CO_2注入下岩层变形和流体运移分析(I):两相流-岩层耦合模型

目前国内关于CO2咸水层封存尚处于先导性和试验性研究阶段,对超临界CO2注入过程中岩层力学响应和流体运移的理论与技术方面的认识还不完善。为研究CO2注入下岩层变形和流体运移,基于两相流动数学模型,给出了超临界CO2和咸水质量守恒方程;采用毛细压力和有效饱和度的关系式,将质量守恒方程变换成以毛细压力为变量的表达式,以便于考虑流体压力对岩层的影响。提出了无流体压力影响下的岩层力学本构模型,该模型能够同时考虑岩层的塑性变形和损伤。分析了两相流体-岩层相互作用机制:一方面,采用有效应力原理,考虑流体压力对岩层的力学影响;另一方面,通过岩层固有渗透率变化考虑岩层变形对流体运移的影响。     

咸水层二氧化碳封存试验的水文和地球化学监测

水文和地球化学监测是典型试验场地特征描述和二氧化碳利流监测的主要组成部分。本次试验把二氧化碳注入德克萨斯州北部海湾地区河成三角洲Frio地层的含咸水砂层。注入的二氧化碳在原地形成超临界相,与周围咸水相比超临界相二氧化碳具有气体特征（低密度和粘度）,而一些二氧化碳溶解于咸水。典型试验通过1个注入井和1个监测井完成。在两个水井均开展了压力和流速监测;在监测井持续采集地表流体样品和定期采集井下液体样品。在二氧化碳注入之前开展的场地特征描述包括：在抽水试验的同时进行压力瞬变分析,来评估单相流动特征;确定注入井和监测井之间的水力连通性;确定对应的边界条件以及分析地层范围内的环境条件。此外,在注入二氧化碳前开展的示踪剂试验,有助于评估在单相条件下注入井和监测井之间的动态孔隙率和流径的几何形状。在注入二氧化碳前开展的地球化学采样,能为随后开展的地球化学监测提供基准,并有助于确定注入二氧化碳时使用的最佳示踪剂。在二氧化碳注入期间,开展水文监测来评估两相流动特征,并协助监测注入的二氧化碳羽流的运动;而通过地球化学采样能够提供二氧化碳和示踪剂到达监测井的直接证据。而且,含有二氧化碳的水能起到弱酸的作用,可与含水层内多种矿物发生反应,在监测井采集水样时可提供明显的化学信号。单相示踪剂试验和二氧化碳（以及与二氧化碳同时注入的示踪剂）的临界点曲线对比结果显示：超临界二氧化碳与固有咸水之间存在两相流动过程：为了有效地把二氧化碳封存于咸水含水层,必须充分了解二氧化碳封存场地当前存在的不确定性因素。     

输水隧道地震响应的多物质ALE数值分析

为研究浅埋输水隧道内部流体对隧道地震响应的影响,考虑黏弹性人工边界、土壤的非线性、隧道结构刚度有效率及流-固耦合作用,建立了双线隧道-土体-流体相互耦合作用的力学模型。通过刚度折减试验得到衬砌环环向、径向、轴向刚度,进而引入正交各向异性连续材料作为衬砌材料模型。采用基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）描述法的流-固耦合方法,对上海某大直径双线输水隧道在流体作用下的地震响应进行了分析。通过与等效密度法对比,验证耦合模型对于处理输水隧道多物质非线性耦合抗震问题的可行性。计算结果表明,在水平方向地震激励下,无论一致激励或是非一致激励流体对隧道地震变形和内力都有较大影响,但对位移影响较小;对于不同隧道内水量,隧道弯矩均集中于衬砌隧道45°交叉斜线位置;相比于一致激励,非一致激励增强隧道地震位移和变形响应是明显的。     

