CN116205487A - 一种二氧化碳地质封存泄漏评估方法、装置、设备及介质 - Google Patents

一种二氧化碳地质封存泄漏评估方法、装置、设备及介质 Download PDF

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CN116205487A CN202310078925.7A CN202310078925A CN116205487A CN 116205487 A CN116205487 A CN 116205487A CN 202310078925 A CN202310078925 A CN 202310078925A CN 116205487 A CN116205487 A CN 116205487A
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Abstract

本申请公开了一种二氧化碳地质封存泄漏评估方法、装置、设备及介质，涉及油气田开发领域，包括：基于预先建立的部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型建立页岩渗流数学模型；对页岩渗流数学模型进行无因次化处理，得到处理后的数学模型，对处理后的数学模型进行计算，得到注入压力响应解析解；建立压力响应理论图版，对注入井注入压力动态曲线与压力响应理论图版进行拟合，得到储层边界泄漏比；基于储层边界泄漏比绘制泄漏率变化曲线，根据泄漏率变化曲线对二氧化碳地质封存泄漏风险进行实时评估。通过本申请的上述技术方案，能够实现对目标区块的泄漏风险进行有效评估，为二氧化碳地质封存项目的高效、安全推进提供支持。

Description

一种二氧化碳地质封存泄漏评估方法、装置、设备及介质
技术领域
本发明涉及油气田开发领域，特别涉及一种二氧化碳地质封存泄漏评估方法、装置、设备及介质。
背景技术
目前，国内外学者针对二氧化碳地质封存潜力与风险评价方法开展了大量的研究工作。2014年，Rinaldi等学者建立了二氧化碳注入过程中断层响应的地质力学模型，分析了二氧化碳大规模注入过程中盖层的完整性以及二氧化碳经活化断层发生泄漏的可能性。2015年，陈志明等学者推导了封闭边界考虑二氧化碳吸附解吸的双重介质半解析数学模型，通过动态反演法计算了不同储层物性下二氧化碳在废弃页岩气藏中的封存潜力。结果表明：注入压力、储层基质吸附系数、扩散系数和储容比对二氧化碳的封存潜力影响显著。2016年，肖聪等学者采用瞬时压力分析(PTA)与瞬时产量分析(RTA)建立了页岩气藏废弃压力的计算方法，并确立了废弃压力与动态参数、地质封存潜力的数学关系。2017年，Kim等学者采用数值模拟的方法研究了页岩气藏二氧化碳提高采气率和封存的机理，结果揭示了二氧化碳在页岩中主要以游离气和自由气两种形式存在，天然裂缝的渗透率，水力压裂裂缝半长以及储层基质的吸附系数对二氧化碳提高采气率和封存的潜力具有显著影响。2018年，杨森等学者建立三维地质模型研究了衰竭式开发以及注二氧化碳开发两种模式下断层对气体泄漏的影响，该学者指出：过高的注入速率将加剧二氧化碳的泄漏，但与此同时可在一定程度上抑制天然气通过断层以及盖层中的裂缝等高渗区域泄漏进入上覆水层。2019年，穆凌雨等学者基于试井理论，结合Laplace(拉普拉斯)变换、Fourier(傅里叶)余弦变换以及Duhamel(Duhamel's principle，杜哈梅)原理计算了不考虑二氧化碳吸附解吸情况下封闭储层二氧化碳地质封存期间断层开启时二氧化碳的泄漏速率以及监测井的压力响应。2020年，Newell等学者建立了耦合流体流动与地质力学的数值模型，确定了二氧化碳地质封存过程中裂缝活化、断层开启、注入速率、井眼方向等因素对盖层完整性的影响。二氧化碳地质封存由于封存量大、安全性高是目前应对全球温室效应和气候变化的最有效技术手段。页岩气藏由于地质构造稳定、储层基质吸附能力强、气体储集与运输等配套设施完善，是进行二氧化碳地质封存的理想场所。然而，页岩气藏在开发时期所采用的水力压裂技术以及在地质封存时期进行的大规模注入将导致储层内发生不同程度的微地震，进而可能引发断层的活化与开启，从而为二氧化碳的泄漏提供通道，造成地下与地表环境的严重污染。
由上可见，如何实现对目标区块的泄漏风险进行有效评估，从而为二氧化碳地质封存项目的高效、安全推进提供有力支持是本领域有待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种二氧化碳地质封存泄漏评估方法、装置、设备及介质，能够实现对目标区块的泄漏风险进行有效评估，从而为二氧化碳地质封存项目的高效、安全推进提供有力支持。其具体方案如下：
第一方面，本申请公开了一种二氧化碳地质封存泄漏评估方法，包括：
建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型，并基于所述部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型建立页岩渗流数学模型；
对所述页岩渗流数学模型进行无因次化处理，以得到处理后的数学模型，对所述处理后的数学模型进行计算，以得到注入压力响应解析解；
基于所述页岩渗流数学模型和所述注入压力响应解析解建立压力响应理论图版，对注入井注入压力动态曲线与压力响应理论图版进行拟合，以得到储层边界泄漏比；
基于所述储层边界泄漏比绘制泄漏率变化曲线，根据所述泄漏率变化曲线对二氧化碳地质封存泄漏风险进行实时评估。
