Modeling Time Lapse Seismic Monitoring of CO2 Sequestration in Hydrocarbon Reservoirs Including Compositional and Geochemical Effects

Abstract

The sequestration of CO₂ into geologic formations, specifically existing and depleted oil and gas reservoirs, is a promising solution for reducing environmental hazards from the release of greenhouse gases into the earth's atmosphere. A critical component of long-term sequestration will be our ability to adequately monitor the movement of CO₂ fronts in the subsurface. In this article, we examine the viability of time-lapse seismic monitoring using an integrated modeling of fluid flow, including chemical reactions and seismic response. Modeling of CO₂ injection is complicated by the various interactions between CO₂, reservoir fluids, and the minerals in the formation. These interactions change fluid and bulk rock properties with time, which in turn impact the seismic signatures. We perform a comprehensive simulation of the gas injection process accounting for the phase behavior of CO₂-reservoir fluids, the associated precipitation/dissolution reactions, and the accompanying changes in porosity and permeability. The simulation results are then used to model the changes in seismic response with time. The general observation is that gas injection decreases bulk density and wave velocity of the host rock system. Seismic amplitude attributes therefore change with time as well, and these effects provide a tool for tracking the movement of the CO₂ front. Analysis of the results also confirms that much of the change can be attributed to chemical effects that should therefore be considered in studies of long-term sequestration projects.     

CO2的埋存与提高天然气采收率的相行为

CO₂捕集与埋存可实现大气中CO₂的有效降低,但成本高昂,而处于特定温度压力范围的气藏可保证超临界CO₂的稳定埋存,是其理想的埋存靶场。研究认为：气藏中所储存的具有开发潜力的天然气会挤占超临界CO₂的地层空间,影响其稳定埋存;选择适合的超临界CO₂稳定埋存深度,在埋存的同时利用CO₂驱替开采天然气,有利于CO₂埋存并降低成本;在向气藏注入CO₂提高天然气采收率的过程中,CO₂驱替地层天然气的过程是“混相驱替”。根据PY干气藏温度、压力条件,在CO₂与天然气混合体系PVT相态特性实验测试基础上,运用状态方程模拟方法,分析了3种不同流体带特别是超临界CO₂天然气过渡带的偏差系数、地下体积比、密度、黏度的变化,明确了利用气藏实施超临界CO₂稳定埋存与注CO₂提高天然气采收率相互配套的必要性和可行性,并据此给出PY气藏在实施注入CO₂提高天然气采收率技术时,超临界CO₂可行的注入深度和采气压力范围。     

重力分异和非均质性对天然气藏CO2埋存的影响——以中国南方ＸＣ气藏为例

在含CO₂的天然气藏中实施CO₂长期稳定埋存并提高天然气采收率,实现CO₂的规模化综合利用,具有重大的现实意义。为此,以一个真实的含CO₂浅层废弃气藏为埋存靶场,运用数值模拟方法,设计了纵向非均质气藏剖面模型,用于研究气藏储层在正韵律、反韵律以及复合韵律条件下气体运移对超临界CO₂稳定埋存的影响,并重点研究了重力分异和地层非均质性条件下的流体运移规律。结果表明：不同韵律剖面模型在注超临界CO₂埋存及开采剩余天然气过程中,作为反韵律的目标气藏注超临界CO₂埋存过程在生产井突破最晚,吸入的超临界CO₂量最大,天然气累计采出量最多,其超临界CO₂埋存潜力相对最大;重力分异可引起超临界CO₂与天然气之间产生非平衡态相的分离,天然气向气藏高部位运移,CO₂最终趋向于形成“超临界CO₂垫气”,可以很稳定地沉积在气藏下部形成“垫气”埋存。该成果为实现CO₂减排、降低CO₂捕集与埋存技术（ＣＣＳ）成本提供了技术支撑。     

地层水对凝析气藏注CO_2相态的影响

常规的凝析气藏衰竭开发和注CO_2开发研究中均忽略了地层水的影响,这与真实情况存在偏差,有可能导致研究结果的不确定性加大。为此,基于CO_2—烃—水相平衡热力学模型,以一个实际近临界凝析气藏为例,通过相态模拟研究了地层水存在对凝析气藏反凝析相态特征和注CO_2相态的影响规律;计算了考虑地层水存在的凝析气定容衰竭反凝析液饱和度和剩余流体组成,以及注CO_2过程中凝析油气相体积分数和CO_2在凝析油气相中体积分数的变化规律。结果表明:1考虑地层水时定容衰竭的反凝析油饱和度更大,剩余流体重组分含量更高;2近临界凝析气藏压力衰竭过程中,由凝析气转变为挥发油的相变发生得更早;3在注CO_2过程中,地层水的存在使得CO_2对凝析油的反蒸发作用降低;4考虑地层水存在时凝析油相体积分数高约14%,CO_2在凝析油中溶解量比不考虑地层水大6%,CO_2含量高和压力较高时差异更明显,同时,地层水的存在也增强了CO_2的溶解封存能力。该研究成果对凝析气藏注CO_2提高采收率和温室气体CO_2埋存评价具有指导意义。     

