Assessment of the impact of geological conditions on the efficiency of the system

通过数值模拟和半解析模拟，研究钻井和地质储层在充放电循环中压力（P）和温度（T）的瞬态行为对系统整体效率的影响。测试的地质场景包括多种配置的深部咸水含水层、地热储层和盐穴。利用 CMG 软件对多孔介质场景（井筒和储层）进行数值建模，通过井指数（如注入能力和生产能力）和总效率评估地质条件对 CEEGS 可行性的影响，并通过敏感性分析确定不同储层参数的相对重要性。采用半解析方法研究盐穴场景，将盐穴、井筒和地面设施整合，以获得不同盐穴深度下系统的效率。

CMG 软件应用情况：

使用 CMG-STARS 商业模拟器对 “深部咸水含水层（开放边界）” 和 “两深部咸水含水层（气态 CO₂）” 场景进行建模，使用 CMG-GEM 商业模拟器对 “两深部咸水含水层（超临界 CO₂）” 和 “地热储层” 场景进行模拟，以模拟 CO₂注入和羽流迁移等过程，分析不同地质场景下系统的可行性和效率。

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文章主要内容

  1. 引言
    • CEEGS 技术效率依赖于储层 P&T 条件、井筒 P&T 变化及 CO₂捕集机制动力学，本报告旨在明确充放电循环中井口和井底 P&T 瞬态行为及地质条件对系统效率的影响，确定最适合该技术早期实施的地质储层和技术配置。文中研究了多种地质场景，包括深部咸水含水层（不同边界条件、不同深度组合）、地热储层和盐穴，对多孔介质储层和盐穴采用不同研究方法，前者用数值工具研究地下部分，后者用半解析工具并结合地面组件研究，且多孔介质场景采用实际数据确保真实性，通过敏感性分析弥补地质条件多样性不足。
  2. 方法
    • 数值模拟工具：根据不同地质场景选用 CMG-STARS 或 CMG-GEM 软件模拟 CO₂注入和羽流迁移，因其在井筒模拟功能上的差异。CMG-STARS 可模拟井筒内压降和径向热损失，采用 SAM 模型半解析计算，与储层模型耦合，同时求解动量和能量方程；CMG-GEM 则需用 MATLAB 代码结合 CoolProp-MATLAB 库开发的半解析模型模拟井筒 P&T。
    • 羽流建立和井配置：CEEGS 地下部分包括 CO₂羽流建立和充放电循环两阶段。羽流建立阶段连续注入 CO₂两年形成超临界 CO₂羽流，同时实现 CO₂封存；充放电循环阶段，注入井 A 将多余可再生电力转化的高温高压 CO₂注入储层，生产井 A 产出超临界 CO₂用于发电，然后低温同流量的 CO₂由井 B 注入储层，注入井受井底压力和注入压力约束，充放电循环重复六次，不同地质场景采用单井或双井配置，仅考虑垂直井。
    • 充放电循环：羽流建立后注入井关井 30 天，然后开始 24 小时能源存储循环，包括放电、关井恢复、充电、关井恢复四个阶段，每个阶段时长受供需控制，本文简化为等时长分布，后续 WP3 将考虑长期或季节性储能循环。
    • 盐穴场景的半解析模型：盐穴存储 CO₂场景依据相关方法和假设，考虑到盐岩特性，确定盐穴压力上下限，模型中洞穴视为单一体积，假设岩石盐压缩性低、质量流量可控、洞穴内 CO₂参数均匀、流动稳定，且考虑存储的压力条件和 CO₂理想气体状态，同时指出模型存在的局限性，如忽略卤水影响、未考虑长期地质力学效应等。
    • 盐穴与地面组件的接口：通过将盐穴模型与基于 Python 的地面 CO₂跨临界循环行为中 CO₂注入和生产方法相结合，实现与地面存储系统的集成，利用 CoolProp 库计算物质属性，并定义充电、放电和往返效率指标来量化系统各阶段效率。
    • 敏感性分析方法：敏感性分析旨在确定影响结果的参数及其影响程度，先根据相关研究选择地质参数，确定其取值范围，再分析如效率和可持续性等结果参数，CMG 软件允许一次一参数（OPAAT）或同时调整多参数并拟合响应面两种方法进行敏感性研究，OPAAT 方法更准确但计算成本高，适用于网格单元少的通用地质场景。
    • 效率和可持续性指标：多孔介质场景中，因未考虑地面工厂过程，采用总效率（如生产井与注入井井口质量流量和焓的比值）、井生产指数（累积 CO₂产量与生产井底压差的比值）、井注入指数（累积 CO₂注入量与注入井底压差的比值）和可持续性指数（注入指数与生产指数的比值）等指标评估地质参数对系统性能的影响；地热储层场景中引入热提取指标（注采井井口温度差）衡量系统性能。
  3. 场景描述与结果
    • 基础场景：深部咸水含水层（开放边界）
      • 一般描述：以葡萄牙 Lusitanian 盆地的 Lower Cretaceous 砂岩储层为基础，包含五个变体，三个测试储层深度对 CEEGS 技术效率的影响，两个研究渗透率的空间（非均质性）和方向（各向异性）变化，模型几何和井配置相似。
      • 网格和输入参数：水库模型尺寸为 250m×250m×20m，目标区域和井筒附近网格细化，采用实际储层参数，如渗透率 300mD、孔隙度 0.15 等，用 RK 方程计算 CO₂/ 卤水属性，用 Brooks-Corey 相关性构建气 / 水相对渗透率曲线，盖层假设适合 CO₂存储但未具体建模。
