CN104704394A - 监测地下二氧化碳存储的系统和方法 - Google Patents

Abstract

根据本公开的方面，公开了监测地下封存的二氧化碳的技术。公开了用于采集相关数据的工具，以及还公开了用于解释结果数据的技术。例如，电极及微重力传感器被使用，它们的读数被解释以检测地下二氧化碳的迁移。

Description

监测地下二氧化碳存储的系统和方法

相关申请的交叉引用

不适用的

关于联邦赞助的研究或发展的声明

不适用的

背景技术

二氧化碳(CO₂)是很多工业生产过程的副产品。在某些情况下，需要以某种方式封存大量的二氧化碳以防止它排放到空气中。将二氧化碳封存在地下是其中一种方式。当在地下封存二氧化碳时，有时候需要确定二氧化碳是否从初始位置迁移。例如，有时候需要确定二氧化碳是否迁移到地下饮用水源中。

发明内容

根据本发明的一些方面，公开了一种监测地下地岩层中二氧化碳存储的方法。本方法包括：建立地下电极，其配置为监测所述地岩层的至少一部分的电属性；以及建立地下微重力传感器，其配置为监测所述地岩层的至少一部分的密度。该方法还包括：确定所述地岩层的至少一部分的基准电属性和确定所述地岩层的至少一部分的基准密度。该方法可以进一步包括：向所述地岩层注入二氧化碳。该方法可以进一步包括：确定所述地岩层的至少一部分的更新的电属性及确定所述地岩层的至少一部分的更新的密度。该方法可以进一步包括：监测地下电极以及监测地下微重力传感器。该方法可以进一步包括：检测所述地岩层的至少一部分的电属性及所述地岩层的至少一部分的密度的变化，其中，该电属性的变化及密度的变化指示二氧化碳的迁移。

附图说明

图1是表示根据实施例的电极布置的示意图。

图2是描述根据实施例的导纳相对于气体饱和度的示例性图表。

图3是表示根据实施例的微重力传感器布置的示意图。

图4是描述根据实施例的深度相对于重力变化的示例性图表。

图5是描述根据实施例的示例性方法的流程图。

具体实施方式

二氧化碳可以通过将其注入钻孔的方式被封存在地下，该钻孔可以是预先钻的，也可以是特地为存储二氧化碳而钻的，或者二者皆有。在注入前，在地表处二氧化碳可以通过压缩形式被封存。典型地，二氧化碳被注入地质亚表面地岩层相对可渗透的层，该层位于一个或多个相对不可渗透的层之下。二氧化碳可以被封存在，例如，地下4000-10,000英尺(大约1200-3048米)的地下。这个过程有时被称为科技方法论中所谓“碳捕获及存储”中的“碳封存”。

实施例允许对地下二氧化碳存储进行监测。特别地，实施例允许监测是否被封存的二氧化碳在被注入到地下存储位置之后在地下垂直或水平迁移。

如本申请在此所述，电极和微重力传感器的组合被用于监测地下封存的二氧化碳是否从它的初始存储位置迁移。所述组合的传感器类型提供了协同作用以允许监测垂直和水平的二氧化碳位移。以下详细讨论传感器的布置以及由所设置的传感器收集的数据的解释。

图1是表示根据实施例的示例性电极布置的示意图。根据特定的实施例，可以通过监测地下电极之间流过的电流流动的变化来检测所封存的二氧化碳的位移。图1示出了由钻孔金属外壳102、104组成的两个电极的示意图。一般来说，钻孔112、114，例如那些用于抽出石油以及用于注入二氧化碳的钻孔，可使用金属外壳来加固。因为这种外壳通常是高传导的及位于地下的，所以它们能够提供足够的预先存在的电极，用于检测地下二氧化碳的迁移。

根据特定的实施例，钻孔外壳电极102、104可以被选择，使得钻孔112、114，以及外壳电极102、104都被分开了水平距离L(图1中所示的：L/2和L/2的和)，所述水平距离L可小于封存目标区域108中的地下二氧化碳羽流的深度。导线110可以被连接到电源106并被插入钻孔112、114内，使得导线110与金属外壳102、104在至少与钻孔间隔L一样大的深度间隔处进行电接触。也就是说，地表到所述电接触处的距离至少和钻孔112、114之间的距离一样大。

图1中识别的以及在图2中引用的参数含义如下所述。封存目标区域108具有高度h_w以及用σ_w来表示的流体传导率。图1中的z轴垂直设置。位于封存目标区域108之上的地岩层116具有用来表示的传导率，以及位于封存目标区域108之下的地岩层118具有用来表示的传导率。