TOUGHREACT搭接FLAC3D算法

多孔介质THM多场耦合分析在诸如核废料地质储存、干热岩和CO2地质埋藏等地质科学领域广泛应用,鉴于其计算的复杂性往往需要借助数值手段。基于角点-中心点网格转换以及三维三点拉格朗日插值方法,通过编制程序将TOUGHREACT和FLAC3D搭接,实现了多相多组分流体-温度-岩石力学的耦合计算分析。为了验证程序的效率及适用性,构建了Salah场地深部咸水层CO2储存数值模型,模拟CO2连续注入3a的地下流体运移和储、盖层的岩石力学变化,并将地表位移与inSAR实测值进行了对比分析。以此为基础进一步模拟了中国西部某盆地CO2地质储存三维筒注模型。结果表明:搭接程序能平滑连接TOUGHREACT和FLAC3D,其考虑岩石力学影响下的注入压力和地表位移等成果符合理论及实际监测规律,同时得到岩石孔隙率、渗透率随CO2注入时间增加而变大的结论。     

超临界二氧化碳喷射破碎页岩试验

高效开发页岩气有利于满足日益增长的能源需求,但页岩储层的开发极为困难,超临界二氧化碳作为一种新型页岩气钻采流体,可以有效保护页岩储层,置换吸附提高页岩气采收率,并同时实现二氧化碳的埋存.研发了一套超临界二氧化碳喷射开发页岩气装置,并开展了超临界二氧化碳喷射破碎页岩室内试验.发现超临界二氧化碳射流喷射后岩石强度降低,且射流压力和温度越高,降低幅度越大;本实验条件下超临界二氧化碳射流破岩体积是水射流的1.73~6.51倍,破岩优势显著,井底环境温度对超临界二氧化碳射流的破岩性能有较大影响.表明超临界二氧化碳可显著提高页岩气钻井速度,有望形成一种高效的页岩气开发方法,应用潜力广阔.      

二氧化碳注入砂岩透镜体中裂缝扩展模拟

二氧化碳地质封存技术是一种减少二氧化碳排放量的有效方式。砂岩透镜体具有良好的储-盖组合,是较为理想的二氧化碳封存场址。砂岩透镜体中注入超临界二氧化碳引起的裂缝萌生、扩展、演化等一系列复杂问题直接决定着封存的安全性。利用ABAQUS数值模拟软件,基于扩展有限元法（XFEM）建立流-固耦合模型,通过将超临界二氧化碳注入砂岩透镜体,观察透镜体内部砂岩储层裂缝破裂过程。数值模拟研究得出结论:在透镜体产状不同的条件下,倾斜透镜体相对于水平透镜体封存能力较差,不适宜进行二氧化碳封存;将二氧化碳以3种不同的流速充注到砂岩透镜体中,流速增加不利于封存的安全性,但是裂缝长度和形态没有发生明显变化;裂缝在扩展过程中裂缝首先变宽成为导流通道,然后变长扩展,裂缝尖端应力先增大达到峰值然后逐渐降低,最终裂缝停止扩展。     

单相流体对砂岩强度特性的影响

在CO2地质封存过程中,CO2注入深部岩层,引起地层孔隙流体组分和压力的改变,影响岩层的力学稳定性,可能导致储盖层破裂、地表隆起,并引发中小规模地震等不良后果。以砂岩为试验研究对象,以CO2、N2、H2O作为孔隙流体介质,通过控制和调节流体的温度和孔隙压力,开展了单相流体作用下岩石三轴压缩力学特性对比试验,分析了单相流体耦合作用下岩石强度、弹性模量和泊松比等基本力学参数。研究发现,高压孔隙流体使干燥砂岩的峰值强度和弹性模量均出现不同程度降低,泊松比却有较为明显的升高现象,且影响作用从大到小依次为H2O、CO2、N2。孔隙流体降低了干燥砂岩的脆性,并增强了塑性变形,且含水砂岩塑性最强。孔隙流体对砂岩力学特性影响程度取决于流体与岩石矿物成分的相互作用强弱,分析认为砂岩中不同矿物成分对CO2、N2、H2O的选择性吸附导致孔隙流体对砂岩强度影响差异明显,且作用效应从大到小依次为H2O、CO2、N2。     

