基于边界元法的新方法评价有限公司₂地质储存潜力耗尽页岩气储层

文摘

近年来,大气中温室气体的增加,和气候变化的担忧引发了全球努力找到解决方案有限公司₂采集、分离、运输和存储。地质封存耗尽非常规储层是一个有效的措施去减少大气的有限公司₂内容。的准确评估有限公司₂存储容量可以验证存储二氧化碳和参数优化的可行性。一个合理的边界元方法来评估有限公司₂存储容量的减少页岩气储层考虑介绍了任意形状的边界。首先,与裂缝网络物理模型构建基于微震的数据。然后,流动方程包括矩阵和骨折可以考虑吸附,获得和星形三角变换用于处理互联骨折段。点源函数和拉普拉斯变换后可以获得无限边界的方法。最后,semianalytical流获得的解决方案是使用拉普拉斯地区的边界元法。此外,结果与商业软件有很高的协议为常规边界。相关参数的敏感性分析了这种方法,并考虑边界形状是强调的重要性。这种方法可以评估有限公司₂存储容量的形成不规则的边界和被认为是参数优化的指导有限公司₂存储。

1。介绍

等温室气体有限公司₂增加了大气中导致气候变化问题[1]。全球一直努力减少大气CO₂由固碳浓度,包括地质封存、矿物碳化和海洋存储(2]。此外,公司₂地质封存是一种广泛应用的措施。工业类似物,包括天然气和酸性气体注入项目,已经证明有限公司₂可以安全地注入和存储3]。

气体注入储层广泛用于提高原油采收率的石油工程,它是可行的商店有限公司₂在地质结构有限公司₂减少option [4]。一开始,大多数研究注气提高原油采收率需要一个典型的块为例,基于黑油数值模拟考虑较少的机制。2009年,Shoaib和霍夫曼首先强化开采进行了数学建模研究有限公司₂洪水和有限公司₂注入huff-n-puff基于榆树熔岩流场(0.01 - -0.04 mD)块肯非常规储层(5]。广域网等人研究了刺激的影响储层体积(SRV)特点的注气和huff-n-puff数值模拟,包括深水救生艇的大小、裂缝空间,应力敏感性[6]。

研究结合气体驱机理的试验研究,介绍了组件模型考虑基于实际数据块混溶。Alharthy et al。7]建立了注气刺激的数值模型,预测水平井体积压裂后的产量,这是基于公司的流动机制₂注射在严格矩阵提出了霍桑et al .,包括原油膨胀引起的扩散效应,降低粘度和浓度差(8]。Wan et al。9和聚氨酯10)建立了组件模型对气体huff-n-puff模型考虑原油混溶和注入气体和采油进行了数值模拟研究在深水地区。Yu et al。11和朱et al。12)使用的组件模型来分析各影响因素的敏感性的气体洪水。许多商业软件越来越多地使用数值方法耦合由于优势考虑机制研究有限公司₂三次采油仿真(13]。Zuloaga-Molero et al。14应用一个EDFM(嵌入离散裂缝模型)建立油藏组分模型调查对公司的影响₂huff-n-puff和有限公司₂连续注射,包括复杂的断裂几何图形,有限公司₂扩散、渗透和自然骨折。太阳et al。15)提出了裂缝离散化方法应用于有限公司₂huff-n-puff在复杂骨折,并获得更准确的模拟结果比双连续的方法。

一些学者提出,盐碱含水层可以是一个很好的存储的网站,因为他们的巨大的交易量。然而,石油和天然气储层也适用于存储、地质条件和存储规模明确在石油和天然气勘探。另一方面,生产井和注水井可以用作二氧化碳注入设备,它可以显著降低改造成本的注射设备(16]。减少页岩水库深层咸水含水层(相比是非常有前途17]。枯竭的页岩气藏是一个不错的选择,有限公司₂存储,因为它紧孔隙空间作为贮水池和一个密封18]。首先,有限公司₂可以吸附到纳米级孔隙结构和内固定页岩储集岩(19),这是一个额外的捕获机制相比在深处的盐水中。此外,大量的公司₂可以安放在断裂网络形成(20.]。此外,他们非常紧页岩地层的孔隙比盐碱含水层表明,他们不太可能泄漏有限公司₂(18]。高戴克et al。21]建议的经济预测估计是71年中医增强甲烷复苏,促进280 Gt的有限公司₂存储在全球页岩气。此外,一些物理模拟结果还表明,减少页岩储层为有限公司₂存储是有效和可行的。Busch et al。22)提供的证据表明,页岩具有显著的二氧化碳通过扩散实验和存储容量吸附实验。Arif et al。23)使润湿性实验。页岩低TOC的结论适用于作为一个典型的盖层,当TOC含量高于1.1 wt %,页岩储层可以捕获大量的有限公司₂气体吸附。作为一个潜在的公司₂存储的网站,它是有意义的和必要的精确评估耗尽页岩气藏产能。