图2是描述根据实施例的导纳(例如，电抗的倒数)相对于气体饱和度的示例性图表。图2描述的图表可以表示图1中示意性示出的系统的电极间导纳。

一般而言，水成岩的传导率可以通过非限制性示例根据方程1来表示：

$\mathrm{\σ}=a{\mathrm{\σ}}_W{S}_W^n{\mathrm{\φ}}^m$    方程1

在方程1中，项目σ表示传导率，φ表示岩石孔隙度，S_w＝1-S_G、其中，S_G表示气体饱和度，参数a和胶结系数m分别在0.6到1.5之间和1.3到3之间变化，以及饱和度指数n趋近2。

值得注意的是，岩石的电传导率相对于气体饱和度十分敏感。例如，如果气体饱和度从0.0变化到0.95，则岩石电传导率可以变化多达400倍。

为了消除图2所示的相对于气体饱和度的外壳间(inter-casing)导纳，后续关于图1示意性示出的系统做出非限制性的假设。封存目标区域108的孔隙度被假设为分别位于封存目标区域108之上的半空间116被假设为位于封存目标区域108之下的半空间118被假设为σ_b ⁺＝0.314S/m。参数a被假设为1，并且参数n和m都假设为2。封存目标区域108被假设为位于1800和2000米之间，使得h_w＝200米。封存目标区域108中心处的流体传导率被假设为σ_w＝12.69S/m。再次，所述假设仅是说明性的，本领域普通技术人员完全有能力对在此讨论的示例性数量和计算进行改进，以覆盖在所述领域碰到的具体情况。

如图2所示的外壳间导纳，并且被计数用于根据在此讨论的示例性参数的图1的系统，可以通过非限制性示例的根据方程2来表示：

$Y=Y_{{\mathrm{\σ}}_b^{-}}+Y_w+Y_{{\mathrm{\σ}}_b^{+}}$    方程2

在方程2中，第一项和最后一项分别代表位于封存目标区域108之上和之下的半空间的贡献值。第二项代表封存目标区域自身的导纳，其可以通过非限制性示例根据方程3来估计：

Y_W＝πS_w[F_a(L，0)-F_a(r₀，0)]^-1   方程3

在方程3中，F_a(r，z)＝2πH₀[exp-k|z/(k+α)]，S_w＝σ_hh_w，r是半径距离，以及H₀[*]表示0阶汉克尔变换。所述被半无穷的外壳(这里做出近似的假设)穿透的导电的半空间的导纳可以通过非限制性示例根据方程4来估计：

$Y_{{\mathrm{\σ}}_b}=0.25{[{\mathrm{\Ψ}}_{{\mathrm{\σ}}_b}(L,z=0)-{\mathrm{\Ψ}}_{{\mathrm{\σ}}_b}(r_0,z=0)]}^{-1}$    方程4

在方程4中，项目可以通过非限制性示例根据方程5来定义：

${\mathrm{\Ψ}}_{{\mathrm{\σ}}_b}(r,z)=\frac{1}{{2\mathrm{\π}}^2}\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{K_0(\mathrm{\ξr}/r_0)}{\mathrm{\Δr}{\mathrm{\σ}}_s{\mathrm{\ξ}}^2{K}_0\left(\mathrm{\ξ}\right)+r_0{\mathrm{\σ}}_b\mathrm{\ξ}{K}_1\left(\mathrm{\ξ}\right)}\cos \left(\frac{\mathrm{z\ξ}}{r_0}\right)\mathrm{d\ξ}$    方程5

在方程5中，K_n(*)是n阶以及第二类修正贝塞尔函数。

上述的方程和假设被用于生成附图2中的图表，该图标绘制出图1所示系统中气体饱和度202相对于外壳间导纳204的关系。图2中描绘的曲线分别表示10米、50米、100米、200米、300米、400米以及500米的外壳间间隔L。使用本公开，本领域普通技术人员可以将电极放置在钻孔外壳内，并可以基于观察的外壳间导纳来估计封存目标区域108中对应的气体饱和度。

除了基于电导纳测量估计气体饱和度之外，特定实施例的组成部分还包括基于由微重力传感器得到的密度测量来估计气体饱和度。下面参照附图3、4来讨论所述发明的第二部分。

图3是表示根据实施例的微重力传感器布置的示意图。特别地，图3描绘了位于地表304下的钻孔302。微重力传感器306可以以10米的间隔沿着钻孔302放置。在一些实施例中，在封存目标区域内，可以以5米的间隔放置微重力传感器306以及在封存目标区域以上及以下，以25米的间隔放置微重力传感器306。在一些实施例中，单个微重力传感器被放置在封存目标区域中的每个钻孔中(例如，图1的108)；在其它实施例中，多个(例如，多达数十个)被放置在封存目标区域之中和之外。

