文摘

最近的研究表明,使用超临界CO₂(scCO₂)代替水作为传热流体在增强型地热系统(EGS)可以提高能源开采。而股份有限公司₂流动的相互作用在“典型”地下水库的温度和压力相当有名,这样理解的高架条件EGS是相对未解决。地球化学的影响有限₂作为工作流体(“有限公司₂egs”)相比,水作为工作流体(H₂O-EGS)是必要的。本研究的主要目标是(1)制约地球化学过程与公司有关₂流动的相互作用的高压力和温度下典型的有限公司₂egs网站,(2)地球化学的影响比较有限公司₂egs H地球化学的影响₂O-EGS。圣约翰圆顶有限公司₂egs研究网站在亚利桑那州采用作为案例研究。网站开发的3 d模型。净热量提取和质量流率有限公司生产₂egs大相比,H₂使用scCO O-EGS,暗示₂作为工作流体可能增强EGS热提取。更多的水有限公司₂积累上,地势较低的层内比注射/生产层,pH值降低,导致增加矿物的溶解和沉淀的上下两层。钠钙长石的溶解水作为工作流体显示较小的大小在利率和不同分布配置文件比scCO₂作为工作流体。它表明scCO的地球化学过程₂岩石相互作用产生重大影响矿物溶解和沉淀在大小和分布。

1。介绍

最近的研究表明,超临界CO₂(scCO₂)作为增强型地热系统的传热流体(EGS)可以提高能源提取比传统水性EGS [1- - - - - -3]。我们称这种系统为有限公司₂EGS和EGS用水作为工作流体H₂O-EGS。使用公司的优点₂作为传热流体包括较大的膨胀系数(压缩)和低粘度比水;有限公司₂也是一个可怜的矿物溶剂与水(1]。公司的缺点₂作为工作流体质量热容包括低于水,减少其净能量单位体积,以及倾向水有限公司₂促进化学反应导致储集岩孔隙度和渗透率的变化(4]。然而,有限公司₂egs数据,以及公司的比较₂egs到H₂O-EGS,是有限的。本研究的主要目的是限制地球化学反应引起的有限公司₂EGS水库中流动的相互作用。一个额外的目标是比较地球化学有限公司的影响₂egs H的地球化学影响₂O-EGS。

最近的一些实验和数值量化地球化学反应与公司有关₂注射在EGS水库2,3,5- - - - - -10]。Pruess [2,3)有限公司相比₂和水热萃取率和质量流率EGS水库。热提取和流量很大程度上增加与有限公司₂作为工作流体,这表明有限公司₂提供了潜在的利益作为工作流体在EGS水库。Rosenbauer et al。8)实验测试有限公司₂在120°C和20 - 30 MPa -brine-rock交互。结果表明,溶解有限公司₂可以提高水岩相互作用和公司吗₂在碳酸盐矿物封存。Lo再保险et al。6]5热液进行实验评估断裂的花岗质岩石的地球化学和矿物学的响应有限公司₂注射在地热条件在250°C和25-45 MPa。实验结果表明,降水的粘土(蒙脱石和伊利石)可能会影响储层孔隙度和渗透率,和碳酸盐的形成可能需要长时间的。荣格et al。5)进行无功传输建模研究流动相互作用在一个典型的地热系统和校准地球化学模型通过调整反应表面积适合矿物溶解的实验数据。Na et al。7)进行实验室实验研究有限公司₂流动化学反应在高温和压力在地热系统并进行了批处理仿真分析实验数据。Wan et al。9和徐et al。10在有限公司]流动模拟的地球化学过程的相互作用₂egs在高压力和温度,结果表明,重要的公司₂可能存储在EGS储层矿物捕获碳酸盐矿物的沉淀。徐et al。11)也表现批地球化学模拟三种不同含水层岩性评价长期有限公司₂在深层含水层处置。结果表明,有限公司₂封存的矿物捕获变化主要与岩石类型和矿物成分,和孔隙度减少由于碳酸盐沉淀。安德烈et al。(2007)进行了数值模拟的流动化学相互作用的两个有限公司₂注入情况下,有限公司₂饱和水和超临界CO₂,在一个深碳酸盐岩含水层。他们的研究结果表明,化学反应和超临界CO₂注射是远低于反应有限公司₂饱和水。

