二氧化碳地质封存中盖层力学完整性数值模拟研究综述

要保证CO₂稳定封存不逸散,关键是正确评价盖层力学完整性。数值模拟方法能定量分析CO₂封存中复杂的耦合过程,具有速度快、精度高等显著优点。对CO₂封存中盖层力学完整性问题的数值模拟研究现状进行了分析总结,对比分析了用于CO₂封存数值模拟研究的力学本构模型、耦合分析方法及模拟软件,归纳总结了数值模拟在CO₂咸水层封存中盖层力学完整性分析方面的研究现状,讨论了当前研究面临的问题和挑战,并指出了未来的研究方向。该研究结论可为CO₂封存的相关研究提供有益参考。     

CO2在地层水中溶解对驱油过程的影响

利用CO₂-烃-地层水相平衡热力学模型模拟计算了CO₂在地层水中的溶解规律。建立了考虑CO₂在地层水中溶解的一维长岩心数值模拟模型,模拟计算了注CO₂驱替过程中原油采出程度、气油比、油气水饱和度剖面、CO₂在地层油和地层水中摩尔分数剖面的变化规律。研究表明：CO₂在地层水中的溶解量随着压力的升高而增加,随着温度的升高而降低;当温度达到100℃以上或压力达到20 MPa以上时,压力和温度对CO₂在水中溶解量影响变小。注气初期,考虑CO₂溶解时采出程度比不考虑溶解时低,注气突破时间更迟,油墙向生产井端推进速度更慢。含水饱和度越高,影响程度越大。当含水饱和度为0.67、注入1.0倍烃孔隙体积CO₂时,考虑CO₂溶解采出程度比不考虑CO₂溶解低约6%。CO₂在地层水中溶解可导致CO₂的损失,使得CO₂驱油见效时间滞后。     

CO2地质封存系统泄漏风险评价

CO₂地质封存是缓解温室效应的重要手段，而封存系统的泄漏风险评价是安全封存的基础。首先，综合分析影响CO₂地质封存系统泄漏的因素，认为诱发泄漏风险的原因主要是CO₂低温冷流体产生对井筒和盖层的交变应力和CO₂-水-岩腐蚀反应综合作用下导致井筒和盖层的完整性失效。考虑多因素综合作用对CO₂地质封存系统泄漏的影响，并基于模糊综合评价理论(FCE)，建立了CO₂泄漏风险因素间的层次关系模型，进行了CO₂地质封存系统泄漏风险评价，其过程包括应用非线性正态隶属函数建立CO₂泄漏风险因素对评语的隶属度矩阵，并应用层次分析方法构建泄漏风险影响因素间的比较矩阵，以获得泄漏风险因素的权重子集，并对给定实例CO₂地质封存系统泄漏风险进行评价，进而得出所评价的CO₂地质封存井筒当前处于泄漏低风险，盖层处于泄漏中风险，封存系统处于泄漏中风险。通过采集CO₂地质封存过程中泄...     

人工裂缝参数对CO2-ESGR中CO2封存和CH4开采的影响

目的 页岩储层中的裂缝系统对CH₄产量和CO₂封存量有着重要的影响,不同的储层地质特征有其对应的最优压裂方案。对鄂尔多斯盆地延长组页岩储层人工裂缝参数对CO₂封存和CH₄开采的影响进行分析。方法 基于鄂尔多斯盆地延长组页岩储层地质条件建立了页岩基质-裂缝双孔双渗均质模型,分析CO₂增强页岩气开采技术(CO₂-ESGR)中人工裂缝半长、裂缝宽度、裂缝高度、裂缝间距和裂缝数量对CO₂封存量和CH₄产量的影响。结果 CO₂封存量和CH₄产量与裂缝半长、裂缝宽度和裂缝高度呈正相关,其中裂缝宽度的影响最大,从5 mm增加到25 mm时,最多可使CO₂封存量和CH₄产量分别增加112.69%和87.11%。裂缝间距和裂缝数量增加可提高CO₂封存量和CH₄产量,但水平井长度相同时裂缝数量增加对CO...     