微重力传感器306可以被放置在多个钻孔的网络中。在一些实施例中，钻孔以方形栅格的形式排列。通过非限制性的实例，钻孔可以被设置为以20米间隔、100米间隔或其它间隔。

在此讨论的所述微重力传感器的偏移参数是示意性的而非限制性的；其它微重力传感器的偏移也是可以预期的。

微重力传感器306可通信地耦合到计算装置308。计算装置308可以以周期性间隔或者在指令控制下连续地检测并存储微重力传感器的读数。实例性的周期间隔可以包括：每天、每周、每月以及每个季度。

示例性微重力传感器是可选用科罗拉多州的拉斐特Micro-gLaCoste股份有限公司的深密度钻井重力仪(BHGM)。一般来说，微重力传感器306的分辨率约为1μGal(伽)。

图4是描述根据实施例的深度404相对于重力变化402的示例性图表。图4中描绘的图表示出了二氧化碳注入封存区域后与注入前相比重力的变化。一般来说，二氧化碳在流体中的出现将变化流体的密度。在地岩层中，由于二氧化碳替代了水，所以密度将降低。另一方面，在地岩层中，由于超临界二氧化碳替代了碳氢化合物，所以密度将增大。

一般地，至少1微Gal的变化表示二氧化碳进入或移出经历变化的区域的移动。在传感器的噪声阈值内的变化(例如，小于1微Gal)将被忽略。(由于传感器技术的提高以及传感器能够感测越来越细微的重力变化，所以1微Gal的阈值可以被减小)。

图4描绘了两种不同的钻孔：现有的钻孔以及附近的用作二氧化碳注入井的钻孔。对应于现有钻孔的二氧化碳羽流大约位于地面以下1990-2000米处，如图中部分406处所示，并且对应于注入井的二氧化碳羽流大约位于地面以下2050-2085米处，如图中部分408处所示。所述曲线通过减去观测到的二氧化碳注入前后观察的重力响应，描绘由于重力导致的垂直引力的变化。对于两种钻孔，在储层的上端处可以观测到垂直引力的减小。这是由于二氧化碳比被其替代的水要轻，因此所述储层的净密度为负，因此，所述垂直引力为负。在储层的下部观测到净重力加速度的增加。这是因为在传感器之上净密度为负，引起所测量的加速度的极性的变化。

图5是描述根据实施例的示例性方法的流程图。在块500处，获得初始模型。所述讨论的模型表示封存目标区域以及周围的地下结构。该模型通常描述了各种地质沉积层及其它地质层，或封存的意义，及与其相关的电和密度属性。初始模型可以通过非限制性示例通过使用反射地震学进行地质勘测来得到，以及电和密度属性可以通过井日志或附近井的岩心测量来获取。

在块502处，电极被建立。参照附图1、2对该步骤进行讨论。在块504处，重力传感器被建立。参照附图3、4对该步骤进行讨论。

在块506处，基准电属性被建立。该步骤在二氧化碳注入之前实施。参照块502，上述讨论的电极可以被用于这个目的。通过非限制性示例，电属性可以是电阻率或导纳的测量。

在块508处，基准密度被建立。再次，该步骤在二氧化碳注入之前实施。参照块508，上述讨论的微重力传感器可以被用于该目的。密度基准可以由微重力传感器的读数反映或导出。

在块510处，初始模型被修正。修正可以考虑在块506以及块508处获得的基准电属性和密度读数。在一些实施例中，如本领域技术人员所知，通过对所述模型进行反演来修正初始模型。在这种反演中，经验数据可以被用于倒推模型的参数。反演可以利用基准密度数据、基准电属性数据、或二者(例如，交织或联合反演)。在此显然以及贯穿本发明中，其它类型的传感器，例如地震传感器，可以被用于获取读数。例如，读数包括一个或多个地震电以及地震密度。然后，可以实施电密度以及地震电以及密度联合反演。

在块512处，二氧化碳被注入。完成该过程可能需要数天或数月。示例性的非限制性注入率可以是每秒2千克。其它注入率也可以被考虑。

在块514处，更新的电属性被获得。参考块506，可以通过上述讨论获取更新的电属性。在块516处，更新的密度被确定。参考块508，可以通过上述讨论获取更新的密度。

在块518处，模型被修正。可以基于在块514处获得的更新的电属性以及在块516处获得的更新的密度来修正模型。可以基于一个或两个更新的电和密度确定，通过反演的方式产生更新的模型。修正的模型意欲反映封存的二氧化碳的存在。此外，修正的模型可以与在块510处获得的模型比较，以便确定由封存的二氧化碳的新的存在导致的地质差异。例如，图4的图反映了相对于重力的这种差异。