增强型地热系统热-水动力-力学(THM)耦合模拟——以河北马头营凸起区为例

增强型地热系统(EGS)的裂隙热储层在长期开采过程中,由于不断地提取高温干热岩体的热量,致使高温花岗岩岩体温度下降,进而诱发岩体产生二次破裂,甚至出现流体短路,降低地热系统开采效率。为了保证EGS热能的稳定提取,需要建立试验场地的热-水动力-力学(THM)耦合模型,分析水动力和热效应对该储层裂隙发育规律的影响。本文基于河北马头营凸起区EGS开发场地的循环注水试验数据,建立场地热-水动力-力学耦合模型,通过模型模拟结果与现场观测结果进行比较,先验证了THM耦合模型的准确性,然后利用校正后的模型预测了不同注入方案下,EGS储层渗透率的提高和增产带的空间范围,揭示了储层裂隙增产带的范围受温度、压力、注入速率的影响情况。结果表明：经过63 d的增产处理,该模型预测的增产层体积约为10万m³;提高注水压力能刺激现有的裂隙发生剪切性破裂,拓宽增产带的区域;减小注水的温度有助于提升流体的穿透能力,扩大储层的增产带;在水力压裂的开始阶段,适当利用冷水注入有利于提高储层渗透率,且提高注入速率会使储层增产带的范围扩大。     

地下热-水动力-力学耦合过程数值模拟:以CO_2地质储存为例

在地下流动系统问题的研究中,热-水动力-力学(THM)耦合过程是研究的热点问题。在地下多相非等温数值模拟软件TOUGH2的框架内,基于Biot固结理论和摩尔-库仑破坏判定准则,建立了THM耦合模型;采用积分有限差和有限元联合的空间离散方法,开发了THM模拟器TOUGH2Biot。该模拟器中热和水动力过程是全耦合,力学过程是部分耦合。通过与解析解的对比,验证了其正确性。基于鄂尔多斯盆地CCS示范工程,采用TOUGH2Biot研究了CO2注入地层后的THM响应。结果显示CO2的注入引起流体压力急剧增加,地层有效应力减小,地表隆起,隆起大小在几十个厘米,同时孔渗增加,利于CO2注入引起的压力上升向外消散。CO2注入最有可能导致剪切破坏的位置位于最大速率注入点上部盖层,其次为靠近地表的位置。     

超临界CO2压裂起裂压力模型与参数敏感性研究

超临界CO2流体具有低黏度、无表面张力的特性,若应用于非常规油气储层压裂可望实现一种无污染的新型无水压裂方法。通过建立流体在井筒内的增压速率模型,得到了考虑超临界CO2流体黏度、压缩性及增压速率的裂缝起裂压力预测模型,并与水力压裂、液态CO2压裂起裂压力进行了对比分析。结果表明,超临界CO2流体的起裂压力比液态CO2流体低20.5 %,比常规水力压裂起裂压力低75.5%;超临界CO2流体的黏度、压缩性及增压速率对裂缝起裂压力影响显著。模型与文献中试验数据对比,误差在3%以内,可为超临界CO2压裂起裂压力预测提供指导。     

