一种咸水层二氧化碳封存的注气方案优选方法和装置

1.本发明涉及二氧化碳封存技术领域，尤其是一种咸水层二氧化碳封存的注气方案优选方法和装置。


背景技术：

2.随着工业的发展和人民生活方式的改变，co2排放量快速增长已成为当前社会发展的突出问题。大力发展二氧化碳捕获、利用与封存技术（ccus）是降低二氧化碳排放量的主要措施之一。co2地质封存是将co2转变成超临界状态永久封存于地下储存体中的技术，其封存机理主要有地质构造封存、溶解封存、残余气封存以及矿化封存等，封存场所主要有枯竭油气藏、无开采价值的煤层、咸水层以及深海等。其中，咸水层封存潜力巨大，约占总地质封存量的98%，是co2地质封存工程中最具前景的地方。中国咸水层co2封存潜力巨大，co2封存容量约为2420gt，大多分布在塔里木盆地、松辽盆地、渤海湾盆地、珠江口盆地等。
3.根据咸水层co2封存机理，认为咸水层封存co2的潜力由地质构造封存，残余气封存，溶解封存三种封存机理组成。首先，co2注入咸水层的过程中，由于co2密度低于咸水密度，分布在储层的上部区域，在地质构造的垂向与侧向阻隔条件下而被捕获封存，为地质构造封存；随着注入工作的进行，co2以顺流方式驱替盐水，但当注入停止后，由于co2和盐水之间的密度差异，流体以逆流方式流动，因此co2向上运移，盐水向下流动，润湿相（盐水）通过非润湿相（co2）进入孔隙，在此过程中，部分co2包裹在盐水中而被捕获封存，为残余气封存；在接下来的几个世纪的时间内，气水接触面附近的co2不断溶解在咸水中，发生溶解封存。咸水层中封存的总封存量等于地质构造封的封存存量、残余气封存的封存量和溶解封存的封存量三者之和。
4.但在现有的计算co2封存量时，仅考虑分析了各种封存机理产生的封存量。在co2封存过程中，储层的力学性质以及co2的羽流状况对co2封存效果也会产生较大的影响，因此，计算结果可能存在较大误差；同时，该技术并未考虑co2封存过程中储层的受力情况以及地层的稳定性等因素，可能导致注气量速度过大、地层破裂，进而引起co2泄漏，封存工作失败等问题。


技术实现要素：

5.针对现有的co2封存量计算技术中仅考虑co2封存机理，而忽略储层岩石力学性质以及co2羽流状况，在注气过程中可能会出现储层岩石破裂、co2泄漏等问题。本发明提供一种考虑储层稳定性的咸水层co2封存的注气方案优选装置和方法。
6.本发明提供的考虑储层稳定性的咸水层co2封存的注气方案优选方法，步骤如下：s1、计算储层岩石的极限压力增量
∆
pm；储层岩石的极限压力增量
∆
pm为极限拉伸压力增量和极限剪切压力增量两者之中的较小值。
7.极限拉伸压力增量计算公式如下：
式中：为拉伸破坏的极限压力增量，mpa；为最小主应力，mpa；为初始压力，mpa；为抗拉强度；极限剪切压力增量计算公式如下：计算公式如下：计算公式如下：式中：为极限剪切应力，mpa；为最大主应力，mpa；为岩石内摩擦角；c为岩石内聚力。
8.s2、安装注气方案优选实验装置，该实验装置的储层模拟箱体中布置有若干口井，在每口井周围从上到下均匀布置有多个压力传感器和多个co2浓度传感器，用来监测装置内的压力增量和co2浓度变化。
9.s3、实验装置安装完成后进行注气实验：在每个注气方案中，选定不同的井数，且以不同的注入速率进行注气操作；通过压力传感器和co2浓度传感器实时监测不同时刻ti下，储层模拟箱体内各部位的压力增量和co2浓度变化，并记录数据。
10.s4、根据记录的数据得到不同时刻ti下的压力传播距离ri和co2羽流半径ri；以压力传播距离ri为纵坐标，注气时间ti为横坐标，作出压力传播距离ri与注气时间ti的关系回归曲线；以co2羽流半径ri为纵坐标，注气时间ti为横坐标，作出co2羽流半径ri与注气时间ti的关系回归曲线。由回归曲线得到不同注气速率下，储层压力传播半径随时间变化函数、储层上端co2羽流半径随时间变化函数、以及储层下端co2羽流半径随时间变化函数。
11.s5、计算最大co2封存量，方法如下：当只有一口注入井时，该井的co2注入速率与注气井井底压力增量
∆