二氧化碳地质封存系统泄漏风险研究进展

CO₂地质封存技术是缓解温室效应的重要手段,而对于地质封存系统泄漏风险的评价是确保CO₂安全高效封存的前提。针对CO₂泄漏风险,系统论述了CO₂地质封存系统中井筒和盖层因素对CO₂泄漏风险的影响机理,包括固井质量、CO₂腐蚀及井筒组合体受交变应力损坏等,以及盖地比、盖层厚度、岩性等对盖层低速渗漏和高速泄漏的影响。最后,论述了基于上述影响因素综合作用下的井筒泄漏风险评价方法、盖层泄漏风险评价方法和CO₂封存系统泄漏风险综合评价方法,并指出了不同评价方法的优缺点。该研究可为CO₂地质封存工程中的选址、选层和泄漏风险评估提供理论支持。     

CO2地质利用与封存中碳迁移及其相态分布规律

CO₂地质利用与封存技术是“双碳”战略下重要的碳减排手段,前人的研究多集中于地质利用方面,而对地层的碳封存潜力尤其是CO₂矿化潜力的定量评价存在不足。为此,通过程序开发手段,将闪蒸计算加入开源的反应溶质运移模拟软件中,利用改进后的软件建立了松辽盆地大情字井油田H59区块的三维地质模型,通过历史拟合注采过程校正模型地层参数,最后采用校正后模型量化表征了不同注入阶段及注采结束后CO₂迁移与相态转化的时空演化过程。研究结果表明：(1)在油藏CO₂混相驱条件下,CO₂在注入井端的小范围内呈现气相,在接触到油相前缘后,CO₂受浮力影响减弱,在垂向上逐渐趋于均匀分布,并向开采井端均匀推进;(2)气水同注阶段与注气阶段均有超过70%注入的CO₂溶解于油相,但气水同注阶段溶解于水相的CO₂含量明显增加;(3)注采结束后的相态演化特征表现为溶解水相CO₂逐渐转变为矿物相,而溶解油相CO₂...     

一种基于组分闪蒸运算的CO2驱动态埋存潜力计算方法

CO₂驱油与埋存具有经济效应和环保作用,计算CO₂埋存潜力对油藏开发方案设计和安全封存意义重大。已有的潜力计算方法主要针对CO₂的静态埋存潜力进行粗略估算,不能考虑油田的生产实际。为此,提出了一种基于组分闪蒸运算的CO₂驱动态埋存潜力计算方法, 方法基于组分闪蒸运算,考虑了油田的生产实际和CO₂驱的埋存机理,可以计算溶解CO₂、束缚CO₂、自由CO₂和总的CO₂埋存潜力。研究表明:随着埋存时间的增加,会有自由CO₂转变成束缚CO₂和溶解CO₂;经历过水驱开发的油藏,地层水含量高,不能忽略CO₂在地层水中的溶解。基于组分闪蒸运算的CO₂驱动态埋存潜力计算方法可以计算不同种类油藏不同开发方式的动态埋存潜力,方法简单实用且符合生产实际。     

珠江口盆地CO2地质封存适宜性GCA评价

珠江三角洲地区CO₂大量集中排放,利用毗邻的珠江口盆地进行CO₂地质封存是破解区域经济发展与降碳需求矛盾的重要途径。本文以珠江口盆地7个二级构造单元,即北部隆起、珠一坳陷、珠三坳陷、中央隆起、珠二坳陷、南部隆起、潮汕坳陷为研究对象,基于构造、沉积、储盖组合、地温、热流等条件,采用灰色关联分析法对7个评价单元的CO₂封存适宜性进行综合评价,同时结合层次分析法计算评价因子权重。研究建立了3个准则层、8个指标的评价指标体系,该指标体系的建立对珠江口盆地筛选CO₂封存有利靶区具有借鉴意义;珠一坳陷关联度最大,具有较好的封存适宜性,是开展CO₂地质封存的首选区域。本文研究成果为珠江三角洲地区开展CO₂地质封存指明了方向。     

