CN117079533B - 考虑储层应力时变影响的co2水层埋存的实验装置 - Google Patents

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CN117079533B CN202311332512.3A CN202311332512A CN117079533B CN 117079533 B CN117079533 B CN 117079533B CN 202311332512 A CN202311332512 A CN 202311332512A CN 117079533 B CN117079533 B CN 117079533B
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Abstract

本发明公开提供一种考虑储层应力时变影响的CO2水层埋存的实验装置，该实验装置包括模型框体、以及应力调节系统，模型框体包括模型上盖、模型下盖、侧框、以及旋转结构，所述模型上盖和所述模型下盖围设形成工作腔，所述工作腔两端开口设置，所述侧框盖设在所述工作腔的一端，所述旋转结构设于所述工作腔的另一端，所述模型上盖贯设多个测试孔，所述模型下盖贯设有可开闭的多个注排孔；应力调节系统包括活塞以及塞杆，所述活塞设于所述工作腔且将所述工作腔分隔呈上下排布的上腔和下腔，所述上腔用于填充砂体，所述塞杆与所述活塞连接并伸出所述模型下盖设置。

Description

考虑储层应力时变影响的CO2水层埋存的实验装置
技术领域
本发明属于油气田开发技术领域，具体涉及一种考虑储层应力时变影响的CO2水层埋存的实验装置。
背景技术
随着社会经济的不断发展，全球碳排放呈现逐年递增的趋势，由此导致的温室效应问题日益突出。为有效减少CO2排放，实现“碳达峰”、“碳中和”的目标，碳捕集与地下埋存受到了广泛关注。相对于CO2油气藏埋存、煤层埋存、盐穴埋存等埋存形式，CO2水层埋存具有选址范围广泛、存储空间巨大、约束条件较少等优势，成为目前重要的CO2埋存理论研究和工程应用方向。然而现有技术中缺乏考虑储层应力时变影响的装置以及CO2水层埋存物理模拟。
发明内容
因此，本发明所要解决的是如何提供一种考虑储层应力时变影响的CO2水层埋存的实验装置，旨在解决上述的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种考虑储层应力时变影响的CO2水层埋存的实验装置，所述实验装置包括：
模型框体，包括模型上盖、模型下盖、侧框、以及旋转结构，所述模型上盖和所述模型下盖围设形成工作腔，所述工作腔两端开口设置，所述侧框盖设在所述工作腔的一端，所述旋转结构设于所述工作腔的另一端，所述模型上盖贯设多个测试孔，所述模型下盖贯设有可开闭的多个注排孔；
应力调节系统，包括活塞以及塞杆，所述活塞设于所述工作腔且将所述工作腔分隔呈上下排布的上腔和下腔，所述上腔用于填充砂体，所述塞杆与所述活塞连接并伸出所述模型下盖设置；
其中所述注排孔与所述下腔连通，所述测试孔与所述上腔连通，在所述注排孔注入介质时推动所述活塞向上移动。
优选地，在所述实验装置中，所述注排孔上设有泄压阀；所述模型上盖和模型下盖通过六角螺母固定。
为了实现上述目的，本发明还提供一种基于上述的实验装置的CO2水层埋存的物理模拟方法，包括如下步骤：
控制实验装置的应力调节系统复位、测试实验装置的密封性；
打开上盖，根据目标储层渗透率，选择与之匹配目数的石英砂，将所述石英砂与地层水进行混合，得到湿石英砂，向上腔中分层依次均匀填入所述湿石英砂；
待填入湿石英砂完成后，盖上模型上盖，记录填入石英砂所用地层水的用水量；
通过压力追踪泵向下腔注水，推动活塞上行，以调节上腔内的压力达到第二预设压力后，停止注水，压力追踪泵实时调节模型砂体压实压力使之保持恒定，实现恒定储层应力的模拟。
优选地，在所述CO2水层埋存的物理模拟方法中，所述控制实验装置的应力调节系统复位、测试实验装置的密封性的步骤，包括：
打开实验装置的注排孔，通过测试孔向上腔充注氮气，推动活塞向下移动，使应力调节系统复位；
向上腔中持续注入氮气直至达到第一预设压力，停止注入氮气，关闭注排孔和测试孔的阀门，通过压力传感器记录第一预设时长内砂体压力数据，确保模型压力波动小于5%。
优选地，在所述CO2水层埋存的物理模拟方法中，所述物理模拟方法还包括：
将实验装置旋转90°，使实验装置处于竖立状态；
将实验装置位于底部位的多个测试孔注入地层水，模型下腔中的空气和过量的地层水从实验装置位于高部位的多个测试孔采出；
持续注入地层水直至多个测试孔全部开始产水后停止注入，并将实验装置反向旋转90°，此时实验装置处于回正放平状态；
