195 ℃，地层温度完全打破了初始时刻呈梯度递增变化的状态，此时整个地层温度相差约40 ℃，相比初始时刻温差缩小约一半。 由图2(d)可知，500 a时温度已经在整个地层进行了交换，整个地层温度仅相差12～15 ℃，这对于一个高度相差5 000 m的地层，说明整个地层的温度相差微小。依据温度的变化趋势分析，CO2地质封存对地层温度的影响较大，并使整个地层的温度变化逐渐放缓并趋于稳定，由于受到能量守恒的制约，地层最后的温度约处于初始时刻上、下地层温度的中间值。

综合分析图2可知，虽然CO2地质封存过程中不断有新鲜CO2注入地层，但相较于整个地层而言，注入流体对整个地层温度的影响有限，地层温度早期变化速度较快，后期变化速度逐渐减缓，直至数百年之后地层温度分布趋于稳定。

(a) 初始时刻(1 s)

(c) 50 a(b) 5 a

(d) 500 a图2 CO2注入速度1.0 kg/s时模型剖面地层中温度场的分布情况

5 结 论

(1)CO2地质封存对地层温度的影响较大，且岩性种类设置较少，有利于开展温度变化规律的研究。

(2)地层温度早期变化速度较快，后期变化速度逐渐减缓。温度的交换方向主要由地层渗透率较大区域来控制，整个地层温度经历从非稳态到稳态的过程。

(3)地层温度的变化主要受到地层渗透率和含CO2流体运移的影响，所以如果地层渗透率较小，且注入的CO2体积分数较小或注入时间较短，整个地层的温度将很难趋于稳定。

(4)基于TOUGH2软件模拟研究CO2地质封存对地层温度影响的模型取得了很好的预测结果，为今后CO2地质封存中的地热研究提供理论经验。

[1] Holloway S. An overview of the underground disposal of carbon dioxide[J]. Energy Conversion & Management, 1997, 38(96):193-198.

[2] 葛秀珍. 国外CO2地质储存现状与展望[J]. 地质调查与研究, 2012(3):195-205.

[3] 许雅琴, 张可霓, 王洋. 利用TOUGH2进行场地规模CO2地质封存的模拟方法[J]. 工程勘察, 2012, 40(3):37-43.

[4] Lee G H, Lee B, Kim H J, et al. The geological CO2storage capacity of the Jeju Basin, offshore southern Korea, estimated using the storage efficiency[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2014, 23(2):22-29.

[5] Li P, Zhou D, Zhang C, et al. Assessment of the effective CO2, storage capacity in the Beibuwan Basin, offshore of southwestern P. R. China[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2015, 7:325-339.

[6] Lei H, Xu T, Jin G. TOUGH2Biot ——A simulator for coupled thermal-hydrodynamic-mechanical processes in subsurface flow systems: Application to CO2, geological storage and geothermal development[J]. Computers & Geosciences, 2015, 77:8-19.

[7] 龙芳. 考虑温度场注CO2提高采收率研究[D]. 成都：西南石油大学, 2015.

[8] 施小清, 张可霓, 吴吉春. TOUGH2软件的发展及应用[J]. 工程勘察, 2009, 37(10):29-34.

[9] Pruess K, Oldenburg C M, Moridis G J. TOUGH2 user's guide version 2[R]. AC03-76SF00098, 1999.

[10] 杨瑞琰. 沉积盆地的成矿元素富集与成矿机制研究[M]. 武汉：中国地质大学出版社, 2005.

(编辑 宋官龙)

Simulation of CO2Geological Storage Research on the Effect of Formation Temperature Based on TOUGH2

Chen Zhuo, Yang Ruiyan, Hu Zhigao

(SchoolofMathematicsandPhysics,ChinaUniversityofGeosciences,WuhanHubei430074,China)

The three-dimensional model is established with the numerical simulation software TOUGH2 of flow and heat migration, through a constant speed with long time of injecting fluids containing CO2to simulate CO2geological storage research on the effect of formation temperature. The results show that the formation temperature is in equilibrium before CO2geological storage and the original balance is broken after sealing up. The higher the formation permeability is, the more conducive to the exchange of temperature. The temperature of whole formation undergoes the process from unsteady state to steady state, and because the exchange of formation temperature is restricted by the energy conservation, the final temperature of the whole formation is about at the initial time and the middle temperature of the lower formation temperature. The injected fluid continuously has a limited influence on the formation temperature, and the formation temperature changes rapidly in the early, the late change rate gradually slows down.

TOUGH2 software; Numerical simulation; CO2geological storage; Formation temperature

1672-6952(2017)04-0029-05

2016-09-13

2016-11-02

国家重大专项“大型油气田及煤层气开发”(2008ZX05005)；国家“973计划”项目“中国早古生代海相碳酸盐岩层系大型油气田形成机理与分布规律”(2012CB214802)；中国石化股份公司项目“塔里木盆地深层优质碳酸盐岩储层成因与分布”(P14038)。

陈卓(1991-)，女，硕士研究生，从事优化理论及其应用研究；E-mail:chenzhuocug@foxmail.com。

杨瑞琰(1964-)，男，博士，教授，从事流体动力学数值计算研究；E-mail:ryyang@cug.edu.cn。

TE991.1； O242.1

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.04.007

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn