CN116911209A - 一种二氧化碳地质封存盖层密闭性评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二氧化碳地质封存盖层密闭性评价方法及装置，包括以下步骤：(1)储层和盖层构造参数获取；(2)储层及盖层地应力获取；(3)储层及盖层物性、渗透率、力学参数及微观特征获取；(4)盖层突破压力获取；(5)渗流‑应力耦合三维地质建模参数获取；(6)渗流‑应力耦合数值模型构建；(7)盖层密闭性评价指标确定；(8)现场监测及盖层密闭性指标标定。流程简单、方法方便、指标明确，可操作性强；实现了二氧化碳地质封存盖层密闭性的定量评价，同时可以提高盖层密闭性的相关工艺参数，为实现二氧化碳高效地质利用与封存奠定基础，可以预防二氧化碳地质封存盖层密闭性失效。
Description
技术领域
本发明涉及二氧化碳地质利用封存领域，更具体地涉及一种二氧化碳地质封存盖层密闭性评价方法。
背景技术
二氧化碳地质封存技术(CCS)是当前减少二氧化碳直接排放最有效的一种措施，即通过工业技术将超临界二氧化碳注入到深部地层中长期封存。对于规模化的CCS工程项目，长期安全性是保证工程顺利实施的安全保障，其中稳定的区域性盖层是二氧化碳地质封存的重要保障。如果国内外地质封存的部分二氧化碳泄漏到大气中，泄漏的二氧化碳可能引发显著的气候变化，同时也可能给人类、生态系统和地下水造成局部灾害，造成了巨大的经济损失和环境污染。因此，如何保证CCS盖层密闭性至关重要。盖层密闭性是指覆盖地层阻止二氧化碳通过和泄漏的能力，而盖层是覆盖于储层之上的低渗透膏岩、盐岩和泥页岩等封闭性岩层，是阻止二氧化碳向上方地层运移和泄漏的重要屏障。由于盖层物性和力学参数的不确定性，导致二氧化碳注入过程中盖层是否发生二氧化碳泄漏难以判断。同时，由于二氧化碳地质封存体一般位于地下800米以下地层，是隐护工程的范畴，缺乏实时有效的监测方法。目前，二氧化碳地质封存盖层密闭性评价主要存在以下技术难题：
(1)缺乏系统的密闭性评价指标体系。由于二氧化碳地质封存盖层密闭性涉及的盖层物性和力学参数较多，很难用单一参数进行盖层密闭性评估。同时，由于成本等原因，盖层物性和力学参数很难准确获得。导致二氧化碳地质封存盖层密闭性不能准确预测盖层密闭性，不能对二氧化碳地质封存盖层密闭性控制参数进行优化。
(2)缺乏二氧化碳地质封存盖层密闭性评价的统一流程和步骤。由于二氧化碳地质封存盖层密闭性评价没有标准或规范，不同方法得到的评价结果可能会相差很大。因此，亟需统一的二氧化碳地质封存盖层密闭性评价流程和步骤。
(3)缺乏二氧化碳地质封存盖层密闭性评价过程中所需参数清单。由于二氧化碳地质封存盖层密闭性评价过程中需要大量的相关数据，这些数据大部分基于室内实验或者现场监测，需要的时间和条件各不相同。若不在二氧化碳地质封存盖层密闭性评价之前给出详细的参数清单，将会影响二氧化碳地质封存项目的顺利开展。而目前没有相关的参数清单可以参考。
因此，亟需发明一种二氧化碳地质封存盖层密闭性评价方法，解决目前二氧化碳地质封存盖层密闭性过程中缺乏密闭性评价指标体系、密闭性评价的规范流程和步骤、密闭性评价过程中所需参数清单的难题，为确保中国二氧化碳地质封存盖层密闭性安全高效封存提供技术保证。
发明内容
基于上述现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是在于提供了一种二氧化碳地质封存盖层密闭性评价方法，构建了密闭性评价指标体系、密闭性评价的规范流程和步骤及密闭性评价过程中所需参数清单。该方法简单，使用方便，为二氧化碳地质封存盖层密闭性评价提供技术支撑。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：
一种二氧化碳地质封存盖层密闭性评价方法，包括以下步骤：
(1)储层和盖层构造参数获取；
(2)储层及盖层地应力获取；
(3)储层及盖层物性、渗透率、力学参数及微观特征获取；
(4)盖层突破压力获取；
(5)渗流-应力耦合三维地质建模参数获取；
(6)渗流-应力耦合数值模型构建及数值模拟；
(7)盖层密闭性评价指标确定；
(8)现场监测及盖层密闭性指标标定。
一种二氧化碳地质封存盖层密闭性评价方法，其使用的二氧化碳地质封存体包括：井口及注入装置(结构参考CN201620437878.6一种二氧化碳驱采油井井口装置)，二氧化碳注入管柱，上覆地层，套管柱，环空保护液(参考：孙宜成,陆凯,等.抗CO2腐蚀环保型油基环空保护液研究[J].钻采工艺,2018,41(6):90-93.)，盖层、封隔器(参考：[朱达江,林元华,等.CO2驱注气井封隔器橡胶材料腐蚀力学性能研究[J].石油钻探技术,2014(5):126-130.)、储层、射孔孔眼、二氧化碳与储层咸水界面、套管鞋、二氧化碳。
其中，上覆地层3底部与盖层6顶部相连；盖层6底部与储层8顶部相连；井口及注入装置1位于地面，用于二氧化碳的注入；井口及注入装置1与二氧化碳注入管柱2、完井管柱4顶部相连；二氧化碳注入管柱2底部与储层8顶部相连，可以向储层8内注入二氧化碳；二氧化碳注入管柱2位于完井管柱4内，二氧化碳注入管柱2在完井管柱下部通过封隔器7相连；完井管柱4位于上覆地层3、盖层6和储层8中，完井管柱4底部有套管鞋11，套管鞋11位于储层8内；完井管柱4底部通过射孔孔眼9与储层8相连；二氧化碳12位于储层8中；二氧化碳和咸水储层界面10，随着二氧化碳注入量的增加而发生变化。
一种二氧化碳地质封存盖层密闭性评价方法，包括以下步骤：
(1)储层(封存体)和盖层构造参数获取；
通过三维地震勘探技术(李文良，于政秀.三维地震勘探技术在地质补充勘探中的应用[J],2010(2))确定二氧化碳地质封存的储层和盖层构造特征，包括：盖层的顶深、盖层的底深、储层的顶深、储层的底深、盖层厚度分布、储层厚度分布。
(2)地质封存体及盖层地应力获取；
对于二氧化碳地质封存的场地，由于大部分储层和盖层的勘探程度低，所以地应力的获取需要结合不同方法确定。首先，利用相邻区域储层经验计算公式预测地质封存体及盖层地应力；然后，利用钻井时小型水力压裂实验获得的地应力数据对经验公式进行修正；最后，利用修正后公式预测地质封存体及盖层地应力。
(3)地质封存体及盖层物性、渗透率、力学参数及微观特征获取；
利用钻探井的取心作业，获取地质封存体、盖层及上覆岩层岩心；根据《DZ/T0276.18-2015岩石物理力学性质试验规程》，测试岩石密度、矿物成份、渗透率、孔隙度、单轴抗压强度、抗拉强度、内摩擦角、黏聚力、抗剪强度、脆性指数等；为了保证实验可靠性，每种类型岩心测试3次。微观特征测试包括孔隙直径、孔隙结构、微观表面形态等；还需要相渗曲线、毛管压力等参数。
(4)盖层突破压力获取；
突破压力为非润湿相流体驱替岩心润湿相流体的过程中，当岩样内部形成非润湿相迁移的优势通道时，岩心出口端监测到非润湿相流体。通过钻探井的取心，加工至直径25mm长度30-50mm的圆柱形岩心，采用分步法测试突破压力，得到盖层的突破压力。
(5)渗流-应力耦合三维地质建模参数获取；
利用三维地震技术勘探技术、测井数据及室内实验获得构建三维地质渗流-应力模型所需上覆地层、盖层和储层的参数，包括：盖层构造骨架、储层构造骨架、储层孔隙度、渗透率、储层厚度、压力梯度、储层压力、相渗曲线、毛管压力、饱和度等渗流模型参数；密度、地应力、弹性模量、泊松比、内摩擦角及剪切模量等。
(6)渗流-应力耦合数值模型构建及数值模拟；
首先，基于Petrel等软件对地质模型进行三维网格划分后，输出三维网格节点坐标信息；随后，通过数据处理软件(如Matlab、C#等)对地质模型(Petrel软件)中角点网格转化为有限元模拟所需网格格式，并建立三维地质模型的网格；最后，基于已建立的三维地质模型网格，利用ABAQUS软件构建渗流-应力耦合数值模型，