可选的，所述建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型，包括：
确定出渗流区域；其中，所述渗流区域包括水力裂缝区、天然裂缝区、页岩基质区；
基于所述渗流区域建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型。
可选的，所述基于所述部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型建立页岩渗流数学模型，包括：
基于所述部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型构建出包含页岩基质渗流数学模型和天然裂缝渗流数学模型的所述页岩渗流数学模型。
可选的，所述对所述页岩渗流数学模型进行无因次化处理，以得到处理后的数学模型，包括：
对所述页岩基质渗流数学模型和所述天然裂缝渗流数学模型进行无因次化处理，以得到包含页岩基质渗流方程和天然裂缝渗流方程的处理后的数学模型。
可选的，所述对所述处理后的数学模型进行计算，以得到注入压力响应解析解，包括：
利用拉普拉斯变换方法、点源函数以及势叠加原理对所述处理后的数学模型进行求解计算，以得到拉式空间下的压力解；
基于所述拉式空间下的压力解进行Stehfest数值反演计算，以得到真实空间的多段压裂水平井井底的注入压力响应解析解。
可选的，所述对注入井注入压力动态曲线与压力响应理论图版进行拟合之前，还包括：
获取注入井的注入动态数据，以绘制出实际压力-注入时间曲线；
基于目标页岩气藏储层物性、流体物性以及所述注入动态数据建立部分渗透边界多段压裂水平井井底的压力响应理论图版；
对最大注入压力进行无因次化处理，获得最大无因次注入拟压力，在所述部分渗透边界多段压裂水平井井底的压力响应理论图版中查找所述最大无因次注入拟压力对应的无因次时间并计算实际注入时间，结合实际注入速率和所述实际注入时间计算出二氧化碳封存量。
可选的，所述对注入井注入压力动态曲线与压力响应理论图版进行拟合，以得到储层边界泄漏比，包括：
对所述实际压力-注入时间曲线进行无因次化处理，以得到无因次拟压力-无因次时间曲线，采用最小二乘法将所述无因次拟压力-无因次时间曲线与所述压力响应理论图版进行拟合，以得到储层边界泄漏比；
根据非渗透边界、所述储层边界泄漏比以及所属无因次拟压力-无因次时间曲线，计算出储层边界泄漏比的泄漏率变化曲线。
第二方面，本申请公开了一种二氧化碳地质封存泄漏评估装置，包括：
模型建立模块，用于建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型，并基于所述部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型建立页岩渗流数学模型；
模型计算模块，用于对所述页岩渗流数学模型进行无因次化处理，以得到处理后的数学模型，对所述处理后的数学模型进行计算，以得到注入压力响应解析解；
储层边界泄漏比确定模块，用于基于所述页岩渗流数学模型和所述注入压力响应解析解建立压力响应理论图版，对注入井注入压力动态曲线与压力响应理论图版进行拟合，以得到储层边界泄漏比；
泄漏风险实时评估模块，用于基于所述储层边界泄漏比绘制泄漏率变化曲线，根据所述泄漏率变化曲线对二氧化碳地质封存泄漏风险进行实时评估。
第三方面，本申请公开了一种电子设备，包括：
存储器，用于保存计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序，以实现前述的二氧化碳地质封存泄漏评估方法。
第四方面，本申请公开了一种计算机存储介质，用于保存计算机程序；其中，所述计算机程序被处理器执行时实现前述公开的二氧化碳地质封存泄漏评估方法的步骤。
可见，本申请提供了一种二氧化碳地质封存泄漏评估方法，包括建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型，并基于所述部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型建立页岩渗流数学模型；对所述页岩渗流数学模型进行无因次化处理，以得到处理后的数学模型，对所述处理后的数学模型进行计算，以得到注入压力响应解析解；基于所述页岩渗流数学模型和所述注入压力响应解析解建立压力响应理论图版，对注入井注入压力动态曲线与压力响应理论图版进行拟合，以得到储层边界泄漏比；基于所述储层边界泄漏比绘制泄漏率变化曲线，根据所述泄漏率变化曲线对二氧化碳地质封存泄漏风险进行实时评估。本申请基于渗流力学、现代试井理论、数值反演方法，综合考虑页岩气藏多孔介质内气体吸附解吸、Knudsen扩散等复杂渗流与传质过程以及储层外部可渗透边界的渗流特征，建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型与数学模型，进而建立页岩气藏二氧化碳地质封存潜力及泄漏风险评价流程。本发明可以结合目标区块的储层与流体物性参数、注入动态参数对目标区块外边界的渗流特性进行动态反演，并对二氧化碳地质封存潜力与泄漏风险进行快速评价，能够实现对目标区块的泄漏风险进行有效评估，从而为二氧化碳地质封存项目的高效、安全推进提供有力支持。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请公开的一种二氧化碳地质封存泄漏评估方法流程图；
图2为本申请公开的一种物理模型示意图；
图3为本申请公开的一种二氧化碳地质封存泄漏评估方法流程图；
图4为本申请公开的一种压力响应曲线示例图；
图5为本申请公开的一种压力响应理论图版示例图；
