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武汉岩土所用天然CO2驱动间歇泉作为碳泄漏类比研究获进展

2021-10-19 武汉岩土力学研究所
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  二氧化碳(CO2)捕集、利用与封存技术(CCUS)作为一种大规模温室气体减排技术,有望成为未来我国实现碳中和目标的重要选项之一。注入深部地质储层的CO2沿井筒等潜在通道泄漏是一个需要重点管控的风险。目前CCUS中泄漏的研究大多停留在理论层面,认识还有待深入,而天然泄漏对比研究是一个深化认识的途径。青藏高原东北部拉基山以南、湟水河以北地区广泛发育的天然CO2泄漏现象为深部CO2泄漏过程的研究提供了得天独厚的条件。其中位于海东市平安区三合镇的ZK10井自2002年完井以来长期表现出高含CO2的气水混合物间歇高压自流特征,是典型的CO2驱动间歇泉。
  中国科学院武汉岩土力学研究所研究人员联合青海省水文地质工程地质环境地质调查院、吉林大学相关研究人员,针对该区陆续开展了地质文献资料调研、现场勘察和数值模拟等工作。研究人员首先通过测量与ZK10井相连蓄水池水位变化确定了该井间歇性喷发的周期(图1),之后结合该研究区区域地质资料及ZK10井身结构数据,利用井筒-储层耦合模拟软件T2Well建立了三维非等温模型以模拟ZK10井的间歇性喷发现象。研究结果表明,ZK10井间歇性喷发中一个周期可进一步划分为四个阶段,即喷发前、主喷发、副喷发和喷发后阶段(图2),其中喷发过程受控于井筒内部两相流流态的转变,而间歇性则由喷发这一自增强过程及喷发后井筒内流体被消耗这一自限制作用共同控制(图3)。此外该过程还受储层补给的调节,井筒半径、储层渗透率及储层中CO2质量分数等参数对喷发周期具有不同程度的控制作用,且主喷发阶段占总喷发周期的比例对不同参数的扰动具有不同响应,这可作为识别间歇泉喷发周期变化直接诱因的依据。研究结果揭露了CO2沿ZK10井泄漏过程中的流动特性,可为CCUS项目泄漏监测与预防提供依据。

  相关研究成果以Modeling of CO2-driven cold-water geyser in the northeast Qinghai-Tibet plateau为题发表于Journal of Hydrology。研究工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、青海省基础研究计划项目的共同资助。

图1 (a) ZK10井位置及研究区地质概况 (b) ZK10井筒结构示意图 (c) 与ZK10井相连蓄水池水位实测变化图 (d) ZK10井导流结构示意图及排气口照片

图2 井筒内不同深度处(a)气相流量 (b)液相流量 (c)气体饱和度 (d)压力模拟结果

图3 (a) 漂移速度与气体饱和度关系 (b) 井筒内部两相流流态的转变对喷发的控制及自增强与自限制作用对间歇性的控制

图4 野外调研工作

打印 责任编辑:江澄

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