p的关系式如下：下：式中：为注气井井底压力增量，mpa；为指定的注气速率；m3/d；b为储层厚度，m；b为co2分布厚度，m；为注气井半径，m；为储层上端co2羽流半径随时间变化函数，m；为储层下端co2羽流半径随时间变化函数，m；为储层压力传播半径随时间变化函数，m；t为注气时间，d；为垂直平均流度；为地层水流度；为co2流度；将步骤s1计算得到的极限压力增量
∆
pm带入上面的公式替换，计算得到达到极限压力增量时的最大注气时间tm，进而计算出该情况下的最大co2封存量：
当多口注气井同时工作时，某一口注气井井底压力增量为：式中：为多井作用下某一口注气井井底压力增量，mpa；为某一口注气井距其他注气井的距离，m；将步骤s1计算得到的极限压力增量
∆
pm带入上面的公式替换，计算得到达到极限压力增量时的最大注气时间tm，进而计算出该情况下的最大co2封存量：s6、co2封存潜力的确定及方案优化：按照上述步骤分别计算出储层内存在不同数量注气井的情况下，不同注气速率下的最大co2封存量；通过比较各个方案中值的大小，选出最大的值，该最大值对应的井数n和注入速率，即为在保证储层稳定的前提下最优的注气方案。
12.上述方法的步骤s2中使用的实验装置的结构包括co2储气罐、地层水储水罐、储层模拟箱体、数据采集系统和废液收集箱；所述co2储气罐和地层水储水罐均与储层模拟箱体连接，用于向储层模拟箱体中注入co2和地层水；储层模拟箱体底部设置出液口，出液口连接废液收集箱。
13.所述储层模拟箱体内均匀设置若干口井，在每口井周围从上到下均匀布置有多个压力传感器和多个co2浓度传感器；储层模拟箱体内填充的储层岩样的组成与实际目标储层岩石组分相同；储层模拟箱体顶部设置地层水注入口和co2注入口；所述数据采集系统同时与压力传感器和co2浓度传感器连接。co2储气罐与储层模拟箱体之间连通的管路上设置有阀门、高压泵和压力表，形成气体注入系统；地层水储水罐与储层模拟箱体之间连通的管路上设置有阀门、高压泵和压力表，形成地层水注入系统。
14.优选的是，步骤s3中，进行注气实验的步骤如下：s31、模拟地层原始状态：将地层水注入储层模拟箱体中，当储层模拟箱体内压力达到并稳定在地层原始压力p0时，停止注水；s32、在储层模拟箱体中部选择1口井作为注气井，在压力增量
∆
p不超过极限压力增量
∆
pm的前提下，以指定的注气速率q1将co2注入储层模拟箱体内，通过压力传感器和co2浓度传感器实时监测不同时刻ti下，储层模拟箱体内各部位的压力增量和co2浓度变化，并记录数据；结束实验后，将储层模拟箱体内的混合流体排出至废液处理罐；s33、分别改变注气速率为q2、q3、q4…qn
，重复步骤s32；s34、改变注气方案，选定不同的井数作为注气井，按照步骤s32和s33的操作进行实验。
15.与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明的考虑储层稳定性的咸水层co2封存的注气方案优选方法，在结合理论方法计算的储层岩石的极限压力增量基础上，结合特定的实验装置，求得各方案下的最大co2封存量，然后比较各方案计算结果得出最终的最大co2封存量，其对应的井数n和注入速率，即为在保证储层稳定的前提下最优的注气方案。本发明的方法克服了现有的co2封存量计
算方法因为仅考虑co2封存机理，忽略了储层岩石力学性质以及co2羽流状况，在注气过程中可能会出现储层岩石破裂、co2泄漏等问题。
16.本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
17.图1、本发明的实验装置结构示意图。
18.图2、储层模拟箱体中注气井安装示意图。
19.图3、储层模拟箱体中注气井分布俯视图。
20.图4、储层模拟箱体中压力传感器和多个co2浓度传感器安装示意图。
21.图5、co2羽流示意图。
22.图6、不同注气速率下储层顶部co2羽流半径f(t)
x
与注气时间关系回归曲线。
23.图7、不同注气速率下储层底部co2羽流半径f(t)y与注气时间关系回归曲线。
24.图8、不同注气速率下储层压力传播半径g(t)与注气时间关系回归曲线。
具体实施方式
25.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
