二氧化碳增强咸水开采工程中储层压力管控和布井方案优化研究

论文摘要

温室气体大量排放引发的全球气候变暖问题正在日益加剧,如果不加以控制,将对人类生存和可持续发展带来严峻挑战。将排放的CO2收集起来注入到深部咸水层增强咸水开采技术（CO2-EWR）,是一种有效的CO2减排途径。CO2-EWR技术通过设计合理的抽水井控制储层压力,不但可以促进CO2在储层中的扩散,提高CO2储存潜力,开采出的咸水经过适当处理还可以用于工业和农业。特别对于我国西部地区,该技术的应用在实现CO2减排的同时,还可以改善当地的水资源短缺现状。但是CO2-EWR目前在全世界范围内还处于理论研究阶段,尚未有完整的示范工程,在开展规模化CO2注入和咸水开采之前,需要根据场地特征进行注入井和开采井的布井方案优化研究,控制储层压力,为示范工程注采井部署和施工提供科学指导。当超临界CO2注入到深部咸水层中后,会改变原来的水-岩平衡状态,发生一系列的CO2-水-岩反应,影响矿物溶解/沉淀规律和储层结构特征。CO2-EWR实施过程中咸水开采则会影响CO2在储层中的运移演化规律,改变不同CO2储存机制作用的时间和强度,控制储层中压力变化,进而对CO2地质储存封存潜力、咸水开采能力和封存安全性产生重要影响。本文基于准噶尔盆地二氧化碳增强咸水开采示范场地,根据研究区储盖层条件的野外调研与样品的测试分析结果,开展了实验室尺度的CO2-水-岩石相互作用实验,研究了CO2与储层岩石发生的水文地球化学作用对岩石微观物性和结构特征的改造作用,以及地层水不同盐度对CO2-水-岩作用的影响。在此基础上建立了考虑地球化学作用的场地三维注采模型,探究了咸水开采对长时间尺度CO2封存机理的影响,并建立了不同预案下场地CO2注入和咸水开采数值模拟模型,探索了CO2-EWR技术对储层中压力演化影响和储层压力变化主要控制因素随时间变化规律,评价了注采井间距和开采井数量对储层中CO2注入效率和咸水采出效率增强效果。主要研究成果如下:1.通过CO2-水-岩相互作用实验,揭示了储层系统中CO2注入后不同时间和不同盐度条件下矿物的溶解/沉淀规律,以及其对岩石微观物性和结构特征的改造程度。研究区目标储层东沟组砂岩孔隙类型主要为狭缝、微孔和中孔,CO2-水-岩相互作用对岩石中的介孔影响不大,矿物溶蚀主要影响微孔,直接体现为矿物的比表面积的和孔体积变大,进而增强岩石对CO2的吸附能力。CO2地质储存开始阶段的CO2注入过程对孔隙结构的改造,会使CO2更加牢固地被封存在深部咸水含水层中。CO2注入后发生溶解的矿物主要是长石类和方解石,伊利石、蒙脱石等黏土矿物是主要的沉淀矿物。在本次实验的温压条件下,短时间内没有观察到碳酸盐类矿物的生成,但是从岩石微观结构变化发现,反应后期矿物沉淀趋势大于矿物溶解趋势,如果反应时间足够长,应该会有稳定的固碳矿物生成。随着Ca Cl2浓度增加,长石、方解石的溶解程度增加,促进了蒙脱石和伊利石等黏土矿物的生成。2.通过长时间尺度的地球化学反应模拟,明确了CO2-EWR过程中储层孔渗非均质性对压力扩散和CO2运移演化的影响规律,揭示了储层中典型矿物的溶解沉淀机制和不同CO2储存机制作用的时间。