沉积盆地二氧化碳羽流地热系统基础理论研究

There are many sedimentary basins in China. Carbon dioxide geological sequestration (CGS) in deep saline formations is the most direct and feasible way to reduce CO2 emissions in the short term. However, the actual CGS projects show that a pure geological sequestration is too costly. Currently international community has paid strongly attention on utilization of Carbon dioxide with the geological storage. "The CO2 plume geothermal system" (CPG) integrates the geological sequestration with geothermal resources development in the sedimentary basin. In this way, the efficiency and feasibility of CO2 geological sequestration could be improved significantly. The Complex physical processes and chemical changes of gas-liquid multiphase, multicomponent reactive transport and heat transfer involve in a CO2 plume geothermal system. This is a complex coupled system of multiple fields of fluid seepage, geochemistry, and temperature. The proposed research will base on geological structures and geothermal conditions of typical sedimentary basins in China (such as Song Liao Basin, Ordos Basin). The fundamental scientific issues on coupled processes of the storage and caprock formations in a CPG system will be investigated through laboratory experiment, numerical simulation and natural analogue methods. The optimization operation mode and efficiency of heat extraction will be simulated and evaluated. Thus, the resulted fundamental theory and the scientific base will support future geothermal resources development coupling carbon dioxide geologic sequestration in China.

我国存在大量的沉积盆地。二氧化碳（CO2）储存到沉积盆地深部咸水层，是短期内实现减排最直接、可行的方式。但实际工程表明单一的CO2地质储存费用昂贵。目前国际关注的焦点是如何在地质储存的同时实现其资源化利用。CO2羽流地热系统是将CO2地质储存和地热资源开发相结合，提高其地质储存的经济性和可行性。沉积盆地CO2羽流地热系统涉及气-液多相流体、多组分反应性溶质运移和热传递等复杂的物理过程和地球化学变化，是一个渗流场-化学场-温度场相互作用的多场耦合系统。本次提出的CO2羽流地热系统研究以我国典型沉积盆地（如松辽盆地、鄂尔多斯盆地）的地质结构及热储条件为基础，通过室内实验、数值模拟和天然类比等技术手段，研究羽流地热系统运行中热储层的多相流动、传热和储盖层地球化学变化过程等基础科学问题，对系统优化运行模式和热能提取效率进行模拟及评价，为我国CO2地质储存中的地热资源开发提供基础理论支撑和科学依据。

增强型地热工程(EGS)是指利用水力压裂，从裂隙介质中提取地热能。布朗2000年提出，利用CO2替代水作为载热流体进行地热提取。这可以同时达到地热提取和CO2地质储存的目的。后来有学者提出，将裂隙介质转移到孔隙介质，称为CO2羽流地热, 目前仍有许多不确定性。.本次研究，以松辽盆地的地质构造及热储条件为背景，开展了用CO2做为载热流体提取沉积盆地地热过程中的流体动力学-热力学-地球化学(THC)的耦合研究。通过实验，明确了CO2注入后的水岩反应规律。通过数值模拟，计算水岩反应对热提取的影响；并从机理上分析了CO2在流动过程中压力及热焓的变化规律，对比了CO2和水作为载热流体的优缺点。最后开发了井筒-储层耦合的THC并行计算数值模拟程序。这一研究，对地下CO2-水两相流体动力学、热传递、及CO2-水-岩地球化学作用的研究有重要的理论意义; 对以后CO2羽流地热，CO2地质储存，及干热岩开发都具有一定的实际应用价值。. 我们首先收集松辽盆地资料及数据，并采集目标储层的水样和岩样，确定目标储层内发生的关键地球化学反应。评价了研究区内温度、压力、盐度对实验结果的影响。然后基于实验校正矿物比表面积，完成研究区场地级尺度的数值模拟。可以发现，系统运行40年后，生产井附近孔隙度减小0.3%，生产井总流量和热提取量也随之变化，相较于未考虑水岩反应的情况降低了4.1%。. 分析了相比于水，CO2作为载热流体的优缺点，得出CO2的压力损失主要在井筒，而水的则位于热储层，CO2的主要优点在于极强的流动性，而缺点在于较低比热容。而且由于焦耳-汤姆逊效应，生产井口温度较低。基于此，针对于松辽盆地，我们采取优化分析，最终得到生产压力约为17.4-20MPa，循环压差小于3MPa，120kg/s左右的流量。并且五点式布井方式相对于两点或三点式布井对两相驱替及采热更为有利。.继而开发了井筒-储层耦合的流场-温度场-化学场(THC)多场耦合模拟程序。在TOUGHREACT的框架下，引入多相流动的动量方程。模拟得到地球化学反应的总体规律：CO2溶于水使得pH降低，方解石和长石类矿物溶解，石英及黏土类矿物及部分碳酸盐矿物沉淀。在模拟中考虑井筒的情况下，流体的温度计算更为精准，矿物反应速率更大，地球化学反应更为剧烈。