一种二氧化碳注入多尺度岩体的扰动响应预测方法及系统转让专利
申请号 : CN202111329545.3
文献号 : CN113777278B
文献日 : 2022-03-18
发明人 : 祁生文 , 郑博文 , 黄天明 , 赵海军 , 曹长乾 , 崔振东 , 郭松峰 , 黄晓林
申请人 : 中国科学院地质与地球物理研究所
摘要 :
权利要求 :
1.一种二氧化碳注入多尺度岩体的扰动响应预测方法,其特征在于,所述预测方法包括:
对多尺度岩石基质注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测;所述对多尺度岩石基质注入二氧化碳的扰动响应进行预测包括:对不同压力、温度以及不同注入场景条件下的多尺度岩石基质进行化学响应预测和对不同压力、温度和不同注入场景条件下的多尺度岩石基质进行物理、力学响应预测;
对多尺度岩体结构注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测;所述对多尺度岩体结构注入二氧化碳的扰动响应预测包括:对试验样品尺度岩体结构注入二氧化碳的扰动响应进行预测和对物理模型尺度岩体结构注入二氧化碳的扰动响应进行预测;
对多尺度岩石基质‑岩体结构体系注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测;
所述对物理模型尺度岩体结构注入二氧化碳的扰动响应进行预测具体包括:针对深部咸水层、枯竭的油气藏储层以及深部不可采煤层,考虑典型储层‑盖层及上覆地层的三维岩体结构,概化出能够反映主要岩体结构特征的缩尺物理模型;
利用光敏材料和3D打印技术,构建出多个含有裂缝网络的光敏材料岩体单元;
将所述光敏材料岩体单元堆叠,粘合成大型岩体物理模型,加工非贯通的注入孔;所述注入孔穿越上覆地层、盖层到达储层;
在所述物理模型边界上施加预设的温度、应力直至达到平衡,向注入孔中注入混合有荧光剂的超临界二氧化碳;
利用红外线测量仪实时监测裂缝网络模型中温度的时空响应过程;
利用流体荧光剂分析仪实时监测裂缝网络模型中渗流的时空响应过程;
利用光弹试验实时监测裂缝网络模型中应力的时空响应过程;
利用数字图像法实时监测裂缝网络模型中位移的时空响应过程,获取裂缝网络模型中温度场、渗流场、应力场及位移场参数,实时定量追踪裂缝起裂、扩展、贯通演化过程,监测岩体结构参数、变形强度参数及渗流力学参数的动态变化。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳注入多尺度岩体的扰动响应预测方法,其特征在于,所述对不同压力、温度以及不同注入场景条件下的多尺度岩石基质进行化学响应预测具体包括:
采集深部咸水层、枯竭的油气藏储层以及深部不可采煤层的典型岩石并加工成试样;
采用核磁共振岩芯驱替装置在所述试样中注入超临界二氧化碳;
采用正交实验法,通过核磁共振岩芯驱替装置的加载系统和温控系统模拟不同应力、不同温度以及不同注入场景的工况,实时监测岩石流体化学和同位素组成变化的时空响应过程;
将驱替试验前后的样品加工成适用于微观‑纳观测试成像的样品;
利用扫描电镜装置从微观‑纳观尺度对所述样品进行测试成像;
对比驱替试验前后岩石流体化学和同位素组成的异同。
3.根据权利要求1所述的一种二氧化碳注入多尺度岩体的扰动响应预测方法,其特征在于,所述对不同注入场景条件下的多尺度岩石基质进行物理、力学响应预测具体包括:采集深部咸水层、枯竭的油气藏储层以及深部不可采煤层的典型岩石并加工成试样;
从所述试样端面沿中轴线加工非贯通的注入孔;
向所述注入孔中注入超临界二氧化碳,利用CT扫描岩石多场耦合力学试验系统,结合声发射系统,采用正交试验方法,模拟不同应力、不同温度和不同注入时间的工况,从宏观到微观尺度,通过岩石多场耦合力学试验系统的CT扫描装置,实时监测岩石基质的物质成分、孔隙结构变化的时空响应过程;