26.如图1-4所示，本发明的考虑储层稳定性的咸水层co2封存的注气方案优选方法中使用的实验装置的结构包括co2储气罐1、地层水储水罐2、储层模拟箱体3、数据采集系统4和废液收集箱5；所述co2储气罐1和地层水储水罐2均与储层模拟箱体3连接，用于向储层模拟箱体3中注入co2和地层水；储层模拟箱体3底部设置出液口，出液口连接废液收集箱5。废液收集箱5与储层模拟箱体3之间的连接管路上设有阀门15。废液收集箱5用于回收实验后模拟箱体内产生的废液。
27.所述储层模拟箱体5内均匀设置若干口井6，在每口井6周围从上到下均匀布置有多个压力传感器7和多个co2浓度传感器8。在一个实施例中，储层模拟箱体内均匀设置37口井，在每口井周围从上到下均匀布置有6个压力传感器和6个co2浓度传感器。储层模拟箱体5内填充的储层岩样的组成与实际目标储层岩石组分相同。储层模拟箱体顶部设置地层水注入口和co2注入口，分别用于连接地层水储水罐2和co2储气罐1。所述数据采集系统4同时与压力传感器7和co2浓度传感器8连接。co2储气罐1与储层模拟箱体3之间连通的管路上设置有阀门9、高压泵10和压力表11，形成气体注入系统；地层水储水罐2与储层模拟箱体3之间连通的管路上设置有阀门12、高压泵13和压力表14，形成地层水注入系统。
28.利用上述装置及方法计算co2封存潜力的方法，包括以下步骤：（1）计算储层最大压力增量：岩石的破坏主要有拉伸破坏和剪切破坏两种，因此，储层岩石的极限压力增量
∆
pm为极限拉伸压力增量和极限剪切压力增量两者之中的较小值。通过岩石力学实验可得到储层岩石的力学参数：最大主应力（）、最小主应力（）、抗拉强度（）、岩石内聚力（）、岩石所受正应力（）、岩石内摩擦角（）等，进而可计算出储层岩石的极限压力增量
∆
pm。
29.当孔隙压力大于最小主应力和岩石的抗拉强度之和时，岩石会沿着垂直于最小主
应力的平面发生拉伸破坏。极限拉伸压力增量计算公式如下：式中：为拉伸破坏的极限压力增量，mpa；为最小主应力，mpa；为初始压力，mpa；为抗拉强度；岩石的剪切破坏判断主要依据莫尔-库仑准则，当剪切应力超过岩石内聚力与摩擦力之和时，岩石就会发生剪切破坏，如下公式：式中：为剪切应力，mpa；为岩石内聚力，mpa；为岩石所受正应力，mpa；为岩石内摩擦角，
°
。
30.当岩石破坏沿着与最大主应力夹角为45
°
发生时，剪切破坏的极限剪切压力增量计算公式如下：计算公式如下：计算公式如下：式中：为极限剪切应力，mpa；为最大主应力，mpa；为岩石内摩擦角；c为岩石内聚力。
31.（2）安装实验装置，并检查装置气密性：储层岩样制作方法：为保证人造模型与实际咸水层储层具有相似的性质，压制人造岩心样本的石粉组分必须与目标储层岩石组分保持一致，所用石粉的目数由宏观物理模型的孔隙度和渗透率共同决定。将筛选完毕的石粉与固化剂均匀混合，按照小层顺序将其置于模型系统的模拟箱体中，同时，在放置过程中设置好注气井，且每完成一层石粉的铺设，都需要在设计位置预埋压力传感器和co2浓度传感器用于后续压力增量以及co2羽流情况的监测，其分布如图4所示，最后，将模具中铺设完毕的石粉混合物压制成型后，使其充分干燥，即完成人造岩样的制作。
32.配制地层水样品，使其矿化度测量标准符合标准《jy/t 020-1996》。将地层水样品和co2样品分别放置于储水罐和储气罐内。
33.（3）进行注气实验第一步、模拟地层原始状态：打开阀门12，使用加压泵13将地层水由储水罐2注入模拟箱体3中，当模拟箱体3内压力达到并稳定在地层原始压力p0时，关闭加压泵13和阀门12，停止注水工作。
34.第二步、在模拟箱体3中部选择1口井作为注气井，打开阀门9和加压泵10，在压力增量
∆
p不超过极限压力增量
∆
pm的前提下，以指定的注气速率q1将co2由储气罐1注入模拟箱体3内，使用压力传感器7和co2浓度传感器8实时监测不同时刻ti下，模拟箱体3内的压力传播距离ri和co2羽流半径ri，并记录数据；结束实验后，打开阀门15，将模拟箱体3内的混合流体排出至废液处理罐5中。
35.第三步、分别改变注气速率为q2、q3、q4…qn
，重复第二步骤；
第四步、改变注气方案，选定不同的井数作为注气井，按照第二、第三步骤的操作进行实验。
