THM耦合条件下CO_(2)地质封存注入方案优化研究 (1).pdf
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1、书书书 工程地质学报 ()龚耕,李毅,唐栋,等 耦合条件下 地质封存注入方案优化研究 工程地质学报,():,():耦合条件下 地质封存注入方案优化研究龚耕李毅唐栋喻浩蒋中明(长沙理工大学,水利与环境工程学院,长沙 ,中国)(长沙理工大学,水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,长沙 ,中国)摘要我国首个 示范工程神华多储层场地出现了单储层吸气量剧增的现象,在其原设计方案下,压缩后变冷的 被注入至深部高温含水层中,引起首层含水层中流体压力和温度应力急剧变化,从而导致大量裂隙产生,增加了单储层的可注入性的同时,降低了系统总体封存能力,并带来了泄露风险。本文基于 三维多相多组分 耦合数值模拟程序,开发
2、了场地尺度岩体开裂模块来研究 注入方案对目标含水层耦合特性和开裂特性的综合影响,并设计了定速率、先增速后定速、间歇定速、间歇变速、二次变速等多类型注入方案,分别计算分析了储层岩体的热力学特性、多相流特性与开裂情况。结果表明:设计方案下含水层产生了较多的开裂现象,是导致其可注入性增大的根本原因,持续注入 引起含水层岩体中有效应力大幅度降低,渗透率增加,定速率方案产生的温度应力最小,在设计各类注入方案中,定速率注入方案下储层的裂缝发育最少。关键词 耦合;二氧化碳地质封存;数值模拟;开裂中图分类号:文献标识码:收稿日期:;修回日期:基金项目:湖南省教育厅科学研究重点项目(资助号:),湖南省自然科学基
3、金项目(资助号:),国家自然科学基金(资助号:)(),()()第一作者简介:龚耕(),男,硕士生,主要从事岩土体多场多相耦合方面的研究 :通讯作者简介:李毅(),男,博士,副教授,主要从事水利与岩土工程方面的教学与研究工作 :(,)(,),;引言碳封存()是解决全球气候变暖的重要手段之一,神华 示范项目是我国第 个在含水层地质储存二氧化碳的试点项目,也是第 个从捕获到储存的全链条煤基 试点项目。在长达 年的 注入过程中,神华 场地观测到了一些较为独特的现象,在 层可吸收 的含水储层中,最上两层(第 层和第 层)的 吸收量远大于其下伏 层的吸收量,通过对监测数据的分析发现,因压缩后 温度降低,当
4、注入到上两层储层后引起了强烈的热力耦合效应,出现了开裂情况,致使储层岩体渗透率增大,使其可吸收性剧增(,)。在场地尺度的注入操作中 的注入速率和温度是影响封存安全的重要因素,长时间注入至吸收层会引起裂隙及岩石基质的应力场发生改变,产生强烈的 耦合效应,注入方案在很大程度上决定了井筒及储层温度压力变化,为此需要通过深入研究注入方案对储层耦合特性和开裂等因素的影响,来指导实际的场地注入操作工作。深入研究二氧化碳地质封存过程中涉及到的复杂岩体热 流 固()耦合过程,对保障 工程安全运行具有重要的现实意义和广泛应用前景,国内外学者对于岩土体的 耦合问题进行了较多研究。陈益峰等()基于连续介质力学原理和
5、混合体理论建立了多孔介质多相流 全耦合数学模型,揭示了多场耦合机制,为进一步的耦合研究奠定了基础。()基于热固结原理提出了饱和多孔介质的 耦合基本控制方程,但他忽略了热交换和岩石温度变化对岩石力学性质的影响。(),()结合 和 代码开发了 耦合程序,解决了模拟多孔介质裂隙岩石中的多相渗流、热传导及变形的问题。随后为解决岩土体地下工程中的 耦合问题,众多耦合模型被开发。雷宏武等(,)结合 固结理论,建立了 耦合模型,之后他又将 固结理论和莫尔 库仑破坏判定准则结合建立了 耦合模型,采用积分有限差分和有限元联合的空间离散方法开发了 模拟器 。于子望等()通过搭接 和 实现了多相多组分流的 耦合过程