利用红外线测温仪,实时监测岩石温度场参数变化的时空响应过程;利用渗流场监测仪,实时监测岩石渗流场参数变化的时空响应过程;利用液压传感器,实时监测二氧化碳注入过程中岩石起裂压力、破裂压力变化的时空响应过程。
4.根据权利要求1所述的一种二氧化碳注入多尺度岩体的扰动响应预测方法,其特征在于,所述对试验样品尺度岩体结构注入二氧化碳的扰动响应进行预测具体包括:采集深部咸水层、枯竭的油气藏储层以及深部不可采煤层的典型岩石并加工成含人工裂缝的试样;
从所述试样端面沿中轴线加工非贯通的注入孔;
向所述注入孔中注入混合有磁性纳米Fe颗粒的超临界二氧化碳,利用CT扫描岩石多场耦合力学试验系统,结合声发射系统,采用正交试验方法,模拟不同应力、不同温度、不同注入时间、不同裂缝面粗糙度、不同裂缝面胶结强度以及注入孔轴线与裂缝面不同夹角的工况,从试验样品尺度,实时监测裂缝面的活化破裂过程;
通过CT扫描岩石多场耦合力学试验系统,开展泵压、温度、流量指标的实时监测;
采用高精度力和位移传感器,实时监测试样压力、轴向位移及径向位移;
采用核磁共振仪,测量不同工况下裂缝面上磁性纳米Fe颗粒的分布并确定裂缝面的活化错动区域;
结合三维激光扫描仪对试验前后裂缝面的形貌进行扫描和三维重构,获取裂缝面三维形貌参数,对比试验前后裂缝面三维形貌参数的异同;
试验过程中实时监测裂缝面岩石矿物及溶液水化学组分变化的时空响应过程,获取不同超临界二氧化碳注入参数的裂缝面粗糙度、张开度、温度、渗流、应力、变形以及化学参数。
5.根据权利要求1所述的一种二氧化碳注入多尺度岩体的扰动响应预测方法,其特征在于,所述对多尺度岩石基质‑岩体结构体系注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测具体包括:
针对深部咸水层、枯竭的油气藏储层以及深部不可采煤层,建立融合储层‑盖层及上覆地层的多尺度岩石基质‑岩体结构体系的多场耦合数值仿真模型;
采用正交数值试验方法,在多尺度岩石基质、多尺度岩体结构注入超临界二氧化碳扰动的响应数据基础上,模拟二氧化碳注入后储层‑盖层岩石基质‑岩体结构体系的纳观‑微观‑细观尺度、试样尺度、物理模型尺度、工程尺度的跨尺度时空响应过程;
根据二氧化碳注入参数、储层‑盖层岩石基质化学物理力学参数间的互馈变化规律,实时监测储层‑盖层岩体结构的扩展变化及二氧化碳的运移分布,获取不同二氧化碳注入参数的储层‑盖层多尺度岩石基质‑岩体结构体系化学场、温度场、渗流场、应力场参数。
6.一种二氧化碳注入多尺度岩体的扰动响应预测系统,其特征在于,所述预测系统包括:
第一响应预测模块,用于对多尺度岩石基质注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测;所述对多尺度岩石基质注入二氧化碳的扰动响应进行预测包括:对不同压力、温度以及不同注入场景条件下的多尺度岩石基质进行化学响应预测和对不同压力、温度和不同注入场景条件下的多尺度岩石基质进行物理、力学响应预测;
第二响应预测模块,用于对多尺度岩体结构注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测;所述对多尺度岩体结构注入二氧化碳的扰动响应进行预测包括:对试验样品尺度岩体结构注入二氧化碳的扰动响应进行预测和对物理模型尺度岩体结构注入二氧化碳的扰动响应进行预测;所述对物理模型尺度岩体结构注入二氧化碳的扰动响应进行预测具体包括:
针对深部咸水层、枯竭的油气藏储层以及深部不可采煤层,考虑典型储层‑盖层及上覆地层的三维岩体结构,概化出能够反映主要岩体结构特征的缩尺物理模型;
利用光敏材料和3D打印技术,构建出多个含有裂缝网络的光敏材料岩体单元;
将所述光敏材料岩体单元堆叠,粘合成大型岩体物理模型,加工非贯通的注入孔;所述注入孔穿越上覆地层、盖层到达储层;
在所述物理模型边界上施加预设的温度、应力直至达到平衡,向注入孔中注入混合有荧光剂的超临界二氧化碳;
利用红外线测量仪实时监测裂缝网络模型中温度的时空响应过程;