其中，数值模型的位移和荷载边界条件满足以下条件：a.侧向边界铰接，水平方向位移被限制为零，允许竖向位移；底部边界固接，竖直和水平方向位移均被限制为零；b.顶部边界无切向应力但受到上覆压力作用，作用于模型四周的临界地应力由重力产生。
根据上述三维地质力学模型、边界条件、注入量等对储层及盖层的应力、变形、渗流压力进行模拟计算；根据盖层突破压力及储层和盖层的水力破裂压力为限定条件进行计算，并根据模拟结果对二氧化碳注入参数进行调整和优化。
(7)盖层密闭性评价指标确定；
二氧化碳通过盖层泄漏主要有两种途径：渗透泄漏和水力破裂。当盖层孔隙压力超过盖层突破压力时，二氧化碳羽流驱替盖层孔隙水并发生渗透泄漏。当盖层孔隙压力超过盖层破裂压力时，盖层水力破裂并造成大规模泄漏。因此，以孔隙压力增量和库伦破坏应力作为评价参数，用于评价二氧化碳注入期间对盖层密闭性失效的风险程度。
盖层的影响因素主要包括：埋深、厚度、渗透率、孔隙度、上覆地层压力、杨氏模量、泊松比、内摩擦角、密度及剪胀角；储层的影响因素主要包括：渗透率、孔隙度、杨氏模量、泊松比、内摩擦角、密度、剪胀角及注入速率。
基于步骤(6)构建的渗流-应力耦合数值模型，通过飓风分析法和响应面分析法，分析盖层和储层影响因素对盖层密闭性影响的显著性，确定盖层密闭性评价指标。
(8)现场监测及盖层密闭性指标标定。
利用监测井对二氧化碳储层和盖层的压力、温度每3个月测量一次，获得该储层和盖层的温度和压力测量结果；同时，每3个月测量一次地表变形；利用监测结果对注入井注入量进行实时调整，确保盖层密闭性评价指标的科学性和可靠性。
通过上述八个步骤的技术措施，解决了二氧化碳地质封存盖层密闭性过程中缺乏密闭性评价指标体系、密闭性评价的规范流程和步骤、密闭性评价过程中所需参数清单的难题。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
(1)评价流程简单、评价方法方便、评价指标明确，评价方法可操作性强，解决了目前二氧化碳地质封存盖层密闭性过程中缺乏密闭性评价指标体系、密闭性评价的规范流程和步骤、密闭性评价过程中所需参数清单的难题。
(2)实现了二氧化碳地质封存盖层密闭性的定量评价，同时可以优化二氧化碳地质封存项目中提高盖层密闭性的相关工艺参数，为实现二氧化碳高效地质利用与封存奠定基础。
(3)利用二氧化碳地质封存盖层密闭性的评价结果，可以给出合理的措施预防二氧化碳地质封存盖层密闭性失效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为一种二氧化碳地质储层及盖层结构示意图；
图中：1、井口及注入装置(结构参考CN201620437878.6一种二氧化碳驱采油井井口装置)，2、二氧化碳注入管柱，3、上覆地层，4、套管柱，5、环空保护液(参考：孙宜成,陆凯,等.抗CO2腐蚀环保型油基环空保护液研究[J].钻采工艺,2018,41(6):90-93.)，6、盖层、7、封隔器(参考：[朱达江,林元华,等.CO2驱注气井封隔器橡胶材料腐蚀力学性能研究[J].石油钻探技术,2014(5):126-130.)，8、储层，9、射孔孔眼、10、二氧化碳与储层咸水界面，11、套管鞋，12、二氧化碳。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，一种二氧化碳地质封存盖层密闭性评价方法，其使用的二氧化碳地质封存体包括：井口及注入装置1、二氧化碳注入管柱2、上覆地层3、完井管柱4、环空保护液5、盖层6、封隔器7、储层8、射孔孔眼9、二氧化碳与储层咸水界面10、套管鞋11、二氧化碳12。
其中，上覆地层3底部与盖层6顶部相连；盖层6底部与储层8顶部相连；井口及注入装置1位于地面，用于二氧化碳的注入；井口及注入装置1与二氧化碳注入管柱2、完井管柱4顶部相连；二氧化碳注入管柱2底部与储层8顶部相连，可以向储层8内注入二氧化碳；二氧化碳注入管柱2位于完井管柱4内，二氧化碳注入管柱2在完井管柱下部通过封隔器7相连；完井管柱4位于上覆地层3、盖层6和储层8中，完井管柱4底部有套管鞋11，套管鞋11位于储层8内；完井管柱4底部通过射孔孔眼9与储层8相连；二氧化碳12位于储层8中；二氧化碳和咸水储层界面10，随着二氧化碳注入量的增加而发生变化。
一种二氧化碳地质封存盖层密闭性评价方法，包括以下步骤：
(1)储层(封存体)和盖层构造参数获取；
通过三维地震技术(李文良，于政秀.三维地震勘探技术在地质补充勘探中的应用[J],2010(2))勘探技术确定二氧化碳地质封存的储层和盖层构造特征，包括：盖层的顶深、盖层的底深、储层的顶深、储层的底深、盖层厚度分布、储层厚度分布。
(2)地质封存体及盖层地应力获取；
对于二氧化碳地质封存的场地，由于大部分储层和盖层的勘探程度低，所以地应力的获取需要结合不同方法确定。首先，利用相邻区域储层经验计算公式预测地质封存体及盖层地应力；然后，利用钻井时小型水力压裂实验获得的地应力数据对经验公式进行修正；最后，利用修正后公式预测地质封存体及盖层地应力。
(3)地质封存体及盖层物性、渗透率、力学参数及微观特征获取；
利用钻探井的取心作业，获取地质封存体、盖层及上覆岩层岩心；根据《DZ/T0276.18-2015岩石物理力学性质试验规程》，测试岩石密度、矿物成份、渗透率、孔隙度、单轴抗压强度、抗拉强度、内摩擦角、黏聚力、抗剪强度、脆性指数等；为了保证实验可靠性，每种类型岩心测试3次。微观特征测试包括孔隙直径、孔隙结构、微观表面形态等；还需要相渗曲线、毛管压力等参数。
(4)盖层突破压力获取；
突破压力为非润湿相流体驱替岩心润湿相流体的过程中，当岩样内部形成非润湿相迁移的优势通道时，岩心出口端监测到非润湿相流体。通过钻探井的取心，加工至直径25mm长度30-50mm的圆柱形岩心，采用分步法测试突破压力，得到盖层的突破压力。
(5)渗流-应力耦合三维地质建模参数获取；
利用三维地震技术勘探技术、测井数据及室内实验获得构建三维地质渗流-应力模型所需上覆地层、盖层和储层的参数，包括：盖层构造骨架、储层构造骨架、储层孔隙度、渗透率、储层厚度、压力梯度、储层压力、相渗曲线、毛管压力、饱和度等渗流模型参数；密度、地应力、弹性模量、泊松比、内摩擦角及剪切模量等。
(6)渗流-应力耦合数值模型构建及数值模拟；
首先，基于Petrel等软件对地质模型进行三维网格划分后，输出三维网格节点坐标信息。随后，通过数据处理软件(如Matlab、C#等)对地质模型(Petrel软件)中角点网格转化为有限元模拟所需网格格式，并建立三维地质模型的网格。最后，基于已建立的三维地质模型网格，利用ABAQUS软件构建渗流-应力耦合数值模型，其中，数值模型的位移和荷载边界条件满足以下条件：a.侧向边界铰接，水平方向位移被限制为零，允许竖向位移；底部边界固接，竖直和水平方向位移均被限制为零；b.顶部边界无切向应力但受到上覆压力作用，作用于模型四周的临界地应力由重力产生。
根据上述三维地质力学模型、边界条件、注入量等对储层及盖层的应力、变形、渗流压力进行模拟计算；根据盖层突破压力及储层和盖层的水力破裂压力为限定条件进行计算，并根据模拟结果对二氧化碳注入参数进行调整和优化。
(7)盖层密闭性评价指标确定；
二氧化碳通过盖层泄漏主要有两种途径：渗透泄漏和水力破裂。当盖层孔隙压力超过盖层突破压力时，二氧化碳羽流驱替盖层孔隙水并发生渗透泄漏。当盖层孔隙压力超过盖层破裂压力时，盖层水力破裂并造成大规模泄漏。因此，以孔隙压力增量和库伦破坏应力作为评价参数，用于评价二氧化碳注入期间对盖层密闭性失效的风险程度。