基于马尔科夫修正的潜油泵灰色振动预测模型

针对潜油泵振动状态数据具有波动性的问题,建立了基于马尔科夫方法对灰色预测结果修正的预测模型。首先利用灰色等维新息GM(1,1)模型对样本数据进行灰色预测,然后根据状态实测数据与其灰色预测结果之间的误差百分比划分马尔科夫状态区间,建立马尔科夫状态转移概率矩阵。用马尔科夫状态转移概率矩阵和当前状态的误差百分比状态向量计算得到马尔科夫修正值,对灰色预测结果进行修正,实现对设备波动状态参数的预测。潜油泵振动状态数据的预测结果表明,基于马尔科夫修正的灰色预测模型不仅比马尔科夫预测模型和灰色预测模型具有更高的预测精度,而且对波动数据的变化趋势具有更高的灵敏度,能够及时反映波动的变化,从而提高了预测精度。     

有机化合物在超临界流体中溶解度的模拟计算

为了预测有机化合物在超临界流体中的溶解度数据，以Peng Robinson状态方程为模型，开发了一个用于计算含超临界流体相的气-液相平衡计算程序。对于已经发表的丙烷+辛烷、氢气+正己烷、SC-CO₂+柠檬精油、SC-CO₂+α_-蒎烯、SC-CO₂+葑酮等5个二元体系共计168个实验数据，用上述程序进行了检验计算，温度范围为310～377 K，压力范围为2～12 MPa。计算结果表明，选用适当的混合规则，只考虑一个二元相互作用参数就可以获得满意的计算精度：对于丙烷+辛烷系统，液相组成的计算误差最大为3.83%，气相组成最大误差0.29%；CO₂+柠檬精油系统，平均相对误差值为2.71%；CO₂+α-蒎烯系统，平均相对误差值为1.18%；CO₂+葑酮系统，平均相对误差值为1.69%。该程序可以为超临界流体过程开发和设计提供基础数据。     

地质封存过程中CO2泄漏途径及风险分析

CO₂捕集和地质封存可望成为减少温室气体排放的重要且有效的方法,但其安全性一直受到广泛关注。在研究各种CO₂地质封存体及其圈闭机理的基础上,根据不同封存体中潜在的泄漏途径及主控因素,结合实例对可能的CO₂泄漏进行了描述和相应的风险分析。研究结果表明,枯竭油气藏的地质封闭性已得到证实,井的失效将是CO₂泄漏的主要途径。通过与提高油气采收率技术相结合,在油气藏中封存CO₂具有一定的经济性,但由于油气田分布不广,封存潜力有限,仅适合于中短期的CO₂处置。深部盐水层分布较广,可选择的圈闭和封存机理较多,泄漏途径和未知因素也较多,泄漏风险较高,但封存潜力巨大,是最具前景的CO₂封存体。煤层通过吸附可达到封存CO₂的目的,但其圈闭机理单一,对煤层压力的依附性较大,且影响未来煤资源的利用,其安全性和经济性相对较差。海底水合物封存方案具有热力学可行性,但海底水合物层埋深浅,地质圈闭性差,CO₂泄漏风险较高,其封存和泄漏机理以及CO₂注入方法有待进一步研究和关注。     

基于VOF方法的超临界二氧化碳——水两相流动孔隙尺度数值模拟

二氧化碳(CO₂)捕集与封存技术有利于减少CO₂的排放量，近年来针对CO₂地质封存形成了从纳米尺度到油气藏尺度的大量研究成果，大多数研究只针对单一维度多孔介质中流动行为开展研究，且物理实验方法受许多不确定性因素影响，十分耗费时间和成本。为了从微观角度深入理解CO₂地质封存过程中的渗流行为，提高CO₂地质埋存量，基于追踪两相界面动态变化的VOF(Volume of Fluid)方法，分别建立了2D和3D模型，开展了超临界CO₂-水两相流动数值模拟研究，对比了不同润湿性、毛细管数、黏度比条件下的CO₂团簇分布特征、CO₂饱和度变化规律，揭示了孔隙尺度CO₂埋存的内在机理。研究结果表明：①随着岩石对CO₂润湿性增加，CO₂波及范围扩大，同时CO₂团簇的卡断频率减少，CO₂埋存量增加；②随着毛细管数的增加，驱替模...     