CO2注入后,注入井所在位置是超临界CO2单相区,该区域内的溶解CO2质量分数小于注入井附近两相区,p H在注入井附近的两相区内降低更为明显。储层内部在垂向上有明显的孔渗非均质性,CO2在垂向上的空间分布差较大,出现三个不同埋深的CO2优势储层,CO2在孔渗较大的顶部优势储层内运移距离更远。CO2-EWR技术能有效控制储层压力,避免传统CO2地质储存引起的储层压力显著升高和单独咸水开采引起的储层压力显著降低导致的储层破坏。CO2-EWR能促进储层中CO2侧向运移,减小CO2沿着注入井向相邻含水层或者地表泄露的风险,保证CO2地质储存项目安全进行。大范围的CO2迁移使地层中溶解CO2范围和p H值降低范围更广,在超临界CO2和溶解CO2两相区内CO2-水-岩相互作用更加强烈,矿物溶解沉淀现象也更加明显。在研究区目标储层的矿物组类型条件下,主要的溶解矿物是奥长石、钾长石、绿泥石和铁云母,发生沉淀矿物有方解石、菱铁矿、钠蒙脱石、钙蒙脱石和石英,其中菱铁矿是主要的次生碳酸盐矿物。CO2-EWR技术实施不但对CO2注入能力增强效果明显,而且能显著增加矿物封存量,提升矿物封存机制的作用效果,有利于CO2永久储存。3.通过数值模拟技术,确定了CO2-EWR对CO2注入速率和咸水开采速率的影响规律。CO2-EWR实施过程中注采井间距对CO2注入速率有显著影响,对咸水开采速率影响并不明显;开采井数量对CO2注入速率和咸水开采速率都有非常重要的影响。减小注采井间距且增加咸水开采井数量,能明显增加CO2注入能力和咸水开采能力,但是开采井数量的增加对CO2注入和咸水开采的增强效果比减小井间距更加显著。4.明确了影响储层压力演化的主控因素,发现了储层不同位置压力积累和消散的主控因素具有时变性和相互转化性特征,该发现为储层压力管控策略的制定提供了科学依据。当分别有1口开采井和1口注入井,井间距2 km时,注采井中间位置储层中监测点的压力在模拟初期受控于咸水开采过程,在后期受控于CO2注入过程。储层压力演化主控因素转变的临界时间受注采井间距和开采井数量影响显著,随注采井间距增大而滞后,随开采井数量增加而提前。5.提出了兼顾工程有效性、储层安全性和社会经济性的CO2-EWR布井方案优化策略,可为我国陆相沉积盆地CO2-EWR场地注采井的部署提供思路和借鉴。基于实际场地特征,同时考虑工程性（开采井数量、注采井间距和工程运行周期）、安全性（储层未发生超压破坏）和经济性（CO2注入能力和咸水开采能力）等评价指标,得到了1口注入井、2口开采井和2 km注采井间距的方案可作为准噶尔盆地二氧化碳增强咸水开采示范场地的优化布井方案。在该布井方案实施过程中,CO2的年注入量为120万吨,咸水的年开采量可达350万吨,能满足一座300 WM的火电厂一年的需水量。本次研究证实了CO2-EWR技术在准噶尔盆地东部地区有着积极作用,既能有效实现CO2封存减排的目的,同时还能产出一定量的水资源满足当地供水需求。得到的基于实际场地特征的CO2-EWR优化布井方案,可以示范工程注采井部署提供指导依据。