二氧化碳驱替与埋存一体化数值模拟

目前数值模拟无法同时计算CO2在油、气、水相中的分配及水相中溶解CO2对储层物性的影响.针对该问题,应用CO2驱替与埋存一体化数值模拟,通过耦合油气两相闪蒸、CO2在水中的溶解和溶蚀作用,同时模拟CO2在油气水三相中的分配、溶解CO2对储层物性的影响、CO2驱油与埋存全过程.研究结果表明:CO2溶于地层水后形成碳酸溶蚀...     

Screening of Oil Pools on Alaskan North Slope and Phase Behavior Study of Viscous Oil and CO2 System in Conjunction with CO2 Sequestration

Carbon dioxide gas, a greenhouse gas (GHG), is released in the atmosphere by combustion of solid waste, wood, and fossil fuels for energy generation. Due to conspicuous absence of CO₂ sequestration studies for Alaska, the study of CO₂ sequestration options on North Slope has a very important role to play. The screening of the oil reservoirs to evaluate the technical feasibility with respect to their CO₂-EOR potential was performed by calculating the rank of the oil reservoirs with parametric approach. CMG-WinProp® simulator was used to predict phase behavior for CO₂ injection in viscous oil by tuning the equation-of-state.     

CO2破岩机理及压裂工艺技术研究

为了明确不同介质注入过程中有效应力的变化规律,揭示超临界CO₂压裂的起裂压力低、穿透距离远、裂缝密度广的力学机理,基于线弹性多孔介质模型,线性分解井筒平面各向应力,引入井筒增压速率,对孔隙压力与附加周向应力进行修正。结合长庆气田致密气特征,集CO₂破岩增压与滑溜水体积压裂双重优势,改进气藏地质储量容积差值法,优化CO₂注入量,根据井下压力计监测数据分析动态滤失平衡点,优化CO₂施工排量,研发防冻隔离液,开发单机组作业流程,攻关形成前置CO₂蓄能压裂技术。计算结果表明：液态CO₂压裂的起裂压力降低了69.2%,超临界CO₂压裂的起裂压力降低了75.5%。在鄂尔多斯盆地东部开展先导性试验6口井,一次喷通率100%,平均试气产量7.59万m³/d,为长庆气田探索出了新的技术增产途径。     

珠江口盆地深水区CO_2成因、分布规律与风险带预测

深水区油气勘探高成本要求尽量规避CO_2风险,其风险带的分布预测属世界性难题。在珠江口盆地CO_2和伴生稀有气体组分与同位素组成分析的基础上,查明CO_2来源(幔源岩浆脱气)和成因;在火成岩年龄和气藏40 Ar/36 Ar计算获得的CO_2生成年龄双重约束下,运用与CO_2包裹体同期盐水包裹体均一温度—埋藏史投影法估算了CO_2气藏的充注年龄(14.5~0.3Ma);通过其运聚模式、分布规律分析与总结,发现了其具有新生代火成岩展布、断裂展布和砂岩输导体系展布及CO_2聚集时限与圈闭形成时空匹配关系等4个主控因素。根据揭示的这一分布规律,预测了深水区恩平组、珠海组和珠江组存在多个NNW向分布的高CO_2风险带,从而为珠江口盆地下一步油气勘探部署规避高CO_2风险带提供了依据。     

地质封存过程中CO2泄漏途径及风险分析

CO₂捕集和地质封存可望成为减少温室气体排放的重要且有效的方法,但其安全性一直受到广泛关注。在研究各种CO₂地质封存体及其圈闭机理的基础上,根据不同封存体中潜在的泄漏途径及主控因素,结合实例对可能的CO₂泄漏进行了描述和相应的风险分析。研究结果表明,枯竭油气藏的地质封闭性已得到证实,井的失效将是CO₂泄漏的主要途径。通过与提高油气采收率技术相结合,在油气藏中封存CO₂具有一定的经济性,但由于油气田分布不广,封存潜力有限,仅适合于中短期的CO₂处置。深部盐水层分布较广,可选择的圈闭和封存机理较多,泄漏途径和未知因素也较多,泄漏风险较高,但封存潜力巨大,是最具前景的CO₂封存体。煤层通过吸附可达到封存CO₂的目的,但其圈闭机理单一,对煤层压力的依附性较大,且影响未来煤资源的利用,其安全性和经济性相对较差。海底水合物封存方案具有热力学可行性,但海底水合物层埋深浅,地质圈闭性差,CO₂泄漏风险较高,其封存和泄漏机理以及CO₂注入方法有待进一步研究和关注。     