6、计算分析。这些都是用来解决多场耦合问题的重要数值模拟工具,但是针对解决耦合开裂模拟问题的数值模拟工具还鲜有研究。在 耦合下工程岩体常伴随着裂隙萌生、扩展及其相互贯通,成为威胁工程岩体安全性和稳定性的主要因素。注入致裂则是其中的一种常见的情况,广泛发生在注水、注气、抽采的油藏或气藏中,关于这方面已有较多的研究。早期以简单解析模型研究为主,()提出了一种半解析模型,用于预测注水期间注水诱发的裂缝扩展,然而,该模型忽略了热应力并且没有讨论地层和注入流体之间的热传递。()通过将流动性能与断裂力学耦合起来提出了著名的三区域模型,该模型在后来的水驱诱发裂缝研究中得到了高度引用。随后发展到最近的流动性能和地
7、质力学耦合复杂的模拟程序,在前人的基础上,提出量化 储存过程中热驱动裂缝的几何形状,发现高注入速率和注入冷流体会导致岩石裂隙扩展最终达到力学平衡而停止增长(,;,)。刘泉声等()通过分析裂隙对 耦合的重要控制作用,提出了在 耦合中考虑裂隙网络扩展演化及模拟的关键问题。李琦等()通过在三场耦合方程中导入损伤变量建立岩石损伤过程中的热孔弹耦合模型,发现较高速率的注入会引起岩石的受拉破裂并导致拉伸损伤范围的扩大,()龚耕等:耦合条件下 地质封存注入方案优化研究但并未考虑注入速率变化带来的影响。虽然目前相关的研究关注到了热应力和孔隙压力变化带来的注入致裂问题,但是对于具体工程中不同注入方案引起的耦合开
8、裂问题还需深入研究。针对上述问题,本文以神华 示范项目为背景,在 的 耦合计算程序基础上,开发岩石在热 水 力作用下开裂模块,探索我国唯一的 工程中,其多储层含水层中的首层出现可注入性突然增大现象的原因。同时,模拟不同注入方案下 工程储层岩体中的水力学和热动力学特性、耦合效应及开裂情况,探究不同注入方案下的地层响应,旨在为其他 封存工程优化注入方案。理论模拟方法 耦合控制方程在多场耦合条件下研究岩石中的多相流问题,常采用温度场与流体场直接耦合计算再与应力场间接耦合计算的方法。本次研究采用的计算工具是结合开裂模型和 程序开发的耦合开裂模拟器。在耦合求解方面,是美国劳伦斯伯克利国家实验室 等人开发
9、了结合热水耦合()程序 和力学分析软件 的三维多组分多相 耦合数值模拟程序,该程序被广泛的应用在 地质封存、核废料处理、地热能利用等领域的耦合分析,具有较好的再开发条件。在 中,对于每种流体组分的总质量平衡是由各相累积而成的(表示为气相,表示为液相),对于一种组分(例如:表示空气,表示水,表示 ):?()()式中:为组分 的单位体积质量,可以计算为:()式中:为孔隙度;和 为相 饱和度和密度;为组分 在流体相 的质量分数。在每个流体相 内组分 质量流量可以写成对流(达西)通量和非对流(扩散)流量之和为:(?)()其中扩散流量计算(使用菲克定律)是:?()作为多孔介质中有效分子扩散系数,它与温度
10、、气体压力、介质弯曲度和气体饱和度有关。对于热对流的传导过程为:()?()()式中:为各相的内能;为固体的比焓;为能量通量密度(包括对流和扩散通量);为热源项。总热通量由对流通量对流相贡献的总和给出,而扩散通量为:()式中:为 相中 分量的焓(单位质量能量);而扩散或热传导受傅里叶定律支配:?()在 中,它的力学或热力模块的控制方程:?()式中:为岩石的平均密度。在一个时间步长的时间内,应力增量和位移由各种弹性或弹塑性本构规律控制,其一般形式为:(,)()其中:()式中:为指定材料函数;为无穷小应变速率张量;为时间步长;为单位张量;为比奥系数;为孔隙流体压力。无穷小应变速率张量以及无穷小应变
11、由控制:(?(?)()(?(?)()总应变增量可以分解为弹性、塑性和热膨胀部分:()温度应变为:()采用一阶有限差分方法和特殊混合离散方法对连续介质方程进行了空间离散。在这种方法中,有限差分方程的推导使用恒定应变率四面体单元形状,然后重叠形成最终区域单元。为了在塑性流动过程中提供更多的变形模式,必须采用叠加技术。使用显式有限差分公式离散时间导数,控制方程为:工程地质学报 ()()()式中:为节点速度;为 时刻节点 方向的不平衡力分量;为集中质量。耦合程序基本原理在 中是全耦合法计算热水耦合,而 部分主要计算应力,整个 耦合过程采用部分耦合方法,在计算出孔隙率、压力和温度等变量后传输到 中计算当