盖层的影响因素主要包括：埋深、厚度、渗透率、孔隙度、上覆地层压力、杨氏模量、泊松比、内摩擦角、密度及剪胀角；储层的影响因素主要包括：渗透率、孔隙度、杨氏模量、泊松比、内摩擦角、密度、剪胀角及注入速率。
基于步骤(6)构建的渗流-应力耦合数值模型，通过飓风分析法和响应面分析法，分析盖层和储层影响因素对盖层密闭性影响的显著性，确定盖层密闭性评价指标。
(8)现场监测及盖层密闭性指标标定。
利用监测井对二氧化碳储层和盖层的压力、温度每3个月测量一次，获得该储层和盖层的温度和压力测量结果；同时，每3个月测量一次地表变形；利用监测结果对注入井注入量进行实时调整，确保盖层密闭性评价指标的科学性和可靠性。
综上所述，利用本发明方法可以解决目前二氧化碳地质封存盖层密闭性过程中缺乏密闭性评价指标体系、密闭性评价的规范流程和步骤、密闭性评价过程中所需参数清单的难题，具有操作步骤明确、使用方法简单等特点。
Claims (10)
1.一种二氧化碳地质封存盖层密闭性评价方法，包括以下步骤：
(1)储层及盖层构造参数获取；
(2)储层及盖层地应力获取；
(3)储层及盖层物性、渗透率、力学参数及微观特征获取；
(4)盖层突破压力获取；
(5)渗流-应力耦合三维地质建模参数获取；
(6)渗流-应力耦合数值模型构建及数值模拟；
(7)盖层密闭性评价指标确定；
(8)现场监测及盖层密闭性指标标定。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳地质封存盖层密闭性评价方法，其特征在于，步骤(1)中通过三维地震技术勘探技术确定二氧化碳地质封存的储层和盖层构造特征，包括：盖层的顶深、盖层的底深、储层的顶深、储层的底深、盖层厚度分布、储层厚度分布。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种二氧化碳地质封存盖层密闭性评价方法，其特征在于，步骤(2)中对于二氧化碳地质封存的场地，大部分储层和盖层的勘探程度低，所以地应力的获取需要结合不同方法确定；利用相邻区域储层经验计算公式预测地质封存体及盖层地应力；之后，利用钻井时小型水力压裂实验获得的地应力数据对经验公式进行修正；最后，利用修正后公式预测地质封存体及盖层地应力。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种二氧化碳地质封存盖层密闭性评价方法，其特征在于，步骤(3)中利用钻探井的取心作业，获取地质封存体、盖层及上覆岩层岩心；测试岩石密度、矿物成份、渗透率、孔隙度、单轴抗压强度、抗拉强度、内摩擦角、黏聚力、抗剪强度、脆性指数；为了实验可靠性，每种类型岩心测试3次；微观特征测试包括孔隙直径、孔隙结构、微观表面形态等；还需要相渗曲线、毛管压力等参数。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种二氧化碳地质封存盖层密闭性评价方法，其特征在于，步骤(4)中突破压力为非润湿相流体驱替岩心润湿相流体的过程中，岩样内部形成非润湿相迁移的优势通道时，岩心出口端监测到非润湿相流体，通过钻探井的取心，加工至直径25mm长度30-50mm的圆柱形岩心，采用分步法测试突破压力，得到盖层的突破压力。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种二氧化碳地质封存盖层密闭性评价方法，其特征在于，步骤(5)中利用三维地震技术勘探技术、测井数据及室内实验获得构建三维地质渗流-应力模型所需上覆地层、盖层和储层的参数，包括：盖层构造骨架、储层构造骨架、储层孔隙度、渗透率、储层厚度、压力梯度、储层压力、相渗曲线、毛管压力、饱和度等渗流模型参数；密度、地应力、弹性模量、泊松比、内摩擦角及剪切模量。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种二氧化碳地质封存盖层密闭性评价方法，其特征在于，步骤(6)中基于软件对地质模型进行三维网格划分，输出三维网格节点坐标信息；随后，通过数据处理软件对地质模型中角点网格转化为有限元模拟所需网格格式，并建立三维地质模型的网格；最后，基于已建立的三维地质模型网格，利用软件构建渗流-应力耦合数值模型；