SCREENING CRITERIA FOR CO2 STORAGE IN OIL RESERVOIRS

Oil fields are likely to the first category of geologic formation where carbon dioxide (CO₂) is injected for sequestration on a large scale, if geologic sequestration proves feasible. About 1.4 BCF per day (69 300 tonnes/day) of CO₂ are currently injected for oil recovery in the U.S. Replacing this naturally occurring CO₂ with anthropogenic CO₂ would have a minor, but measurable, effect on overall CO₂ emissions. However, CO₂ is injected into only a small fraction of reservoirs and it is estimated that upwards of 80% of oil reservoirs worldwide might be suitable for CO₂ injection based upon oil recovery criteria alone. These facts combined with the generally extensive geologic characterization of oil reservoirs and the maturity of CO₂-oil recovery technology make oil reservoirs attractive first targets as CO₂ sinks. This paper lays the groundwork necessary to evaluate whether an oil reservoir might be suitable for CO₂ storage. As such, a series of criteria for injection into currently producing, depleted, or inactive reservoirs are proposed. Aspects considered include the reservoir depth, storage capacity, water and oil volumes in place, formation thickness, and permeability. Importantly, the effect of oil production on reservoir properties, especially fault movement and induced fractures must be gauged and included in assessments. It is demonstrated that CO₂ density with depth alone is not a sufficient criterion for choosing candidate sites. It is necessary to consider also porosity and the amount of water and oil that are displaceable. The end result is a criteria table for rapid screening of candidate reservoirs.     

高—过成熟页岩CH4/N2/CO2混合气体竞争吸附特征与地质意义

为研究高—过成熟页岩对N₂、CH₄及CO₂混合气体的竞争吸附特征及其地质意义,通过混合气体吸附—解吸装置,结合穿透曲线法,对四川盆地周缘NY?1井龙马溪组1 420.90 m、1 422.75 m、1 423.75 m和牛蹄塘组2 261.53 m、2 265.80 m、2 268.37 m 6个深度的岩样,开展了20 ℃、注气压力0.25 MPa条件下N₂、CH₄和CO₂等比例混合气体的竞争吸附实验,得到了各岩样对混合气体的竞争吸附规律;并通过低温N₂和CO₂吸附法,分析了6个岩样的孔隙结构,探究了其对竞争吸附的影响。结果表明：龙马溪组页岩中N₂出口端浓度有超过初始浓度的现象,而牛蹄塘组页岩中N₂、CH₄和CO₂出口端浓度均未超过初始浓度;实验结果与Yoon?Nelson模型拟合结果较好,R²值可达0.9以上,各岩样吸附速率常数均有N₂>CH₄>CO₂的规律,故N₂相较CH₄和CO₂可先被样品吸附,随后吸附速率慢的CH₄和CO₂被吸附,岩样对2种气体吸附选择性更强,所以将N₂置换出,导致龙马溪组岩样N₂出口端浓度超过初始浓度;龙马溪组岩样中微孔发育程度较高,孔径小、比表面积大、吸附能力强,能更好地吸附CH₄和CO₂这2种吸附选择性强的气体,使得已吸附的N₂被置换出,从而造成游离气中N₂浓度增加。实验结论为我国页岩气勘探开发提供了理论依据,同时对部分地区页岩气组分中N₂的成因具有一定指导意义。     

吉林特低渗透油藏CO2驱油开发效果探讨

特低渗透油藏的自身特征决定了其开发难度大于常规油藏,存在“注不进,采不出”等问题。注 CO₂提高采收率技术应用于特低渗透油藏潜力巨大,如何改善其驱油效果是合理高效开发的关键。通过室内特低渗透 长岩心物理模拟实验,采用12种方案进行CO₂驱油效果评价。研究表明,超前注气相对于同步注气可以提高采收率4.69％,驱油效果优于同步注气,其CO₂气体突破早于同步注气。不同注气时机实验采收率与转CO₂ 驱油时产 出液含水率呈负对数关系,总压力梯度变化呈 Ｍ型,转注CO₂驱油后存在滞后效应,采用小流量可以达到增产目 的。不同注气段塞实验采收率与总注入流体中CO₂所占体积比例呈正相关关系。不同气水比和CO₂ 驱油实验CO₂突破时间较为一致,水驱油和CO₂驱油实验总压力梯度变化较为一致。应用于特低渗透油藏开发,提出超前 低速注气、气水交替和后期水驱策略,多种注采方案,进行分区试验。     