36.（4）通过记录的数据，将压力传播距离ri和co2羽流半径ri与时间ti建立回归曲线，得到不同注气速率下压力传播距离ri和co2羽流半径ri与时间ti的函数关系式g(t)和f(t)。图5是co2羽流示意图。在一个具体实施例中，得到的不同注气速率下储层顶部co2羽流半径f(t)
x
与注气时间关系回归曲线见图6。不同注气速率下储层底部co2羽流半径f(t)y与注气时间关系回归曲线见图7。不同注气速率下储层压力传播半径g(t)与注气时间关系回归曲线见图8。
37.（5）co2封存潜力的计算：由势的叠加原理，注气过程中最大压力增量总是出现在注气井井底，因此，在无裂缝和圈闭的假设下，开放边界的储层中，注气时间较长的情况下，单井co2注入速率与注气井井底压力增量
∆
p的精确关系，如下：p的精确关系，如下：进一步的，当多口注气井同时工作时，假设co2羽流互不干扰，此时某一口注气井井底压力增量为：当油藏边界为封闭状态时，上面公式修改为：当油藏边界为封闭状态时，上面公式修改为：式中：为导压系数，m2/d；为储层半径，m；k为储层渗透率，md；为储层孔隙度；为流体粘度，mpa
∙
s；为综合压缩系数，mpa-1
。
38.将第一步计算得到的极限压力增量
∆
pm带入上面的公式替换或，计算得到达到极限压力增量时的最大注气时间tm，进而计算出该情况下的最大co2封存量：按照上述方法可以计算出不同注气方案下的最大co2封存量。
39.通过比较各个方案中值的大小，选出最大的值，该最大值对应的井数n和注入速率，即为在保证储层稳定的前提下最优的注气方案。
40.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人
员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种咸水层二氧化碳封存的注气方案优选方法，其特征在于，步骤如下：s1、计算储层岩石的极限压力增量
∆
p
m
；s2、安装注气方案优选实验装置，该实验装置的储层模拟箱体中布置有若干口井，在每口井周围从上到下均匀布置有多个压力传感器和多个co2浓度传感器，用来监测装置内的压力增量和co2浓度变化；s3、实验装置安装完成后进行注气实验：在每个注气方案中，选定不同的井数，且以不同的注入速率进行注气操作；通过压力传感器和co2浓度传感器实时监测不同时刻t
i
下，储层模拟箱体内各部位的压力增量和co2浓度变化，并记录数据；s4、根据记录的数据得到不同时刻t
i
下的压力传播距离r
i
和co2羽流半径r
i
；分别作出压力传播距离r
i
与注气时间t
i
的关系回归曲线，co2羽流半径r
i
与注气时间t
i
的关系回归曲线；由回归曲线得到不同注气速率下，储层压力传播半径随时间变化函数、储层上端co2羽流半径随时间变化函数、以及储层下端co2羽流半径随时间变化函数；s5、计算最大co2封存量，方法如下：当只有一口注入井时，该井的co2注入速率与注气井井底压力增量
∆
p的关系式如下：p的关系式如下：式中：为注气井井底压力增量，mpa；为指定的注气速率；m3/d；b为储层厚度，m；b为co2分布厚度，m；为注气井半径，m；为储层上端co2羽流半径随时间变化函数，m；为储层下端co2羽流半径随时间变化函数，m；为储层压力传播半径随时间变化函数，m；t为注气时间，d；为垂直平均流度；为地层水流度；为co2流度；将步骤s1计算得到的极限压力增量
∆
p
m
带入上面的公式替换，计算得到达到极限压力增量时的最大注气时间t
m
，进而计算出该情况下的最大co2封存量：当多口注气井同时工作时，某一口注气井井底压力增量为：式中：为多井作用下某一口注气井井底压力增量，mpa；为某一口注气井距其他注气井的距离，m；将步骤s1计算得到的极限压力增量
∆
p
m
带入上面的公式替换，计算得到达到极限压力增量时的最大注气时间t
m
，进而计算出该情况下的最大co2封存量：s6、co2封存潜力的确定及方案优化：
按照上述步骤分别计算出储层内存在不同数量注气井的情况下，不同注气速率下的最大co2封存量；通过比较各个方案中值的大小，选出最大的值，该最大值对应的井数n和注入速率，即为在保证储层稳定的前提下最优的注气方案。2.如权利要求1所述的咸水层二氧化碳封存的注气方案优选方法，其特征在于，步骤s1中，储层岩石的极限压力增量
