Assessment of CO2 Sequestration Operation in an Offshore Sandstone Formation in the Pearl River Mouth Basin, South China Sea

 

文章摘要

全球多个含水层已开展海上作业，但关于注入策略和一定时间尺度上矿化比例仍存在不确定性。本研究使用反应传输模型，检验了中国海上二氧化碳封存在南中国海珠江口盆地浅层海底长石石英砂岩地层的潜力。模型结果表明，在这样的长石石英砂岩地层中进行海上二氧化碳封存是可能的，并展示了考虑到初始含水层成分和矿物，钾长石的溶解作用。在二氧化碳羽流前缘发生动态反应行为，其中溶解的二氧化碳以碳酸氢盐离子的形式与含水层水中的二价阳离子反应生成碳酸盐矿物沉淀物，当羽流中的酸性水通过先前的前缘位置时，这些沉淀物随后被溶解。

CMG软件应用情况

本研究中使用了CMG GEM组分反应性储层模拟器来解决方程8和9。GEM是一个状态方程（EoS）储层模拟器，通常用于组成和相平衡是系统动态关键贡献者的储层系统。

在本研究中，CMG GEM 组分反应性储层模拟器被用来模拟二氧化碳在海上砂岩地层中的封存过程。GEM 模拟器是一个基于方程状态（EoS）的模型，它特别适用于那些组成和相平衡对系统动态有关键影响的储层系统。以下是CMG软件在本研究中的具体应用情况：

  1. 模型描述：研究构建了一个三维含水层模型，该模型基于南中国海珠江口盆地海上石油生产作业的井数据。模型跨越了上覆泥岩层、中间长石石英砂岩地层（FQSF，即目标二氧化碳注入地层），以及FQSF下方的下部泥岩单元。
  2. 控制方程：模型中每个组分的质量平衡由方程9给出，该方程考虑了水-气系统中每个组分的传输、积累以及气、水和固体（矿物）相之间的反应。这些反应在水相中发生，导致矿物的溶解或沉淀。
  3. 边界和初始条件：在模型的底部边界，应用了Carter-Tracy含水层模型来模拟流体流入和流出模型，保持与原始静水压力相同的恒定场地压力。顶部边界被封闭，不允许流动。初始条件下，模型域内的压力分布与静水压力梯度一致。
  4. 状态方程：二氧化碳溶解度：考虑到二氧化碳的临界点与储层初始条件，注入的二氧化碳将以超临界流体的形式存在于FQSF中。二氧化碳在含水层水中的溶解度取决于压力和温度，并通过亨利定律相关表达。
  5. 反应：模型中使用了多种反应，包括水相中的反应以及矿物反应。这些反应的速率由反应速率模型给出，该模型考虑了矿物的活性表面积、反应速率常数、化学平衡常数和活性产物。
  6. 操作条件：根据FQSF的运营商，到2026年将注入总计1.46百万吨二氧化碳。研究评估了四种情况，包括不同的注入时间和井排列。

通过CMG GEM模拟器，研究模拟了二氧化碳在目标地层中的封存行为，包括超临界二氧化碳的溶解、矿物的溶解和沉淀，以及随时间变化的孔隙度变化。这些模拟结果有助于评估二氧化碳封存在类似地层中的长期潜力和安全性。

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中文作者单位

卡尔加里大学化学与石油工程系，加拿大卡尔加里。

Abstract

Offshore operations have been done in several aquifers globally, but there remain uncertainties on the injection strategy and fraction that is mineralized over a given time scale. Here, using reactive transport modeling, we examine the potential for a China offshore CO2 sequestration operation in a shallow subsea feldspar-quartz sandstone formation located in the Pearl River Mouth Basin in the South China Sea. The results from the model demonstrate that the offshore CO2 sequestration in this feldspar-quartz sandstone formation is possible and showcase that given the initial aquifer composition and minerals, dissolution of K-feldspar occurs. A dynamic reactive behavior occurs at the front edge of the CO2 plume where the dissolved CO2, in the form of bicarbonate ions, reacts with divalent cations in the aquifer water to yield carbonate mineral precipitates, which is subsequently dissolved when the acidified water in the plume passes the prior front location.

 

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