继续注入地层水至累积注入体积达到模型内砂体外表总体积时停止注入，完成模型砂体饱和地层水过程；
基于完成了模型砂体饱和地层水过程的实验装置，针对不渗透封闭边界或恒压水体边界边界条件下的CO2埋存物理模拟。
优选地，在所述CO2水层埋存的物理模拟方法中，针对不渗透封闭边界的储层；所述基于完成了模型砂体饱和地层水过程的实验装置，针对不渗透封闭边界或恒压水体边界边界条件下的CO2埋存物理模拟的步骤，包括：
将位于模型上盖中心的测试孔作为模拟注入井，模拟实际储层CO2注入井，以预设速度Qc向模型中注入CO2，采用只注不采的方式模拟CO2埋存；
实验过程中CO2注入量和埋存时间，利用时变应力调节系统给模型砂体施加按照对应规律变化的储层应力；
持续提高模型上限压力Pu，并不断向模型中注入CO2，分别记录模型达到不同上限压力时对应累积注气量Vc；根据复杂储层和流体条件下CO2水层埋存效率定量化表征方法，计算CO2绝对埋存比Ea、相对埋存比Er、地下相对埋存比Erf和有效埋存比Ee等表征指标参数，并构建表征指标参数与上限压力Pu相关性图版。
优选地，在所述CO2水层埋存的物理模拟方法中，针对恒压水体边界的储层；所述基于完成了模型砂体饱和地层水过程的实验装置，针对不渗透封闭边界或恒压水体边界边界条件下的CO2埋存物理模拟的步骤，包括：
将位于模型上盖最外侧的四排测试孔作为模拟恒压水体边界并施加回压P；采用回压阀、差压传感器和压力追踪泵控制恒压水体边界压力保持恒定，利用单向阀消除各个测试孔的倒流问题；将位于模型上盖中心的测试孔作为模拟注入井模拟实际储层CO2注入井，以预设速度Qc向模型中注入CO2，采用注采同时进行的方式模拟水体压力为P的恒压水体边界的CO2埋存；
随着实验过程中CO2注入量和埋存时间的变化，采用应力调节系统调节模型砂体8应力并使之按设定规律不断变化，从而实现时变应力的模拟；
用气液分离器分离从模拟恒压边界产出的地层水和CO2，并在气液分离器等仪器和管线上包裹加热带进行定向加热，防止产出CO2降压吸热导致的产出水结冰和堵塞问题。
观测并记录模拟注入井注入压力、地层水产出时间和注入气突破时间；用气体流量计计量不同累积注气量Vin对应累积采气量Vpg，并计算两者差值，即为CO2埋存量Vc；用量筒收集并计量不同累积注气量Vin对应累积产水量Vpw，用以验证CO2埋存量Vc测定结果准确性；在恒压水体边界压力P、地层水矿化度M条件下，构建CO2有效埋存比Ee与累积注气量Vin相关性图版。
优选地，在所述CO2水层埋存的物理模拟方法中，所述物理模拟方法还包括：
对于具有恒压水体边界的储层，已知恒压水体边界压力P、地层温度T和地层水矿化度M前提下，通过查建立的图版即可得最大有效埋存比Ermax，计算可得储层最大CO2埋存量Vcmax。
优选地，在所述CO2水层埋存的物理模拟方法中，根据矿场实际井网部署方式选择对应的测点布置井网，所述井网包括五点法井网、九点法井网、类五点法井网、或者类九点法井网；
其中，
所述五点法井网以模型上盖的最中心的测试孔作为采出井，以最中心的测试孔周围的四个测试孔作为注入井；
所述九点法井网以模型上盖的最中心的测试孔作为采出井，以最中心的测试孔周围的八个测试孔作为注入井；
所述类五点法井网以模型上盖的最中心的测试孔、以及以最中心的测试孔周围的四个测试孔均作为注入井；
所述类九点法井网以模型上盖的最中心的测试孔、以及以最中心的测试孔周围的八个测试孔均作为注入井。
优选地，在所述CO2水层埋存的物理模拟方法中，注入CO2的注气方式包括连续注气、间歇注气、水气交替注入。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供的实验装置，可以为实现CO2水层埋存室内实验模拟，并将其与现场实践相结合，本发明率先提出了以埋存比为核心的CO2埋存效率定量化表征方法；在此基础上，提供了由于地化反应导致的储层应力随时间变化的实验装置和模拟方法；提供了不渗透封闭边界与恒压水体边界等储层边界条件实验模拟方法；提供了不同注入井网形式实验模拟方法；提供了排水注气和水气交替注入等注入方式实验模拟方法。本发明实现了考虑储层应力时变影响的CO2水层埋存物理模拟，并使得复杂条件下CO2水层埋存室内实验研究更加系统化、条理化、清晰化，进一步完善了CO2水层埋存技术方法体系。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供考虑储层应力时变影响的CO2水层埋存的实验装置的示意图。
图2为图1中实验装置另一视角的示意图；
图3为不渗透封闭边界模拟的示意图；
图4为恒压水体边界模拟的示意图；
图5为封闭边界储层CO2相对埋存比Er与上限压力Pu关系图版；
