12011年第1-2期基于压力积累的二氧化碳储存场地筛选与选择基于.docVIP

基于压力积累的二氧化碳储存场地筛选与选择* Simon A. Mathias,Paul E. Hardisty和 Mark R. Trudell等 （Department of Civil and Environmental Engineering, Imperial College London, London, UK; WorleyParsons, Perth, Australia; WorleyParsons, Long Beach, USA） 翻译：赵玉军；校对：孙建平 摘 要 本文介绍了一种用于评估咸水层中超临界二氧化碳CO2）注入引起的压力积累，以及在岩层开始破裂时极限压力的简易方法。利用Mathias等学者提出的近似解法计算压力积累。该方法主要用于评估可压缩多孔介质中的两相Forchheimer流（超临界二氧化碳和咸水），也可用于评估岩层和两种液相的可压缩性。假定注入压力受岩层破裂所需压力的限制假定在孔隙压力超过最小主应力时岩层发生破裂，这将依次与岩层的泊松比有关。本文也提供了用于评估咸水和二氧化碳粘滞性、密度和可压缩性的详细指南。在平原二氧化碳减排（PCOR）合作计划文本数据中提供了这些计算实例。这种方法将有效用于筛选分析潜在的二氧化碳注入场地，以鉴别是否值得开展进一步调查。 关键词 二氧化碳储存 水力压裂 压力积累 筛选工具 储存容量 1 序言 随着全球日益关注由气候变化引起的未来风险，人们不断从全球经济增长中探求二氧化碳减排和低碳的方法。尽管当前全球经济整体，但有充足的证据显示，许多国家（包括美国和英国）财政刺激方案的重点将放在温室气体减排上。根据Socolow 和Pacala （2006）对此进行的广泛讨论，人们达成的一致意见是碳捕获与储存（CCS） 在温室气体减排方面起着潜在的重要作用。然而， CCS 明显可能是当前最低度开发和费用最昂贵的主要解决方案之一，包括能量效率、以气代煤、可再生能源和核能。温室气体（GHG） 控制经济学调查显示，对于美国、中国和澳大利亚等完全依赖于发电国家的许多设施而言（尤其是现有燃煤发电站），一旦能量效率机会被耗尽，那么CCS将是唯一实际和经济可行的有效脱碳技术之一。 为了开展CCS工作，必须综合多种不同的技术与系统。目前，基本上从燃烧前或燃烧后排放气流捕获二氧化碳，正在逐步实现商业化应用。利用管道向储存场地输送二氧化碳本身就存在一些挑战，但这些问题相对易于理解 。碳储存方案仍面临主要立法、商业法、法规和技术方面的挑战 。尤其是，在特定压力下鉴别和验证适于注入大量超临界二氧化碳的地质岩层方面，仍需要开展更多工作。CCS主要考虑事项是，通过现有断裂可能的再剪切作用或新断裂的形成，这些流体的注入将对完整性产生如何影响。美国环境保护署最近规定：“在二氧化碳注入期间，注入区内压力不得超过注入区破裂压力的90% ”。基于有效孔隙空间的体积，可采用多种有效方法来简单评估二氧化碳的储存容量。然而，这些用于检测压力积累和破裂压力的方法通常需要采用大量的数值模型。本文提供了一种利用简易电子制表软件评估极限压力和注入压力的方法。在平原二氧化碳减排合作（PCOR）计划文本数据中提供了这些评估实例 。 2 最大可持续压力评估 通常考虑的3种破坏模式为完整岩石剪切破坏、非粘结性断裂再剪切作用以及张性破裂引起的新裂缝开裂。通过单独考虑库伦破坏基准,如果保守假定现存断裂可存在于所有方向，那么，这些现存断裂的再剪切作用将在完整岩石出现剪切破坏之前发生 （见图1）。 这是因为 （1）完整岩石具有有限的内聚力 （莫尔圆的y-轴截距） 和 （2） 完整岩石可能具有更大的摩擦角。此外， Sibson（2003）根据脆性破坏曲线图进一步推断 ，再剪切作用也应在张性破裂开始之前发生。然而，如下给出的简单分析证实，本结论完全取决于原位主应力比。  图 1 断裂稳定性的穆尔圆分析 根据Schmitt 和Zoback（1989）和Jaeger等学者（2007p. 414）可计算临界井孔的张性破裂压力（例如水力压裂）： （1） 式中：和分别为最小水平应力、最大水平应力、抗拉强度和孔隙压力；—经验参数，其范围通常为0.2 至0.6，及 ， 2） 式中：和分别为毕奥系数和泊松比；方程式（1）假定（式中为垂直应力），这通常是指在所关注深度范围内的情况下。由于沿井孔壁形成了“泥饼”，因此，假定孔隙压力不同于水井压力。假定（忽略泥饼的影响）、 –σH |＜＜σh 及a1=1（更差的情况下），把破裂压力保守估计为（3） 根据引起非粘结性断裂（尤其是定向断层）摩擦滑动的主应力比，计算可能引起现存断裂滑动的临界孔隙压力，。通过考虑图1中的摩尔环曲线图，我们得出： （4）