CN110907333B - Co2-水-岩反应作用下隔层微观封闭性动态评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是CO₂‑水‑岩反应作用下隔层微观封闭性动态评价方法，它包括:将化学反应引起的隔层岩石孔隙度变化归因于矿物参加化学反应的体积变化量，得出变化后的单个矿物的体积变化量，得到由化学反应引起的隔层岩石孔隙度；通过单个岩石参考单元基质渗透率的变化量与隔层岩石孔隙度的变化、孔隙中值半径随隔层岩石反应后渗透率变化的关系、隔层的突破压力与孔隙中值半径的关系，得到注CO₂后由溶蚀作用引起的隔层岩石孔隙度、渗透率动态变化与突破压力变化的关系；将注CO₂后隔层的突破压力结果换算成等效气柱封闭高度；根据已有的封隔气柱高度划分标准对隔层微观封闭性等级进行评价。本发明准确地反映隔层对CO₂的实际封堵能力。

Description

CO2-水-岩反应作用下隔层微观封闭性动态评价方法

技术领域：

本发明涉及的是隔层微观封闭性评价技术，具体涉及的是CO₂-水-岩反应作用下隔层微观封闭性动态评价方法。

背景技术：

近年来，为了响应国家节能减排政策和建设资源节约型社会的号召，CO₂埋存规模不断扩大，CO₂的驱油及埋存对地层完整性的影响受到重点关注。在诸多环境因素中，水化学作用对地层岩石的侵蚀是影响地层完整性的主要因素之一，是研究CO₂能否安全埋存不可忽略的问题。

现阶段国内外对于地层完整性的评价方法研究主要集中在两方面，一方面是从储气库角度出发，通过以储集层条件和地层水环境为评价指标来评价地层的储气能力；另一方面是通过评价隔层的构造完整性和宏观密封性来判断地层对气体的封堵能力，且仅涉及到扩散相和水溶相CO₂逃逸等方面的问题，并未从化学机理的角度来研究隔层的封闭性。其评价方法大部分为基于统计学的多因素评价法，例如模糊评价法或加权分析法，其缺点主要在于，在进行评价时主观因素占比较高，精确度较低，适用于解决存在诸多不确定因素的问题，而针对隔层的微观封闭机理，此方法不再适用；或综合利用隔层岩石的沉积环境、测井资料、孔隙结构参数、室内实验测定参数等数据，分别建立隔层完整性评价标准。以上隔层封闭能力分类评价方法仅适用于不存在地层反应的稳定性气体，并未考虑到CO₂侵入后化学反应对隔层微观结构的影响，难以在长时间封存条件下准确评价隔层的微观封闭性。目前对于CO₂埋存条件下隔层微观封闭性研究主要侧重于地层封闭能力的总结，即利用有限的岩石样品的突破压力、渗透率、孔隙度、比表面积及微孔隙结构等微观参数来评价隔层封堵气体的能力，而鲜有针对隔层化学反应后的突破压力计算，也未考虑CO₂-水-岩石反应对隔层岩石物性的影响，难以全面、准确地反映隔层对CO₂的实际封堵能力和CO₂埋存后隔层封闭性的保持能力。

发明内容：

本发明的目的是提供CO₂-水-岩反应作用下隔层微观封闭性动态评价方法，这种CO₂-水-岩反应作用下隔层微观封闭性动态评价方法用于解决目前技术中尚无针对CO₂-水-岩反应条件下隔层微观封闭性的评价方法等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种CO₂-水-岩反应作用下隔层微观封闭性动态评价方法:

步骤1、将化学反应引起的隔层岩石孔隙度变化归因于矿物参加化学反应的体积变化量，每种矿物的体积分数均由于微小反应而改变，隔层岩石孔隙度在计算的每一个时间步长内都不断变化；利用单个矿物摩尔体积乘以反应速度乘以反应时间得出变化后的单个矿物的体积变化量：

φ_j,i,t+Δt＝φ_j,i,t+V_j×r_j,i,t+Δt×Δt

式中：j为矿物；φ_j，i，t为矿物j在i区域t时间的体积分数；V_j为矿物j的摩尔体积，单位为L·mol^-1；r_{j，i，t+Δt}为矿物j在i区域t时间的反应速度，单位为mol·L^-1·s^-1；Δt为时间步长,s；

