热沉积岩和干热岩储层中基于C02的地热能开采潜力和碳的地质封存

　　热沉积岩和干热岩储层中基于C02的地热能开采潜力和碳的地质封存

　　    碳捕集与封存(CCS)是缓解大气中人为二氧化碳排放引起全球变暖的必要手段。然而，由于CCS的储存成本非常高，CCS产业难以维持。在热液型地热储层或干热岩中进行基于C02的地热能开采可以补偿部分或全部的C02地质封存成本。因此，采用带有二氧化碳封存过程的二氧化碳羽流地热系统(CPG)和干热岩增强型地热系统(HDR-EGS)可以提高项目的经济可行性。根据储层条件适当优化注入参数并将C02作为载热流体，这为地热能开采和碳的地质封存提供了经济支持。本研究综述了C02羽流地热技术和干热岩增强型地热系统(EGS)技术在热液储层能源开采中的工作机理、压力管理策略及各种优点。与传统热液和水基型EGS相比，基于C02的EGS具有许多优点。由于C02具有较高的流动性，即使在低渗透储层中也显示出较大潜力。以往的研究强调，由于超临界C02具有很高的热膨胀率和流动性，相比于水基增强型地热系统可产生更多的热量。对于低温（50℃左右）和浅层(0.5―1.5km)地热储层，C02由于其热容量更高，比水可获得更多的热量。CCS和EGS的其他优点是：1）卤水或CO2的生产有助于管理储层压力，并限制流体与相邻储层的相互干扰；2）流体损耗―在水基EGS中是重点关注的问题，但对于C02-EGS来说有益于环境；3）在压力较高和冷流体注入的条件下，相比于水基EGS，C02-EGS引发的地质变形和微地震相对较少。此外，本研究还讨论了C02―EGS在热液储层和干热岩系统中实现CCS所面临的各种挑战。本研究得出的主要结论是：

　　    ·若干研究表明，将液态或超临界的二氧化碳作为地热储层的热载体可以实现高效的热能开采和碳封存。对于干热岩地热系统，岩体裂隙网的连通性、密度、孔径变化等特征都会影响热能提取率。C02的低粘性可以使其穿过初始裂缝和次生裂缝。注入的C02通常会绕过孔径非常小的裂缝。然而，高压注入C02由于其线性分子的结构特征比水更容易形成相互连通的裂缝。在CPG系统中，利用C02在卤水中的浮力效应产生能量一对于CPG系统不需要产生裂缝。

　　    ·以往的研究表明，在低温至高温的储层温度（高达250℃）条件下，基于C02的EGS比基于水的EGS在能源提取方面的效果更佳。这是因为C02具有更高的压缩性和随温度变化的流动性。对于低温储层，由于经济能力有限，基于水的EGS不可行，而基于C02的EGS可作为替代方案，因为在压力为lOMPa和温度50℃左右的条件下，C02的比热容更高。

　　    ·EGS项目中主要问题是注入诱发的地质变形和微地震活动。裂缝生成、断层再生、盖层变形和井孔的不稳定都会对EGS项目造成危害。在干热岩地热系统中注入冷却的C02可触发早期的微地震活动。为了缓解该问题，一些研究人员提出了各种压力管理方法。这些方法包括被动的盐水生产、主动的C02储层管理(ACRM)和影响驱动的压力管理(IDPM)。这些技术提高了储层的C02储存潜力和能量提取率。

　　    ·以往的一些研究针对储层的不同地质特征，如干热岩系统中的孔隙―渗透率、温度―压力、裂缝密度和CPG系统中的盐水盐度进行了能源开采和二氧化碳储存潜力的定量比较。已有研究讨论了大、小断层及废弃井的存在对能源开采的影响。为延缓热突破、降低超压和提高能量提取率，建议优化井位布置。一些地球化学模拟研究表明，盐沉淀和孔隙阻塞会在较长时间内降低能量潜力，但会提高C02储存潜力。为了避免孔隙阻塞，这些研究建议根据储层性质改变注入流体的化学成分。

　　    在成功实施CCS和EGS之前，还需要解决一些重要的研究空白，主要为以下几点问题：

　　    ·不同的捕集机制（溶解和残余）对开采量或热流的影响对于准确预测能源开采非常重要。各种浮力驱动的热液或溶质的不稳定性，如不稳定对流可能会延迟二氧化碳羽流到达开采井的时间。因此，还需要进行大量的研究以准确模拟浮力对流对CPG性能的影响。此外，在高压（大于30MPa）和高温（大于150℃）条件下，需要注意两相流参数（如可湿性、接触角、界面张力）的精确模型。

　　    ·在热沉积储层中注入冷却的C02是需要特别注意的问题。这些问题包括注入井井底收缩、盖层失稳、渗透率和孔隙度以及裂缝孔径的改变。热―水―力学―化学(THMC)耦合模型考虑了不同储层热性能的时空变化，这是了解二氧化碳EGS系统的必要条件。为了完成场地规模的项目实施，需要适当选择代表特定场地岩石的本构模型。

　　    ·高压型储层是一种重要的能源资源，其中包括了因增压而储存的机械能、热卤水的热能和卤水中溶解的甲烷所产生的化学能。但是，实施CCS和EGS需要对高压储层进行更详细的研究。

　　    ·压力管理与微震监测的耦合机制可有效实现地质稳定的CCS和EGS。这类研究可以降低在执行政府政策时的一些不确定性。

　　    ·缺乏与野外观测相结合的各种热―水―力学分析和数值模型的验证，是实施大规模能源开采作业的主要障碍。根据场地范围内的观测结果进行模型验证是一项具有挑战性的任务，因为涉及到同时的矿化作用和岩石性质的变化，如孔隙度和渗透率。但是，这些不可逆的过程控制着项目场地和环境的完整性。因此，在能量提取之前，必须对数值模型进行场地规模的验证。

　　                                  摘自《水文地质工程地质技术方法动态》2022年2期