注入后通过盖层的扩散损失

实施CO2地质封存工程最重要的就是要保证注入CO2后的有效性、安全性及持久性。因此，需要分析CO2渗漏的可能性，并将这种风险控制在一定的程度之内，至少保证CO2注入后在地下储层中的存储时间达到地质埋存时间规模（比如几百万年或更长）（张旭辉等，2010）。CO2可以通过以下途径和方式渗漏：①CO2突破盖层毛细管的吸附压力，通过盖层（如低渗透率的页岩）的孔隙系统渗漏；②通过盖层中断层和裂缝通道系统渗漏；③通过未封闭的废弃井或现有钻井发生渗漏；④通过储层与周围岩层的水文动力系统进行渗漏（许志刚等，2008）。本节讨论第一种渗漏方式，定量计算出CO2突破盖层毛细管的吸附压力后，通过盖层的孔隙系统的渗漏量（图4－22）。

CO2气体透过盖层扩散，可描述为非稳态条件下通过平面的扩散过程（Busch et al， 2008）。过该平面的气体浓度为（Crank，1979）：

图4－22 超临界CO2流体注入后在盖层中的扩散损失

（据崔振东等，2011）

式中：c1——气相与盖层接触面x＝0处的气体浓度；

c2——盖层上边界x＝1处的气体浓度；

c0——盖层内的气体初始浓度（图4－23）。

图4－23 CO2透过盖层扩散示意图

将公式（4－45）代入式（4－35），积分后可计算出Qout（t时刻内，CO2气体透过盖层扩散出来的量）：

其边界条件如下：

公式（4－46）可简化为：

式中：caq——CO2在纯水中的溶解度；

Φ——相应深度页岩的孔隙度；

c1——CO2在多孔介质中的溶解度。

同理可得到CO2气体经过t时间后进入到盖层岩石中的量Qin，如下所示

以目前已开展CO2咸水层注入场地中美国Texas的Frio项目为例，根据该场地地层参数，以上述理论为基础，计算出CO2在多孔介质中有效扩散系数，进一步计算CO2通过低渗透盖层的扩散损失量（即扩散通量）。

Frio实验场地中封存CO2的储层厚度为24m，岩性为砂岩，储层孔隙度为30％，压力为15.2MPa，地下埋深h＝1.546km，T＝329.15K，Daq＝4.50×10－9m2／s，上覆盖层为页岩，通过公式（4－40）可计算得上覆盖层的孔隙度。经计算可知Frio实验场地中上覆盖层的孔隙度为19.7％，有效扩散系数De＝0.127×10－9m2／s，该温压条件下caq＝1.19mol／kg（Duan et al， 2006），c1＝0.357mol／kg。Frio实验场地盖层岩石厚度L为78m，Qout和Qin分别如图4－24所示。

图4－24 Frio实验场地中CO2流体透过盖层岩石后的扩散损失量

（图中虚线所指的Qin为CO2气体经过t时间后进入到盖层岩石中的量，实线所指的Qout为t时刻内CO2气体透过盖层扩散出来的量）

Andreas运用上述理论计算了CO2在页岩盖层岩石中的扩散量，盖层的厚度约为100m，孔隙度为20％，结果表明，在约0.3Ma时，CO2透过盖层岩石开始扩散到储层之外，相对于盖层的厚度，CO2透过盖层岩石开始扩散到储层之外的时间是符合地质封存的要求的。Frio项目是以科学研究为目的的中试尺度注入项目，从图4－24中可看出，CO2气体注入后，部分CO2扩散进入盖层岩石中，随着时间的增长，盖层岩石中CO2的量不断增多，在约0.2Ma时，CO2透过盖层岩石扩散到储层之外，本书中盖层的孔隙度与Andreas的相当，但盖层岩石的厚度较Andreas薄些，故CO2透过盖层岩石开始扩散到储层之外的时间也较Andreas短。

此外，本书中求解了盖层岩石的厚度分别为30m及100m情况下CO2透过盖层岩石的扩散损失量，从图4－25中可看出，在其他参数相同的情况下，CO2透过盖层岩石的扩散损失量随盖层厚度的增加而减小，CO2透过盖层岩石开始扩散到储层之外所需的时间随盖层厚度的增大而增长。因此，增大盖层厚度，可降低CO2泄露的风险。且由公式（4－36）及公式（4－38）可看出，影响CO2在盖层岩石中扩散量的主要因素为有效扩散系数、盖层厚度、盖层的孔隙度等。盖层的厚度较大，孔隙度小，CO2通过盖层岩石中扩散量也会随之较小，因此，在今后开展的地质封存项目中，应尽可能地选取上覆盖层厚度较大，孔隙度小的地质储层，以降低CO2泄露的风险。值得注意的是，在实际工作中，由于CO2－水－岩石之间的相互作用，盖层岩石的封闭性会逐渐降低，CO2透过盖层扩散到储层之外的时间会缩短。

图4－25 CO2流体透过不同厚度盖层后的扩散损失量