图6为本申请公开的一种时间拟合结果示例图；
图7为本申请公开的一种注入井无因次拟压力-无因次时间曲线拟合结果示例图；
图8为本申请公开的一种泄漏率变化曲线示例图；
图9为本申请公开的一种二氧化碳地质封存泄漏评估装置结构示意图；
图10为本申请提供的一种电子设备结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，国内外学者针对二氧化碳地质封存潜力与风险评价方法开展了大量的研究工作。2014年，Rinaldi等学者建立了二氧化碳注入过程中断层响应的地质力学模型，分析了二氧化碳大规模注入过程中盖层的完整性以及二氧化碳经活化断层发生泄漏的可能性。2015年，陈志明等学者推导了封闭边界考虑二氧化碳吸附解吸的双重介质半解析数学模型，通过动态反演法计算了不同储层物性下二氧化碳在废弃页岩气藏中的封存潜力。结果表明：注入压力、储层基质吸附系数、扩散系数和储容比对二氧化碳的封存潜力影响显著。2016年，肖聪等学者采用瞬时压力分析(PTA)与瞬时产量分析(RTA)建立了页岩气藏废弃压力的计算方法，并确立了废弃压力与动态参数、地质封存潜力的数学关系。2017年，Kim等学者采用数值模拟的方法研究了页岩气藏二氧化碳提高采气率和封存的机理，结果揭示了二氧化碳在页岩中主要以游离气和自由气两种形式存在，天然裂缝的渗透率，水力压裂裂缝半长以及储层基质的吸附系数对二氧化碳提高采气率和封存的潜力具有显著影响。2018年，杨森等学者建立三维地质模型研究了衰竭式开发以及注二氧化碳开发两种模式下断层对气体泄漏的影响，该学者指出：过高的注入速率将加剧二氧化碳的泄漏，但与此同时可在一定程度上抑制天然气通过断层以及盖层中的裂缝等高渗区域泄漏进入上覆水层。2019年，穆凌雨等学者基于试井理论，结合Laplace(拉普拉斯)变换、Fourier(傅里叶)余弦变换以及Duhamel(Duhamel's principle，杜哈梅)原理计算了不考虑二氧化碳吸附解吸情况下封闭储层二氧化碳地质封存期间断层开启时二氧化碳的泄漏速率以及监测井的压力响应。2020年，Newell等学者建立了耦合流体流动与地质力学的数值模型，确定了二氧化碳地质封存过程中裂缝活化、断层开启、注入速率、井眼方向等因素对盖层完整性的影响。二氧化碳地质封存由于封存量大、安全性高是目前应对全球温室效应和气候变化的最有效技术手段。页岩气藏由于地质构造稳定、储层基质吸附能力强、气体储集与运输等配套设施完善，是进行二氧化碳地质封存的理想场所。然而，页岩气藏在开发时期所采用的水力压裂技术以及在地质封存时期进行的大规模注入将导致储层内发生不同程度的微地震，进而可能引发断层的活化与开启，从而为二氧化碳的泄漏提供通道，造成地下与地表环境的严重污染。由上可见，如何实现对目标区块的泄漏风险进行有效评估，从而为二氧化碳地质封存项目的高效、安全推进提供有力支持是本领域有待解决的问题。
参见图1所示，本发明实施例公开了一种二氧化碳地质封存泄漏评估方法，具体可以包括：
步骤S11：建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型，并基于所述部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型建立页岩渗流数学模型。
本实施例中，建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型的过程为：确定出渗流区域；其中，所述渗流区域包括水力裂缝区、天然裂缝区、页岩基质区；基于所述渗流区域建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型。建立页岩渗流数学模型的过程为：基于所述部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型构建出包含页岩基质渗流数学模型和天然裂缝渗流数学模型的所述页岩渗流数学模型。
本实施例中，水平井经过多段压裂施工后，沿水平井井筒方向产生多条贯穿页岩储层的水力裂缝并与页岩储层相互连通。在二氧化碳注入过程中，流体首先通过进入水力裂缝，然后进入页岩储层中的天然裂缝，最后通过Langmuir等温吸附(朗格缪尔等温吸附)与Knudsen扩散(克努森扩散)进入储层基质。相应地，物理模型中的渗流区域包括：水力裂缝区、天然裂缝区、页岩基质区。部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型示意图如图2所示，(a)废弃页岩气藏俯视图，(b)二氧化碳分子在页岩基质内吸附与扩散微观示意图，(c)二氧化碳分子在有限导流水力裂缝流动示意图，(d)页岩基质颗粒示意图，部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井数学模型的建立，具体引入以下三个参数用以描述页岩气藏储层性质，储容比表征储层基质与天然裂缝储集能力相对大小：
Figure BDA0004075014710000081
Figure BDA0004075014710000082
其中，φ表示储层孔隙度；Cg表示气体压缩系数；knf表示天然裂缝渗透率；h表示储层厚度；qsc表示注入井注入速率；μ表示二氧化碳在储层条件下的黏度。无因次Knudsen扩散系数，表征二氧化碳在页岩基质中的扩散速率：
Figure BDA0004075014710000083
其中，DK表示二氧化碳在页岩基质中的Knudsen扩散系数；Rm表示页岩基质颗粒半径。无因次吸附系数，表征二氧化碳分子在页岩基质的吸附能力。