图6为恒压边界储层CO2有效埋存比Ee与累积注气量Vin关系图版；
图7a为CO2埋存在五点法井网物理模拟示意图；
图7b为CO2埋存在九点法井网物理模拟示意图；
图7c为CO2埋存在类五点法井网物理模拟示意图；
图7d为CO2埋存在类九点法井网物理模拟示意图；
图8a为图1中实验装置旋转一角度时的示意图；
图8b为图8a中实验装置排水注气CO2埋存方式物理模拟的示意图；
图9a为排水注气CO2突破时电阻等值线图；
图9b为排水注气CO2突破时压力分布等值线图。
1-旋转结构，2-六角螺母，3-吊装孔，4-模型下盖，5-活塞，6-注排孔，7-密封圈，8-模型砂体，9-侧框，10-模型上盖，11-测试孔，12-第一注入井，13-采出井。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
本发明实施例中术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本发明实施例中术语“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施例中，为了使读者更好地理解本发明而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本发明所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
实施例1
本发明提供一种考虑储层应力时变影响的CO2水层埋存的实验装置，如图1和图2所示，该实验装置包括模型框体、以及应力调节系统，模型框体包括模型上盖10、模型下盖4、侧框9、以及旋转结构1，所述模型上盖10和所述模型下盖4围设形成工作腔，所述工作腔两端开口设置，所述侧框9盖设在所述工作腔的一端，所述旋转结构1设于所述工作腔的另一端，所述模型上盖10贯设多个测试孔11，所述模型下盖4贯设有可开闭的多个注排孔6；应力调节系统包括活塞5以及塞杆，所述活塞5设于所述工作腔且将所述工作腔分隔呈上下排布的上腔和下腔，所述上腔用于填充砂体，所述下腔用于充注流体模拟时变应力，所述塞杆与所述活塞5连接并伸出所述模型下盖4设置；其中所述注排孔6与所述下腔连通，所述测试孔11与所述上腔连通，在所述注排孔6注入介质时推动所述活塞5向上移动。
本发明通过设置实验装置，可以便于后续开展CO2水层埋存的物理模拟实验，同时考虑储层应力变化对CO2水层驱替和埋存的影响，实现储层应力随时间变化的时变模拟，设计并加工了考虑储层应力时变影响的高温高压三维CO2埋存物理模拟实验装置。
所述注排孔6上设有泄压阀。模型上盖10和模型下盖4通过六角螺母2固定。
另外，旋转结构1为旋转轴，通过旋转旋转轴可以实现实验装置的旋转；侧框9与模型上盖10和模型下盖4分别通过密封圈7密封连接；模型上盖10上还设有吊装孔3，便于将模型上盖10吊起，打开模型上盖10。
实施例2
本发明提供一种CO2水层埋存的物理模拟方法，该物理模拟方法是基于实施例1提供的实验装置进行的。
具体地，该CO2水层埋存的物理模拟方法包括如下步骤：
步骤S110，获取目标埋存区域储层中的储层信息，所述储层信息包括储层中部深度H，地下储层平均温度T、平均压力P、地层水矿物组成和矿化度M、储层边界类型；
应该理解的是，储层边界类型包括封闭边界或恒压边界。
步骤S120，根据目标埋存区域的地层水矿物组成，配制地层水；
具体地，根据目标埋存区域地层水矿物组成，配制具有相同矿物成分和矿化度的地层水。
需要说明的是，本发明提到的地层水均是配制的模拟地层水。
步骤S130，打开实验装置的注排孔6，通过测试孔11向上腔充注氮气，推动活塞5向下移动，使应力调节系统复位；
具体地，关闭实验装置所有阀门，打开模型下盖4上的注排孔6上的泄压阀，通过模型上盖10上的中心测试孔11向模型空腔中充注氮气，推动应力调节系统压实活塞5下行，将应力调节系统复位。
步骤S140，向上腔中持续注入氮气直至达到第一预设压力，停止注入氮气，关闭注排孔6和测试孔11的阀门，通过压力传感器记录第一预设时长内砂体压力数据，确保模型压力波动小于5%；
具体地，向上腔中持续注入氮气至第一预设压力P，停止注气，关闭所有阀门。通过压力传感器记录24h内模型压力数据（即上腔压力），确保模型压力波动小于5%，从而确保模型密封性。
步骤S150，打开测试孔11的阀门，排出氮气，将模型上盖10打开；
具体地，打开模型中心测点所连接的阀门，排出模型中氮气。依次拆卸模型上盖10和模型下盖4周边固定的六角螺母2，用辅助吊装设备拉起模型上盖10，将模型打开。
步骤S160，根据目标储层渗透率，选择与之匹配目数的石英砂，将所述石英砂与地层水进行混合，得到湿石英砂，向上腔中分层依次均匀填入所述湿石英砂；
