武汉岩土所井筒-储层系统CO2相变-流动-泄露多场耦合模拟研究获进展

来源:二氧化碳地质封存组 时间:2022-08-25

  二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)技术作为一种大规模温室气体减排技术,有望成为未来我国实现碳中和的重要选项之一。CO2地质封存目标储层深度较大,CO2沿井筒注入或泄漏过程中温度压力变化幅度大,这可能导致CO2发生相变,进而影响注入或泄漏特征,但目前在二氧化碳地质封存领域仍然缺乏考虑CO2相变过程的井筒-储层全耦合数值模拟研究。

  为此,中国科学院武汉岩土力学研究所科研人员以国内首个CO2深部咸水层封存全流程示范工程——神华CCS示范工程具体工程及地质条件为研究对象(图1),采用改进的可描述CO2-H2O系统相变过程的井筒-储层耦合模拟器T2Well/ECO2M,首先对注入过程中井筒-储层系统内的流体行为进行了分析,然后对井口实施定压边界以模拟井口阀门失效情况,分析了这种假定情况下CO2-水混合物沿井筒油管泄漏的行为特征。研究结果表明:在间歇注入过程中的停注期,井筒温度在围岩热传导作用下增大,而压力在储层调节作用下降低,导致深度约300m以上井筒内的液相CO2发生了气化(图2),但由此导致的温度压力变化有限;受控于储层渗透率及其初始和边界压力分布条件,储层中CO2沿注入井油管的泄漏过程表现出自限制特征,即泄漏发生到一定程度后自行停止(图3a);在泄漏过程中,井筒-储层系统中的液相或超临界CO2发生了气化(图3b),这一相变过程促进了泄漏的进行;由于储层压力不平衡,停注期间及泄漏停止后,储层中的流体沿井筒发生了层间窜流(图4)。这些结果揭示了该CCS工程运行过程中井筒-储层系统中CO2的相变流动特征,并预测了假定条件下储层中CO2沿井筒的泄漏特征,该工程现已结束并封井,这些结果可为未来投入运行的CCS工程设计提供理论参考。

  研究工作得到了国家重点研发计划项目(2019YFE0100100)和国家自然科学基金(41602255,41902309,51809259)的共同资助。相关研究成果分别以“Phase transition and fluid backflow during the non-injection period in the Ordos CCS project, China”及“Modeling of possible CO2 leakage with phase transition in wellbore-reservoir system based on the Ordos CCS project, China”为题,发表于Journal of Cleaner Production及 International Journal of Greenhouse Gas Control。

  论文链接:

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652622011143?via%3Dihub

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1750583621003297?via%3Dihub

 

图1 (a)注入井测井揭露的地层岩性柱状图(b)模型概念图(c)注入井监测数据   

图2  工程运行期间注入井内(a)压力(b)温度(c)气相CO2饱和度(d)液相或超临界CO2饱和度随时间变化等值云图

 

图3  井口压力为1 MPa时(a)井口水相与CO2泄漏质量流量随时间变化曲线(b)井筒内气相CO2饱和度随时间变化等值云图

 

图4  停注期间不同时刻井筒附近储层压力分布及液相或超临界CO2流场图

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