数值模拟在CO2地质封存示范项目中的应用

CO2深部咸水层地质封存被认为是减缓温室效应的一种有效的工程技术手段。针对神华鄂尔多斯105 t/a CO2捕集与封存(CCS)示范项目,用数值模拟方法对CO2在地层中的运移过程进行了详细地刻画,分析了CO2的流动迁移、地层压力积聚过程及地层封存潜力。数值模型不但可以为工程的顺利进行提供技术支撑,而且可以节省人力财力。首先,根据实际监测数据对模拟参数进行校准,得到了合适的压力拟合曲线,确定了主要的水文地质参数。然后,对为期3 a的CO2续注工程进行预测,详细分析了CO2的晕扩散、溶解情况、地层压力变化情况、储层封存潜力等。得到如下结论：CO2在3 a内的最大迁移距离约为350 m;水裂可以有效提高CO2的注入性;隔离层能有效防止CO2逃逸。研究表明,尽管鄂尔多斯盆地属于低渗咸水层仍然能够有效安全地封存CO2。     

CO2注入岩体的热-气-应力耦合二维弹塑性有限元分析

目前国内关于CO2地质埋存课题的研究已经起步,其中与岩石力学有关的工作急需加强。为此,考虑到向含气地层中注入CO2时岩石、气体和温度的相互作用,将CO2视为理想气体,使用Drucker-Prager屈服准则和‘无拉应力’判据,建立了一个热-气-应力耦合模型并研制了相应的二维有限元程序。假定了一个由下部注入层和上覆冠石层组成的CO2埋存地质系统,以此为数值模拟的对象,分析了CO2在不同的注入速率和注入时间条件下岩体的中的位移、应力、受拉与塑性破坏区的变化和分布情况,结果显示,为保证CO2注入岩体的稳定,应优择最佳的注入速率和注入时间。     

大庆长垣外围特低渗透扶杨油层CO_2非混相驱油试验研究

大庆长垣外围有3×108t特低渗透的扶杨油层储量在注水开发条件下难以有效动用,为提高这部分储量的有效动用率,开展了CO2非混相驱油试验研究。PVT测试结果表明,扶杨油层原油较稠,体积系数小,膨胀性和收缩性小,溶解系数较低;CO2驱油细管实验最小混相压力为29 MPa,比原始地层压力高8.6 MPa,现场试验为非混相驱;长岩心实验CO2驱油采收率比注水高4~6个百分点。综合室内可行性评价实验结果看,大庆长垣外围扶杨油层开展CO2驱油试验是可行的,并于2003年初在宋芳屯油田南部开辟了注气试验区,有注气井1口,采出井5口。矿场试验结果表明,CO2驱油能够使特低渗透、裂缝不发育的扶杨油层建立起有效驱动体系,从根本上改善其开发效果,该技术有望成为特低渗透扶杨油层有效动用的可行技术。     

Geothermal energy exploitation from depleted high-temperature gas reservoirs by recycling CO2:The superiority and existing problems

CO2 can be used as an alternative injectant to exploit geothermal energy from depleted high-temperature gas res-ervoirs due to its high mobility and unique thermal properties.However,there has been a lack of systematic anal-ysis on the heat mining mechanism and performance of CO2,as well as the problems that may occur during geothermal energy exploitation at specific gas reservoir conditions.In this paper,a base numerical simulation model of a typical depleted high-temperature gas reservoir was established to simulate the geothermal energy exploitation processes via recycling CO2 and water,with a view to investigate whether and/or at which condi-tions CO2 is more suitable than water for geothermal energy exploitation.The problems that may occur during the CO2-based geothermal energy exploitation were also analyzed along with proposed feasible solutions.The re-sults indicate that,for a depleted low-permeability gas reservoir with dimensions of 1000 m × 500 m × 50 m and temperature of 150℃using a single injection-production well group for 40 years of operation,the heat mining rate of C02 can be up to 3.8 MW at a circulation flow rate of 18 kg s-1 due to its high mobility along with the flow path in the gas reservoir,while the heat mining rate of water is only about 2 MW due to limitations on the injectivity and mobility.The reservoir physical property and injection-production scheme have some effects on the heat mining rate,but CO2 always has better performance than water at most reservoir and operation condi-tions,even under a high water saturation.The main problems for CO2 circulation are wellbore corrosion and salt precipitation that can occur when the reservoir has high water saturation and high salinity,in which serious salt precipitation can reduce formation permeability and result in a decline of CO2 heat mining rate(e.g.up to 24％reduction).It is proposed to apply a low-salinity water slug before CO2 injection to reduce the damage caused by salt precipitation.For high-permeability gas reservoirs with high water saturation and high salinity,the supe-riority of CO2 as a heat transmission fluid becomes obscure and water injection is recommended.     