其中，数值模型的位移和荷载边界条件满足以下条件：a.侧向边界铰接，水平方向位移被限制为零，允许竖向位移；底部边界固接，竖直和水平方向位移均被限制为零；b.顶部边界无切向应力但受到上覆压力作用，作用于模型四周的临界地应力由重力产生；
根据上述三维地质力学模型、边界条件、注入量对储层及盖层的应力、变形、渗流压力进行模拟计算；根据盖层突破压力及储层和盖层的水力破裂压力为限定条件进行计算，并根据模拟结果对二氧化碳注入参数进行调整。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种二氧化碳地质封存盖层密闭性评价方法，其特征在于，步骤(7)中以孔隙压力增量和库伦破坏应力作为评价参数，用于评价二氧化碳注入期间对盖层密闭性失效的风险程度；基于步骤(6)构建的渗流-应力耦合数值模型，通过飓风分析法和响应面分析法，分析盖层和储层影响因素对盖层密闭性影响的显著性，确定盖层密闭性评价指标。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种二氧化碳地质封存盖层密闭性评价方法，其特征在于，步骤(8)中利用监测井对二氧化碳储层和盖层的压力、温度每3个月测量一次，获得该储层和盖层的温度和压力测量结果；同时，每3个月测量一次地表变形；利用监测结果对注入井注入量进行实时调整，确保盖层密闭性评价指标的科学性和可靠性。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种二氧化碳地质封存盖层密闭性评价方法，其特征在于，使用的二氧化碳地质封存体包括：井口及注入装置、二氧化碳注入管柱、上覆地层、完井管柱、环空保护液、盖层、封隔器、储层、射孔孔眼、二氧化碳与储层咸水界面、套管鞋、二氧化碳。
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|---|---|---|---|
| CN202310821132.XA CN116911209A (zh) | 2023-07-05 | 2023-07-05 | 一种二氧化碳地质封存盖层密闭性评价方法 |
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| CN116911209A true CN116911209A (zh) | 2023-10-20 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118376567A (zh) * | 2024-05-16 | 2024-07-23 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | 一种油井水泥抗二氧化碳腐蚀性能评价方法 |
| CN118917061A (zh) * | 2024-07-12 | 2024-11-08 | 华能庆阳煤电有限责任公司 | Co2地质封存多储盖层非均质模型生成方法、系统及介质 |
-
2023
- 2023-07-05 CN CN202310821132.XA patent/CN116911209A/zh active Pending
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