∆
p
m
为极限拉伸压力增量和极限剪切压力增量两者之中的较小值；极限拉伸压力增量计算公式如下：式中：为拉伸破坏的极限压力增量，mpa；为最小主应力，mpa；为初始压力，mpa；为抗拉强度；极限剪切压力增量计算公式如下：计算公式如下：计算公式如下：式中：为极限剪切应力，mpa；为最大主应力，mpa；为岩石内摩擦角；c为岩石内聚力。3.如权利要求1所述的咸水层二氧化碳封存的注气方案优选方法，其特征在于，步骤s2中，实验装置的结构包括co2储气罐、地层水储水罐、储层模拟箱体、数据采集系统和废液收集箱；所述co2储气罐和地层水储水罐均与储层模拟箱体连接，用于向储层模拟箱体中注入co2和地层水；储层模拟箱体底部设置出液口，出液口连接废液收集箱；所述储层模拟箱体内均匀设置若干口井，在每口井周围从上到下均匀布置有多个压力传感器和多个co2浓度传感器；储层模拟箱体内填充的储层岩样的组成与实际目标储层岩石组分相同；储层模拟箱体顶部设置地层水注入口和co2注入口；所述数据采集系统同时与压力传感器和co2浓度传感器连接。4.如权利要求3所述的咸水层二氧化碳封存的注气方案优选方法，其特征在于，所述实验装置中，co2储气罐与储层模拟箱体之间连通的管路上设置有阀门、高压泵和压力表，形成气体注入系统；地层水储水罐与储层模拟箱体之间连通的管路上设置有阀门、高压泵和压力表，形成地层水注入系统。5.如权利要求4所述的咸水层二氧化碳封存的注气方案优选方法，其特征在于，步骤s3中，进行注气实验的步骤如下：s31、模拟地层原始状态：将地层水注入储层模拟箱体中，当储层模拟箱体内压力达到并稳定在地层原始压力p0时，停止注水；s32、在储层模拟箱体中部选择1口井作为注气井，在压力增量
∆
p不超过极限压力增量
∆
p
m
的前提下，以指定的注气速率q1将co2注入储层模拟箱体内，通过压力传感器和co2浓度传感器实时监测不同时刻t
i
下，储层模拟箱体内各部位的压力增量和co2浓度变化，并记录
数据；结束实验后，将储层模拟箱体内的混合流体排出至废液处理罐；s33、分别改变注气速率为q2、q3、q4…
q
n
，重复步骤s32；s34、改变注气方案，选定不同的井数作为注气井，按照步骤s32和s33的操作进行实验。6.如权利要求5所述的咸水层二氧化碳封存的注气方案优选方法，其特征在于，步骤s4中，以压力传播距离r
i
为纵坐标，注气时间t
i
为横坐标，作出压力传播距离r
i
与注气时间t
i
的关系回归曲线；以co2羽流半径r
i
为纵坐标，注气时间t
i
为横坐标，作出co2羽流半径r
i
与注气时间t
i
的关系回归曲线。7.一种如权利要求1所述的咸水层二氧化碳封存的注气方案优选方法中使用的实验装置，其特征在于，包括co2储气罐、地层水储水罐、储层模拟箱体、数据采集系统和废液收集箱；所述co2储气罐和地层水储水罐均与储层模拟箱体连接，用于向储层模拟箱体中注入co2和地层水；储层模拟箱体底部设置出液口，出液口连接废液收集箱；所述储层模拟箱体内均匀设置若干口井，在每口井周围从上到下均匀布置有多个压力传感器和多个co2浓度传感器；储层模拟箱体内的储层岩样的组成与实际目标储层岩石组分相同；储层模拟箱体顶部设置地层水注入口和co2注入口；所述数据采集系统同时与压力传感器和co2浓度传感器连接；所述co2储气罐与co2注入口之间连通的管路上设置有阀门、高压泵和压力表，形成气体注入系统；所述地层水储水罐与地层水注入口之间连通的管路上设置有阀门、高压泵和压力表，形成地层水注入系统。

技术总结
本发明公开了一种咸水层二氧化碳封存的注气方案优选方法及装置，该装置内布置有若干口井，且每口井周围布置有多个压力传感器和CO2浓度传感器。在每个注气方案中，选定不同的井数，以不同的注入速率进行注气工作，由压力传感器和CO2浓度传感器监测装置内的压力增量和CO2羽流变化，并记录数据，得出压力传播半径和CO2羽流半径与注气时间的关系曲线；根据CO2注入速率与井底压力增量


技术研发人员：秦佳正 钟钱虎 汤勇 何佑伟 芮振华 刘月亮 陈浩宇
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：2023.07.20
技术公布日：2023/10/15