将二氧化碳注入圣胡安盆地的深部盐水含水层是一种有前景的降低大气中二氧化碳水平的方法。然而，这一过程面临诸多挑战，例如地层盐水蒸发进入二氧化碳流，导致通过盐析效应产生岩盐沉积，可能会伤害地层。本研究探讨了水蒸发和盐析对地球化学和储层性质的影响。利用组成型储层模拟器，本研究模拟了超临界二氧化碳注入期间的反应性传质过程，重点关注水蒸发引起的矿物变化和盐析。研究采用了详细的圣胡安盆地三维非均质模型，考虑了地层的特定矿物组成和盐水成分。
结果表明，水蒸发对二氧化碳封存模型中的二氧化碳捕集机制和矿物反应有显著影响。它通过释放孔隙空间增加了残余捕集的二氧化碳，并降低了溶解态二氧化碳水平。这导致在模型顶部层的羽流尺寸横向减少了超过350英尺，底部层减少了约800英尺。此外，含硅矿物的溶解增强，促进了石英沉淀的增加。盐析主要发生在井眼附近，影响储层性质。本研究强调了在盐水含水层中进行二氧化碳封存时考虑水蒸发对地质捕集机制、矿物反应和盐析的重要性。研究结果强调了在模拟模型中包含蒸发效应的必要性，以增强对大规模二氧化碳作业的预测能力，为地球化学动态提供关键见解，并强调了制定全面封存策略的必要性。

CMG软件应用情况

本研究使用了CMG（Computer Modelling Group）的GEM模拟器（版本2024.20）来模拟二氧化碳和盐水在圣胡安盆地的相互作用。GEM模拟器是一款功能强大的组分储层模拟器，能够模拟多相流、反应性传质以及地球化学反应。研究中创建了一个三维（3D）模型，配置为164×116×25的网格，模拟了矿物溶解、沉淀和水蒸发等过程。模型在初始条件下运行，即100%水饱和度和参考深度处的储层压力梯度为0.42 psi/ft，初始压力为3200 psi。二氧化碳以每天2000万标准立方英尺的速度注入，持续30年，通过SJB Carbon Safe Stratigraphic井，井底压力为4631.4 psi，随后是150年的注入后监测阶段。模拟排除了地质力学效应和原生矿物中的杂质，遵循了Nghiem等人（2004年）和Norouzi等人（2021年）描述的方法。研究模拟了两种方案：
  1. 基准方案（Case 1）：排除水蒸发，模拟标准的地球化学相互作用。
  2. 水蒸发方案（Case 2）：引入极端干燥条件，使用参数如水相饱和度截止值（SATWCUTOFF）和H₂O蒸发的残余水相饱和度（SWR-H2OVAP）。

结论

本研究调查了水蒸发对地质构造中二氧化碳注入过程中的二氧化碳捕集、羽流动态、矿物行为和盐析的影响。研究结果突出了蒸发对这些过程的显著影响，强调了其在增强二氧化碳保留和改变地球化学动态中的作用。
  • 水蒸发降低了储层中的水饱和度，最初降低了二氧化碳的溶解度，但显著增加了残余捕集，使更多的二氧化碳能够安全地保留在地层中。这一过程还导致了更小且更局部化的二氧化碳羽流，减少了审查区域，便于更有效地布置监测井，从而改善羽流监测和长期管理。
  • 此外，水蒸发诱导了矿物溶解和沉淀的变化，有助于稳定地球化学环境。这些变化对于确保储存构造的长期稳定性和完整性至关重要。然而，蒸发还在井眼附近创造了干燥区，导致显著的岩盐析出。这种盐沉积可能会改变地层的渗透率，带来潜在的操作挑战，需要仔细监测和管理。
  • 本研究的结果强调了在模拟模型中考虑水蒸发的必要性，以增强对大规模二氧化碳封存项目的预测能力。

作者单位

新墨西哥州矿业技术学院

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