注储层非均质性对CO2咸水层封存容量的影响

人类活动排放CO2在大气中长期积累造成全球气候变暖，CO2集中捕获后注入深部咸水层成为新兴减排途径。本课题尝试对CO2咸水层封存的流体运移模式、耦合机理及封存岩层的渗透率长期演化进行研究：拟验证CO2注储层砂体导水性非均质分布的有效描述和外推预测方法，解决渗透率分布模式重建问题；发展力学-渗流耦合、化学-渗流耦合的裂隙孔隙等效介质建模方法，分析封存泥质帽岩、储层砂体中裂隙开闭、剪胀和扩展效应及化学溶解、沉淀和反应引起的渗透率长期演化规律；构建CO2咸水层封存多场耦合模型，发展本研究组已开发的多场多相流耦合模拟程序，实现上述理论研究在模拟中的应用，基于Sleipner试验观测数据及中国拟选场地条件概念模型，以多种封存岩层组合结构为例，进行渗透率空间演化下的封存容量估算，提高多场耦合程序在大尺度实际试验场条件下的模拟能力。

CO2地下封存需预测CO2羽在地下的运移过程，评估CO2流体注入对地层压力的影响。然而沉积地层表现出很强的非均质特征，地层的初始非均质性及后期渗透率的空间变化，对CO2羽的演化产生影响，从而影响了CO2注储层的储集容量。本项目通过室内试验、理论分析和数值模拟等手段，对CO2咸水层封存的流体运移模式、耦合机理及封存岩层的渗透率长期演化机理等相关问题展开研究，取得了一定的研究进展，具体研究内容如下：.（1）发展CO2咸水层封存初始建模方法.采用地质统计方法与克里金技术进行地质成图，划分沉积相带，采用随机模拟技术建立储层参数模型，定量表征储层不确定性，满足对注储层随机性和结构性的综合描述，解决注储层初始条件下非均质性导致的渗透率分布模式重建问题。.（2）建立泥质帽岩、注储层砂体渗透率长期演化模型.通过室内岩石力学-渗流和化学-渗流实验，研究不同应力应变条件下裂隙的张开闭合扩展行为，研究溶液化学作用下砂体粒间孔隙几何特征（包括空隙形态、扩展、连通状态等）的变化规律，通过孔隙裂隙几何特征与渗透率间的联系，获得因裂隙开闭、剪胀和扩展效应及化学溶解、沉淀对渗透率的影响模型。.（3）建立CO2咸水层封存多场多相流耦合控制方程组.构建考虑局部非热均衡效应的非等温两相渗流THM、THC耦合框架，发展有限元模拟程序，得到了考虑毛细管力和相对渗透率的两相非混溶渗流CO2饱和度分布时间演化规律。.（4）建立CO2驱替地下水的粘性指进模型.对超临界CO2在含水层中运移的两相流界面非稳定粘性指进现象进行了渗流力学机制分析，在二相流THM耦合模型中引入流度比判断条件下渗透率概率扰动项，将其引入非等温两相渗流的有限元模拟中，得到了CO2在运移过程中的细部发育特征，特别的是 CO2中间饱和度区域将出现粘性指进引起的两相密集交错带。对介质孔隙结构（渗透率分层和毛管力作用）导致的沟槽流指进形态进行模拟，对比了三种指进现象的差异，分析了三者共同作用下CO2在注储层中驱替运移特征。