步骤2、由化学反应引起的隔层岩石孔隙度φ由矿物组分变化量计算得到：

式中：N_m为基质中矿物的数量；φ_m为各种矿物的体积分数；

步骤3、单个岩石参考单元基质渗透率的变化量通过隔层岩石孔隙度的变化来计算，渗透率随孔隙度的变化是根据Carman-Kozeny公式计算：

式中：φ₁为隔层岩石反应后的孔隙度，φ₀为隔层岩石反应前的孔隙度；k₁为隔层岩石反应后渗透率，单位为m²，k₀为隔层内岩石反应前的渗透率，单位为m²；

步骤4、Kozeny模型将多孔介质等效为大量相同孔隙半径的迂曲毛管束，再结合达西定律求解泊松方程得到孔隙中值半径r随隔层岩石反应后渗透率k₁变化的关系式：

式中，τ为迂曲度，表示孔道的曲折程度；n为隔层岩石孔隙面密度；r为孔隙半径中值，单位为m；

步骤5、根据Washburn理论，得到隔层的突破压力与孔隙中值半径的关系：

式中，P_c为突破压力，单位Pa；σ为流体界面张力，Pa；θ为流体浸润角，单位°； r为孔隙中值半径，单位m；

步骤6、对步骤3～5进行联立求解，得到注CO₂后由溶蚀作用引起的隔层岩石孔隙度φ₁、隔层岩石渗透率k₁动态变化与注CO₂后隔层岩石的突破压力P_c'变化的关系：

步骤7、将步骤6计算出的注CO₂后隔层的突破压力结果换算成等效气柱封闭高度，隔层底部岩石允许的最大突破压力用Smith(1966)公式求得：

式中，P_c'为注CO₂后隔层岩石的突破压力，单位Pa；ρ_w为地层水密度单位kg/m³；

为CO₂流体的密度，此处取储层条件下超临界CO₂的临界密度350kg/m³；g 为重力加速度，9.8N/kg；T_h为在P_c'下可封隔的气柱高度单位m；

步骤8、根据已有的封隔气柱高度划分标准对隔层微观封闭性等级进行评价。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明考虑了CO₂封存过程引起的隔层物性变化对隔层完整性的影响。

(2)本发明实现了在化学溶蚀作用下隔层微观结构的定量计算，完善了隔层微观封闭性的评价过程，更加准确地反映隔层对CO₂气体的实际封堵能力。

(3)本发明首次提出了由微观孔隙结构变化引起的隔层突破压力动态计算方法，实现了对时间效应下隔层微观封闭性的精确描述。

(4)本发明通过分析CO₂-水-岩反应过程中不同矿物组合类型隔层的溶蚀或沉淀效应，确定不同埋存区域隔层完整性的保持能力，为初期选址及后期安全埋存提供合理依据。

(5)本发明在考虑隔层微观封闭机理的基础上针对水化学作用对隔层物性的影响，建立了考虑岩石微观结构变化的隔层微观封闭性动态评价方法，旨在为CO₂埋存地层选址与泄露风险评价提供理论指导，保障CO₂的长期安全埋存。

具体实施方式

下面对本发明做进一步的说明：

这种CO₂-水-岩反应作用下隔层微观封闭性动态评价方法是考虑在CO₂封存过程中水化学作用对岩石微观结构影响的隔层微观封闭性动态评价方法，具体如下：

步骤1、将化学反应引起的隔层岩石孔隙度变化归因于矿物参加化学反应的体积变化量，每种矿物的体积分数均由于微小反应而改变，隔层岩石孔隙度在计算的每一个时间步长内都不断变化；利用单个矿物摩尔体积乘以反应速度乘以反应时间得出变化后的单个矿物的体积变化量：

φ_j,i,t+Δt＝φ_j,i,t+V_j×r_j,i,t+Δt×Δt

式中：j为矿物；φ_j，i，t为矿物j在i区域t时间的体积分数；V_j为矿物j的摩尔体积，单位为L·mol^-1；r_{j，i，t+Δt}为矿物j在i区域t时间的反应速度，单位为mol·L^-1·s^-1；Δt为时间步长,s；