Figure BDA0004075014710000084
其中，psc表示地面标况压力；T表示储层温度；VL表示Langmuir体积；pL表示Langmuir压力；Z表示二氧化碳压缩因子；Tsc表示地面标况温度；p表示储层平均压力；pi表示页岩气藏废弃压力。
步骤S12：对所述页岩渗流数学模型进行无因次化处理，以得到处理后的数学模型，对所述处理后的数学模型进行计算，以得到注入压力响应解析解。
本实施例中，对所述页岩基质渗流数学模型和所述天然裂缝渗流数学模型进行无因次化处理，以得到包含页岩基质渗流方程和天然裂缝渗流方程的处理后的数学模型，然后对所述处理后的数学模型进行计算，以得到注入压力响应解析解。
本实施例中，针对部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型，建立其数学模型：(1)页岩渗流数学模型：
控制方程为：
Figure BDA0004075014710000085
内边界条件为：
Figure BDA0004075014710000086
外边界条件为：
Figure BDA0004075014710000087
初始条件为：
Figure BDA0004075014710000088
其中，rm表示页岩基质系统中任意一点的径向坐标；ρsc表示二氧化碳在标况下的密度；V表示二氧化碳在基质中的浓度；t表示注入时间；Rm表示页岩基质颗粒半径；VE表示页岩基质颗粒表面的二氧化碳浓度；Vi表示初始条件下的二氧化碳浓度。
(2)天然裂缝渗流数学模型
控制方程为：
Figure BDA0004075014710000091
内边界条件为：
Figure BDA0004075014710000092
外边界条件为：
Figure BDA0004075014710000093
初始条件为：p|t＝0＝pi
其中，rnf表示天然裂缝系统中任意一点的径向坐标；ρ表示二氧化碳在储层条件下的密度；q表示线源；ql表示泄漏速率。
为便于方程求解，采用无因次变量对上述方程进行无因次化：
(1)无因次拟压力：
Figure BDA0004075014710000094
(2)无因次时间：
Figure BDA0004075014710000095
(3)无因次二氧化碳浓度：
Figure BDA0004075014710000096
/>
(4)无因次距离：
Figure BDA0004075014710000097
(5)无因次水力裂缝导流能力：
Figure BDA0004075014710000098
(6)泄漏率：
Figure BDA0004075014710000099
(7)水力裂缝的无因次流量:
Figure BDA0004075014710000101
其中：m表示地层平均拟压力；mi表示地层废弃拟压力；rmD表示页岩基质系统中任意一点的无因次径向坐标；rnfD表示天然裂缝系统中任意一点的无因次径向坐标；r12D表示页岩储层外边界的无因次径向坐标；r12表示页岩储层外边界的径向坐标；hwD表示多段压力水平井所在的无因次深度；hw表示多段压裂水平井所在的储层深度；yD表示水力裂缝系统中任意一点的无因次y坐标；y表示水力裂缝系统中任意一点的y坐标；Lf表示水力裂缝半长；LfD表示无因次水力裂缝半长；khf表示水力裂缝渗透率；wf表示水力裂缝缝宽。
模型无因次化处理后可得：
1)页岩基质渗流方程
Figure BDA0004075014710000102
2)天然裂缝渗流方程
Figure BDA0004075014710000103
/>
步骤S13：基于所述页岩渗流数学模型和所述注入压力响应解析解建立压力响应理论图版，对注入井注入压力动态曲线与压力响应理论图版进行拟合，以得到储层边界泄漏比。
步骤S14：基于所述储层边界泄漏比绘制泄漏率变化曲线，根据所述泄漏率变化曲线对二氧化碳地质封存泄漏风险进行实时评估。
本申请的步骤为：首先，部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型建立。物理模型的基本假设条件如下：1、页岩气藏为均质储层，初始条件下储层各处的压力及温度相同；2、储层顶部与底部均为非渗透边界；3、储层中的流体为单相单组分，忽略重力和毛管力的影响；4、页岩气藏为储层基质与天然裂缝组成的双重介质，其中：二氧化碳在储层基质中的流动模式为Knudsen扩散，其在基质表面的吸附过程满足Langmuir等温吸附定律，而在天然裂缝中，二氧化碳的流动过程符合Darcy定律；5、各水力裂缝长度相同且完全贯穿储层，二氧化碳封存过程中注入井注入压力保持不变。其次，建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井数学模型。然后建立部分渗透边界页岩气藏二氧化碳地质封存与泄漏评价图版。采用Laplace变换、Stehfest数值反演等方法对数学模型进行求解并建立部分渗透边界页岩气藏二氧化碳地质封存注入井压力响应特征曲线以及二氧化碳泄漏量计算流程。最后，构建页岩气藏二氧化碳地质封存潜力及泄漏风险评价流程。整个分析过程通过四个步骤来完成：数据收集、模型设置、拟合分析和参数评价与应用。本申请基于渗流力学、现代试井理论、数值反演方法，考虑页岩气藏复杂渗流特征、多段压裂水平井压力响应特征，建立页岩气藏多段压裂水平井压力响应分析方法，提出页岩气藏二氧化碳地质封存潜力计算方法，提出地质封存泄漏风险评价方法，最终形成地质封存场所优选与风险评估的一套研究体系。
