泥岩盖层对CO2圈闭的细观性特征及模型研究

论文摘要

目前,二氧化碳含量的日益增加被公认为是导致全球范围内的温度升高的主要原因。控制地球温度变化,减少大气中的二氧化碳含量任重道远。捕捉大气中的二氧化碳并输送至地下深部进行储存已经过多方面的论证和实践,被认为是减少大气二氧化碳含量的有效方式。在实际工程中,二氧化碳一般被封存至1500~3000米范围内的地层深度处,二氧化碳将处于超临界状态,其性质发生较大的变化。大量的二氧化碳在短时间内注入地下后,引起孔隙流体压力的迅速升高,为保证二氧化碳能够持续稳定的注入以及长时间稳定的在地下封存,这就要求盖层岩石具有较好的圈闭性。一方面二氧化碳由于浮力作用向上迁移,积累在盖层泥岩底部,与盖层岩石孔隙内的咸水形成较高的压强差,导致二氧化碳克服泥岩的毛细管阻力突破进入盖层岩石,引发泄露的可能;另一方面,由于孔隙流体压力的积累,导致岩石发生形变,导致岩石的孔隙结构的变化以及微裂隙的扩展岩进而导致孔隙和渗透性的变化。深埋于地下的储盖层岩石受其二氧化碳注入扰动的影响,其本身的性质参数也将随之变化,超临界二氧化碳的反复入侵,其化学溶蚀作用会对岩石的孔隙结构和封闭性造成影响已有不少学者对其进行研究,在力学的对其孔隙结构的改造作用以及封闭能力的影响虽然也同样不能忽视。然而目前针对二氧化碳地质封存问题力学方面的研究主要集中在宏观层面,细致到孔隙级的力学效应研究涉猎甚少,另外在研究中,岩石的非均质性特征及其对盖层圈闭性的影响也往往遭到忽视。本文从盖层岩石的实验入手,通过突破压力测试和孔隙率和渗透率测试对岩石的封闭能力进行初步判断,并在高压二氧化碳突破岩石样品后再次进行孔隙率和渗透率测试和波速测试以其参数变化反应岩石内部孔隙的损伤情况;针对盖层岩石突破压力的测定方法繁琐耗时的弊端,探究岩石突破压力参数与岩石孔隙度、渗透率、密度、比表面积、孔吼半径、有机碳总量等众多参数之间的关系,通过建立神经网络模型可以对大范围,多数量的岩石突破压力参数进行高效预测;通过对盖层泥岩样品进行不同尺度、不同分辨率条件的显微CT扫描,研究了岩石孔隙在不同尺度条件下的非均质分布特征,并根据孔隙的非均质分布,计算出岩石孔隙率在空间上的非均质分布规律;随后利用数值模型的方法分别研究了岩石的孔隙率和渗透率参数的非均质分布对岩石的突破压力参数的影响,以及超临界二氧化碳在岩石孔隙内的运移特征,最后上升至场地模型,建立场地孔隙率和渗透率均质和非均质模型,分别从二氧化碳注入后的应力分布,二氧化碳的运移情况,以及地层岩石的破坏情况对盖层对注入的二氧化碳的圈闭性进行分析。对盖层岩石的突破压力测试结果表明,处于鄂尔多斯碳封存场地的四大目标储层的突破压力值随深度增加而增加,与岩石的孔隙度和渗透率的大小密切相关。并且通过气体突破前后对比结果表明,气体在突破过程中会对岩石的孔隙有一定的改造和损伤的作用,导致渗透率增大,封闭能力降低,并且对于脆性较高的岩石,岩石内部孔隙结构更易于受到过高孔隙流体压力的破坏。进一步通过数据搜集的方法搜集大量与岩石封闭能力相关的参数,深刻探究岩石的突破压力与其他相关参数结果表明:岩石的突破压力与压汞法确定的岩石吼道半径以及岩石的渗透率关系最为紧密,与岩石的孔隙度和比表面积相关性次之,与岩石本身的密度和所处的深度以及TOC含量相关性较差。综合考虑岩石的吼道半径、渗透率、孔隙率、比表面积等参数通过建立数学模型的方法对盖层岩石进行突破压力预测能够取得良好的预测效果。为进一步探究岩石微观孔隙结构的封闭特性,我们分别利用微米CT和纳米CT在不同的尺度下对岩石的孔隙进行了观测对比,结果表明,同样的岩块,观测尺度越小,岩石孔隙的非均质性就越强,并且在不同的尺度范围内,岩石的孔径分布呈双峰状分布:在1~5微米的范围内,岩石孔径集中在1.5微米左右,在0.05~0.5微米范围内,岩石孔径在0.15微米左右分布相对集中;在联通性上,微米CT观测下的大孔隙的配位数为2,纳米CT观测下的小孔隙配位数仅为0.12,说明在连通性上,大孔隙要远好于小孔隙。由于岩石孔隙的非均质分布,岩石的孔隙度以及渗透率在空间上也存在着随空间位置的变化而变化的情况,岩石的这项孔隙率和渗透率非均质特性也必将对盖层岩石的封闭性造成一定的影响。数值模拟技术为探究岩石各个性质对其封盖能力的影响提供了便利,基于以上观察,我们将岩石的孔隙率和渗透率非均质特性赋予模拟二氧化碳突破盖层岩石的网格上,模拟结果表明,盖层岩石孔隙率和渗透率非均质性对注入其中的二氧化碳表现出多方面的不利作用,1)在注入时间较长的情况下,低渗透区能对二氧化碳的迁移路径形成一定的遮挡作用,抑制二氧化碳向远处迁移;2)由于迁移受阻,因而导致孔隙压力更高的积累,导致更多二氧化碳的侵入盖层;3)积累的高孔压也导致地层的有效压力降低更多,地层变形量以及破坏的可能性增加。因此本文在力学的角度针对盖层岩石的孔隙结构非均质性对其圈闭能力的影响的研究对于实际二氧化碳地质储存工程中盖层封闭性评价具有重要的借鉴意义。