恩平15-1油田开发CO2回注封存工程方案研究

恩平15-1油田CO₂回注封存项目是中国首个海上超百万吨级CO₂回注封存示范工程。该油田部分伴生气CO₂含量高达95%,累产约8.3亿m³。为积极响应国家“双碳”目标和要求,中国海油以此油田为试点首次提出了海上回注地层封存方案。本文从CO₂浓度对脱水工艺的影响和三甘醇与分子筛脱水工艺比选两方面开展了CO₂脱水工艺研究,认为分子筛脱水工艺更适用于海上高含CO₂气体脱水;开展了压缩回注设备选型及国产化研究,首次在海上采用超临界大分子三级往复式压缩机,可以适应本油田压缩流量较小、压比较高的工况;采用高温高压釜室内实验研究超临界CO₂对碳钢的腐蚀情况,发现在不饱和含水工况下釜内和釜底超临界CO₂相中的试样平均腐蚀速率很低;对CO₂回注封存环境监测提出了回注前、回注中和停注后的环境监测方案,对于海上CO₂回注工程安全具有重要意义;开展CO₂     

含油气盆地咸水层二氧化碳封存潜力评价方法

以含油气盆地咸水层为对象，针对规模化工程实施需求，综合考虑地质因素、工程因素、经济因素等3方面限制条件，提出了适合于含油气盆地特点的四尺度、三层级碳封存潜力评价方法。结合中国含油气盆地特点，将含油气盆地封存潜力划分为盆地级、坳陷级、区带级与圈闭级4个评价尺度，封存潜力评价划分为理论封存量、工程封存量与经济封存量3个层级。理论封存量基于含油气盆地地质参数、储集层条件及流体性质，可细分为构造封存、束缚封存、溶解封存、矿化封存4种埋存机理；工程封存量受注入能力、安全封存压力、布井数量、注入时间影响；经济封存量基于盈亏平衡原理，主要考虑碳价收益、钻井投资及操作成本的影响。苏北盆地高邮凹陷咸水储集层评价结果表明，咸水储集层理论封存量中构造封存量占比最大，其次为溶解封存量和束缚封存量，矿化封存量最低；考虑注入性、安全性与经济性条件后，CO₂工程封存量和经济封存量与理论封存量相比大幅降低，分别仅为理论封存量的21.0%和17.6%。     

可视装置中CO2与正戊烷或原油接触特征和表征方法

CO₂混相驱油过程复杂，其中包括传质、对流和相变等问题，有些机理尚不明确，需要进行深入研究。采用联合研制的CO₂混相可视驱油实验装置，恒定不同的实验压力，研究CO₂在不同相态下与正戊烷、原油的垂直静态变化特征。CO₂和正戊烷、原油在不同压力下表现为不同的接触形态，正戊烷、原油相对高度-时间曲线为幂函数关系，低压时曲线也可为近似线性变化。提出了“溶解膨胀速率”，不同压力条件下CO₂-正戊烷、原油溶解膨胀速率随着时间变化呈减小趋势，变化曲线均为负对数关系；影响正戊烷、原油相对高度和CO₂-正戊烷、原油溶解膨胀速率的因素主要是压力和流体。      