具体地，根据目标储层渗透率选用与之匹配目数的石英砂，将石英砂与地层水混合，向模型中分层依次填入湿石英砂，每填一层用液压系统压实一次，保持填砂的均匀平整。
步骤S170，待填入湿石英砂完成后，盖上模型上盖10，记录填入石英砂所用地层水的用水量；
更具体地，填砂完成后，用辅助吊装设备吊装模型上盖10，将模型边缘所有六角螺母2拧紧，记录模型中石英砂所用地层水的用水量V1，完成模型填砂过程。
步骤S180，通过压力追踪泵向下腔注水，推动活塞5上行，以调节上腔内的压力达到第二预设压力后，停止注水，压力追踪泵实时调节模型砂体8压实压力使之保持恒定，实现恒定储层应力的模拟。
应该理解的是，模型砂体8内部抗压应力δ和应力调节系统通过压实活塞5向砂体施加的压强Pδ相等，因此可以通过改变应力调节系统液压实现对储层应力的实时精确控制。
更具体地，通过压力追踪泵向模型中应力调节系统内部注水，推动压实活塞5上行，从模型底部进一步压实砂体。当应力调节系统压力达到设定压力值后，停止注水，实验过程中通过压力追踪泵实时调节模型砂体8压实压力使之保持恒定，从而实现恒定储层应力的模拟。
对于储层应力随时间变化的情况，应力调节系统的特点在于，通过包含压力追踪泵的压力追踪调节仪器装置向系统内注排水，连续调节模型砂体8压实压力，从而实现储层应力不同变化规律的实时连续模拟。
通过现场获取的岩样开展储层应力对CO2埋存敏感性测定实验，明确储层应力随CO2埋存量和埋存时间变化规律，并构建储层应力与CO2埋存量和埋存时间关系图版。基于该图版和实施例1提供的实验装置，开展CO2水层埋存实验。
针对实验设定的CO2注入量和埋存时间通过查图版得到对应的储层应力及其变化规律，并通过应力调节系统在实验过程中加以实现，从而实现了CO2水层埋存实验过程中储层应力随注入量和埋存时间连续变化的模拟。在此基础上，可以进一步开展储层时变应力影响下CO2埋存机理研究和埋存量预测。
实施例3
在实施例2中模型填砂完成和时变应力调节系统的基础上，开展CO2含水层埋存实验过程。
步骤S210，将实验装置旋转90°，使实验装置处于竖立状态；
步骤S220，将实验装置位于底部位的多个测试孔11注入地层水，模型下腔中的空气和过量的地层水从实验装置位于高部位的多个测试孔11采出；
应该理解的是，将实验装置旋转90°后，实验装置处于竖立状态，此时多个测试孔沿竖立方向排布，即有部分测试孔位于高位，部分测试孔位于低位。至于如何选择位于高位的测试孔的数量或位于低位的测试孔的数量，可以根据具体实验而定。
例如可以是将模型最底部一排的多个测试孔11注入地层水，从模型最上部一排的多个测试孔11排出模型中的空气和过量地层水。
步骤S230，持续注入地层水直至多个测试孔11全部开始产水后停止注入，并将实验装置反向旋转90°，此时实验装置处于回正放平状态；
步骤S240，继续注入地层水至累积注入体积达到模型内砂体外表总体积时停止注入，完成模型砂体8饱和地层水过程；
更具体地，继续注入地层水至累积注入体积达到模型内砂体外表总体积Vf时停止注入，完成模型砂体8饱和地层水过程。
计算注采地层水量差值，记为V2。填砂用水量V1和后续砂体饱和吸水量V2之和即为模型砂体8孔隙体积Vp，记为1 PV。模型砂体8孔隙体积Vp与模型砂体8外表总体积Vf之比即为模型砂体8孔隙度，记为φ。对比模型砂体8孔隙度和实际储层平均孔隙度，确保其在合理的误差范围内。
用时变应力调节系统给砂体施加设定的储层应力并保持恒定。将模型一侧一排测点（即模型上盖10的一侧的多个测试孔11）作为注入井，对侧一排测点（模型上盖10另一侧的多个测试孔11）作为生产井排，模拟一维线性流。用平流泵以恒速Qk从注入井注入地层水并从生产井排采出，监测并记录注采两端压力数据。基于一维单相稳定渗流理论计算模型砂体8液测渗透率Km。确保模型砂体8渗透率Km和目标区块储层平均渗透率KR吻合程度在误差允许范围内。
准备两个耐CO2大容量耐CO2高压储罐，将其与CO2气瓶以及增压泵相连，通过阶梯增压法将气瓶内的低压CO2转移至耐CO2高压储罐内并增压至实验设定压力P。
将上述实验装置、地层水储罐和耐CO2高压储罐分别放入分体式恒温箱，并升温至实验设定温度T。
将两个耐CO2大容量高压储罐与CO2气瓶以及增压泵相连，通过阶梯增压法将CO2气瓶内的低压CO2转移至耐CO2高压储罐内并增压至实验设定压力P（在实验设定温度T条件下）。
基于相似理论，采用运动相似原理将矿场单井注气速度折算为室内模拟井注气速度，记为Qc。
步骤S250，基于完成了模型砂体8饱和地层水过程的实验装置，针对不渗透封闭边界或恒压水体边界边界条件下的CO2埋存物理模拟。
如图3所示，针对具有不渗透封闭边界的储层，所述步骤S250包括：