论文目录

摘要

abstract

第1章绪论

1.1 研究背景及选题依据

1.1.1 研究背景

1.1.2 选题依据

1.2 国内外研究现状

2的性质'> 1.2.1 CO₂的性质

2地质储存场地和工程概况'> 1.2.2 CO₂地质储存场地和工程概况

2储存机理'> 1.2.3 深部咸水层中CO₂储存机理

2地质储存过程中储层压力调控研究'> 1.2.4 CO₂地质储存过程中储层压力调控研究

1.2.5 储层参数敏感性研究

1.2.6 存在的问题

1.3 研究目标和研究内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.4 技术路线和研究方法

1.4.1 技术路线

1.4.2 研究方法

1.5 论文创新点

第2章研究区概况和储层特征

2.1 研究区自然地理与社会经济

2.1.1 位置和交通

2.1.2 地形地貌

2.1.3 气象水文

2.1.4 社会经济概况

2.2 研究区地质条件

2.2.1 区域构造

2.2.2 地层

2.3 目标储层特征

2.3.1 岩性特征

2.3.2 孔渗特征

2.3.3 岩样导热系数与比热容

2.3.4 岩样孔径和比表面积

2.3.5 储层地下水特征

2.3.6 储层温度及压力特征

2-水-岩作用实验研究'>第3章储层系统CO₂-水-岩作用实验研究

3.1 实验目的和实验方案

3.1.1 实验目的

3.1.2 实验样品

3.1.3 实验方案

3.2 实验设备及流程

3.2.1 实验设备

3.2.2 实验流程

2-水-岩作用过程中岩石结构特征变化规律'> 3.3 CO₂-水-岩作用过程中岩石结构特征变化规律

3.3.1 水岩作用对真密度及比表面积影响

3.3.2 水岩作用对孔径分布影响

2注入对矿物溶解沉淀和水化学组分的影响'> 3.4 CO₂注入对矿物溶解沉淀和水化学组分的影响

2注入与N₂注入对水岩作用的影响对比'> 3.4.1 CO₂注入与N₂注入对水岩作用的影响对比

2注入条件下岩石矿物溶蚀沉淀特征'> 3.4.2 CO₂注入条件下岩石矿物溶蚀沉淀特征

2注入对反应溶液化学组分影响'> 3.4.3 CO₂注入对反应溶液化学组分影响

2-咸水-岩相互作用的影响'> 3.4.4 盐度对CO₂-咸水-岩相互作用的影响

3.5 本章小结

2-EWR储层中水岩作用机理的数值模拟研究'>第4章 CO₂-EWR储层中水岩作用机理的数值模拟研究

4.1 数值模拟原理

4.1.1 数值模拟控制方程

4.1.2 模拟程序

4.1.3 模型求解策略

4.2 场地模型建立

4.2.1 几何模型和网格剖分

4.2.2 初始条件和边界条件

4.2.3 模型物性参数确定

4.2.4 初始水和矿物组成

2空间分布变化'> 4.3 储层压力场演化和CO₂空间分布变化

2-EWR对储层压力影响'> 4.3.1 CO₂-EWR对储层压力影响

2运移演化规律'> 4.3.2 储层中CO₂运移演化规律

2-EWR对储层水化学特征影响'> 4.4 CO₂-EWR对储层水化学特征影响

2储存机制转化'> 4.5 储层矿物溶解沉淀规律和CO₂储存机制转化

4.5.1 储层主要溶解矿物

4.5.2 储层主要沉淀矿物

2-EWR对 CO₂封存量和储存机制影响'> 4.5.3 CO₂-EWR对 CO₂封存量和储存机制影响

4.6 本章小结

2-EWR过程中储层压力管控和布井方案优化'>第5章 CO₂-EWR过程中储层压力管控和布井方案优化

5.1 模拟方案和模型建立

2-EWR过程中储层压力的时空演化'> 5.2 CO₂-EWR过程中储层压力的时空演化

2在储层中的运移演化规律'> 5.3 CO₂在储层中的运移演化规律

2运移演化影响'> 5.3.1 注采井间距对CO₂运移演化影响

2运移演化影响'> 5.3.2 开采井数量对CO₂运移演化影响

2-EWR对 CO₂注入能力和咸水开采能力的影响'> 5.4 CO₂-EWR对 CO₂注入能力和咸水开采能力的影响

2注入和咸水开采的影响'> 5.4.1 注采井间距对CO₂注入和咸水开采的影响

2注入和咸水开采的影响'> 5.4.2 开采井数量对CO₂注入和咸水开采的影响

2-EWR过程中储层压力演化的控制因素分析'> 5.5 CO₂-EWR过程中储层压力演化的控制因素分析

5.5.1 注采井间距和开采井数量对储层压力演化的控制作用

5.5.2 监测点压力演化主控因素随时间变化规律

5.5.3 监测点压力演化与注采过程的相关性分析

2-EWR优化布井方案确定'> 5.6 基于场地特征的CO₂-EWR优化布井方案确定

2-EWR布井方案优化策略'> 5.7 CO₂-EWR布井方案优化策略

5.8 本章小结

第6章结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

参考文献

作者简介、科研成果与所获奖励

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 杨志杰

导师: 许天福,王福刚

关键词: 准噶尔盆地,水岩石相互作用,数值模拟,压力管控,布井方案优化

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,环境科学与资源利用

单位: 吉林大学

基金: 国家自然科学基金面上项目:煤层碳封存背景下CO_2-水-煤,岩地球化学作用及其对盖层封闭性的影响(项目编号:D0213,41772247),2018年1月至今,国家重点研发计划:二氧化碳地质封存过程中时空演化规律及长期稳定性评价的数值模拟研究(项目编号:2016YFB0600804),2016年7月至今,国家科技重大专项:典型沉积盆地二氧化碳埋存潜力及安全性评价(项目编号:2016ZX05016-005),2016年1月至今,中国地质调查局工作项目:准噶尔等盆地二氧化碳地质储存综合地质调查(项目编号:121201012000150010),2016年1月至2017年12月,中国地质调查局应对全球气候变化地质调查工作项目:二氧化碳地质储存机理与评价预测(项目编号:12120113006300),2013年9月至2015年12月,国土资源部公益性行业科研专项:二氧化碳地质储存储存量转化作用研究(项目编号:201211063-06),2013年9月至2014年12月,吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室,吉林大学新能源与环境学院

分类号: X701;P641

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