步骤2、由化学反应引起的隔层岩石孔隙度φ由矿物组分变化量计算得到：

式中：N_m为基质中矿物的数量；φ_m为各种矿物的体积分数；

步骤3、单个岩石参考单元基质渗透率的变化量通过隔层岩石孔隙度的变化来计算，渗透率随孔隙度的变化是根据Carman-Kozeny公式计算：

式中：φ₁为隔层岩石反应后的孔隙度，φ₀为隔层岩石反应前的孔隙度；k₁为隔层岩石反应后渗透率，单位为m²，k₀为隔层内岩石反应前的渗透率，单位为m²；

步骤4、Kozeny模型将多孔介质等效为大量相同孔隙半径的迂曲毛管束，再结合达西定律求解泊松方程得到孔隙中值半径r随隔层岩石反应后渗透率k₁变化的关系式：

式中，τ为迂曲度，表示孔道的曲折程度；n为隔层岩石孔隙面密度；r为孔隙半径中值，单位为m。

步骤5、根据Washburn理论，得到隔层的突破压力与孔隙半径中值的关系：

式中，P_c为突破压力，单位Pa；σ为流体界面张力，Pa；θ为流体浸润角，单位°； r为孔隙半径中值，单位m。

步骤6、对步骤3～5进行联立求解，得到注CO₂后由溶蚀作用引起的隔层岩石孔隙度φ₁、隔层岩石渗透率k₁动态变化与注CO₂后隔层岩石的突破压力P_c'变化的关系：

步骤7、将步骤6计算出的注CO₂后隔层的突破压力结果换算成等效气柱封闭高度，隔层底部岩石允许的最大突破压力(即为注CO₂后隔层岩石的突破压力)用Smith(1966)公式求得：

式中，P_c'为注CO₂后隔层岩石的突破压力，单位Pa；ρ_w为地层水密度单位kg/m³；

为CO₂流体的密度，此处取储层条件下超临界CO₂的临界密度350kg/m³；g 为重力加速度，9.8N/kg；T_h为在P_c'下可封隔的气柱高度单位m；

步骤8、根据已有的封隔气柱高度划分标准对隔层微观封闭性等级进行评价。

表1隔层微观封闭能力评价权值等级划分标准

等级划分	Ⅰ	ⅠⅠ	Ⅲ	Ⅳ
					气柱封闭高度/m	>1000	500～1000	200～500	<200

本发明是针对CO₂-水-岩反应条件下隔层微观封闭性评价方法等问题提出的二氧化碳埋存条件下隔层封闭性动态评价方法，基于水化学作用下岩石微观结构变化规律，建立了二氧化碳封存条件下隔层微观封闭性动态评价方法。

Claims (1)

1.一种CO₂-水-岩反应作用下隔层微观封闭性动态评价方法，其特征在于：

步骤1、将化学反应引起的隔层岩石孔隙度变化归因于矿物参加化学反应的体积变化量，每种矿物的体积分数均由于微小反应而改变，隔层岩石孔隙度在计算的每一个时间步长内都不断变化；利用单个矿物摩尔体积乘以反应速度乘以反应时间得出变化后的单个矿物的体积变化量：

φ_j,i,t+Δt＝φ_j,i,t+V_j×r_j,i,t+Δt×Δt

式中：j为矿物；φ_j，i，t为矿物j在i区域t时间的体积分数；V_j为矿物j的摩尔体积；r_{j，i，t+Δt}为矿物j在i区域t时间的反应速度；Δt为时间步长,s；

步骤2、由化学反应引起的隔层岩石孔隙度φ由矿物组分变化量计算得到：

式中：N_m为基质中矿物的数量；φ_m为各种矿物的体积分数；

步骤3、单个岩石参考单元基质渗透率的变化量通过隔层岩石孔隙度的变化来计算，渗透率随孔隙度的变化是根据Carman-Kozeny公式计算：

式中：φ₁为隔层岩石反应后的孔隙度，φ₀为隔层岩石反应前的孔隙度；k₁为隔层岩石反应后渗透率，k₀为隔层内岩石反应前的渗透率；

步骤4、Kozeny模型将多孔介质等效为大量相同孔隙半径的迂曲毛管束，再结合达西定律求解泊松方程得到孔隙中值半径r随隔层岩石反应后渗透率k₁变化的关系式：

式中，τ为迂曲度，表示孔道的曲折程度；n为隔层岩石孔隙面密度；r为孔隙中值半径；

步骤5、根据Washburn理论，得到隔层的突破压力与孔隙中值半径的关系：

式中，P_c为突破压力；σ为流体界面张力；θ为流体浸润角；r为孔隙中值半径；

步骤6、对步骤3～5进行联立求解，得到注CO₂后由溶蚀作用引起的隔层岩石反应后的孔隙度φ₁、隔层岩石反应后的渗透率k₁动态变化与注CO₂后隔层岩石的突破压力P_c'变化的关系：

步骤7、将步骤6计算出的注CO₂后隔层的突破压力结果换算成等效气柱封闭高度，隔层底部岩石允许的最大突破压力用Smith1966公式求得：

式中，P_c'为注CO₂后隔层岩石的突破压力；ρ_w为地层水密度；

为CO₂流体的密度，此处取储层条件下超临界CO₂的临界密度350kg/m³；g为重力加速度，9.8N/kg；T_h为在P_c'下可封隔的气柱高度；

步骤8、根据已有的封隔气柱高度划分标准对隔层微观封闭性等级进行评价。