有限公司₂存储项目包括枯竭的石油和天然气储层和盐碱含水层,unmineable煤层(17]。研究关于枯竭的石油和天然气储层评价方法可分为体积或基于生产的计算方法,数值模拟方法和semianalytical模型方法(24]。体积,或基于生产的计算方法提出了基于原始气体的方法来计算存储卷之前被天然气和石油,可被公司所取代₂(25,26]。康等。27和田等。28]估计储层通过岩石样本容量的存储容量和整个储层体积。Abuov et al。29日]估计有效公司₂存储容量在油藏、气藏和盐碱含水层为哈萨克斯坦盆地使用碳封存领导论坛(该论坛)和美国能源部(USDOE)方法。数值模拟方法,任和邓肯28]讨论了注入策略和储层非均质性的影响有限₂储层模拟存储的碳储存与公司有关₂三次采油在残余油区域在圣安德烈斯西德克萨斯7的形成。他们的研究表明,采用水力压裂页岩地层可以视为水库二氧化碳封存。安徒生和流行病学30.)评估有限公司₂存储数值模拟热影响考虑流体性质和地质压力和地球化学反应的速率由注入井周围温度变化引起的。Lashgari et al。31日)用CMG-GEM软件构建一个油田规模数值模拟模型分析重要的物理机制(混合性和有限公司₂吸附和气体扩散)的有限公司₂存储和三次采油。刘等人。32)评估有限公司₂封存的页岩在三维复杂地质条件下使用projection-based嵌入离散裂缝模型。semianalytical模型方法,许多学者研究有限公司₂存储过程使用semianalytical方法通过拉普拉斯变换,源函数,数值的自由裁量权。陈等人。33,34)开发出一种快速分析方法估算有限公司₂存储容量的减少页岩气(PTA)基于压力瞬态分析。肖et al。24,35]定量确定放弃压力和分析相关的动态参数对它的影响。基于卷的计算方法简化了公司₂流动行为和注射速率。此外,数值模拟方法需要建模和网格细分应用领域的规模,这是浪费时间。Semianalytical方法适用于矩形或圆形边界。然而,很少有作品讨论形成的不规则边界。因此,至关重要的是找到有效和方便的方法来考虑的不规则边界的形成。

页岩中的水分会减少存储容量由于气液两相流和水量。此外,公司₂对公司-water-shale反应的影响₂流(36]。陈等人。33,34)评价页岩耗尽有限公司₂存储容量的单相流更方便和快速的评估。同样,Myshakin et al。37)只考虑有限公司₂流,单相流,评估流程制度和存储效率。模型是简化推导semianalytical单相流解决方案的复杂边界。semianalytical解决方案评估是在比较理想的条件下进行。

边界元方法(BEM)已经被广泛应用于流体力学、断裂力学、接触力学来解决线性偏微分方程和积分方程。许多学者应用和修改本进入石油和环境工程38- - - - - -40]。生产和压力计算形成不规则的边界可以解决本(41,42]。

快速、合理的边界元方法评估有限公司₂存储容量耗尽页岩气形成的考虑介绍了任意形状的边界。这个物理模型建立了基于微震的数据,和本解决了数学模型。星形三角变换处理连通裂缝段,结果与商业软件有很高的协议为常规边界。此外,实际情况与水平井大规模水力压裂后废弃的页岩气储层进行了探讨。注射压力的影响,应力敏感性系数、裂缝渗透率、页岩基质渗透率的存储容量进行了研究。

2。方法评估有限公司₂存储潜力

2.1。物理模型

微震的检测被广泛用于分析地下情况,如图所示1(一)。有微震的地图,它使用声音信号来确定地下裂缝。同样的颜色点表示相同的断裂和密集的彩色圆点显示骨折。因此,裂缝网络由液压和二次骨折,解释和派生microseismograms如图所示1 (b)。黑色的直线代表了水平井,刺激在黑色曲线代表的区域储层体积(SRV)。可以看出,与不规则边界SRV水力压裂容易注入气体,可以用作有限公司₂存储的地方。

2.2。数学模型和解决方案

图1 (b)提供了一个原理图的大型水力压裂后的水平井。刺激储集层体积区域形状是不规则的。提供了以下假设:(1)只有等温单相流的存在(2)SRV是双孔隙度连续介质。气体流动只有从矩阵系统进入裂缝系统(3)气体从地层流入井只由液压骨折引起的(4)有限公司₂吸附后的水库朗缪尔吸附等温法。吸附只存在于矩阵系统(33,34]。(5)液压骨折和二次骨折是无限的电导率骨折(6)重力和毛细管力作用下被忽略了(7)压力敏感性存在断裂系统导致渗透率随压力变化(43]。