混合醇胺溶液耦合电石炉净化灰吸收-矿化CO2性能

针对醇胺吸收法中富CO₂吸收液的解吸封存问题，详细探究了乙醇胺(MEA)与N,N-二甲基乙醇胺(DMEA)混合溶液耦合电石炉净化灰吸收-矿化CO₂的潜力，并同等添加比例(n(CO₂):n(Ca)=1.0:1.0)下CaO、Ca(OH)₂的CO₂矿化性能进行了对比。实验结果表明，配比为1.5 mol/L MEA+1.5 mol/L DMEA的混合醇胺溶液的CO₂吸收负荷和解吸率最大，分别为1.807 mol/L和82.78%；经过4次吸收-解吸循环后其CO₂吸收性能有所下降，但4次循环后CO₂吸收负荷仍有0.950 mol/L，利用电石炉净化灰可有效解吸封存MEA/DMEA混合醇胺溶液吸收的CO₂。电石炉净化灰的解吸性能接近CaO但优于Ca(OH)₂，所得矿化产物包括文石、球霰石和方解石型碳酸钙。这主要由于活性含钙物质可以向富CO₂溶液中释放Ca     

抽油机井躺井的区块预测方法

准确的进行区块抽油机井躺井预测对油田作业费用预算、作业安排、产量计划意义重大。本文根据抽油机井躺井随机性和突发性强的特点,将灰色GM(1,1)预测模型和马尔可夫预测模型相结合,利用灰色GM(1,1)预测模型对油田现场的原始数据进行趋势化处理,利用马尔可夫预测模型计算预测值的状态转移概率,由此形成了考虑随机因素影响的灰色马尔可夫预测模型。现场试验证明,该方法计算精度较高,实用性强。     

基于灰色理论的储气库管柱剩余寿命预测研究

储气库在天然气的运输和储存方面发挥着不可替代的作用。针对储气库管柱腐蚀变量众多、关系复杂,且获取数据样本困难等问题,提出了基于灰色理论的储气库管柱剩余使用寿命预测方法。首先,结合灰色理论,设计了一种可动态更新建模数据的GM (1,1)(Grey Model)模型。其次,通过中石油某地下储气库中C5井中管柱剩余壁厚的样本数据集,建立了储气库管柱定量腐蚀剩余寿命预测模型,统计预测模型的平均相对误差,并与监测数据、最小二乘预测法进行比较。结果表明：基于灰色理论的预测方法平均相对误差为0.27%,模型预测达到一级精度,可作为预测储气库管柱安全性的一种新方式。最后,使用Matlab进行软件界面设计,开发储气库管柱剩余寿命预测软件,更加直观、快捷地实现其剩余寿命定量预测,最大限度地延长管柱乃至整个储气库的寿命。     

高压CO2管道泄漏动态压力计算模型研究

高压CO₂管道运行过程中可能因为腐蚀或外部因素发生泄漏,由于CO₂相态复杂,管内压力相应产生复杂动态响应变化,管内压力动态变化规律对于减压波预测、管材韧性止裂具有重要影响。为研究不同工况下管道泄漏过程中管内压力变化特性,基于等熵原理建立了高压CO₂管道泄漏管内动态压力计算模型,并结合工业规模CO₂管道泄漏实验数据以及HYSYS软件计算结果对模型进行了验证。结果表明：相比HYSYS软件,新建模型对于高压CO₂管道泄漏过程压降的预测与实验结果更吻合,平均预测误差为3.9%,表明新建模型可以准确预测高压CO₂管道泄漏过程管内压力的动态响应变化规律。研究成果可为高压CO₂管道泄漏过程管内动态减压特征预测提供理论支撑。     

基于物质平衡方程的CO2理论构造埋存量计算新方法

为进一步提高盐水层中CO₂埋存潜力评价的准确性，基于物质平衡方法，建立CO₂构造埋存过程的物质平衡方程，在对CO₂可埋存地下体积准确计算的基础上，提出了一种新的CO₂理论构造埋存量计算方法。结果表明：新方法计算的CO₂理论构造埋存量，与面积法、容积法相比，误差更小，仅约为10%;新方法可同时预测CO₂增压埋存条件下和保压埋存条件下的理论构造埋存量，且随着注入时间或注采比的增加，CO₂理论构造埋存量和地层压力均呈现不断增加的趋势。该方法对CO₂构造埋存量研究及CO₂注入量实时动态控制具有重要意义。