本实施例中，建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型，并基于所述部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型建立页岩渗流数学模型；对所述页岩渗流数学模型进行无因次化处理，以得到处理后的数学模型，对所述处理后的数学模型进行计算，以得到注入压力响应解析解；基于所述页岩渗流数学模型和所述注入压力响应解析解建立压力响应理论图版，对注入井注入压力动态曲线与压力响应理论图版进行拟合，以得到储层边界泄漏比；基于所述储层边界泄漏比绘制泄漏率变化曲线，根据所述泄漏率变化曲线对二氧化碳地质封存泄漏风险进行实时评估。本申请基于渗流力学、现代试井理论、数值反演方法，综合考虑页岩气藏多孔介质内气体吸附解吸、Knudsen扩散等复杂渗流与传质过程以及储层外部可渗透边界的渗流特征，建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型与数学模型，进而建立页岩气藏二氧化碳地质封存潜力及泄漏风险评价流程。本发明可以结合目标区块的储层与流体物性参数、注入动态参数对目标区块外边界的渗流特性进行动态反演，并对二氧化碳地质封存潜力与泄漏风险进行快速评价，能够实现对目标区块的泄漏风险进行有效评估，从而为二氧化碳地质封存项目的高效、安全推进提供有力支持。
参见图3所示，本发明实施例公开了一种二氧化碳地质封存泄漏评估方法，具体可以包括：
步骤S21：建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型，并基于所述部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型建立页岩渗流数学模型。
步骤S22：对所述页岩渗流数学模型进行无因次化处理，以得到处理后的数学模型，利用拉普拉斯变换方法、点源函数以及势叠加原理对所述处理后的数学模型进行求解计算，以得到拉式空间下的压力解，基于所述拉式空间下的压力解进行Stehfest数值反演计算，以得到真实空间的多段压裂水平井井底的注入压力响应解析解。
本实施例中，利用Laplace变换方法、点源函数以及势叠加原理对处理后的数学模型进行求解，联立模型可得到顶底封闭侧向具有部分渗透边界的线源形式下的压力解：
Figure BDA0004075014710000121
Figure BDA0004075014710000122
其中，n表示累加项数；s表示Laplace变量；K0表示修正贝塞尔函数(一类，零阶)；I0表示修正贝塞尔函数(二类，零阶)；K1表示修正贝塞尔函数(一类，一阶)；I1表示修正贝塞尔函数(二类，一阶)。
根据上述公式沿水力裂缝方向进行积分，可得到单个水力裂缝在页岩气藏中的压力响应：
Figure BDA0004075014710000131
其中：qfD表示水力裂缝的无因次流量密度，α表示水力裂缝方向积分变量。
利用势叠加原理，可得到考虑水力裂缝有限导流的多段压裂水平井的井底压力响应：
Figure BDA0004075014710000132
/>
Figure BDA0004075014710000133
其中，CfDj表示第j条水力裂缝的无因次导流能力，N表示多段压裂水平井水力裂缝数。进一步，根据Duhamel原理可得到考虑井筒储集效应和表皮效应的井底压力解
Figure BDA0004075014710000134
其中，S表示表皮系数；CD表示无因次井储系数。
步骤S23：基于所述页岩渗流数学模型和所述注入压力响应解析解建立压力响应理论图版，对注入井注入压力动态曲线与压力响应理论图版进行拟合，以得到储层边界泄漏比。
本实施例中，获取注入井的注入动态数据，以绘制出实际压力-注入时间曲线；基于目标页岩气藏储层物性、流体物性以及所述注入动态数据建立部分渗透边界多段压裂水平井井底的压力响应理论图版；对最大注入压力进行无因次化处理，获得最大无因次注入拟压力，在所述部分渗透边界多段压裂水平井井底的压力响应理论图版中查找所述最大无因次注入拟压力对应的无因次时间并计算实际注入时间，结合实际注入速率和所述实际注入时间计算出二氧化碳封存量。具体得到泄漏率的过程为：对所述实际压力-注入时间曲线进行无因次化处理，以得到无因次拟压力-无因次时间曲线，采用最小二乘法将所述无因次拟压力-无因次时间曲线与所述压力响应理论图版进行拟合，以得到储层边界泄漏比；根据非渗透边界、所述储层边界泄漏比以及所属无因次拟压力-无因次时间曲线，计算出储层边界泄漏比的泄漏率变化曲线。
步骤S24：基于所述储层边界泄漏比绘制泄漏率变化曲线，根据所述泄漏率变化曲线对二氧化碳地质封存泄漏风险进行实时评估。
本实施例中，对数学模型求解并建立废弃页岩气藏二氧化碳地质封存井底压力响应理论图版，如图4所示，从左至右第一排分别为不同Langmuir体积曲线和不同Langmuir压力曲线，第二排分别为不同无因次扩散系数曲线和不同泄流半径。理论模型基础参数表如表1所示：
表1
Figure BDA0004075014710000141
Figure BDA0004075014710000151
其中，基于上述注入井井底压力响应理论图版建立衰竭页岩气藏二氧化碳泄漏量计算流程，具体步骤如下所示：
首先，设置注入井注入压力pinj,计算其所对应无因次拟压力mDinj；
Figure BDA0004075014710000152
然后，根据无因次拟压力mDinj，在注入井井底压力响应曲线上分别获取该无因次拟压力下非渗透边界模型(L＝0)与部分渗透边界模型(L≠0)所对应的无因次时间tD|L＝0,tD|L。结合注入井注入速率以及储层物性参数，计算真实注入时间tinj|L＝0，tinj|L，进而计算对应的累计注入量Qinj|L＝0,Qinj|L