渤中坳陷石臼陀凸起东段幔源CO2充注对储集层粘土矿物的影响

探讨了渤中坳陷石臼陀凸起东段CO2来源及CO2充注对储层粘土矿物的影响.研究表明,CO2中δ13C组成较重,R/Ra值较大,CO2为幔源成因;控盆的深大断裂是CO2的主要运移通道;CO2热流体晚期充注对砂岩储集层粘土矿物产生了明显的影响:CO2热流体侵位后形成的热波动效应加快了储集层中伊蒙混层粘土的演化,含CO2储集层中伊蒙混层中蒙脱石含量要比同深度的泥岩低15％ ～30％;CO2热流体晚期侵入加剧了长石的溶蚀作用,长石溶蚀促进了自生高岭石的大量形成;CO2热流体侵位后形成的偏酸性环境抑制伊利石生长,促进了其他粘土矿物向高岭石转化;含CO2储集层以少见的高自生高岭石、低伊利石为特征,这对储层物性改善起到了决定性的影响.     

A fully coupled numerical modeling to investigate the role of rock thermo-mechanical properties on reservoir uplifting in steam assisted gravity drainage

One of the crucial consequences of steam assisted gravity drainage (SAGD) process is abnormal reservoir uplifting under thermal steam injection, which can significantly influence the reservoir rock deformation, specifically thin bed reservoirs and causes intensive failures and fractures into the cap rock formations. A thorough understanding of the influences of rock thermo-mechanical properties on reservoir uplifting plays an important role in preventing those aforementioned failures within design and optimization process in SAGD. In addition, coupling of reservoir porous medium and flowing of specific fluid with temperature as an additional degree of freedom with initial pore pressure and in-situ stress condition, are also very challenging parts of geomechanical coupled simulation which would be clearly explained. Thus, a fully coupled thermo-poro-elastic geomechanical model with finite element codes was performed in ABAQUS to investigate the role of rock thermo-mechanical parameters on reservoir vertical uplift during steam injection. It is clearly observed that, any increase in rock thermo-mechanical properties specifically rock’s thermal properties such as specific heat, thermal expansion, and formation’s thermal conductivity, have significant influences on reservoir uplift. So by coupling the temperature as an additional degree of freedom with the coupled pore-fluid stress and diffusion finite element model of SAGD process, the more realistic simulation will be conducted; hence, the errors related to not having heat as an additional degree of freedom will be diminished. In addition, Young’s modulus and specific heat are the rock thermo-mechanical parameters which have the maximum and minimum effects on the reservoir uplift, respectively.     

神华碳封存示范项目中CO2注入分布模拟

CO2咸水层封存被广泛认为是一种具有大规模温室气体减排潜力的地学前缘技术。选取中国第一个全流程CCS项目为研究背景,结合工程实际情况,选取鄂尔多斯盆地为具体研究对象,提取相关参数,建立相应的地质模型,通过数值模拟研究咸水层多层统注时CO2在咸水中的主要封存机制、CO2在地层中的运移分布特征及其与注入能力的关系,并观测由于CO2注入引起的地层压力、CO2摩尔分数、酸碱度等的变化情况,为方案的进一步优化奠定基础。研究表明,CO2注入咸水层后,大部分进入储层上部,且注入能力越大时,注入的层位越多,注入量越大;CO2在咸水层中的存在形式有自由态、束缚态和溶解态。所有探索性研究的目的是给示范性项目的未来提供一个良好的基础优化方案。