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当期目录

    2023年 第29卷 第1期    刊出日期:2023-02-20
    上一期   
    二氧化碳地质封存与利用(CCUS)专辑 特邀主编:李琦
    海上CO2 地质封存监测现状及建议
    李 琦, 李彦尊, 许晓艺, 李小春, 刘桂臻, 于 航, 谭永胜
    2023, 29(1):  1-12.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2023008
    摘要 ( 2523 )   PDF (1583KB) ( 567 )  
    相关文章 | 计量指标
    海上二氧化碳(CO2)地质封存是中国应对滨海地区温室气体排放的重要举措,是实现“碳达峰、碳中和”目标不可或缺的关键技术。中国沿海地区工业发达、碳源丰富,近海盆地具有良好的储盖层物性和圈闭特征,封存潜力巨大,目前中国首个海上CO2地质封存示范工程已在南海珠江口盆地正式启动。CO2监测作为CCUS技术的重要组成部分,贯穿CO2地质封存的全生命周期,是确保封存工程安全性和合理性的必要手段。然而,中国海上CO2地质封存技术处于起步阶段,海上监测任务颇具挑战。文章回顾了国际上海上CO2地质封存的相关代表性研究工作以及示范项目案例,对监测指标、技术、监测方案等进行分析,提出海上CO2地质封存监测技术筛选优化方法和监测建议,旨在为中国海上CO2地质封存示范项目的开展提供参考依据。
    日本苫小牧CO2 海底地质封存监测技术分析及其启示
    许晓艺, 李 琦, 谭永胜, 刘桂臻, 李霞颖
    2023, 29(1):  13-24.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2022096
    摘要 ( 1799 )   PDF (3566KB) ( 391 )  
    相关文章 | 计量指标
    海洋二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)是应对全球气候变化、减排温室气体CO2的关键技术之一,也是实现中国碳中和目标愿景解决方案的重要组成部分。中国近海沉积盆地封存潜力巨大,2022年中国首个CO2海底地质封存示范工程已在南海珠江口盆地咸水层中正式启动。日本苫小牧咸水层封存项目作为迄今为止亚洲最成功的海底封存项目,其CO2封存监测工作为我国离岸封存项目的开展提供了重要的实践参考及技术指导。文章全面回顾了苫小牧CCS项目案例情况,对项目执行、场地监测内容及布点、监测设施及技术、监测结果等进行分析,总结苫小牧CCS 项目的成功经验,以及陆—井—海结合一体化的多层次、全方位的监测体系,旨在助力中国海上CO2封存项目顺利运行,确保海洋生态环境安全。
    江苏省及近海区域CO2 地质封存储层条件分析
    朱前林, 陈东宝, 龚懿杰, 陈 浮, 桑树勋, 刘世奇
    2023, 29(1):  25-36.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2022080
    摘要 ( 1378 )   PDF (7423KB) ( 389 )  
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    对江苏省及近海区域地质进行了分析表明,下扬子地块发育的苏北—南黄海南部盆地为该省CO2地质封存潜在目标场所。文章通过地层及岩性资料分析了CO2封存适宜地层,在此基础上,根据钻井与地震测量剖面资料,阐述了各构造单元的800~3500 m深度范围存在的CO2封存适宜地层的厚度,探讨CO2封存空间适宜性。结果表明:盐城组下段、三垛组、戴南组、阜宁组一段与三段、赤山组砂岩具有较好CO2储存空间;苏北—南黄海盆地的赤山组分布较少,盐城组、三垛组、戴南组、阜宁组地层分布范围较广;金湖凹陷、高邮凹陷、溱潼凹陷、海安凹陷、白驹凹陷、阜宁凹陷、盐城凹陷、南二凹陷、南四凹陷、南五凹陷、南七凹陷、南二低凸起具有较好的CO2封存储层潜力;洪泽凹陷、临泽凹陷、涟南凹陷、涟北凹陷、南三凹陷、南六凹陷CO2封存储层潜力较差。