Figure BDA0004075014710000153
Figure BDA0004075014710000154
Qinj|L＝0＝qinjtinj|L＝0
Qinj|L＝qinjtinj|L
然后，根据非渗透边界模型和部分渗透边界模型的累计注入量，计算相对差值，即可得到对应注入时间与注入压力下储层的泄漏率Linj。
Figure BDA0004075014710000155
本实施例中，根据二氧化碳地质封存目标区块的储层物性参数与对应温压条件下的流体物性参数，建立基于注入井注入压力响应的页岩气藏二氧化碳地质封存潜力及泄漏风险评价流程，具体流程如下：首先，收集目标区块的储层物性参数、流体参数、压裂施工参数，构建对应参数下部分渗透边界多段压裂水平井井底压力响应理论图版，如图5所示，从左至右分别为部分渗透边界多段压力水平井井底压力响应理论图版的双对数形式和线性形式；然后，收集注入井注入动态数据，根据上述公式计算最大注入压力下的二氧化碳封存量，并将注入井的实际压力-注入时间曲线转化为无因次拟压力-无因次时间曲线；然后，采用最小二乘法将转化后的无因次拟压力-无因次时间曲线与所建立的部分渗透边界多段压裂水平井井底压力响应理论图版进行拟合，反演得到储层外边界的储层边界泄漏比L，实现目标区块泄漏风险初步评价；最后，基于注入井无因次拟压力泄漏率变化曲线，结合衰竭页岩气藏二氧化碳泄漏量计算流程，计算各时间点下的储层泄漏率Linj，并绘制储层泄漏率随注入时间的泄漏率变化曲线，从而实现页岩气藏二氧化碳地质封存泄漏风险的实时评价。
以Marcellus页岩气藏多段压裂水平井为例，进行废弃页岩气藏二氧化碳地质封存潜力及泄漏风险评价。结合页岩气藏储层岩石力学参数，设置注入井最大注入压力为20MPa，注入速率为105m3/d。根据建立的页岩气藏二氧化碳地质封存潜力及泄漏风险评价流程，采取如下步骤进行计算：首先结合Marcellus页岩气藏储层物性、流体物性以及注入井动态参数(表1内)建立部分渗透边界多段压裂水平井井底压力响应理论图版；然后，采用上述公式计算最大注入压力下所对应的二氧化碳封存潜力，最大注入压力下的无因次注入时间拟合结果如图6所示；
Figure BDA0004075014710000161
Figure BDA0004075014710000162
然后，将注入动态曲线进行无因次化，计算无因次拟压力-无因次时间曲线，并采用最小二乘法与井底压力响应理论图版进行拟合，如图7所示，可以看出：曲线与理论图版中L＝0.1情况下的压力响应曲线拟合效果较好，目标区块外围断层部分开启，储层泄漏比为0.1。基于无因次拟压力-无因次时间曲线与非渗透边界模型井底压力响应计算泄漏率变化曲线，如图8所示。
本实施例中，建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型，并基于所述部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型建立页岩渗流数学模型；对所述页岩渗流数学模型进行无因次化处理，以得到处理后的数学模型，对所述处理后的数学模型进行计算，以得到注入压力响应解析解；基于所述页岩渗流数学模型和所述注入压力响应解析解建立压力响应理论图版，对注入井注入压力动态曲线与压力响应理论图版进行拟合，以得到储层边界泄漏比；基于所述储层边界泄漏比绘制泄漏率变化曲线，根据所述泄漏率变化曲线对二氧化碳地质封存泄漏风险进行实时评估。本申请基于渗流力学、现代试井理论、数值反演方法，综合考虑页岩气藏多孔介质内气体吸附解吸、Knudsen扩散等复杂渗流与传质过程以及储层外部可渗透边界的渗流特征，建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型与数学模型，进而建立页岩气藏二氧化碳地质封存潜力及泄漏风险评价流程。本发明可以结合目标区块的储层与流体物性参数、注入动态参数对目标区块外边界的渗流特性进行动态反演，并对二氧化碳地质封存潜力与泄漏风险进行快速评价，能够实现对目标区块的泄漏风险进行有效评估，从而为二氧化碳地质封存项目的高效、安全推进提供有力支持。
参见图9所示，本发明实施例公开了一种二氧化碳地质封存泄漏评估装置，具体可以包括：
模型建立模块11，用于建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型，并基于所述部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型建立页岩渗流数学模型；
模型计算模块12，用于对所述页岩渗流数学模型进行无因次化处理，以得到处理后的数学模型，对所述处理后的数学模型进行计算，以得到注入压力响应解析解；
储层边界泄漏比确定模块13，用于基于所述页岩渗流数学模型和所述注入压力响应解析解建立压力响应理论图版，对注入井注入压力动态曲线与压力响应理论图版进行拟合，以得到储层边界泄漏比；
泄漏风险实时评估模块14，用于基于所述储层边界泄漏比绘制泄漏率变化曲线，根据所述泄漏率变化曲线对二氧化碳地质封存泄漏风险进行实时评估。