步骤S251，将位于模型上盖10中心的测试孔11作为模拟注入井，模拟实际储层CO2注入井，以预设速度Qc向模型中注入CO2，采用只注不采的方式模拟CO2埋存。
更具体地，在模拟实际储层不渗透封闭边界时，向位于上盖中心的测试孔11以预设速度Qc注入CO2，模拟实际储层CO2注入过程，只注不采的方式模拟CO2埋存。同时监测并记录注入CO2过程中的累积注气量和注入CO2的测试孔11测点处的注入压力。当注入压力达到上限压力Pu时，此时累积注气量即为具有封闭边界模型在上限压力为Pu时CO2埋存量，记为Vc。
依据实验过程中CO2注入量和埋存时间，利用时变应力调节系统给模型砂体8施加按照对应规律变化的储层应力。
持续提高模型上限压力Pu，并不断向模型中注入CO2，分别记录模型达到不同上限压力时对应累积注气量Vc。根据复杂储层和流体条件下CO2水层埋存效率定量化表征方法，计算CO2绝对埋存比Ea、相对埋存比Er、地下相对埋存比Erf和有效埋存比Ee等表征指标参数，并构建表征指标参数与上限压力Pu相关性图版，如图5所示。对于不渗透封闭边界储层，随着储层上限压力的提高，CO2相对埋存比上升，且两者呈非线性变化规律。同时，储层温度的升高会显著降低CO2水层埋存量。应用到现场实际，对于具有不渗透封闭边界的实际储层，已知埋存上限压力Pu、地层温度T和储层孔隙体积Vp前提下，通过查如图5所示的图版即可得到相对埋存比Er，并通过计算可得储层CO2埋存量Vc，从而实现室内实验成果向现场实际应用的过渡。
其中，绝对埋存比，定义为实际储层岩石孔隙及其中流体埋存的CO2总体积（折算 到地面标况下20℃, 1atm）与储层条件下岩石外表体积之比。绝对埋存比表征了不同物性 储层在不同温度、压力、地层水矿物成分及含量条件下，单位体积储层中不同赋存状态CO2 的绝对埋存量。绝对埋存比的计算公式为：；
相对埋存比，定义为实际储层岩石孔隙及其中流体埋存的CO2总体积（折算到地面 标况下20℃, 1atm）与储层条件下岩石孔隙体积之比。与绝对埋存比不同之处在于，相对埋 存比表征了单位孔隙体积储层中CO2绝对埋存量，其与储层孔隙度负相关。相对埋存比的计 算公式为：；
地下相对埋存比，定义为储层条件下储层岩石孔隙及其中流体CO2埋存量与岩石 孔隙体积之比。该参数表征了CO2埋存过程中对孔隙空间的利用程度。受CO2溶于地层水的影 响，地下相对埋存比与CO2饱和度正相关但不等同。地下相对埋存比的计算公式为：；
有效埋存比，定义为储层岩石孔隙及其中流体有效埋存的CO2总体积（折算到地面 标况下20℃, 1atm）与地面标况条件下CO2累积注入体积之比。考虑到封闭边界储层地层破 裂导致埋存的CO2溢出或恒压边界储层CO2窜流至非埋存区域等实际问题，注入的CO2在目标 储层中不一定能够100%有效埋存。有效埋存比则综合表征了注入CO2中被目标存储介质有 效埋存的比例。有效埋存比的计算公式为：；
Vc为储层中CO2埋存量折算到地面标况下体积，m3。
Vf为储层条件下岩石外表体积，m3。
Vcf为储层条件下CO2埋存体积，m3。
Vp为储层条件下岩石孔隙体积，m3；
Vi为地面标况下CO2累积注入体积，m3。
如图4所示，针对恒压水体边界边界条件下的CO2埋存物理模拟，所述步骤S250包括：
步骤S252，将位于模型上盖10最外侧的四排测试孔11作为模拟恒压水体边界并施加回压P，采用回压阀、差压传感器和压力追踪泵控制恒压水体边界压力保持恒定，利用单向阀消除各个测试孔11的倒流问题，将位于模型上盖10中心的测试孔11作为模拟注入井模拟实际储层CO2注入，以预设速度Qc向模型中注入CO2，采用注采同时进行的方式模拟水体压力为P的恒压水体边界的CO2埋存。
随着实验过程中CO2注入量和埋存时间的变化，采用应力调节系统调节模型砂体8应力并使之按设定规律不断变化，从而实现时变应力的模拟。
用气液分离器分离从模拟恒压边界产出的地层水和CO2，并在气液分离器等仪器和管线上包裹加热带进行定向加热，防止产出CO2降压吸热导致的产出水结冰和堵塞问题。
观测并记录模拟注入井注入压力、地层水产出时间和注入气突破时间。用气体流量计计量不同累积注气量Vin对应累积采气量Vpg，并计算两者差值，即为CO2埋存量Vc。用量筒收集并计量不同累积注气量Vin对应累积产水量Vpw，用以验证CO2埋存量Vc测定结果准确性。
依据本发明提供的复杂储层和流体条件下CO2水层埋存效率定量化表征方法（参照上述给出的计算公式即可），计算具有恒压水体边界储层CO2绝对埋存比Ea、相对埋存比Er、地下相对埋存比Erf和有效埋存比Ee等表征指标参数。这里需要说明的是，在进行上述参数计算时，岩石外表体积Vf为恒压边界内砂体体积，而非全部砂体体积，同理岩石孔隙体积Vp也为恒压边界内砂体孔隙体积。