    页岩储层物性参数对CO2 不同封存机制及封存量的影响
    尹书郭, 杨国栋, 冯 涛, 马 鑫, 曹 伟, 黄 冕, 郭天晴
    2023, 29(1):  37-46.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2022071
    摘要 ( 1856 )   PDF (1157KB) ( 254 )  
    相关文章 | 计量指标
    CO2增强页岩气开采技术(CO2-ESGR)一方面可提高CH4产量,另一方面又可实现CO2地质封存。为了分析页岩储层物性参数对CO2封存机制的影响,文章以鄂尔多斯盆地延长组页岩为研究对象,采用CMG-GEM软件建立双孔双渗均质模型,分析了CO2-ESGR中页岩储层垂直渗透率与水平渗透率之比(Kv/Kh)、含水饱和度和孔隙度对不同CO2封存机制封存量的影响;并设计了27组正交试验采用极差分析法比较了三种因素的影响程度。研究表明,Kv/Kh在0.1~1范围增大会增加不同CO2封存机制的封存量,封存总量最大可增加69.96%,其中吸附封存量最大可增加97.96%,受到影响最大;含水饱和度在0~0.9范围增大引起CO2封存总量先增加后减小,封存总量最大可减少67.12%,其中溶解封存量最大可减少83.35%,范围波动最大;页岩储层孔隙度在0.1~0.99范围增大会导致CO2封存总量减少,封存总量最大可减少95.38%,其中吸附封存量最大可减少99.99%,减少百分比最大。极差分析表明,含水饱和度对构造封存量、残余封存量和溶解封存量的影响最大,孔隙度对CO2封存总量和吸附封存量的影响最大,Kv/Kh对CO2不同机制封存量的影响最小。在页岩储层中进行CO2封存时,为获得最大封存量,应选择低含水饱和度、低孔隙度和高垂直渗透性的页岩层。
    超临界CO2 分段多簇压裂井间干扰规律研究
    彭寿昌, 徐东升, 高 阳, 张 方, 施雷庭, 张玉龙, 柳 曈, 魏晓琛
    2023, 29(1):  47-56.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2022083
    摘要 ( 1715 )   PDF (2951KB) ( 170 )  
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    水平井分段多簇压裂是非常规油气藏开发的关键技术,在合理利用压裂诱导应力增大储层改造体积的同时,避免井间干扰所导致的裂缝砂堵和压裂窜扰,是压裂工艺优化中的关键科学问题。文章针对超临界CO2分段多簇压裂的缝间干扰和井间干扰问题,采用流固耦合的扩展有限元方法研究单井及多井裂缝诱导应力演化特征,充分考虑裂缝内超临界CO2流动和滤失,从非常规油气储层岩性特征、地应力场分布及施工工艺等多方面对压裂扰动应力进行系统研究,揭示单井分段多簇压裂缝扩展机制及应力扰动特征,在此基础上研究多井井间压裂缝干扰规律。结果表明:高水平应力差、高弹性模量的储层中压裂干扰界限较大,低水平应力差、低弹性模量地层需适度增大簇间距,减小簇间干扰;老井压裂后,其邻井压裂缝非对称系数随井间距呈先增大、后减小的趋势;当井间距等于压裂干扰界限时,非对称系数λ达到最大,且井周改造范围最大,但裂缝两翼的非对称性可能导致储层动用不充分。本研究为水平井细分切割压裂和立体式井网设计优化提供理论基础,在“双碳”战略背景下对非常规油气资源高效开发具有重要意义。
    CO2 纯度对咸水层碳封存过程中残余水的影响
    胡智凯, 李 铱, 索瑞厅, 刁玉杰, 李 琦, 马 鑫
    2023, 29(1):  57-65.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2022061
    摘要 ( 1719 )   PDF (3124KB) ( 215 )  
