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评价一个潜在储层是否适宜进行二氧化碳地质储存,通常评价三个最重要的影响因子,即注入性、储存性和安全性。注入性作为二氧化碳地质储存场地适宜性评价的一个重要的评价因子,对其开展评价方法的研究具有重要意义。本文的目的在于,从二氧化碳地质储存场地适宜性评价的角度出发,选取影响CO2注入过程中压力积累的宏观因子作为评价参数,提出一种操作简单且易于实现的深部咸水层注入性定量评价方法。
首先我们针对影响咸水含水层注入性的关键性影响因子进行了筛选与单因子影响分析,得到结论总结如下:
(1)通过相关性分析筛选出CO2注入过程中影响压力积累的四个显著性因子,分别是含水层渗透率(k)、含水层厚度(H)以及含水层初始的温度和压力条件(P0, T0)。
(2)注入速率跟渗透率的比值(Rt/k)以及注入速率跟含水层厚度(Rt/H)分别与储层的积累压力(MP)之间存在着非常显著的线性关系,这种线性关系对于随后深部咸水层注入性定量评估模型的建立将非常有用。
(3)由于采用注入速率与渗透率的比值(Rt/k)来定量注入性,不同渗透率数量级下的咸水层的累积压力存在着相当大的偏差,为了追求较高的精确度,最好针对不同渗透率数量级的咸水层分别建立定量评估方程。
紧随着参数选择与模型建立,我们分别讨论了三种我国陆相沉积盆地较为普遍的储层(低渗储层、中高渗储层和特低渗储层)的注入性定量评估模型。随后针对上述三个模型的比较、扩展与应用展开了一些讨论,得到结论总结如下:
(4)基于两组重要关系的讨论,采用多元线性回归方法分别了建立了各自的注入性定量评估方程。结果表明通过注入速率跟渗透率的比值(Rt/k)、注入速率跟含水层厚度的比值(Rt/H)、注入速率(Rt)及初始压力和温度条件(P0, T0)这几个参数可以很好地拟合储层的最大积累压力(MP)。
(5)拟合效果的显著性检验参数表明线性拟合方程具有很高的可靠性。拟合值与模拟值的差值对比分析进一步验证了模型的准确度,差值的绝对值大部分都控制在20bar的范围内。另外,以低渗储层为例,我们另外做了一些模拟以检验模型的预测能力,结果表明建立的线性模型具有良好的预测能力。
(6)我们也相应地做了一些误差分析用于模型校正以提高模型准确度。结果表明注入速率跟渗透率的比值(Rt/k)是导致差值产生的关键性因子。拟合值和模拟值之间的差值可通过注入速率跟渗透率的比值(Rt/k)的取值范围得以量化和校正。另外,含水层厚度(H)和初始温度压力条件(P0,T0)变化也会带来一定的差值,尤其是含水层厚度(H)小于30m的情况。
(7)Mathias等人(2009)提出了关于储层积累压力的近似解方程,通过该方程我们进一步验证了关键性参数选取的合理性和单因子敏感性分析的正确性。然后我们对比分析了采用Rt/(Hk)作为参数进行拟合的效果。结果表明中高渗储层采用Rt/(Hk)进行MP拟合的效果要明显好于低渗和超低渗储层。然而,采用Rt/k、Rt/H、Rt进行MP拟合的效果还是最好的。
(8)对比低渗、超低渗和中高渗三种储层注入性的定量评估方程,我们发现两个非常有意思的问题。其中一个问题是这三个方程最大的区别在于P0系数的增加(相当于截距的增加)和Rt/k系数的降低(相当于斜率的降低),这两方面的耦合效果对最终结果产生差异有多大,我们做了一个简单的检验,结果表明将这三种情况分开讨论在追求高准确度的目标上还是非常必要的。另一个问题是采用I/H项取代Rt/H项以摆脱Rt的束缚性,且方程中不考虑Rt项的微小影响,我们可以得到比较综合的方程,该方程具有更为广阔的应用范围,只是模型预测能力的准确度有所降低。
(9)根据因子组合关系理应分别讨论三组关系,然而为了提高数据显著性和减少模拟数量,我们只讨论了其中两组最为显著的关系,为了分析样本容量对模型精确度的影响,我们以低渗储层的注入性定量评估方程为例展开探讨。结果表明样本容量对模拟的准确度没有显著影响,也就是说前两组关系的数据足以建立具有相当高可信度的方程。
最后,以江汉盆地为例,我们讨论了本研究建立的定量评估模型在咸水层注入性定量评价上的应用。结果表明潜江组咸水层的注入潜力非常大,选取不同深度和不同最大压力限制情况下的注入速率范围为39kg/s至132kg/s,足以满足年百万吨以上CO2的注入量。而新沟嘴组咸水层的注入潜力相对差些,注入速率范围在10kg/s至38kg/s之间。当然,这只是单个砂岩层单井注入的情况。因此,这些数据在一定程度上还是相对保守的。
本文的创新点在于从场地适宜性评价的角度,选取影响压力累积的宏观影响因子作为评价参数,提出一种操作简单且易于实现的二氧化碳地质储存深部咸水层注入性定量评价方法。该方法可广泛应用于二氧化碳储存场地选择和适宜性评价方面的注入性初步评价,方便快速地判断出潜在储层是否具有满足CO2注入要求的潜力。该方法的最大意义在于它将通常需借助于数值模拟实现的相对复杂的注入性评价问题转化为通过简单的数学方程计算即可实现的简单问题。