      • 初始和边界条件：初始流体压力设为静水压力，温度根据地热梯度和地表温度设定，初始水和气体饱和度分别为 1 和 0，边界采用单元体积修正表示开放边界，模型运行 500 年达稳态后进行 CO₂注入。
      • CO₂注入和初始羽流建立：CO₂注入储层顶部三分之一厚度处，两年注入后羽流呈准径向形状，注入井附近温度略低，压力较高，对其他两个深度变体的模拟结果也有展示，充放电循环模拟和敏感性分析结果见附录。
    • 场景二：深部咸水含水层（封闭边界）
      • 一般描述：研究封闭边界的深部咸水含水层中压力积累、羽流大小和长期羽流迁移，注入率与开放边界场景相同，用 10kg/s 持续注入一年作为变体案例，地质背景为西班牙北部 Buntsandstein 砂岩储层，由三个不同性质单元组成，提供了详细的渗透率、孔隙度和孔隙压缩性参数。
      • 网格和输入参数：模型域定义考虑边界对压力和羽流影响，数值模拟模型尺寸为 11km×10km，离散化为 200m×200m×2m，子模型从大地质模型中截取，井筒周围网格细化，目标区域由 38 层 120m 厚地层组成，注入和生产井穿孔间隔为储层厚度的 33%，生产井生产阶段穿孔在储层顶部约 14m 处。
      • 初始和边界条件：初始静水压力和温度分布根据水密度、储层深度、地表温度和地热梯度计算，模型运行 500 年达稳态后作为 CO₂羽流建立的初始条件。
      • CO₂注入和初始羽流建立：展示了注入率为 10kg/s 时储层内 CO₂饱和度分布，CO₂从高渗底层向低渗中间层迁移并在盖层下聚集，温度达 75°C，比较模拟压力积累与临界压力积累，确定最大允许注入率为 10kg/s，否则会超压，充放电循环模拟和敏感性分析结果见附录。
    • 场景三：两深部咸水含水层
      • 一般描述：利用 CO₂在不同压力 – 温度条件下的热力学性质，研究两个不同深度的深部咸水含水层用于 CEEGS 概念的可行性，采用两种配置（跨临界 CO₂和超临界 CO₂），CO₂同时注入两个储层建立垫层气，注入率受井底压力约束，羽流建立期两年，之后进行充放电循环。
      • 网格和输入参数：根据不同配置选用准等温 CMG-STARS 或非等温 CMG-GEM 模拟器，给出两种配置下模型的尺寸、网格块大小、储层厚度等参数，基于 Pannonian 盆地砂岩确定岩石物理参数，包括渗透率、孔隙度、盐度等，盖岩定义为低孔隙度不渗透，使用相关文献中的相对渗透率和毛细管压力值。
      • 初始和边界条件：储层初始处于静水压力平衡，孔隙空间充满卤水，温度梯度恒定且无热流，边界条件通过定义大单元体积修正实现横向开放。
      • 平衡条件和初始羽流配置：介绍了两种配置下的初始工程条件，包括井半径、井口压力、温度、目标质量流量和井底压力等，展示了跨临界 CO₂配置下羽流建立阶段井底压力和质量流量模拟结果，以及 CO₂饱和度分布随时间变化情况，超临界 CO₂配置下也有相应结果展示，充放电循环模拟和敏感性分析结果见附录。
    • 场景四：地热储层
      • 一般描述：基于德国巴伐利亚南部 Molasse 盆地的地热储层（以 Unterhaching 水热系统为基础），研究 CEEGS 概念在地热储层中的可行性，假设为地热井双井系统，进行短期 24 小时充放电循环，持续 6 天。
      • 网格和输入参数：用非等温 CMG GEM 代码模拟储层内超临界 CO₂循环和存储，给出模型尺寸、网格块大小和单元厚度等参数，未明确模拟盖岩，采用相关文献中的水平渗透率、孔隙度等参数，以及来自加拿大 Nisku 碳酸盐岩的 CO₂ – 卤水毛细管压力和相对渗透率值。
      • 初始和边界条件：储层初始处于静水压力平衡，孔隙充满卤水，温度梯度恒定且无热流，边界条件通过大单元体积修正实现横向开放。
      • 平衡条件和初始羽流配置：假设纯 CO₂注入速率为 33kg/s，井底压力不超静水压力 20%，井底注入温度 110°C，持续注入两年，展示了初始羽流建立阶段井底压力模拟结果，以及不同注入时间下储层内气体饱和度和温度分布，根据饱和度和热突破标准确定井间距为 120m，充放电循环模拟和敏感性分析结果见附录。
    • 盐穴场景：盐穴场景中，单井在充放电阶段分别作为注入井和生产井，根据高效 CO₂跨临界循环进行初步分析，给出充放电循环的热力学性质，包括压力、温度、质量分数、比焓、比熵和密度等，总结了盐穴注入计算的假设，如不同深度下的最大、最小压力、初始压力和温度、井口注入压力和温度、质量流量、井直径和循环持续时间等，展示了不同深度下 CO₂注入时管道内压力、温度、密度和速度变化，技术分析表明系统往返效率在 47.2% – 55.2% 之间。
  4. 结论与建议
    • 分析地质储层和井筒中 CO₂的瞬态行为对理解 CEEGS 地下部分效率和储能系统可持续性至关重要，通过对葡萄牙、西班牙的 CO₂存储和德国地热开发相关的实际场景进行数值模拟，并进行敏感性分析确定关键参数。浅层含水层深度下 CEEGS 概念可行性较低，深层开放边界 DSA 和地热场景效率和可持续性较高，盐穴场景效率在一定范围，后续需研究生产井井口流体化学成分影响、CO₂注入和生产间歇性挑战及储层非均质性和各向异性对 CO₂饱和度影响等问题。