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    CO2在地下深部咸水含水层的封存过程中,岩石孔隙内形成的残余水对CO2可注入性、封存量及安全性都有负面影响,因此深入探究各因素影响下残余水的形成演化具有重要意义。文章利用取自鄂尔多斯盆地深部储层的天然岩心,在40℃和8 MPa的实验条件下利用3种纯度的CO2(99.999%CO2、75%CO2+25%N2以及50%CO2+25%N2)进行饱水岩心驱替实验,以探究CO2纯度对残余水的影响。实验表明,在3种CO2纯度下的岩心驱替实验中,达到突破点和排水终点所需时间排序均为:9.999%CO2<75%CO2+25%N2<50%CO2+50%N2;不可再降残余水饱和度大小排序为:99.999%CO2<75%CO2+25%N2<50%CO2+25%N2。分析发现,CO2纯度变化会导致界面张力、湿润性以及黏度比等两相流系统重要性质的变化。通过对LogCa-LogM驱替稳定性图进行分析,确定了毛细力是影响本实验结果的主导因素。研究结果对不同条件下残余水饱和度的预测以及CO2封存量的评价等方面有重要价值。
    玄武岩CO2 矿化封存潜力评估方法研究现状及展望
    高志豪, 夏菖佑, 廖松林, 余晓洁, 刘牧心, 李鹏春, 梁 希, 戴 青, 黄新我
    2023, 29(1):  66-75.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2022099
    摘要 ( 2198 )   PDF (1109KB) ( 762 )  
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    二氧化碳地质封存是实现减排增汇的重要技术选择,能够将CO2长期、安全地封存在地下岩层中。常规的CO2封存地质体包括地下深部咸水层和枯竭油气藏,玄武岩是近年来逐渐受关注的新一类CO2封存地质体,进一步丰富和拓展了CO2地质封存的技术手段和碳汇潜力。封存潜力评估是CO2地质封存技术发展的重要基础工作之一,文章系统梳理国内外玄武岩矿化封存潜力的评价方法,对比分析各类方法的原理机制和应用情景,并以冰岛活动裂谷带玄武岩为例应用、对比各类方法。研究认为目前玄武岩矿化封存潜力评估方法一般包括三类:(1)单位矿化法:基于玄武岩单位体积或单位反应面积的固碳量开展潜力评估;(2)矿物置换法:基于玄武岩中可固碳矿物的总量开展封存潜力评估;(3)孔隙充填法:基于CO2矿化后产生次生矿物所占岩石孔隙体积比例的上限值开展封存潜力评估。单位矿化法的评估数据需进行系统的实验分析,增加了潜力评估的难度。当玄武岩储层孔隙度较大、可固碳矿物含量相对较小时,矿物置换法较为合适;反之,孔隙充填法更合适。
    广东雷州半岛火山岩二氧化碳矿化封存潜力评估
    李鹏春, 江静练, 程锦辉, 赵明辉
    2023, 29(1):  76-84.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2022078
    摘要 ( 1281 )   PDF (1188KB) ( 248 )  
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    火山岩的矿物固碳作用为减少大气中的二氧化碳(CO2)提供了一种永久性的封存解决方案,是一种经济、安全的碳捕集封存(CCS)方式。中国火山岩分布广泛,但对火山岩固碳潜力的研究还很欠缺。文章选择广东省雷州半岛火山岩为研究区,利用MapGis软件,建立雷州半岛火山岩厚度分布的矢量地理信息数据库,插值得到三维网格化数据体;基于火山岩矿化封存机制和CO2矿化封存潜力评估方法,对雷州半岛火山岩CO2理论矿化封存潜力进行了计算。结果表明,雷州半岛火山岩总面积约3940 km2,总体积约257 km3,CO2理论矿化封存量在19~459亿吨之间。其中以雷南火山岩区潜力最大,理论封存量为13~326亿吨;其次为雷北遂溪县以东、湛江市西部区域的火山岩区,理论封存量为2~56亿吨;东海岛区域火山岩,理论矿化封存量虽然不大(1.5~35亿吨),但因其与周边工业排放源较近,具有较好的源汇匹配条件,具备CCS潜力。研究结果不仅对于优选封存CO2火山岩储集区带提供重要依据,同时为未来开展区域碳捕集与封存工程或产业提供支撑。
    CO2 地质封存盖层密闭性研究现状与进展
    陈博文, 王 锐, 李 琦, 周银邦, 谭永胜, 代全齐, 张 瑶