论文目录

• 中文摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 选题科学依据
•     1.1.1 研究背景
•     1.1.2 选题依据
•   1.2 国内外研究现状
• 2地质封存项目开展现状'>    1.2.1 CO₂地质封存项目开展现状
•     1.2.2 盖层封闭性研究现状
•     1.2.3 岩石CT研究现状
• 2地质封存的数值模拟研究现状'>    1.2.4 针对CO₂地质封存的数值模拟研究现状
•   1.3 技术路线
•   1.4 创新点
• 第二章 泥岩突破压力测试及突破机理分析
•   2.1 盖层封闭机理
•     2.1.1 浓度封闭
•     2.1.2 压力封闭
•     2.1.3 毛细管压力封闭原理
•   2.2 地质背景及样品来源
•     2.2.1 区域地质构造特征
•     2.2.2 地层特征
•     2.2.3 样品来源
•   2.3 测试原理及设备简介
•     2.3.1 突破压力测试
•     2.3.2 孔隙度及渗透率测试
•     2.3.3 声波特性测试
•   2.4 测试结果及分析
•     2.4.1 测试结果
•   2.5 分析和讨论
•   本章小结
• 第三章 突破压力预测研究
•   3.1 数据来源
•   3.2 突破压力影响因素相关性分析
•     3.2.1 突破压力与渗透率的关系
•     3.2.2 突破压力与孔隙率的关系
•     3.2.3 突破压力与最大吼道半径的关系
•     3.2.4 突破压力与比表面积的关系
•     3.2.5 突破压力与密度和深度的关系
•     3.2.6 突破压力与TOC的关系
•   3.3 基于神经网络算法的泥岩突破压力预测
•     3.3.1 神经网络模型简介
•     3.3.2 BP神经网络预测模型建立
•     3.3.3 BP神经网络模型的预测与分析
•   本章小结
• 第四章 基于显微CT扫描的岩石微观结构研究
•   4.1 设备描述及原理
•     4.1.1 设备描述
•     4.1.2 测试样品
•   4.2 岩石微观孔隙特征研究
•     4.2.1 CT扫描结果
•     4.2.2 孔隙孔吼的识别及统计
•     4.2.3 基于CT图像切片的岩石孔隙率非均质性分析
•   本章小结
• 第五章 实验室尺度突破压力数值模拟研究
•   5.1 方法介绍
•     5.1.1 数值模拟器的介绍
•     5.1.2 控制方程
•     5.1.3 实现随机场分布
•   5.2 概念模型的建立
•     5.2.1 非均质的空间分布设置
•     5.2.2 模型网格剖分和边界条件
•   5.3 模拟结果与讨论
• 2突破过程机理分析'>    5.3.1 基于数值模拟的CO₂突破过程机理分析
• 2在泥岩中突破运移的影响'>    5.3.2 非均质性对CO₂在泥岩中突破运移的影响
•   本章小结
• 2地质封存力学效应模拟'>第六章 鄂尔多斯示范区CO₂地质封存力学效应模拟
•   6.1 鄂尔多斯场地石千峰组概念模型建立
•     6.1.1 网格剖分
•     6.1.2 初始条件和边界条件
•   6.2 结果及分析
• 2运移情况分析'>    6.2.1 CO₂运移情况分析
• 2注入力学效应分析'>    6.2.2 CO₂注入力学效应分析
•   本章小结
• 第七章 结论及展望
•   7.1 结论
•   7.2 展望
• 参考文献
• 作者简介及科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 郝术仁

导师: 张延军

关键词: 地质封存,突破压力,封闭能力,岩石,数值模拟

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,石油天然气工业

单位: 吉林大学

基金: 中国地质调查局项目“二氧化碳地质储存机理与评价预测”(项目编号:12120113006300),高等学校博士点专项科研基金项目“地下含 CO2 多相流体作用泥岩破裂数值模拟与评估研究”(项目编号:20110061110055),国家重点研发计划项目“压裂监测与人工储层裂隙网络评价”(项目编号:2018YFB1501803-02),吉林省省校共建计划专项“深部地热资源(含干热岩)勘查与开发利用”(项目编号:SF2017-5)

分类号: P618.13

总页数: 156

文件大小: 8216K

下载量: 123