对于具有恒压水体边界模型，CO2注采同时进行，因此CO2在模型砂体8中的有效埋存量和累积注入量密切相关。鉴于此，在恒压水体边界压力P、地层水矿化度M条件下，构建CO2有效埋存比Ee与累积注气量Vin相关性图版，具体如图6所示。
对于具有恒压水体边界储层，当CO2注入量达到一定量之后储层中CO2会从恒压边界溢出，进入到地下饮用水源或其它非目标埋存储层，造成地层水污染。因此，为提高注入CO2埋存效率同时减小地层水污染，需要根据构建的图版（如图6所示）合理控制CO2累积注入量。
拓展到CO2埋存现场实际应用，对于具有恒压水体边界的储层，已知恒压水体边界压力P、地层温度T和地层水矿化度M前提下，通过查图版（例如图6所示的图版）即可得最大有效埋存比Ermax，计算可得储层最大CO2埋存量Vcmax。现场实际CO2埋存过程中，控制CO2累积注入量不高于最大埋存量Vcmax，即可在CO2不从恒压边界溢出的前提下实现CO2埋存量的最大化和对储层孔隙空间的最高效利用，从而获得最优的埋存效果。
实施例4
现场一般采用大量的井同时进行CO2埋存，多井同时注采时各井的相对位置关系称为井网。基于本发明提供的三维CO2埋存物理模拟模型，根据矿场实际井网部署方式在模型上选择合适测点布置相同井网，从而实现不同井网部署方式的物理模拟。
图7a示意出的是五点法井网，图7b示意出的是九点法井网，图7a和图7b示出的五点法井网和九点法井网使用采出井排水和第一注入井12注气相结合的排水注气模式进行CO2埋存。其中图7a示意出的五点法井网，以模型上盖10的最中心的测试孔11作为采出井，以最中心的测试孔11周围的四个测试孔11作为第一注入井12；图7b示意出的九点法井网，以模型上盖10的最中心的测试孔11作为采出井，以最中心的测试孔11周围的八个测试孔11作为第一注入井12。
还可以是如图7c和7d所示的类五点法井网和类九点法井网，图7c和图7d示出的类五点法井网和类九点法井网仅仅使用第一注入井12注气的注气模式进行CO2埋存。其中图7c示意出的类五点法井网，以模型上盖10的最中心的测试孔11、以及以最中心的测试孔11周围的四个测试孔11均作为第一注入井12；图7d示意出的类九点法井网，以模型上盖10的最中心的测试孔11、以及以最中心的测试孔11周围的八个测试孔11均作为第一注入井12。
对于如何针对不同井网条件进行CO2埋存物理模拟和埋存量测定，只需采用实施例2和实施例3的实验方法即可，在此不再详述。
实施例5
本发明可以实现不同边界条件、构造类型、注采井网形式等因素约束下连续注气、间歇注气、水气交替注入和排水注气等多种CO2水层埋存注入方式的物理模拟。
基于上述实施例，本发明还可以实现不同边界条件、构造类型、注采井网形式等因素约束下连续注气、间歇注气、水气交替注入和排水注气等多种CO2水层埋存注入方式的物理模拟，具体实现方法为：
（1）连续注气
对于均质储层或非均质性较弱的储层，可采用连续注气的方式进行CO2水层埋存。针对图3和图4所示封闭边界和恒压边界，采用图7a至7d所示不同井网形式，连续向目标水层中注入CO2，从而实现连续注气的物理模拟。
（2）间歇注气
为解决低渗储层压力波传导慢，或边底水油藏水体水侵系数较小反向水侵过慢导致的憋压问题，在连续注气的基础上，循环采用连续注气-停注泄压的方式向目标水层中注入CO2，即可实现间歇注气的物理模拟。
（3）水气交替注入
对于非均质较强的储层，为防止注入气窜流导致的CO2快速突破，可采用水气交替注入的方式进行CO2埋存。针对图3和图4所示封闭边界和恒压边界，采用图7a至7d所示不同井网形式，向目标水层循环注入CO2和水段塞，从而实现水气交替注入的物理模拟。
（4）排水注气
对于封闭边界储层或水体能量较强的恒压边界储层，为提高CO2埋存效率和埋存量，可采用排水和注气相结合的方式进行CO2埋存。
如图8a所示，利用实验装置中的旋转结构1，将CO2埋存模型顺时针旋转角度θ，模拟地层倾角为θ的含水层；利用模型上盖10最右侧一排的多个测试孔11作为地层水排出井排，模拟地层水从构造低部位排出过程；利用模型最左侧一排的多个测试孔11作为CO2注入井排，模拟从构造高部位向水层注入CO2过程。上述过程即为任意地层倾角的封闭边界断块储层排水注气CO2埋存方式物理模拟方法。此外，基于实施例4也可实现不同井网形式排水注气CO2埋存方式物理模拟。
实例1
某火力发电厂附近有一被断层控制的地下含水层，整体上呈大面积延展分布的平板状构造，地层倾角15°，平面面积5.06km2，平均层厚20m。断层封闭，盖层和底层密封性良好。水层埋深1100m，水层中部压力12MPa，CO2埋存上限压力15MPa，平均地层温度53℃，取心资料显示该含水层岩石平均孔隙度为0.28，平均渗透率153mD。拟将燃煤发电产生的CO2进行地下封存，要求通过室内实验评价该含水层采用排水注气方式时CO2埋存潜力。