尽管这些实验和数值研究解决地球化学反应引起公司的许多方面₂流动的相互作用在地热系统中,三维(3 d)地球化学模拟的有限公司₂流动的相互作用在高温高压EGS水库比较少见。因此,本研究的主要目的是模拟和评估公司引起的地球化学过程₂流动的相互作用的温度和压力升高有限公司₂egs。第二个目标是比较地球化学影响有限公司内₂egs在H₂O-EGS。TOUGHREACT模型(12)与ECO2H模块(13)是用来进行模拟有限公司₂流动的相互作用在一个有限公司₂egs水库。圣约翰圆顶有限公司₂egs在亚利桑那州研究网站作为一个案例研究的例子。

2。材料和方法

2.1。圣约翰圆顶有限公司₂egs研究网站

圣约翰圆顶沿着边界位于亚利桑那州和新墨西哥州,大约一半的方式之间的四个角落区域和墨西哥边境。圣约翰圆顶是科罗拉多高原的一部分,占地面积大约1800公里²([14];Rauzi、个人通信,2013)。穹顶由一个广泛的、不对称的背斜,趋势西北的轴向西北和东南暴跌。这个圆顶值得注意的是主机组成的气田近纯有限公司₂;Apache堡大孤峰,阿莫斯洗苏派的成员形成(二)是主要的有限公司₂水库。每个公司上面的盖层₂丰富的区域由无水石膏和泥岩(15];地下室由前寒武纪花岗岩组成。

探索和研究的潜在地热圣约翰圆顶至少可追溯到1970年代。超过40个水井来确定天然气储量。井底温度测量已在七井。最高温度梯度似乎在圆顶的中南部部分;3公里的温度在一个深度的这一部分圆顶是150°C或更大。根据确定的地热资源和大量的有限公司₂圣约翰圆顶是唯一适合发展有限公司₂egs因为它大大减少了测试和开发技术的风险和成本。

2.2。三维模型建立

我们选采用第5位井网因其广泛应用于油田和地热储层(3,9,17- - - - - -22]。生成的3 d模型域的第5位模式如图1。由于第5位井网的对称性,我们采用1/8对称域(第5位的模式)对所有模拟(图1)。域是500在垂直方向上分层的地质背景,包括100米厚的破碎岩石中间,上下200米厚的花岗岩破碎岩石区域,分别为(图1)。网格单元大小是均匀水平70.7米(X和Y垂直方向)和50米(Z方向)。我们还实施了dual-continuum方法在100米厚的中心模型的域来表示一个典型的断裂EGS水库。

我们收集了所有公开的水文资料井附近圣约翰穹顶,主要来自亚利桑那州的地质调查文件。测量磁导率的平均值(0.25 mD)被分配到所有骨折方面的模型。MINC(多个相互作用的连续)TOUGH2的代码(23)是用来表示matrix-fracture传热50米的裂缝间距和裂缝体积分数为2%。注入和生产井被放置在底部的破碎岩层的深度275米从域和2000米的表面(图1)。指定初始条件包括静水压力和导电热流(温度梯度40°C /公里),与20 MPa和200°C 275米深度的领域。狄利克雷边界条件(恒压)被分配到的边界注入和生产、压降为2.5 MPa之间注入和生产井。井,恒压分配初始+ 1.25 MPa在注入井生产井和初始- 1.25 MPa。诺伊曼条件(没有流)被分配在所有其他方面。总结了参数设置表的详细信息1。