利用流体荧光剂分析仪实时监测裂缝网络模型中渗流的时空响应过程;
利用光弹试验实时监测裂缝网络模型中应力的时空响应过程;
利用数字图像法实时监测裂缝网络模型中位移的时空响应过程,获取裂缝网络模型中温度场、渗流场、应力场及位移场参数,实时定量追踪裂缝起裂、扩展、贯通演化过程,监测岩体结构参数、变形强度参数及渗流力学参数的动态变化;
第三响应预测模块,用于对多尺度岩石基质‑岩体结构体系注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测。
说明书 :
一种二氧化碳注入多尺度岩体的扰动响应预测方法及系统
技术领域
背景技术
汇措施。二氧化碳地质封存技术是将工业捕集的二氧化碳以超临界态的形式(温度高于
31.1℃,压力高于7.38MPa)注入到地下深处(800m以深)具有适当封闭条件的地层中进行长
期安全(千年至万年尺度)封存和隔离的过程。超临界二氧化碳注入将会扰动封存场址中的
岩体,使其产生复杂的化学、物理、力学响应。定量预测多尺度岩体对超临界二氧化碳注入
扰动的响应过程,是科学、合理指导封存场地选址的关键。
理、力学方面对超临界二氧化碳注入下岩石基质的孔隙度、渗透率变化规律有了一定认识,
但是没有融合地球化学反应与物理力学作用,因此难以准确预测超临界二氧化碳注入扰动
下岩石基质孔隙度、渗透率及其渗流力学参数的动态变化。对于断裂裂隙而言,前人缺乏大
型物理模拟试验研究,所得单条裂缝的研究结果难以反映岩体中复杂裂缝网络对注入超临
界二氧化碳的响应规律,同时传统室内试验难以实时可视化追踪岩体内部多尺度破裂演化
与气液运移过程。
动下多尺度岩体和渗流力学性质的跨尺度时空演变过程,从而支撑当前二氧化碳地质封存
潜力和适宜性评价的需求。
发明内容
的多尺度岩石基质进行化学响应预测和对不同压力、温度和不同注入场景条件下的多尺度
岩石基质进行物理、力学响应预测;
应进行预测和对物理模型尺度岩体结构注入二氧化碳的扰动响应进行预测;
响应过程;
宏观到微观尺度,通过岩石多场耦合力学试验系统的CT扫描装置,实时监测岩石基质的物
质成分、孔隙结构变化的时空响应过程;
碳注入过程中岩石起裂压力、破裂压力变化的时空响应过程。
同注入时间、不同裂缝面粗糙度、不同裂缝面胶结强度以及注入孔轴线与裂缝面不同夹角
的工况,从试验样品尺度,实时监测裂缝面的活化破裂过程;
参数。
监测岩体结构参数、变形强度参数及渗流力学参数的动态变化。
观‑微观‑细观尺度、试样尺度、物理模型尺度、工程尺度的跨尺度时空响应过程;
入参数的储层‑盖层多尺度岩石基质‑岩体结构体系化学场、温度场、渗流场、应力场参数。
及不同注入场景条件下的多尺度岩石基质进行化学响应预测和对不同压力、温度和不同注
入场景条件下的多尺度岩石基质进行物理、力学响应预测;
体结构注入二氧化碳的扰动响应进行预测和对物理模型尺度岩体结构注入二氧化碳的扰
动响应进行预测;
可进行复杂地质条件下的物理模拟,可实现二氧化碳封存场址多尺度岩体注入扰动响应的
定量分析,为建立二氧化碳注入扰动下封存场址的多尺度岩体物性变化、破裂演化及气液
运移规律的动态预测模型奠定基础。
附图说明
例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图
获得其他的附图。
具体实施方式
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。
景条件下的多尺度岩石基质进行化学响应预测和对不同压力、温度和不同注入场景条件下
的多尺度岩石基质进行物理、力学响应预测。
和温控系统,模拟不同应力(应力值超过7.38MPa,如10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa)、不
同温度(温度值超过31.1℃,如35°C、45°C、55°C、65°C、75°C、85°C、95°C)和不同注入场景