速度方程和流动方程基于质量守恒定律可以写成:

矩阵系统: 断裂系统:

公司的基本方程₂可以从下列假设:

有限公司₂吸附方程:

Permeability-pressure方程

流模型,它由矩阵的系统和断裂系统无量纲变换后,可以编写如下:

矩阵系统:

边界条件可以写成

断裂系统:

边界条件可以写成

点源函数通过使用拉普拉斯变换,得到Pedrosa的替换38),和解决方案的公司₂流模型(33,34]。此外,本文的无量纲定义在附录中给出。 在哪里

积分方程的无量纲压力使用绿色的二级单位可以写成

骨折段可以被视为点光源写成方程(9)。然后,第二项的右边方程(11)可以简化为 源函数在哪里段是由

边界由本分成许多边界元素,以及元素的边界是 ,如图2 (b)。不规则区域的离散形式的方程(11)是方程(14)。 在哪里是元素的边界 。

有限差分法(FDM)用于使离散裂缝流公式,如图2(一个)。边界可以是名誉扫地段,和骨折可以名誉扫地段。所以 变量,包括每一段的压力和饱和度,可以解决 方程,由 方程的边界条件。和从边界元方程显示为方程(15),从FDM显示为方程(方程16)。

在哪里 分别对应的系数矩阵和向量。 在哪里 是相应的系数矩阵。

星形三角变换是一种有效的方法来处理多个相邻裂缝单元的流动。之间的传递率两个相邻段有四个骨折段是由Karimi-Fard et al。44)和脱落等。45]。

假设另一段与段4标签是5。因此,第四段的流动方程可以表示为

的传播性 , ,和可以通过使用方程(评估17)。

2.3。有限公司₂存储潜力计算

基于注入井瞬态压力的解决方案,井下压力和注入气体速度可以获得。当井下压力达到目标压力,我们可以得到相应的注射时间 。因此,有限公司₂存储容量等于总注入有限公司₂体积,可以写成:

3所示。验证

在本节中,验证了该模型发达商业软件没有发生(2012)和semianalytical模型从陈et al。34和肖等。24]。参数如表所示1和图3。总的来说,目标模型的网格系统 ,其中每个网格中50米和方向,虽然它是15米方向。所选地区占地面积 m。模型验证研究是由比较累积注入量在不同约束的压力,基于相同的条件与常规边界。不断的注入量和受限的注射压力,我们将计算结果进行比较。新模型具有很高的协议与商业软件,使新模型可以被视为一种有效的方法,如图4。在这种情况下,传统rectangle-boundary-formation存储容量评估验证新方法的准确性。然而,商业软件评估需要使用局部网格加密或不规则网格细分为不规则边界水库。新方法的优点主要是在处理水库具有复杂边界,没有细分网格。采用semianalytical方法评价埋根据储层参数存储容量。因此,semianalytical方法比数值模拟方法具有更高的计算效率。

4所示。案例研究

基于页岩气地层的实际情况,本节能力评价进行了研究。此外,关键参数的影响进行调查。

4.1。背景

一个枯竭的页岩气形成被选为目标的形成,位于中国。中国页岩气具有巨大的发展潜力,它可以为公司未来的位置₂存储项目,以减少温室气体排放。此案的payzone深度从1730米到1745米不等,有页岩气形成,和参数如表所示2。微震的检测和水库的规模图所示1。

4.2。仿真结果

基于这种方法,有限公司₂地质存储容量可以评估在实际情况下的不规则边界。在60、90、180、360天,系统压力分布如图所示5。

4.3。边界形状的影响

方法的创新在于它能有效地处理实际的页岩储层的地质边界不规则,比数值解具有更快的计算速度。水库的边界形状通常被简化为一个圆形或矩形。我们比较了累积有限公司₂注射不同边界下的形状。我们模拟模型与常规边界;一个是一个矩形边界的长度810米,宽470米,另一个是一个圆形的边界半径为410米。和累积有限公司₂注入体积720天后如图6。压力分布与不同边界形状720天之后在相同的注入条件下如图7。可以看出,储层边界的形状影响的计算有限公司₂存储容量。

4.4。敏感性分析

4.1.1。注射压力

图8显示了累积注入量(存储卷)有限公司₂在不同注入压力。显然,喷射压力越大,累积注入量的有限公司₂(图8)。图9可以优化约束注射压力的公司吗₂存储。

10/24/11。应力敏感性系数

图10显示公司的累积注入量₂360天后在不同应力敏感性系数。可以看出裂缝渗透率的增加引起的应力敏感性显著影响页岩存储潜力,特别是当大于0.3。因此,准确地评估公司的前提₂页岩储层的存储潜力正确考虑和应力敏感性特征。

