一种封闭岩性体咸水层CO2多机制封存量评估方法与流程

本发明涉及co2地质封存，尤其涉及一种封闭岩性体咸水层co2多机制封存量评估方法。

背景技术：

1、深部咸水层co2封存（ccs）被认为是最安全且封存量最大的地质封存形式，其安全有效封存周期可达上千年。开展咸水层co2封存的首要工作是进行咸水层封存容量的估算以确定是否满足回注需求，圈闭体积法和溶解度法常用于盆地级的封存潜力评估，由于封存地质体的资料缺乏，该评估方法仅可给出较为理想的封存潜力用于决策，更为可靠的封存量计算方法需根据封存地质体的构造特征及储层物性参数得出。

2、目前常用的封存量计算方法基于有效孔隙体积的容量即容积法，该方法假设co2大规模注入后，地层水沿构造侧向溢出以贡献出足够的孔隙体积来封存co2，但并未考虑co2对储层原始流体的驱替效率、储层多孔介质的非均质性以及浮力等因素的影响，故国内外封存量估算常在容积法计算后给定封存系数表征以上不确定因素造成的存储容量减少现象，根据国内外实际ccs项目调研，该值通常在3%~10%之间。在实际封存地质体目标筛选过程中，发育大套巨厚单斜或背斜构造是最为理想的封存目标，此类地质体水层横向连通性较好，砂体展布范围广，实际co2注入后地层水可侧向溢出，不易引起压力聚集，其封存量估算可采用容积法。然而并非所有封存目标储层都是理想的背斜构造，若储层是被断层封隔或具有不渗透边界的封闭压力系统，地层水无法外溢，co2注入后会引起显著的压力聚集。而地层压力升高至地层破裂压力则可能会造成co2泄露甚至诱发微地震，故此类封闭岩性体的注入限制条件即是注入后引起的压力聚集不超过地层破裂压力，在封存量计算时需考虑这一限制条件，其原理是通过co2注入后压力变化引起的岩石与流体压缩产生的储存空间来计算气相co2的封存量。目前针对于封闭岩性体的co2封存量估算方法尚不完善，未考虑co2注入后溶解封存和矿化封存带来的封存量，而采用容积法计算此类封闭岩性体封存量是不可靠的。

技术实现思路

1、为克服背景技术中容积法计算封闭岩性体封存量不可靠的问题，本发明提出一种封闭岩性体咸水层co2多机制封存量评估方法，能够定量表征co2多机制封存量。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种封闭岩性体咸水层co2多机制封存量评估方法，包括以下步骤：

3、步骤s1、确定适用范围；

4、步骤s2、计算岩石有效压缩系数；

5、步骤s3、计算地层水压缩系数；

6、步骤s4、计算综合弹性压缩系数；

7、步骤s5、计算co2体积系数；

8、步骤s6、计算封闭咸水层co2多机制封存量。

9、进一步的，步骤s2中，通过开展岩石覆压孔渗实验，测定不同有效应力下岩样孔隙度，获取有效应力与岩样孔隙体积的变化关系，然后根据封闭岩性体存储容量基本原理得到单位孔隙体积下的岩石有效压缩系数cp：

10、                       （1）

11、                      （2）

12、式中，cf为基于岩石体积的岩石压缩系数，mpa-1；cp为基于孔隙体积的岩石有效压缩系数，mpa-1；δvp为孔隙体积变化值，m3；vf为岩石体积，m3；φ为孔隙度，%；δp为最大注入压力与地层压力差，mpa；δφ为孔隙度变化量，%。

13、进一步的，步骤s3中，利用meehan经验公式计算地层水压缩系数，地层水压缩系数取决于温度、压力、天然气在水中的溶解度以及地层水的矿化度；回注靶区咸水层中地层水的压缩系数cw计算公式如下：

14、 （3）

15、式中，各相关系数定义如下：

16、           （4）

17、       （5）

18、   （6）

19、式中，cw为地层水压缩系数，mpa-1；c1为与压力相关的中间系数，无量纲；c2为与压力相关的中间系数，无量纲；c3为与压力相关的中间系数，无量纲；p为地层压力，mpa。

20、进一步的，步骤s4中，基于封闭岩性体存储容量基本原理，综合弹性压缩系数定义为co2注入咸水层后岩石和地层水综合的弹性容量变化：

21、                       （7）

22、式中，ct为综合弹性压缩系数，mpa-1。

23、进一步的，步骤s5中，co2体积系数由气体压缩因子计算后得到，气体压缩因子的计算采用基于组分数据的dak方程，该方程通过迭代方法求得气体压缩因子，计算气体压缩因子的dak方程是对比压力和对比温度的函数，其方程表达式如下：

24、

25、式中，z为气体压缩因子，无因次；tr为对比温度，无因次；pr为对比压力，无因次；a1~a11均为经验常数，无因次；为对比密度，无因次，=0.27；由于dak方程为非线性隐式方程，使用newton-raphson迭代方法进行求解；