(二氧化碳注入、二氧化碳和水交替注入、饱和二氧化碳溶液等)等工况,从宏观‑细观尺度,
实时监测岩石流体化学和同位素组成等参数变化的时空响应过程;
组成等参数的异同。
20MPa、30MPa、40MPa、50MPa)、不同温度(温度值超过31.1℃,如35°C、45°C、55°C、65°C、75°
C、85°C、95°C)和不同注入时间(超过0.1h,如0.5h、1h、6h、12h、24h)等工况,从宏观到微观
尺度,通过岩石多场耦合力学试验系统的CT扫描装置,实时监测岩石基质的物质成分、孔隙
结构等结构场参数变化的时空响应过程;
测二氧化碳注入过程中岩石起裂压力、破裂压力等应力场参数变化的时空响应过程。
物理模型尺度岩体结构注入扰动进行响应预测。
超过7.38Mpa,如10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa)、不同温度(温度值超过31.1℃,如35°
C、45°C、55°C、65°C、75°C、85°C、95°C)、不同注入时间(时间值超过0.1h,如0.5h、1h、6h、
12h、24h)、不同裂缝面粗糙度、不同裂缝面胶结强度、注入孔轴线与裂缝面不同夹角(如0°、
15°、30°、45°、60°、75°、90°)等工况,从试验样品尺度,实时监测裂缝面的活化破裂过程;
现有的核磁共振仪,测量不同工况下裂缝面上磁性纳米Fe颗粒的分布并确定裂缝面的活化
错动区域;结合三维激光扫描仪对试验前后裂缝面的形貌进行扫描和三维重构,获取裂缝
面三维形貌参数,对比试验前后裂缝面三维形貌参数的异同;并且,试验过程中实时监测裂
缝面岩石矿物及溶液水化学组分等参数变化的时空响应过程,获取不同超临界二氧化碳注
入参数的裂缝面粗糙度、张开度、温度、渗流、应力、变形、化学等参数。
上覆地层)特征的缩尺物理模型。利用光敏材料和3D打印技术,构建出含有裂缝网络的光敏
材料岩体单元若干。将光敏材料岩体单元堆叠、粘合成大型岩体物理模型,加工非贯通的注
入孔(注入孔穿越上覆地层、盖层到达储层)。在物理模型边界上施加设定的温度、应力直至
达到平衡,向注入孔中注入混合有荧光剂的超临界二氧化碳,开展多场耦合条件下岩体结
构与渗流特性的时空响应研究。试验过程中,利用红外线测量技术实时监测裂缝网络模型
中温度的时空响应过程,利用流体荧光剂分析仪实时监测裂缝网络模型中渗流的时空响应
过程,利用光弹试验实时监测裂缝网络模型中应力的时空响应过程,借助数字图像相关技
术实时监测裂缝网络模型中位移的时空响应过程,获取裂缝网络模型中温度场、渗流场、应
力场及位移场等参数,实时定量追踪裂缝起裂、扩展、贯通演化过程,监测岩体结构参数、变
形强度参数及渗流力学参数的动态变化。
究超临界二氧化碳注入扰动下封存场址多尺度岩体的时空响应规律。采用正交数值试验方
法,根据前述方法获取的多尺度岩石基质、多尺度岩体结构注入扰动的响应数据,模拟二氧
化碳注入后储层‑盖层岩石基质‑岩体结构(孔隙‑裂缝‑断裂)体系的纳观‑微观‑细观尺度、
试样尺度、物理模型尺度、工程尺度的跨尺度时空响应过程,研究超临界二氧化碳注入参
数、储层‑盖层岩石基质化学物理力学参数间的互馈变化规律,实时监测储层‑盖层岩体结
构(孔隙‑裂缝‑断裂)的扩展变化及二氧化碳的运移分布,获取不同二氧化碳注入参数的储
层‑盖层多尺度岩石基质‑岩体结构(孔隙‑裂缝‑断裂)体系化学场、温度场、渗流场、应力场
等参数。
以及不同注入场景条件下的多尺度岩石基质进行化学响应预测和对不同压力、温度和不同
注入场景条件下的多尺度岩石基质进行物理、力学响应预测;
品尺度岩体结构注入扰动进行响应预测和对物理模型尺度岩体结构注入扰动进行响应预
测;
而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说
明即可。
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。