2.3。矿物组合在圣约翰圆顶领域网站

两个核心样品的前寒武纪花岗岩的亚利桑那州井在Springerville-St (22-1X状态)。约翰的公司₂研究网站24)使用x射线衍射(XRD)分析了能源和地球科学研究所,犹他大学。亚利桑那州22-1X状态是位于北部边界附近的圣约翰有限公司₂场海拔1949米的地面上;油井穿透二叠纪苏形成深度从195米到628米以下表面和前寒武纪花岗岩低于14]。前寒武纪花岗岩的两个核心样品收集在640.8米和647.4米的深度。这两个样品主要由石英(45 - 50%),斜长石(26 - 30%),钾长石(19 - 21%)。平均比例的矿物组合的两个样品(表2)被用于模拟。潜在次生矿物被确定使用平衡批建模,如下。首先,有限公司₂添加到初始形成盐水接触的主要矿物组合,和所有矿物饱和指数数据库中进行了计算和分析。矿物质,成为过饱和,有可能形成在给定的条件下被作为次要矿物。然后,批量模型重新执行新(结果)矿物组合,直到达成了平衡溶液。主要矿物组合和可能的次生矿物质表中列出3;动态属性表列出了这些矿物质4。动能属性(速率常数、活化能和权力)的多个机制(中性、酸和碱)主要和可能的次要矿物取自Palandri和Kharaka博士(16]。有些矿物的活性表面积(如石英、钠钙长石、钠长石、钾长石、方解石、菱镁矿、高岭石、菱铁矿、伊利石,和smectitie)从徐et al。11]。值其他矿物质被假定为9.8厘米²/ g。所有的地球化学模拟利用EQ3/6热力学数据库v7.2b (data0.dat;(25),所有流模拟方面(50年的模拟时间)使用TOUGHREACT / ECO2H模型(12,26]。一组批进行了模拟,获得初始水解决方案,将与主矿物平衡。

2.4。数值模型

TOUGHREACT模型(12)与其ECO2H模块(13)是用来进行所有的地球化学模拟。TOUGHREACT代码开发模拟非等温多组分反应流体流动和地球化学运输解决反应地球化学与多相流和热流12,26]。TOUGHREACT已经应用于地下thermophysical-chemical过程在各种环境问题和地质系统。TOUGHREACT ECO2H模块的代码是为应用程序设计有限公司地质封存₂在盐碱含水层在高温和压力13]。居民状态方程提供了一个准确、全面的描述water-brine-CO热力学和热物理性质₂混合物243°C和67.6 MPa (19]。

3所示。结果

3.1。流和热模拟结果在圣约翰圆顶的网站

图2情节净热量提取速度,质量流率,温度和气体饱和度在网格块的注入,并与scCO生产井为模型₂作为工作流体。结果水作为工作流体也绘制在图2。scCO的情况₂作为工作流体,流产生只包含水~ 180千克/秒的速度在初始阶段的模拟。0.05年之后,产生的水流速急剧减少的流量生产有限公司₂增加,说明水的混合物和有限公司₂当scCO₂已生产好。连续有限公司₂生产井的注入和增加气体饱和,生产有限公司₂与无水生产流量显著增加。质量流量和热的振荡萃取速率的早期阶段模拟(图2)是一个模拟工件。具体地说,这个小振荡是一个数值响应在井筒保持恒压;绝对的恒压在井筒不能广泛存在于自然界中,和强迫等模拟翻译一些振荡变化流动。我们采用了固定的井筒压力与深度,尽管小工件振动,因为它是一个常见的分析方法。的净热量提取速度大约是120兆瓦在初始阶段的模拟和减少到60 MW 0.1年后,这一趋势产生类似于水的流量。增加的生产有限公司₂流量,其最大的净热量提取增加80兆瓦经过5年的有限公司₂注入。不断增加的有限公司₂气体饱和生产井,净热量提取减少到12 MW经过50年的有限公司₂注入。这是由于更多的公司的快速热损耗₂与水相比,与模拟温度的迅速下降(图2)。的有限公司₂饱和注入井旁边变成100%,0.2年的有限公司₂注入。的有限公司₂流突破0.06年后生产井的注入和气体饱和度不断增加到1.0经过10年的公司₂注入。然而,气体饱和度降低从1.0到0.6的20年后生产井有限公司₂注入,展示可能的公司₂泄漏upper-lying层(图3)。旁边的温度注入井初始温度的降低200°C的注入温度50°C。旁边的温度生产井在200°C的初始温度保持不变,直到大约2年的有限公司₂注射后,然后下降到65°C 50年的有限公司₂注入。