Numerical and semi-analytical simulations are conducted to understand how the transient behavior of P and T in boreholes and geological reservoirs during the charge/discharge cycles affect the overall efficiency of the system. Tested geological scenarios include Deep Saline Aquifers, Geothermal reservoirs, and Salt dissolution cavities, in multiple configurations. The porous media scenarios (wellbores and reservoirs) are modelled numerically using the software CMG and the impact of the geological conditions to the CEEGS feasibility is assessed through well indexes, such as injectivity and productivity, and through gross efficiency, while a sensitivity analysis defines the relative importance of different reservoir parameters. The salt cavities scenarios are studied using a semi-analytical approach that integrates salt cavity, wellbores and surface facilities to obtain the efficiency of the system for different cavity depths.

CEEGS

（CO2-based Electrothermal Energy and Geological Storage System）是一个由Horizon Europe资助的跨领域能源转型技术项目，旨在开发一种基于可再生能源的储能系统。该项目结合了跨临界二氧化碳（CO2）循环的热电储能、地质中的CO2储存以及地热能提取。

项目概念

  • 储能机制：利用跨临界CO2循环，将可再生能源以热能形式存储，并通过地质储存实现部分CO2封存。
  • 地热能提取：在合适的地质环境中，系统还可以从地下提取地热能。
  • 负碳足迹：部分CO2扩散到地质构造中，实现永久封存，使系统具有负碳足迹。

 

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