相对渗透率模型和毛细压力模型中参数对含水层CO2封存中盐沉淀的影响

吴传明 向晓军 赵锐锐

摘要：将CO2注入到深部咸含水层中，会产生盐沉淀现象。在建立模型研究盐沉淀现象时，相对渗透率模型和毛细压力模型中参数的选择会对盐沉淀现象产生影响。本文采用数值模拟的方法，评估相对渗透率模型和毛细压力模型中指数m，残余水饱和度Slr和毛细进入压力P0这三个参数对盐沉淀的影响。结果表明，指数m对盐沉淀的影响最大，直接影响了盐沉淀的分布及整体形态。m值越大，盐沉淀的分布范围越小，盐沉淀总量越小。残余水饱和度Slr对局部的盐沉淀产生影响。Slr值越小，盐沉淀区前缘的固体饱和度越大。毛细进入压力P0对盐沉淀的影响最小。

关键词：含水层;CO2封存;盐沉淀;相对渗透率模型;毛细压力模型

Abstract： Injecting CO2 into the deep saline aquifer will result in salt precipitation. When studying the salt precipitation by models，the choice of parameters in the relative permeability model and the capillary pressure model will affect the salt precipitation. In this paper，the numerical simulation is used to evaluate the effects of index m，residual water saturation Slr and capillary entry pressure P0 in the relative permeability model and the capillary pressure model on salt precipitation. The results show that the index m has the greatest influence on salt precipitation，which directly affects the distribution and overall morphology of salt precipitation. The larger the value of m，the smaller the distribution range of salt precipitation and the smaller the total amount of salt precipitation. The residual water saturation Slr influences local salt precipitation. The smaller the Slr value，the greater the solid saturation of the leading edge of the salt precipitation zone. The capillary entry pressure P0 has the least effect on salt precipitation.

Keywords： aquifer;CO2storage;salt precipitation;relative permeability model;capillary pressure model

1 引言

温室气体减排一直是国际社会持续关注的问题[1]。CO2是主要的温室气体。有学者提出可将CO2埋藏在地下，从而减少向大气中排放，缓解温室效应[2，3]。深部咸含水层是封存CO2的有效场所之一，因为其分布范围广，封存潜力巨大且技术上可行[2，4-7]。

当CO2注入到深部含水层中后，在注入井周围，CO2会驱替地层水，而地层孔隙中残留的极少量地层水会慢慢溶解在CO2中，这样当盐浓度达到最大饱和度时，固体盐会在孔隙中沉淀。固体盐沉淀会改变地层的孔隙度，从而进一步对地层渗透性和CO2注入性带来不利的影响[8，9]。

为了有效地封存CO2，一般要求将CO2注入到深度大于800m的地层中，此时CO2以不同于地层水的超临界状态存在，CO2在地层中的运移涉及到多相流动问题。此外，已有研究表明，地层水向着注入井的毛细压力回流会持续提供盐成分，从而可能导致更多固体盐沉淀[8]。因此，在建立模型研究鹽沉淀现象时，相对渗透率模型和毛细压力模型中参数的选择会对盐沉淀现象产生影响。本文采用数值模拟的方法，评估相对渗透率模型和毛细压力模型中三个参数对盐沉淀现象的影响，为后人开展盐沉淀的模拟研究提供指导。

2 研究方法

2.1 模拟软件

本研究采用数值模拟的方法，选用美国劳伦斯伯克利国家实验室开发的TOUGH2/ECO2N软件建立数值模型[10-13]。ECO2N是专门针对含水层CO2地质封存开发的，可用于模拟H2O-NaCl-CO2系统中的非恒温多相流动。

ECO2N可用来模拟固体盐（NaCl）的溶解和沉淀，其中盐沉淀用固体饱和度Ss表征，表示固体盐占据孔隙空间的分数。盐沉淀会导致地层孔隙度降低，从而对地层渗透性产生影响。该软件中，使用“tubes-in-series”模型模拟地层渗透率的变化[14]，具体表达式如下。

式中：——渗透率;——初始渗透率;——孔隙中固体部分的长度比值;——渗透率减为0时的孔隙度与初始孔隙度的比值。

参数和需要在模型中给出，参考已有文献[8]，分别取0.8和0.9。

2.2 模型建立

建立了一个辐射对称状二维模型，仅模拟砂岩储层，厚度为100m，辐射半径为100km（图1）。水平方向上，一共剖分了102个网格，包括注入井半径为0.1m，远离注入井方向网格空间逐渐增加。垂直方向上，平均划分为50个网格。假定砂岩是均质、各向同性的（图1）。砂岩的孔隙度和渗透率分别为0.15和1.0×10-14m2，密度、热导率和比热容分别为2600 kgm-3、2.51 Wm-1℃-1和920 J kg-1℃-1。

假定地层最初处于饱水状态，地层水盐度（NaCl浓度）为20%。地层的初始压力为15MPa，温度为80℃。CO2从砂岩底部注入，注入段长度为50m（图1），注入速度为5kg/s，注入时间为10000天。

相对渗透率函数使用van Genuchten-Mualem[15]和Corey[16]模型，毛细压力函数使用van Genuchten模型，相关参数值见表1。本次研究主要评估相对渗透率模型和毛细压力模型中三個参数对盐沉淀现象的影响，分别为指数m，残余水饱和度Slr和毛细进入压力P0。Oostrom等[17]综述了四个实际地层上述三个参数的取值，模型取值介于四个地层实际参数值之间（表2）。

3 结果分析

3.1 盐沉淀分布及固体饱和度大小

不同算例的盐沉淀分布如图2所示。从图中可以看出，盐沉淀主要发生在注入井周围一定范围内。不同算例中，盐沉淀外侧边界与注入井的水平距离基本相同。但是盐沉淀分布的整体形态和固体饱和度大小相差较大。