26、获得气体压缩因子后，根据下式计算气体体积系数：

27、                    （9）

28、式中，bg为气体体积系数，无因次；t为当前温度，k；p为当前压力，mpa；t0为标准状况下温度，k；p0为标准状况下压力，mpa；t为地层温度，℃。

29、进一步的，步骤s6中，co2注入咸水层后将经历一系列物理化学变化，最终通过四种机制被长期封存在地层中：

30、第一种机制为构造封存：co2在注入过程中，由于与地层水密度差会在浮力作用下向上流动，直到盖层底部以超临界态被封存在盖层之下；

31、第二种机制为残余封存：co2注入后不断驱替地层水，在停止注入后，大量地层水重新侵入孔隙；在地层水重新侵入孔隙的过程中，由于毛管力作用，部分co2以滴状气泡的形式被封存在储层孔隙的中间部位，从而失去流动性形成残余封存；

32、第三种机制为溶解封存：co2在流动过程中，会不断与地层水接触并溶解在地层水中，形成溶解态co2；

33、第四种机制为矿化封存：溶解的co2会与储层内的矿物发生反应，生成碳酸盐矿物，从而被永久封存于地层中；

34、其中在封存早期起决定性作用的是构造封存，其次是残余封存和溶解封存，矿化封存是一个缓慢的过程，常在注入结束后成百上千年才会开始作用，但其安全和稳定性是最高的。

35、进一步的，针对封闭岩性体，co2注入后会引起岩石与流体之间压缩，通过岩石与流体之间压缩产生的孔隙体积来提供气相co2的储存空间，同时考虑co2在地层水中的溶解和岩石矿化来计算封存容量，利用多机制封存的机理推导封闭岩性体co2封存量计算公式：

36、（10）

37、式中，vco2为co2封存量，m3；vpor为封存地质体孔隙体积，m3；为最大注入压力与地层压力差，mpa；sw为咸水层含水饱和度；rsw为co2在地层水中的溶解度，m3/m3；bgi为原始条件下co2体积系数；vdif为co2扩散半径内储层体积，m3；为构造封存量，m3；为残余封存量，m3；为溶解封存量，m3；为矿化封存量，m3；mm为矿物摩尔质量，g/mol；ρm为矿物密度，g/cm3；nco2为每摩尔矿物的co2封存量，mol；vm为co2摩尔体积，l/mol；η为矿化反应效率，%，表征单位摩尔矿物溶蚀/沉淀量；ct为综合弹性压缩系数，mpa-1；cw为地层水压缩系数，mpa-1；φ为孔隙度，%；

38、构造封存计算以容积法为基础，其理论封存量用下式计算：

39、                     （11）

40、残余封存的计算公式如下所示：

41、                        （12）

42、溶解封存的计算公式如下所示：

43、                    （13）

44、式中，vdif为co2扩散半径内储层体积；

45、矿化封存计算公式如下所示：

46、                   （14）

47、式中，为气水相渗曲线中的残余气饱和度，%；

48、为实现co2注入，注入压力必须高于储层的初始地层压力pi，同时为防止钻井过程中引发岩石破裂或断层活化，注入压力必须低于岩石的破裂压力pf，即初始地层压力和破裂压力之间的压力区间决定了封闭咸水层中co2的封存潜力：最大封存量受岩石破裂压力的制约，最小封存量则由初始地层压力下限所决定，因此，封闭咸水层co2封存量应介于以下两个界限之间：

49、       （15）

50、相对于现有技术，本发明所述的一种封闭岩性体咸水层co2多机制封存量评估方法具有以下优势：针对目前封闭岩性体co2封存量估算方法不完善，主要依赖传统容积法而未系统考虑co2注入后在地层水中的溶解封存以及与岩石矿物的长期地球化学反应（矿化封存）的问题，本发明提供了一种更为精确的封闭岩性体咸水层co2封存量综合计算方法。该方法的核心创新在于，以封闭系统的压力聚集原理为基础，结合相对渗透率实验、co2地层水溶解和岩石矿化反应实验，计算对应封存量，最终实现对封闭咸水层co2各机制封存量的定量表征。

51、（1）目前针对于封闭岩性体的co2封存量估算方法尚不完善，未考虑co2注入后溶解封存和矿化封存带来的封存量，仅采用容积法计算多机制下的co2封存量是不科学的，本发明基于封闭水体压力聚集原理及咸水层封存机理，创新推导出考虑多机制耦合的咸水层co2封存量计算方法，并采用实验手段精确测定溶解度、矿化反应速率和残余气饱和度，计算对应封存量，最终实现对封闭咸水层co2各机制封存量的定量表征；

52、（2）本发明创新推导出封闭水体多机制耦合咸水层co2封存量计算方法，相比于传统容积法估算封存量，一是能更为合理表征封闭水体理论封存量，二是考虑了咸水层封存机理，实现了多机制耦合下封存量的定量表征。