本实施例中，建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型，并基于所述部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型建立页岩渗流数学模型；对所述页岩渗流数学模型进行无因次化处理，以得到处理后的数学模型，对所述处理后的数学模型进行计算，以得到注入压力响应解析解；基于所述页岩渗流数学模型和所述注入压力响应解析解建立压力响应理论图版，对注入井注入压力动态曲线与压力响应理论图版进行拟合，以得到储层边界泄漏比；基于所述储层边界泄漏比绘制泄漏率变化曲线，根据所述泄漏率变化曲线对二氧化碳地质封存泄漏风险进行实时评估。本申请基于渗流力学、现代试井理论、数值反演方法，综合考虑页岩气藏多孔介质内气体吸附解吸、Knudsen扩散等复杂渗流与传质过程以及储层外部可渗透边界的渗流特征，建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型与数学模型，进而建立页岩气藏二氧化碳地质封存潜力及泄漏风险评价流程。本发明可以结合目标区块的储层与流体物性参数、注入动态参数对目标区块外边界的渗流特性进行动态反演，并对二氧化碳地质封存潜力与泄漏风险进行快速评价，能够实现对目标区块的泄漏风险进行有效评估，从而为二氧化碳地质封存项目的高效、安全推进提供有力支持。
在一些具体实施例中，所述模型建立模块11，具体可以包括：
渗流区域确定模块，用于确定出渗流区域；其中，所述渗流区域包括水力裂缝区、天然裂缝区、页岩基质区；
物理模型建立模块，用于基于所述渗流区域建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型。
在一些具体实施例中，所述模型建立模块11，具体可以包括：
数学模型建立模块，用于基于所述部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型构建出包含页岩基质渗流数学模型和天然裂缝渗流数学模型的所述页岩渗流数学模型。
在一些具体实施例中，所述模型建立模块11，具体可以包括：
无因次化处理模块，用于对所述页岩基质渗流数学模型和所述天然裂缝渗流数学模型进行无因次化处理，以得到包含页岩基质渗流方程和天然裂缝渗流方程的处理后的数学模型。
在一些具体实施例中，所述模型计算模块12，具体可以包括：
压力解确定模块，用于利用拉普拉斯变换方法、点源函数以及势叠加原理对所述处理后的数学模型进行求解计算，以得到拉式空间下的压力解；
注入压力响应解析解确定模块，用于基于所述拉式空间下的压力解进行Stehfest数值反演计算，以得到真实空间的多段压裂水平井井底的注入压力响应解析解。
在一些具体实施例中，所述储层边界泄漏比确定模块13，具体可以包括：
注入动态数据获取模块，用于获取注入井的注入动态数据，以绘制出实际压力-注入时间曲线；
压力响应理论图版确定模块，用于基于目标页岩气藏储层物性、流体物性以及所述注入动态数据建立部分渗透边界多段压裂水平井井底的压力响应理论图版；
二氧化碳封存量计算模块，用于对最大注入压力进行无因次化处理，获得最大无因次注入拟压力，在所述部分渗透边界多段压裂水平井井底的压力响应理论图版中查找所述最大无因次注入拟压力对应的无因次时间并计算实际注入时间，结合实际注入速率和所述实际注入时间计算出二氧化碳封存量。
在一些具体实施例中，所述泄漏风险实时评估模块14，具体可以包括：
储层边界泄漏比确定模块，用于对所述实际压力-注入时间曲线进行无因次化处理，以得到无因次拟压力-无因次时间曲线，采用最小二乘法将所述无因次拟压力-无因次时间曲线与所述压力响应理论图版进行拟合，以得到储层边界泄漏比；
泄漏率变化曲线确定模块，用于根据非渗透边界、所述储层边界泄漏比以及所属无因次拟压力-无因次时间曲线，计算出储层边界泄漏比的泄漏率变化曲线。
图10为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。该电子设备20，具体可以包括：至少一个处理器21、至少一个存储器22、电源23、通信接口24、输入输出接口25和通信总线26。其中，所述存储器22用于存储计算机程序，所述计算机程序由所述处理器21加载并执行，以实现前述任一实施例公开的由电子设备执行的二氧化碳地质封存泄漏评估方法中的相关步骤。
本实施例中，电源23用于为电子设备20上的各硬件设备提供工作电压；通信接口24能够为电子设备20创建与外界设备之间的数据传输通道，其所遵循的通信协议是能够适用于本申请技术方案的任意通信协议，在此不对其进行具体限定；输入输出接口25，用于获取外界输入数据或向外界输出数据，其具体的接口类型可以根据具体应用需要进行选取，在此不进行具体限定。
另外，存储器22作为资源存储的载体，可以是只读存储器、随机存储器、磁盘或者光盘等，其上所存储的资源包括操作系统221、计算机程序222及数据223等，存储方式可以是短暂存储或者永久存储。
其中，操作系统221用于管理与控制电子设备20上的各硬件设备以及计算机程序222，以实现处理器21对存储器22中数据223的运算与处理，其可以是Windows、Unix、Linux等。计算机程序222除了包括能够用于完成前述任一实施例公开的由电子设备20执行的二氧化碳地质封存泄漏评估方法的计算机程序之外，还可以进一步包括能够用于完成其他特定工作的计算机程序。数据223除了可以包括二氧化碳地质封存泄漏评估设备接收到的由外部设备传输进来的数据，也可以包括由自身输入输出接口25采集到的数据等。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