在Base Case中，1000天时盐沉淀距离地层顶部约10m，分布较为均匀，固体饱和度介于0.05-0.08之间，最大值为0.075，位于盐沉淀区的上缘。10000天时，盐沉淀发展到地层顶部，固体饱和度介于0.05-0.08之间，最大值为0.078。

相比Base Case，增加指数m值，导致盐沉淀分布和固体饱和度大小发生明显变化。在Case1-1中，1000天时盐沉淀距离地层顶部约30m，固体饱和度介于0.04-0.06之间，最大值为0.06，位于盐沉淀区的外边缘。10000天时，盐沉淀发展到地层顶部附近，固体饱和度分布不均，在注入井附近相对较小，最大值为0.11，位于盐沉淀上缘。在Case1-2中，1000天时盐沉淀距离地层顶部约40m，固体饱和度分布不均，最大值为0.06。10000天时，盐沉淀尚未发展到地层顶部，距离地层顶部约20m，固体饱和度分布不均，最大值为0.085，位于盐沉淀外缘。

在Case2-1和Case2-2中，降低气体饱和度对盐沉淀的分布没有明显的影响，但固体饱和度分布不均，注入井附近较小，最大值位于盐沉淀区的上缘和外侧缘。10000天时，Case2-1和Case2-2中，固体饱和度的最大值分别为0.1和0.122。

在Case3-1和Case3-2中，降低毛细进入压力对盐沉淀的分布没有明显的影响。固体饱和度分布较均匀，但相比Base Case，最大固体饱和度随P0减小而减小，10000天时，Case3-1和Case3-2中，固体饱和度的最大值分别为0.071和0.068。

3.2 盐沉淀总量

不同模型的盐沉淀总量见表3所示。可以看出，Case1-1和Case1-2的盐沉淀总量相对较小。相比Base Case，10000天时盐沉淀总量分别减少8.85%和9.85%。其他算例的结果与Base Case的很接近。

4 结论

本文采用数值模拟的方法，研究了相对渗透率和毛细压力模型中指数m，残余水饱和度Slr和毛细进入压力P0这三个参数对盐沉淀的影响，结论如下：

（1）指数m对盐沉淀的影响最大，直接影响了盐沉淀的分布及整体形态。m值越大，盐沉淀的分布范围越小，盐沉淀总量越小。

（2）残余水饱和度Slr对局部的盐沉淀产生影响。Slr值越小，盐沉淀区前缘的固体饱和度越大。

（3）毛细进入压力P0对盐沉淀的影响最小。

参考文献

[1] IEA. Energy Technology Perspectives[R]. France，Paris IEA，2008.

[2] IPCC，Ed.，Carbon dioxide capture and storage. Cambridge： Cambridge University，2005，p.^pp. Pages.

[3] 曾荣树，孙枢，陈代钊，等. 减少二氧化碳向大气层的排放——二氧化碳地下储存研究[J]. 中国科学基金，2004，（4）： 196-200.

[4] BACHU S，GUNTER W D，PERKINS E H. Aquifer disposal of CO2： hydrodynamic and mineral trapping[J]. Energy Conversion and Management，1994，35（4）： 269-279.

[5] 李小春，刘延锋，白冰，等. 中国深部咸水含水层CO2储存优先区域选择[J]. 岩石力学与工程学报，2006，25（5）： 963-968.

[6] 郭建强，张森琦，刁玉杰，等. 深部咸水层CO2 地质储存工程场地选址技术方法[J]. 吉林大学学报（ 地球科学版），2011，41（4）： 1084-1091.

[7] 赵锐锐，孟庆辉，成建梅. 深部咸含水层CO2注入的流体迁移模拟研究——以松辽盆地三肇凹陷为例[J]. 岩土力学，2012，33（4）： 1247-1252.

[8] PRUESS K，MULLER N. Formation dry-out from CO2 injection into saline aquifers： 1. Effects of solids precipitation and their mitigation[J]. Water Resources Research，2009，45： W03402.

[9] ALKAN H，CINAR Y，ULKER E B. Impact of capillary pressure，salinity and in situ conditions on CO2 injection into saline aquifers[J]. Transport in Porous Media （Transp. Porous Media），2010，84（3）： 799-819.

[10] PRUESS K，OLDENBURG C，MORIDIS G. TOUGH2 user's guide，version 2.1. Report LBNL-43134，Lawrence Berkeley Laboratory，Berkeley，California，USA[R]. 2012.

[11] PRUESS K，GARC A J. Multiphase flow dynamics during CO2 disposal into saline aquifers[J]. Environmental Geology，2002，42（2-3）： 282-295.

[12] PRUESS K. ECO2N： A TOUGH2 fluid property module for mixtures of water，NaCl，and CO2. Lawrence Berkeley National Laboratory，Report LBNL-57592，August[R]. 2005.

[13] 施小清，張可霓，吴吉春. TOUGH2软件的发展及应用[J]. 工程勘察，2009，（10）： 29-34+39.

[14] VERMA A，PRUESS K. Thermohydrological conditions and silica redistribution near high-level nuclear wastes emplaced in saturated geological formations[J]. Journal of Geophysical Research-Solid Earth and Planets，1988，93（B2）： 1159-1173.

[15] VAN GENUCHTEN M T. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J]. Soil Science Society of America Journal，1980，44（5）： 892-898.

[16] COREY A T. The interrelation between gas and oil relative permeabilities[J]. Producers Monthly，1954，19（1）： 38-41.

[17] OOSTROM M，WHITE M D，PORSE S L，等. Comparison of relative permeability-saturation-capillary pressure models for simulation of reservoir CO2 injection[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control，2016，45： 70-85.