基于实施例2，结合目标含水层物性参数，通过调整不同目数石英砂配比，填制出孔隙度为0.29，渗透率为167mD的CO2埋存砂体模型，模型外表空间体积Vf=0.05m3，孔隙体积1PV=0.0145 m3。通过分体式恒温箱保持模型温度为含水层温度53℃。通过控制出口端回压为12MPa模拟含水层高压环境。通过应力调节系统控制砂体围压从实验开始时12MPa逐步升高至实验结束时的15MPa，从而实现储层应力随时间变化的实时精确模拟。
基于实施例3和实施例4，设计CO2水层埋注入井和地层水排出井排各一，其它测试孔监测电阻和压力变化，从而实现封闭边界储层正对排状井网物理模拟。
基于实施例5，通过模型旋转轴将平板模型顺时针旋转15°，模拟地层倾角为15°的目标含水层。在此基础上基于图8b所示注采井排设计，实现排水注气CO2埋存方式物理模拟。
通过注入井排向模型中注入CO2，采用气体流量计以88.65L/min（标状下）速度恒速注入。同时以300ml/min速度从生产井排采出地层水，保持注采比为1。CO2累积注入量达到0.27PV时注入气突破。此时的电阻和压力分布图如图9a和9b所示。
图9a表征了排水注气时注入CO2波及规律，受砂体非均质性的影响，注入CO2舌进现象明显。由此导致注入CO2过早从排水井突破产出，降低了CO2埋存效率。相对而言，由于压力波传播速度相对较快，压力分布更为均衡（图9b）。此外，基于此方法还可以继续深入研究地层倾角、注入速度等地质开发因素对注入CO2分布和埋存量影响规律。
在定性研究的基础上，基于本发明提出的复杂储层和流体条件下CO2水层埋存效率定量化表征方法，开展封闭边界储层正对排状井网排水注气CO2埋存效率定量化计算。
地下含水层条件下（53℃，12MPa）CO2密度为536.41 kg/m3；地面标况条件下（20℃，0.1MPa）CO2密度为1.8152 kg/m3，由此可得地下含水层条件和地面标况条件下CO2埋存体积折算系数为295.5。
则绝对埋存比、相对埋存比、地下相对埋存比、有效埋存比计算结果分别为：
上述计算结果表明，单位砂体体积CO2埋存量为23.14（标况下），单位砂体孔隙体积CO2埋存量为79.79（标况下）；单位砂体孔隙体积储层条件下CO2埋存量为0.27，即储层孔隙空间利用率为27%；有效埋存比为1，表明注入CO2全部被埋存，若部分CO2从产出井或储层密封性弱的部位溢出，则有效埋存比会随之降低。
基于实验测定的相对埋存比（Er=79.79），结合容积法计算的目标含水层孔隙体积，则可计算出目标含水层CO2埋存潜力为：
。
CO2埋存上限压力设定为15MPa，该具有封闭边界的目标含水层采用正对排状井网排水注气方式埋存时，预计CO2埋存潜力为22.61亿方（标况下），折合减少164.17万吨标准煤的二氧化碳排放量。
上述过程即为基于本发明专利在实际CO2埋存评价中的应用过程与方法。本发明专利所述装置及方法为CO2埋存室内实验研究和现场应用提供了良好的基础。
显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，可以做出其它不同形式的变化或变动，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于实验装置的CO2水层埋存的物理模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
控制实验装置的应力调节系统复位、测试实验装置的密封性；
打开上盖，根据目标储层渗透率，选择与之匹配目数的石英砂，将所述石英砂与地层水进行混合，得到湿石英砂，向上腔中分层依次均匀填入所述湿石英砂；
待填入湿石英砂完成后，盖上模型上盖，记录填入石英砂所用地层水的用水量；
通过压力追踪泵向下腔注水，推动活塞上行，以调节上腔内的压力达到第二预设压力后，停止注水，压力追踪泵实时调节模型砂体压实压力使之保持恒定，实现恒定储层应力的模拟；
所述物理模拟方法还包括：
将实验装置旋转90°，使实验装置处于竖立状态；
将实验装置位于底部位的多个测试孔注入地层水，模型下腔中的空气和过量的地层水从实验装置位于高部位的多个测试孔采出；
持续注入地层水直至多个测试孔全部开始产水后停止注入，并将实验装置反向旋转90°，此时实验装置处于回正放平状态；
继续注入地层水至累积注入体积达到模型内砂体外表总体积时停止注入，完成模型砂体饱和地层水过程；
基于完成了模型砂体饱和地层水过程的实验装置，针对不渗透封闭边界或恒压水体边界边界条件下的CO2埋存物理模拟；