12、前状态下的应力 应变,然后计算有效应力的变化值,再根据使用 语言将开裂模型编入的开裂模块判断单元是否开裂,否则根据各向同性力学经验模型修正孔隙率和渗透率,有则将渗透率和孔隙度增加特定值以模拟单元的开裂状态,然后将新的孔隙度和渗透率传输到 中,再进行下一时间步的耦合计算,直到时间步长结束,值得注意的是,程序中单元一旦开裂后续将保持固定值,耦合经验模型具体可以表达为:()()()()()式中:为残余孔隙度;为零应力下孔隙度;()为平均有效应力;为零应力下渗透率;、为经验参数,在本研究中分别取 和 ,不考虑盖层和不透水层耦合效应,参数设置为 。开裂单元的渗透率依据经验取其绝对渗透率的 倍,孔隙度取初
13、始孔隙度加 。开裂模型 ()的研究表明若注入流体与储层之间存在较大的温差,大规模冷流体注入均可能产生由冷却引起的热应力或压力升高引起的热压裂。热压裂的现象在一些注水采油 工程中也被得到证实(,;,;,;,)。从我国第 个 示范工程(神华 工程)的监测数据可以看出将大量压缩后冷的 注入到深部含水层后,发生了明显的地层冷却,产生了大量地层温度裂缝。通过对神华场地监测数据的整理发现:井头和井底注入压力不断降低而场地的总体注入能力显著增强;高频井底压力和温度数据的突变可以捕获瞬时地层破裂现象;最大吸气含水层呈动态变化,从 到 ,最后稳定在 附近的两层(,)。进气区的动态变化通过延时式流量计的记录情况(
14、在每个注入步骤结束时记录)进行跟踪,该记录是在具有独特设计的带有停注功能的年度间歇注入能力测试中进行的。上两层含水层的变化与热压裂现象相吻合,它的有效应力变化()是由压力升高和温度降低引起,且其大于初始静水压力 的 。中的热应力是利用井底温度、杨氏模量 、泊松比 和热膨胀系数 计算出。通过将 (随时间和深度的变化)与相关深度的水力压裂压力数据(,)进行比较,提出多层热压裂的概念模型:(,)(,)()()()式中:()为泛函数;压裂压力比 在本研究中取经验值为 ;为压力和温度的函数,他们可以从下面的式子得到:(,)(,)(,)()()()()()式中:为压裂压力;温度应力 可以计算为(,):(,
15、)()(,)()()有效应力变化()是由压力升高和温度降低引起的,结合监测数据分析和水力压裂数据对比可以推测其大于原位静水压力 的 的临界标准就会产生开裂,开裂模型通过 计算程序编译至 节中提到的 结果变量返回至 计算变量的耦合计算环节。模拟方法 数值模型神华 场地为多吸收层存储场地,但若刻画全部 层吸收层,网格模型的单元数量将会达几十万之多,数值模拟的计算时长将过长,然而,我们通过对监测资料的分析发现(,),吸收占比超总量的 的吸收层为第 层,注入能力测试的初期就出现了热压裂现象,耦合效应最为明显,受其影响其他吸收层的耦合效应并不明显,再者,流量监测仪已经记录了不同年份进入到各吸收层的 注入
16、量,因而各层的注入条件也较为清晰,为减少不必要的耦合计算时间,取第 层吸收层为研究对象开展独立的耦合计算分析。参考神华刘家沟组和石千峰组地层地质结构和 ()龚耕等:耦合条件下 地质封存注入方案优化研究属性,建立数值模型(图 ),模型范围为 ,垂向深度范围为 ,地层分为自上而下的 层:顶层为盖层,厚度 ,中间为含水层,厚度 ,最下为下垫层,厚度 ;注入井位于模型中心位置,分辨率为 ,深入至下垫层 。模型网格划分在井周进行局部加密,共有 个单元。图 数值模型网格 水平剖面;垂直剖面 初始和边界条件模型的渗流边界为:模型四周侧面边界为第一类边界,顶部和底部为隔水边界。模型的力学边界为:顶部施加应力约
17、束,底部为固定位移约束,四周为法向约束。模拟的初始条件如下:所有单元的初始水饱和度全为 ,零盐度。模型顶部水压为 ,地下为静水压力梯度分布;模型顶部温度为 ,增加梯度为 。表 为本模拟中所有地层使用的相关参数的值,取值参考实际场地数据和相关学者的研究(,;崔振东等,;,;,;,;,;,;李毅,;于慧等,)。模拟方案设计为全面了解不同注入方案对目标含水层的耦合效应和诱导开裂情况,参考神华设计的间歇变速注表 计算采用相关参数的值 参数盖层含水层不透水层单位弹性模量 泊松比 内摩擦角 ()黏聚力 抗拉强度 渗透率 孔隙度 零应力渗透率 零应力孔隙度 残余孔隙度 岩石密度 热膨胀系数 相对渗透率模型
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