二氧化碳深含水層隔離的二相滲流模擬與巖石物理學(xué)研究.pdf

1、近百年來氣候的急劇變化引起人們對溫室氣體排放問題的注意，為了遏制全球增暖趨勢，收集人類集中排放的CO2并進(jìn)行地下隔離成為減排對策之一。目前CO2深部隔離儲存的地點(diǎn)和方式可有以下幾種選擇：已廢棄、無商業(yè)開采價值的油氣田、深部煤層、深海隔離、深含水層隔離等。其中CO2深部地下含水層儲存，因其具有隔離儲存空間大、封閉隔離時間長、分布廣易于在排放點(diǎn)位置就近選擇的優(yōu)點(diǎn)，成為目前最受矚目及最具潛力的隔離方法之一。 位于挪威北海中部Sleip

2、ner地區(qū)的Utsira砂層是世界上第一個以商業(yè)為目的大型超臨界CO2深含水層隔離的項目，從1996年開始每年向地下注入約100萬噸CO2，項目開展起來的6年時間里進(jìn)行過3次時延地震，其監(jiān)測資料對科學(xué)研究而言具有十分重要的意義?；诎l(fā)表的數(shù)據(jù)和資料，本文擬對此進(jìn)行更深入的研究工作，繼續(xù)修改流動模型機(jī)制和提出適應(yīng)于二相滲流分布的巖石物理學(xué)模型，為Sleipner地區(qū)CO2深含水層隔離的時延地震某些流體異常提供新的機(jī)制解釋。 針對超

3、臨界CO2地中隔離的多組分多相滲流特點(diǎn)，構(gòu)建了考慮局部非熱均衡效應(yīng)的非等溫兩相滲流THM耦合框架，開發(fā)了有限元模擬程序，以SACS計劃設(shè)立的用于各國模擬程序?qū)Ρ鹊母呕Ｐ蜑锽MT(BenchMarkTest)進(jìn)行程序驗證和核準(zhǔn)，得到了考慮毛細(xì)管力和相對滲透率的兩相非混溶滲流CO2飽和度分布時間演化規(guī)律。由于模擬框架考慮了固液三相非等溫的熱傳遞過程，這為將來模型應(yīng)用考慮相變情況的預(yù)留了拓展空間。 考慮超臨界CO2與地下水的粘度差異

4、，CO2深含水層隔離二相滲流可能產(chǎn)生粘性指進(jìn)現(xiàn)象。對超臨界CO2在含水層中運(yùn)移的兩相流界面非穩(wěn)定粘性指進(jìn)現(xiàn)象進(jìn)行了滲流力學(xué)機(jī)制分析，在二相流THM耦合模型中引入流度比判斷條件下滲透率概率擾動項，將其引入非等溫兩相滲流的有限元模擬中，得到了CO2在運(yùn)移過程中的細(xì)部發(fā)育特征，特別的是CO2中間飽和度區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)粘性指進(jìn)引起的兩相密集交錯帶；基于對由介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)(如滲透率分層和毛管力作用)導(dǎo)致的優(yōu)勢流(或稱溝槽流)指進(jìn)形態(tài)的模擬，本文對三種指進(jìn)

5、的差異及其共同作用下CO2在深含水層中驅(qū)替運(yùn)移特征進(jìn)行了比較分析。 針對裂隙性多孔介質(zhì)，率先提出了含裂隙非均勻介質(zhì)的地震波傳播中波致流體弛豫的尺度效應(yīng)概念。就不同的裂隙空間分布進(jìn)行符合波傳播特點(diǎn)的滲透率尺度效應(yīng)計算，得出“隨弛豫尺度減小，介質(zhì)表觀滲透率參數(shù)增大”的結(jié)論，并基于巖石裂隙間流體動態(tài)弛豫機(jī)制，建立相關(guān)的彈性力學(xué)本構(gòu)方程，以P波衰減為例詳細(xì)分析了巖石介質(zhì)與飽和流體各項參數(shù)對固流耦合的影響，在頻率譜上得到衰減峰雙峰結(jié)構(gòu)，將

6、新模型與相關(guān)孔彈性波動理論模型進(jìn)行了比較；從模型機(jī)制出發(fā)，分析了波在裂隙介質(zhì)中傳播時的流體流動弛豫尺度結(jié)構(gòu)，分析可能存在的非均勻介質(zhì)尺度效應(yīng)對地震波頻率效應(yīng)的影響，利用唯象的含Cole-Cole統(tǒng)計分布Debye模型關(guān)于實模量、虛模量的相關(guān)性特點(diǎn)，獲得滲透率尺度效應(yīng)對弛豫時間分布的影響。本文提出波至弛豫的滲透率尺度效應(yīng)得到了飽和巖石低頻內(nèi)耗儀實驗數(shù)據(jù)的有力驗證。 針對孔隙介質(zhì)兩相非混溶滲流特點(diǎn)，基于DEM微分等效介質(zhì)處理方法，分

7、析和計算了非潤濕相、潤濕相流體分別占據(jù)不同介質(zhì)孔隙空間造成的波速差異，克服了Biot-Gassmann方程等僅憑流體組成分?jǐn)?shù)計算流體飽和巖石平均模量的不足。 針對Sleipner地區(qū)進(jìn)行的世界首例大型商用超臨界CO2深含水層隔離項目的時延地震流體異常機(jī)制解釋問題，論文首先詳細(xì)分析了SACS研究人員在技術(shù)報告和公開發(fā)表文獻(xiàn)中給出解釋中可能存在的矛盾性和不合理性；而后基于本文前面章節(jié)的研究成果進(jìn)行地震正演模擬，結(jié)果表明：本文提出考慮