针对不渗透封闭边界的储层；所述基于完成了模型砂体饱和地层水过程的实验装置，针对不渗透封闭边界或恒压水体边界边界条件下的CO2埋存物理模拟的步骤，包括：
将位于模型上盖中心的测试孔作为模拟注入井，模拟实际储层CO2注入井，以预设速度Qc向模型中注入CO2，采用只注不采的方式模拟CO2埋存；
实验过程中CO2注入量和埋存时间，利用时变应力调节系统给模型砂体施加按照对应规律变化的储层应力；
持续提高模型上限压力Pu，并不断向模型中注入CO2，分别记录模型达到不同上限压力时对应累积注气量Vc；根据复杂储层和流体条件下CO2水层埋存效率定量化表征方法，计算CO2绝对埋存比Ea、相对埋存比Er、地下相对埋存比Erf和有效埋存比Ee表征指标参数，并构建表征指标参数与上限压力Pu相关性图版；
其中，所述实验装置，包括：
模型框体，包括模型上盖、模型下盖、侧框、以及旋转结构，所述模型上盖和所述模型下盖围设形成工作腔，所述工作腔两端开口设置，所述侧框盖设在所述工作腔的一端，所述旋转结构设于所述工作腔的另一端，所述模型上盖贯设多个测试孔，所述模型下盖贯设有可开闭的多个注排孔；
应力调节系统，包括活塞以及塞杆，所述活塞设于所述工作腔且将所述工作腔分隔呈上下排布的上腔和下腔，所述上腔用于填充砂体，所述塞杆与所述活塞连接并伸出所述模型下盖设置；
其中所述注排孔与所述下腔连通，所述测试孔与所述上腔连通，在所述注排孔注入介质时推动所述活塞向上移动。
2.如权利要求1所述的CO2水层埋存的物理模拟方法，其特征在于，所述控制实验装置的应力调节系统复位、测试实验装置的密封性的步骤，包括：
打开实验装置的注排孔，通过测试孔向上腔充注氮气，推动活塞向下移动，使应力调节系统复位；
向上腔中持续注入氮气直至达到第一预设压力，停止注入氮气，关闭注排孔和测试孔的阀门，通过压力传感器记录第一预设时长内砂体压力数据，确保模型压力波动小于5%。
3.如权利要求1所述的CO2水层埋存的物理模拟方法，其特征在于，针对恒压水体边界的储层；所述基于完成了模型砂体饱和地层水过程的实验装置，针对不渗透封闭边界或恒压水体边界边界条件下的CO2埋存物理模拟的步骤，包括：
将位于模型上盖最外侧的四排测试孔作为模拟恒压水体边界并施加回压P；采用回压阀、差压传感器和压力追踪泵控制恒压水体边界压力保持恒定，利用单向阀消除各个测试孔的倒流问题；将位于模型上盖中心的测试孔作为模拟注入井模拟实际储层CO2注入井，以预设速度Qc向模型中注入CO2，采用注采同时进行的方式模拟水体压力为P的恒压水体边界的CO2埋存；
随着实验过程中CO2注入量和埋存时间的变化，采用应力调节系统调节模型砂体应力并使之按设定规律不断变化，从而实现时变应力的模拟；
用气液分离器分离从模拟恒压边界产出的地层水和CO2，并在气液分离器和管线上包裹加热带进行定向加热，防止产出CO2降压吸热导致的产出水结冰和堵塞问题；
观测并记录模拟注入井注入压力、地层水产出时间和注入气突破时间；用气体流量计计量不同累积注气量Vin对应累积采气量Vpg，并计算两者差值，即为CO2埋存量Vc；用量筒收集并计量不同累积注气量Vin对应累积产水量Vpw，用以验证CO2埋存量Vc测定结果准确性；在恒压水体边界压力P、地层水矿化度M条件下，构建CO2有效埋存比Ee与累积注气量Vin相关性图版。
4.如权利要求3所述的CO2水层埋存的物理模拟方法，其特征在于，所述物理模拟方法还包括：
对于具有恒压水体边界的储层，已知恒压水体边界压力P、地层温度T和地层水矿化度M前提下，通过查建立的图版即可得最大有效埋存比Ermax，计算可得储层最大CO2埋存量Vcmax。
5.如权利要求1至4任意一项所述的CO2水层埋存的物理模拟方法，其特征在于，根据矿场实际井网部署方式选择对应的测点布置井网，所述井网包括五点法井网、九点法井网、类五点法井网、或者类九点法井网；
其中，
所述五点法井网以模型上盖的最中心的测试孔作为采出井，以最中心的测试孔周围的四个测试孔作为注入井；
所述九点法井网以模型上盖的最中心的测试孔作为采出井，以最中心的测试孔周围的八个测试孔作为注入井；
所述类五点法井网以模型上盖的最中心的测试孔、以及以最中心的测试孔周围的四个测试孔均作为注入井；
所述类九点法井网以模型上盖的最中心的测试孔、以及以最中心的测试孔周围的八个测试孔均作为注入井。
6.如权利要求5所述的CO2水层埋存的物理模拟方法，其特征在于，注入CO2的注气方式包括连续注气、间歇注气、水气交替注入。
7.如权利要求1所述的CO2水层埋存的物理模拟方法，其特征在于，所述注排孔上设有泄压阀；所述模型上盖和模型下盖通过六角螺母固定。
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