在块520处，电极读数被监测，以及在块522处，微重力传感器的读数被监测。所述监测能够持续地、周期性地或根据命令进行。如果是周期性地，则所述监测可能每天、每周、每月、每季度或每年进行。相应传感器检测的数据可以被电存储在计算机的持久存储器中。

在块524处，二氧化碳迁移被检测到。可以通过将在块518处获得的修正模型与基于在块520和522处获得的数据的反演模型相比较来检测二氧化碳迁移。可替代地，或者除此以外，可以通过检测它们自身的参数变化来检测迁移。使用电属性以及微重力读数，可以确定迁移的横向和垂直程度。

应当注意到，可以使用安装的可执行软件来自动执行在此陈述的多个步骤。所述软件可以在电脑上执行，诸如运行操作系统的个人计算机。

虽然当前发明是根据其最佳实施方式来描述的，其显然包括对上述实施方式的修改、替换，这种修改和替换获得本发明所述的优点和益处，参考本说明书以及其附图，上述修改和替换对本领域技术人员来说是显而易见的。因此，这种修改和替换落在本发明权利要求要求保护的范围之内。

Claims (20)

1.一种监测地下地岩层中二氧化碳的存储的方法，所述方法包括：

建立地下电极，所述地下电极被配置为监测所述地岩层的至少一部分的电属性；

建立地下微重力传感器，所述地下微重力传感器被配置为监测所述地岩层的至少一部分的密度；

确定所述地岩层的至少一部分的基准电属性；

确定所述地岩层的至少一部分的基准密度；

向所述地岩层注入二氧化碳；

确定所述地岩层的至少一部分的更新的电属性；

确定所述地岩层的至少一部分的更新的密度；

监测所述地下电极；

监测所述地下微重力传感器；以及

检测所述地岩层的至少一部分的电属性的变化和所述地岩层的至少一部分的密度的变化，其中，所述电属性的变化和密度的变化指示出二氧化碳的迁移。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述地下电极包括至少一个钻孔外壳。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述密度的变化包括所述微重力传感器检测到超过1μGal的变化。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述密度的变化包括所述微重力传感器检测到超过2μGal的变化。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述密度的变化包括密度的增加。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述密度的变化包括密度的减小。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述电属性包括导纳。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述电属性包括电阻率。

9.如权利要求1所述的方法，进一步包括基于所述基准电属性和所述基准密度获得联合反演模型。

10.如权利要求1所述的方法，进一步包括基于所述更新的电属性和所述更新的密度获得联合反演模型。

11.一种用于地下地岩层中二氧化碳存储的系统，所述系统包括：

至少两个地下电极，所述至少两个地下电极被布置为监测所述地岩层的至少一部分的电属性；

地下微重力传感器网络，所述地下微重力传感器网络被布置为监测所述地岩层的至少一部分的密度；

电存储器，所述电存储器被配置为存储所述地岩层的至少一部分的基准电属性读数以及所述地岩层的至少一部分的基准密度读数；

通道，所述通道被配置为将二氧化碳输送到所述地岩层；

电存储器，所述电存储器被配置为存储所述地岩层的至少一部分的更新的电属性读数以及所述地岩层的至少一部分的更新的密度度数；以及

计算机，所述计算机被配置为检测所述地岩层的至少一部分的电属性的变化和所述地岩层的至少一部分的密度的变化，其中，所述电属性及密度的变化和所述密度的变化指示出二氧化碳的移动。

12.如权利要求11所述的系统，其中，所述地下电极包括至少一个钻孔外壳。

13.如权利要求11所述的系统，其中，所述密度的变化包括所述微重力传感器检测到超过1μGal的变化。

14.如权利要求13所述的系统，其中，所述密度的变化包括超过0.01gm/cm²的变化。

15.如权利要求11所述的系统，其中，所述密度的变化包括密度的增加。

16.如权利要求11所述的系统，其中，所述密度的变化包括密度的减小。

17.如权利要求11所述的系统，其中，所述电属性包括导纳。

18.如权利要求11所述的系统，其中，所述电属性包括电阻率。

19.如权利要求11所述的系统，进一步包括处理器，所述处理器被配置为基于所述基准电属性和所述基准密度生成反演模型。

20.如权利要求11所述的系统，进一步包括处理器，所述处理器被配置为基于所述更新的电属性和所述更新的密度生成反演模型。