    2023, 29(1):  85-99.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2023010
    摘要 ( 1749 )   PDF (6425KB) ( 753 )  
    相关文章 | 计量指标
    CO2地质封存是应对全球性气候变化、减排温室气体的关键技术之一。大规模CO2注入地层容易出现泄漏问题,尤其是通过盖层的泄漏,包括毛细管泄漏、盖层水力破裂和沿盖层既有断层的泄漏等。因此,盖层密闭性评价对CO2地质封存长期安全稳定性的预测至关重要的。通过对密闭机理、影响因素、破坏模式等影响CO2地质封存盖层密闭性的研究现状进行总结,发现盖层密闭机理包括毛细管封闭、水力封闭和超压封闭,影响盖层密闭性的主要因素有盖层岩性、盖地比特征、盖层厚度、盖层岩石力学性质和封存压力,进而对CO2注入过程中盖层密闭性的破坏模式进行评价,并对盖层密闭性研究的不足提出了一些见解。
    基于社会网络分析方法的二氧化碳地质封存风险传染特征研究
    景 萌, 刘桂臻, 李 琦, 许晓艺, 李小春
    2023, 29(1):  100-109.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2023009
    摘要 ( 1435 )   PDF (1300KB) ( 162 )  
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    二氧化碳(CO2)地质封存技术作为深度减排不可或缺的必要手段,对保护生态环境、推动全球中长期应对气候变化的国际合作以及推进社会绿色、循环、低碳发展具有重要意义。文章总结了二氧化碳地质封存项目全生命周期中可能出现的46个风险因素,运用社会网络分析方法构建风险网络关系模型,对二氧化碳地质封存项目风险因素间的传递作用关系进行了研究。通过风险网络整体与局部参数分析确定风险传递过程中的关键起始节点、关键致险节点、关键传递节点等关键因素,识别出三条潜在风险传递链:(1)地质灾害风险→CO2供应、注入或运输意外中断风险→预期外的建设或操作成本变化风险;(2)操作人员知识不足或无相应资质风险→人为泄漏风险→项目对环境的破坏风险→公众参与风险→预期外的建设或操作成本变化风险;(3)部门协调不当风险→人才招聘和管理风险→操作人员知识不足或无相应资质风险→预期外的建设或操作成本变化风险。研究旨在为二氧化碳地质封存项目风险研究提供理论创新与技术参考,进而促进CO2捕集、利用与封存项目的健康发展。
    基于文献计量学的制氢与CCUS 技术耦合研究现状及趋势分析
    曹小敏, 李 琦, 徐 亮
    2023, 29(1):  110-119.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2022073
    摘要 ( 1306 )   PDF (2996KB) ( 186 )  
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    氢能是未来能源的“终极形态”,目前工业上主要的制氢方式为化石燃料制氢。CO2捕集、利用和封存(CCUS)技术是实现氢气从“灰氢”向“蓝氢”转变的重要手段,对国家“双碳目标”的实现至关重要。文章以Web of Science核心合集数据库为数据源,利用CiteSpace软件对制氢与CCUS技术耦合领域的文献来源、研究力量、研究热点和研究前沿进行分析。结果表明,中国的发文量居于世界首位,与其他国家有着广泛的合作基础,国内外研究所和高校为主要研究力量;吸附强化甲烷蒸汽重整(SESMR)制氢技术、化学链燃烧(CLC)制氢技术以及催化剂、吸附剂、载氧体为主要的研究热点;金属载氧体处在研究前沿,研发具有催化和吸附作用的复合催化剂与应用CLC技术和煤气化结合的电、氢联产工艺到火电行业是未来研究发展的两大方向;考虑到“双碳目标”的政策压力和碳税的额外支出,配套CCUS的制氢技术仍是一个优选的方案。
    碳封存砂岩储层的孔隙迂曲度分形特征研究
    向 雷, 王惠民, 盛金昌, 罗玉龙, 詹美礼, 陶 锴, 田佳丽
