二氧化碳捕集和埋存可靠性模拟与评价

章统 杨英杰 崔雪扬

（中国矿业大学力学与建筑工程学院 江苏徐州 221116）

在应对气候变化的大环境下，研发和推广低碳技术被视为减少碳排放的重要方法。在各类低碳技术中，碳捕集与封存技术（CCS,CarbonCaptureandStorage）被寄予厚望。CCS技术是联合国政府间气候变化专业委员会（IPCC）特别推荐的温室气体大幅减排方案。根据国际能源署（IEA,InternationalEnergyAgency）的研究表明，CCS技术的减排贡献将从2020年占总减排量的3%上升到2030年的10%，并在2050年将达到19%，成为减排份额中最大的单个技术项目。我国学者对我国的存储容量进行了初步估算，估算结果表明我国地质封存总容14548亿t。按2002年中国总排放量为33亿t的1/3进行计算,地下空间容量可供中国地质埋存使用1000年以上。我国以煤为主的能源结构和已经开展的CCS示范项目意味着大力发展CCS技术具有关乎国家温室气体减排责任、能源安全、国际CCS技术地位以及市场发展前景等方面的多重意义。的埋存技术一般可以分为地质埋存、海洋埋存和矿化埋存，其中地质埋存又可再细分为油气藏封存、盐水封存和煤层封存。其中在煤层封存技术方面，我国仍处于起步阶段，相关方面的研究正逐步得到发展，通过对在煤层封存中的控制方程的推导，以及用软件对盖层完整性对封存安全性的影响进行模拟，从而对封存地对盖层及地质条件的要求做一总结，对煤层封存中地质埋存环境可靠性进行模拟和评价，为地质埋存环境的选址提出可靠性的建议。

1 煤层封存

煤层封存过程大致为[1]将工业排放的冷却压缩成液体或达到超临界状态(温度高于31.1℃,压力高于7.38MPa),并经由管道运输注入深部煤层（通常是地下800m以下），在煤层中经过扩散、渗透、吸附以及与CH4的置换作用等，最终以吸附态或游离态赋存于封存煤层中，由于在煤层中的吸附能力是CH4的2倍左右，这使得煤层具有极大的封存潜力。

煤层中煤岩体的物理结构特征是研究地质埋存的基础，建立正确的煤岩体的孔隙模型对渗流特性及流固耦合模型的确立有及其重要的影响。煤岩体由骨架、孔隙和裂隙构成，是一个典型的双重孔隙介质。模型煤岩体分为含有孔隙空间的煤岩块和分割煤岩块的孔隙空间组合而成。比较经典的双重孔隙介质模型有Kazemi模型和Deswann模型、Warren-Root模型。煤层是含有孔隙和裂隙的多孔介质，在向其中充入高压时，由于孔隙流体压力的变化，在实际情况下，必须考虑的流动规律以及对煤层本身变形和强度的影响，即应该考虑煤层中应力场和渗流场的相互耦合作用。目前现有的研究结论主要集中于煤层中CH4的流固耦合方面的研究，由于CH4与具有相似的规律，因此的耦合理论可以参考CH4的流动理论。

2 封存控制方程

2.1 煤层中气体的渗流控制方程

气体的质量守恒方程为

其中ρg是气体的密度，軋qg是达西速度矢量，Qs是源或汇，t 是时间，m 是单位体积气体的质量，它Δ包→括在裂隙或孔隙中自由的气体和被煤层吸附的气体，因此：

其中ρg是气体的密度，ρga是在标准大气压下气体的密度，ρc是煤的密度，Ф 是孔隙率，VL是Langmuir体积常数，PL是Langmuir压力常数。根据气体状态方程有：

可得煤层中气体的渗流控制方程：

2.2 孔隙率和渗透率模型

结合相关文献资料，我们分别取孔隙率模型和渗透率模型为：

其中Φ0初始孔隙率，即压力为p0时的孔隙率大小；k0是初始渗透率，即孔隙率为Φ0，压力为p0时的渗透率大小。

因此

2.3 耦合控制方程

由以上各式可得：

再将上式带入可得：

3 盖层的完整性作用

3.1 模型描述：

图（1）中描述了地质埋存中的力学模型，其中是通过一定手段从模型的右侧被注入到模型下方。模型中的三层区域，分别代表三层不同地质构造的地层，第二层的A2区域为注气后受力产生破坏的区域。受力情况描述：假设气体对盖层的作用力为线性分布，即A3面下方的最左侧受力最大，最右侧受力为0，盖层上方即A1面上方受其上部地层的压力，可假设为均匀分布，并且模型所受的力为平衡力。边界条件描述：由于模型右侧为注气井，则右侧边界条件可以假设为简支，其水平位移为0，左侧边界条件为固定边界。

模型中各层的物理量大小:一般情况下覆盖在煤层上方的岩石层从上到下依次为中砂岩、粉砂岩、泥质砾岩、粗砂岩和粉砂岩等，由于地理条件的不同煤层上的盖层也会不同。图（1）所示模型中仅考虑了盖层中的三层，其物理量分别取:第一层即A1层弹性模量E=0.5Gpa、泊松比=0.35；第二层未破坏区域即A5和A6E=0.28Gpa，破坏区域A2中E=0.14Gpa；第三层即A3中E=0.2Gpa；受力大小为A1面上部受0.13Gpa的均布力，A3面下部受的压力(Gpa)

图1 力学模型

3.2 盖层中局部发生破坏前后的位移和应力变化图

图2 未破坏前的位移图

图3 局部发生破坏后的位移

3.3 模拟结果分析

从盖层中局部发生破坏前后的位移和应力图分别可以看出，盖层中局部发生破坏后其位移明显变大，尤其在破坏区及其周围变化明显，应力值在破坏区及其周围也明显变大。这就说明盖层岩石的完整性对的封存安全性具体关键性的影响，同等地质条件下完整的盖层可以承受的压力更大，封存的安全性更高，而对于发育不完整的盖层或者孔隙率过大的盖层，其封存的安全性将会大大降低。在封存过程中一旦泄露不仅造成前期投入的人力、物力的损失，还会对封存地的环境造成巨大的污染。

4 结语

煤在我国的能源结构中占据着主要地位，“一次能源以煤炭为主，二次能源以煤电为主”的能源结构在短期内很难有根本性的改变。随着我国经济高速发展，对能源特别是化石燃料的需求增长迅速，我国已经成为排放大国，预计到2025年,我国将超过美国成为世界上温室气体排放的第一大国。我国煤矿资源丰富，其中不可开采煤层含量也非常众多，这为我国煤层封存都提供了良好的必要条件，发展煤层封存技术不仅有利于大幅度减少的排放，还有利于不可开采煤层中天然气的采集，其研究意义非常重要，我国CCS技术的发展任重道远。

[1]张旭辉，郑委，刘庆杰.CO2地质埋存后的逃逸问题研究进展[J].力学进展,2010,40(5):517-527.