图3块模拟3 d的30年的scCO后气体饱和度和温度₂注入(作为工作流体)。气体饱和注入/生产井层的减少从1.0到0.5后向生产井30年。气体饱和度变化从0.2到0.5的upper-lying层30年后,证明模拟的有限公司₂发生泄漏和有限公司₂盖层的突破可能构成泄漏的风险。气体饱和度大约是0.5层略低于注射/生产井(图3)。3 d温度曲线表现出类似的趋势随着气体饱和度剖面,从而增加从50°C在注入井生产井(图80°C3),类似于图的结果2。温度下降也发生在层略高于和低于注射/生产层,与大型气体饱和。

水作为工作流体,旁边的质量流率生产减少从初期的100公斤/ s模拟53公斤/ 50年的注水后(图2),小于180公斤/ s初始速率小于150 - 250公斤/ s的生产有限公司₂流量与scCO后期阶段的模拟₂作为工作流体。这一现象的一个可能的解释是低粘度的scCO₂相对于水。的净热量提取水作为工作流体也有类似的趋势产生的水流速度,也减少在初始阶段从80 MW 50年(图后10兆瓦2)。的净热量scCO萃取率₂作为工作流体在仿真期间从12到180兆瓦,远远大于对水作为工作流体,表明scCO₂作为工作流体可以提高热提取与水相比,至少在一个通用的第5位模式。

3.2。地球化学模拟的结果在圣约翰圆顶的网站

图4块模拟3 d的水有限公司₂质量分数和pH值后30年。数据5和6说明模拟3 d的矿物丰度的变化(体积分数)的选择主要矿物质(钠钙长石和石英)和次要矿物(方解石和伊利石)。从scCO的开始₂注入,scCO₂溶解在水里增加了解散公司₂浓度和降低pH值(相对于初始pH值5.4)(图4)。pH值是人为地设置为0,如果气相的饱和度是1.0。解散公司₂和降低pH值引起的主要矿物的溶解和沉淀次生矿物。水有限公司₂观察到上层,地势较低的层(图4),该展览大解散公司₂质量分数比注射/生产层值后30年。一个反向的趋势与气体饱和度分布(图相关联3),这表明更多的公司₂在水相溶解气体饱和度较低的上,地势较低的层。注射/生产层的pH值小于初始pH值为5.4,增加向生产井(图4),这是类似于气体饱和度(图的模式3)。气体饱和度越高,pH值越低,一般。

公司的主要矿物奥长石溶解从一开始₂注入。所显示的图5,总的趋势更多的解散upper-lying层和一层一层略低于注射/生产后观察到30年的有限公司₂注入。我们推断这是,因为水是生产逐渐从生产井,而超临界CO₂(气相)利差从注入井生产井,和scCO之间没有发生化学反应₂(非水有限公司₂)和矿物质。主要矿物石英可能沉淀或溶解后30年(图5)。石英略溶于water-dominated地区,沉淀在有限公司₂暗中的区域(图5)。我们推断这是由于较低的pH值地区达成的有限公司₂导致降水石英;pH值接近5.4 water-dominated地区导致解散石英。石英降水的分布也有类似的模式和特征矿物奥长石。石英的降水发生在upper-lying层和层注入/生产层下方(图5)。