    2023, 29(1):  120-127.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2022074
    摘要 ( 1841 )   PDF (2582KB) ( 211 )  
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    目前“双碳”减排的背景下,砂岩咸水层是最具潜力的二氧化碳封存介质,其孔隙结构特征决定了流体的运移及封存效率,对其进行研究具有重要的科学意义。分形维数常用于定量表征砂岩孔隙结构在三维空间中的分布规律, 但以往对砂岩孔隙迂曲度分形特征进行研究时,多依赖于孔隙率、平均孔隙半径、平均迂曲度等特征值计算分形维数,并不能很好的反映岩石孔隙排列分布及孔隙连接的非均质性。文章将砂岩孔隙结构概化为具有迂曲度的毛细管,首先通过核磁共振成像(MRI)技术获取岩石片层图像,以盒维数法获得孔径分布分形维数;随后以孔径分布分形维数为目标值,结合不同迂曲度下的毛细管数量与孔径的分形标量关系,迭代计算迂曲度分形维数。与传统的分形维数计算方法相比,该研究确定的迂曲度分形维数更能体现岩石内部不同孔隙排列方式引起的迂曲度差异。
    天然裂缝复杂程度对致密储层破裂特征的影响
    尹 陈, 石学文, 才 博, 文山师, 梁天成, 王 欣, 付海峰, 韩福盛
    2023, 29(1):  128-137.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2022081
    摘要 ( 1758 )   PDF (5081KB) ( 187 )  
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    地层内部总存在孔隙、裂隙、层理、裂缝、断层等结构特征从而体现为地层地质非均质性,并在人工注采过程中发生不同尺度的破裂而体现为跨尺度的裂缝时空延展特征和致裂机理。以致密油为代表的非常规油气藏开采开发在我国油气产能中占比越来越大,并往往利用水力压裂储层改造技术产生人工裂缝以增强油气渗流而实现其规模经济开发;同时,这类低渗透油气藏亦是CO2压裂、注入和封存的重要对象。文章基于真三轴大型物理模型水力压裂实验和工程尺度下水力压裂微地震监测结果,通过不同尺度裂缝/裂隙活动所致声发射和微地震事件的时空展布研究岩体多尺度裂缝的破裂特征。研究表明,无论是相对稳定的真三轴水力压裂,还是实际地质工程尺度下的水力压裂微,岩石原生裂缝、裂隙分布趋势和方位对裂缝扩展具有主控作用。
    气体推动式地下流体取样技术的室内验证
    李霞颖, 刘学浩, 李 琦, 肖 威, 李小春
    2023, 29(1):  138-146.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2022072
    摘要 ( 1525 )   PDF (1756KB) ( 169 )  
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    获取高质量的地下流体样品对于二氧化碳地质利用与封存(CCUS)场地的CO2泄漏监测具有重要意义。基于气体推动原理的地下流体取样器具有取样精度高、地层扰动小、易与井下监测技术集成从而实现地下流体原位连续监测等多方面优势,已广泛应用于多个CCUS场地中。然而,在实际应用中取样器存在取样量不稳定、受地下水水位波动影响大等问题。为解决上述关键问题,作者研发并搭建一套模拟井筒内地下流体取样可视化实验装置,通过开展不同液面高度下地下流体的取样实验,探究气体推动式取样器的取样过程及取样机制。实验结果显示:气体推动式取样技术在取样过程对井筒内液体无干扰,证明具有被动取样的特点,对环境影响程度低。取样量大小主要取决于井筒内液面高度和储流容器大小,可通过液面高度及管路尺寸精确计算得出理论取样量。不同液面高度下实际取样量与理论计算量基本一致,其误差随液面高度的增加而降低,最大误差小于6.6%。取样时间与平均取样速率主要取决于注气压力,并与注气压力呈现幂函数关系,拟合相关系数大于99%。上述实验结果将有助于进一步理解气体推动式取样器的取样机理,对于取样器结构优化以及指导现场取样效果具有重要意义,可进一步提高CCUS以及其他污染场地环境风险预警能力。