进一步的，本申请实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器加载并执行时，实现前述任一实施例公开的二氧化碳地质封存泄漏评估方法步骤。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种二氧化碳地质封存泄漏评估方法、装置、设备及存储介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种二氧化碳地质封存泄漏评估方法，其特征在于，包括：
建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型，并基于所述部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型建立页岩渗流数学模型；
对所述页岩渗流数学模型进行无因次化处理，以得到处理后的数学模型，对所述处理后的数学模型进行计算，以得到注入压力响应解析解；
基于所述页岩渗流数学模型和所述注入压力响应解析解建立压力响应理论图版，对注入井注入压力动态曲线与压力响应理论图版进行拟合，以得到储层边界泄漏比；
基于所述储层边界泄漏比绘制泄漏率变化曲线，根据所述泄漏率变化曲线对二氧化碳地质封存泄漏风险进行实时评估。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳地质封存泄漏评估方法，其特征在于，所述建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型，包括：
确定出渗流区域；其中，所述渗流区域包括水力裂缝区、天然裂缝区、页岩基质区；
基于所述渗流区域建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳地质封存泄漏评估方法，其特征在于，所述基于所述部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型建立页岩渗流数学模型，包括：
基于所述部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型构建出包含页岩基质渗流数学模型和天然裂缝渗流数学模型的所述页岩渗流数学模型。
4.根据权利要求3所述的二氧化碳地质封存泄漏评估方法，其特征在于，所述对所述页岩渗流数学模型进行无因次化处理，以得到处理后的数学模型，包括：
对所述页岩基质渗流数学模型和所述天然裂缝渗流数学模型进行无因次化处理，以得到包含页岩基质渗流方程和天然裂缝渗流方程的处理后的数学模型。
5.根据权利要求1所述的二氧化碳地质封存泄漏评估方法，其特征在于，所述对所述处理后的数学模型进行计算，以得到注入压力响应解析解，包括：
利用拉普拉斯变换方法、点源函数以及势叠加原理对所述处理后的数学模型进行求解计算，以得到拉式空间下的压力解；
基于所述拉式空间下的压力解进行Stehfest数值反演计算，以得到真实空间的多段压裂水平井井底的注入压力响应解析解。
6.根据权利要求1至5任一项所述的二氧化碳地质封存泄漏评估方法，其特征在于，所述对注入井注入压力动态曲线与压力响应理论图版进行拟合之前，还包括：
获取注入井的注入动态数据，以绘制出实际压力-注入时间曲线；
基于目标页岩气藏储层物性、流体物性以及所述注入动态数据建立部分渗透边界多段压裂水平井井底的压力响应理论图版；
对最大注入压力进行无因次化处理，获得最大无因次注入拟压力，在所述部分渗透边界多段压裂水平井井底的压力响应理论图版中查找所述最大无因次注入拟压力对应的无因次时间并计算实际注入时间，结合实际注入速率和所述实际注入时间计算出二氧化碳封存量。
7.根据权利要求6所述的二氧化碳地质封存泄漏评估方法，其特征在于，所述对注入井注入压力动态曲线与压力响应理论图版进行拟合，以得到储层边界泄漏比，包括：
对所述实际压力-注入时间曲线进行无因次化处理，以得到无因次拟压力-无因次时间曲线，采用最小二乘法将所述无因次拟压力-无因次时间曲线与所述压力响应理论图版进行拟合，以得到储层边界泄漏比；
根据非渗透边界、所述储层边界泄漏比以及所属无因次拟压力-无因次时间曲线，计算出储层边界泄漏比的泄漏率变化曲线。
8.一种二氧化碳地质封存泄漏评估装置，其特征在于，包括：
模型建立模块，用于建立部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型，并基于所述部分渗透边界页岩气藏多段压裂水平井物理模型建立页岩渗流数学模型；
模型计算模块，用于对所述页岩渗流数学模型进行无因次化处理，以得到处理后的数学模型，对所述处理后的数学模型进行计算，以得到注入压力响应解析解；
储层边界泄漏比确定模块，用于基于所述页岩渗流数学模型和所述注入压力响应解析解建立压力响应理论图版，对注入井注入压力动态曲线与压力响应理论图版进行拟合，以得到储层边界泄漏比；
泄漏风险实时评估模块，用于基于所述储层边界泄漏比绘制泄漏率变化曲线，根据所述泄漏率变化曲线对二氧化碳地质封存泄漏风险进行实时评估。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器，用于保存计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序，以实现如权利要求1至7任一项所述的二氧化碳地质封存泄漏评估方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于保存计算机程序；其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的二氧化碳地质封存泄漏评估方法。
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