方解石沉淀后的1年有限公司₂注射(图未显示)。方解石沉淀分布到奥长石溶解概要文件也显示了类似的模式。更多的方解石沉淀upper-lying层和一层一层略低于注射/生产后30年(图6比注入/生产层),跟踪解散公司的分布₂在水相(图4)和有限公司₂在气相(图3)。也相对大量的伊利石降水发生在同一地区大量方解石沉淀,也跟踪水相有限公司₂。解散或降水的分布特征和其他矿物质(如钠长石、钾长石和菱铁矿)类似于趋势奥长石、方解石、伊利石(数据未显示)。

图7描述了累积有限公司₂隔离为scCO碳酸盐矿物沉淀₂作为工作流体经过30年。总股份有限公司₂隔离的碳酸盐沉淀大约是1.5 - -3.0公斤/米³upper-lying层,远远大于0.2公斤/米的价值³注射/生产层。的三维分布有限公司总₂隔离是相同的数量被方解石沉淀(图6)和溶解水有限公司₂数量(图6)经过30年的有限公司₂注入。这种关系与scCO一致₂在气相主要占领层注入/生产井(图4)和两个阶段的水煤气混合物中存在upper-lying层的面积30年后,导致更多的解散公司₂在这些领域(图3)。因此,更多的解散和降水发生在upper-lying层。

比较scCO的影响₂作为工作流体(水)化学相互作用,我们还模拟了三维地球化学过程在圣约翰圆顶站点50年来水作为工作流体。图8块模拟pH值和矿物丰度的变化(体积分数)为主要矿物(钠钙长石)经过30年水作为工作流体。作为工作流体模拟水的pH值增加(图5.4的初始值8scCO)减少₂作为工作流体(图4)。矿物质钠钙长石的溶解水作为工作流体(图8利率)显示较小的大小和不同分布scCO概要文件的₂作为工作流体(图5)。钠钙长石的溶解发生在注入井上方的区域,和接近的区域生产用水作为工作流体但更多的钠钙长石的溶解是模拟在该地区超过scCO注射/生产层₂作为工作流体。其他主要和次要矿物也表现出明显不同的溶解或沉淀率和水作为工作流体模式(数据未显示)的scCO₂作为工作流体。它表明scCO的地球化学过程₂岩石相互作用产生重大影响矿物溶解和沉淀在大小和分布。

4所示。结论

圣约翰圆顶的3 d模型有限公司₂egs网站是用来模拟流动,热量提取和地球化学过程引起的有限公司₂流动的相互作用。净热量scCO提取和生产质量流率₂作为工作流体大(X, Y)与水(a, B)作为工作流体,表明scCO₂作为工作流体可能增强EGS热提取(符合Pruess [2,3])。模拟公司₂饱和度显示有限公司₂盖层的突破可能构成泄漏风险,至少在圣约翰圆顶有限公司的具体情况₂egs研究网站。模拟还表明,更多的水有限公司₂积累上,比在地势较低的层内注入/生产层,降低pH值、促进矿物的溶解和降水系统的上层,地势较低的层。碳酸盐矿物的沉淀upper-lying层显示良好的公司₂存储(对矿物捕获)EGS水库。钠钙长石的溶解水作为工作流体显示较小的大小在利率和不同分布配置文件比scCO₂作为工作流体。它表明scCO的地球化学过程₂岩石相互作用产生重大影响矿物溶解和沉淀在大小和分布。本研究的结果改善公司内的地球化学过程的理解₂egs水库和提供对增强能源开采、地质有限公司₂封存。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究由美国能源部的地热技术项目号合同下。DE - EE0002766。第一作者的研究在一定程度上是犹他州科学技术和研究(USTAR。作者要感谢Drs。天府徐和海龙田吉林大学帮助TOUGHREACT模型;Drs。彼得Lichtner和Satish。卡拉在洛斯阿拉莫斯国家实验室无功传输模拟他们的帮助;犹他大学的乔·摩尔博士的XRD分析两圣约翰圆顶的岩石样本;约翰·缪尔先生和艾伦·伊士曼先生对他们的帮助圣约翰圆顶的信息有限公司₂egs网站。