4.4.3。骨折和页岩基质渗透率

累积注入量有限公司₂360天后不同裂缝渗透率条件下不考虑应力敏感性图所示(11日)。从图可以看出(11日)当骨折电导率最小,有限公司₂存储潜在的储层是微薄的。与断裂电导率的增加,有限公司₂储层潜在的大幅增加。然后趋于稳定,表明我们需要找到废弃油井压裂效果更好的一方面。另一方面,没有必要盲目追求高电导率的骨折。相同的法律反映在累计注入量有限公司₂注射用不同的基质渗透率(图360天后11 (b))。

有限公司₂封存是一个长期和复杂的过程考虑不仅水库的存储容量,而且存储后泄漏的可能性。有必要综合考虑找到合适公司的有效性和安全性₂水库。应该注意的是,这种方法的目的是为研究人员提供快速而有效的参考。

5。结论

本研究评价有限公司₂地质储存潜在的基于边界元方法,评估容量考虑任意形状的边界。此外,本文讨论了相关参数对容量的影响接受体积压裂水平井的枯竭的页岩气储层。(1)基于边界元法的评价结果与商业软件有很好的协议,这样的方法可以被视为一种有效的方法(2)的边界形状油藏评价公司是至关重要的₂枯竭油藏地质存储容量准确。本文提出的方法可以处理任何复杂边界和模拟公司₂存储过程有效和高效(3)的有限公司₂地质存储容量不同注入压力下,应力敏感性系数,裂缝渗透率,页岩基质渗透率进行了分析。有限公司₂地质存储优化设计应以实现最大的好处

本文提出的方法的主要优势是它提供了快速、高效访问公司₂封存潜力评估考虑到不规则的边界,这有助于选择井和监控存储设施有限公司₂在剩余耗尽页岩储层。当然,一些复杂的机制被忽略了,这是我们的后续工作。

附录

无量纲定义裂缝流和流模型(30.,31日]:

其他无量纲定义 , , , , , , , , ,和。

命名法

:	克努森扩散系数,m2h−1
:	有限公司2浓度,sm3/ m3
:	有限公司2流速,m / h
:	应力敏感性系数,1 / MPa
:	径向距离矩阵系统,m
:	形成液体体积系数,m3/ m3
:	离散的压缩性骨折,Pa1
:	内带矩阵压缩,Pa1
:	外区矩阵压缩,Pa1
:	无量纲井筒储存系数
:	可存储性比率之间的内部和外部区域
:	亥姆霍兹方程的格林函数的修改
:	地层厚度、米
:	离散裂缝渗透率,m2
:	基质渗透率,m2
:	流动比率之间的内部和外部区域
:	数量的节点的边界点
:	初始地层压力,Pa
:	矩阵的压力,爸爸
:	井筒压力,爸爸
:	边界压力,米2/秒
:	通量单位长度进入裂缝,m2/秒
:	参考利率,m3/秒
:	流密度骨折,s1
:	井筒半径,米
:	拉普拉斯变换变量
:	皮肤因素流窒息
:	源函数骨折段
:	时间,年代
:	无量纲系数断裂段的压力
:	y协调,m
:	y协调断裂段的中点 ,米
:	离散裂缝宽度,m
:	离散裂缝段的长度 ,米
:	球面距离在天然裂缝系统中,m
:	断裂段的无量纲流量系数
:	无因次裂缝段和接口之间的传播能力
:	方向离散裂缝,m
:	系统中的参考长度,m
:	当地协调边界元素
:	角
:	流体的粘滞性,Pa·s
:	基质孔隙度、分数
:	窜流参数
:	深水区
:	边界
:	密度,公斤/米3
:	无因次裂缝段之间的传播能力和星形三角变换后
:	- - - - - -坐标,米
:	- - - - - -协调断裂段的中点 ,米
:	无因次时间
:	无因次裂缝段之间的传播能力和 。

标

- - -:

拉普拉斯变换

下标

:	无量纲的
:	离散裂缝
:	离散裂缝段指数
:	边界节点索引
:	边界元指数。

数据可用性

之前报道的数据被用来支持这项研究,是可用的。这些先前的研究(和数据)是在相关地方引用文本中引用(24,34]。和其他数据用于支持本研究的结果中包括这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

我们将进一步感谢中国国家自然科学基金会的资金支持(51774297号和U1762210)。我们也承认,这项研究的部分资金由中国石油技术项目(没有。ZLZX2020-02-04)。

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