酸性气体在钻井液两相流动中的溶解度特性

考虑CO2/碳氢气体在油基钻井液中的相变、溶解度等因素,根据质量及动量守恒方程建立了控压钻井中CO2/碳氢气体在两相流动中的溶解度方程,利用CO2/碳氢气体状态方程及差分的方法对其求解。结果表明:当温度及井底溢流量一定时,随套压增大、油基比增大,CO2/碳氢气体在油/水基钻井液中的溶解度均逐渐增大,碳氢气体增大趋势较明显;CO2气体在水基钻井液中的溶解度曲线呈倒S型,到达一定环空深度后,CO2气体在油基钻井液中的溶解度与井深呈线性关系;碳氢气体与油基钻井液物理性质相近度较大,致使碳氢气体在钻井液中的溶解能力增加,从而溶解度增加;由于井口段气体体积急剧膨胀,大量气体析出,使得井口段环空压力剧减,因此溶解度的变化较明显。结论认为,在控压钻井的多相流计算中,应充分考虑酸性气体在钻井液中的溶解度影响。这样做不仅可提高多相流计算精度,而且还可为井底压力控制提供一定的指导。     

凝析气藏注CO2提高采收率机理物理模拟

为深入研究凝析气藏注CO₂提高采收率机理,应用室内实验手段开展了CO₂对凝析气藏流体物性的影响实验。结果表明：注CO₂降低了凝析气的露点压力,降低幅度随注入量增加越来越大,注入0.4倍时的下降幅度达到了15.42%;CO₂注入倍数较小时,对凝析油以溶解、降黏、膨胀作用为主,凝析油膨胀体积的增量是萃取产出凝析油体积的9倍以上,溶解气油比和相对密度随注入倍数增加而增加;CO₂注入倍数较高时以萃取作用为主,生产气油比迅速增加,凝析油相对密度越来越大,采出程度达83%以上。在实际地层条件下,注CO₂开发,在远井区主要发挥降低露点压力的作用,并将露点线向产出井推移;在过渡带初期以溶解膨胀为主,压缩了该区带范围,后期主要为萃取作用,将液动线向产出井推进,缩小了近井带范围;在近井带初期主要为驱替作用形成气流通道,中后期主要为溶解、膨胀、携带和萃取作用。综合以上,凝析气藏注CO₂开发压缩了气液两相区,可大幅提高凝析气藏采收率。研究成果为凝析气藏的注CO₂开发和技术推广提供了重要的技术支撑。     

CO2与砂岩相互作用机理与形成的自生矿物组合

当CO₂以天然方式或人工方式注入到含水砂岩时,成岩流体将转变成弱酸性流体,引起宿主砂岩中不稳定矿物(如碳酸盐、长石)的分解和新矿物的沉淀,进而使砂岩的孔隙度、渗透率和地层水地球化学特征发生改变。CO₂注入砂岩后,仅有少量CO₂溶解于水中以气体形式存在,大部分CO₂以次生矿物形式(如方解石、白云石、菱铁矿等)被“固化”在宿主砂岩中,形成的典型自生矿物组合为:片钠铝石±含铁碳酸盐矿物±其它碳酸盐矿物组合和铁白云石+高岭石+自生石英组合。其中,前一种矿物组合是示踪CO₂运移、聚集的典型自生矿物组合。CO₂与砂岩相互作用机理及形成的自生矿物组合研究不仅拓宽了沉积盆地中流体-岩石相互作用研究领域,揭示了深部流体与浅部储集层之间、浅部烃源岩或其它岩石与附近储集层之间的物质转移,而且为储集砂岩品质评价、CO₂气藏(田)预测、CO₂地下储存等研究提供了基础地质信息。     

超临界CO2压裂技术现状与展望

以水基压裂液开发非常规油气过程中所面临的问题为背景,总结了超临界CO₂压裂技术的独特优势、技术特点、工艺流程及其作业机制。全面分析了超临界CO₂压裂技术的起源、超临界CO₂压裂岩石起裂机制、缝内携砂规律、井筒流动与控制、压裂设备及现场试验等研究发展现状,得到了当前阻碍该技术工业化应用的关键问题,并给出了相应对策。针对超临界CO₂压裂岩石起裂机制的研究多为现象性描述,未来应重视理论分析与模拟实验相结合,给出定量评价方法;超临界CO₂缝内携砂能力的研究除了加强增黏剂方向的攻关力度外,研发纳米纤维实现物理增黏、开发新型低密度支撑剂、提高施工设备技术参数等也是有益的工作。未来超临界CO₂压裂技术将逐渐由直井单层压裂向水平井多级压裂发展并与连续油管拖动压裂相结合,逐渐满足页岩气、煤层气、致密砂岩气等非常规油气的规模化开发需求。     

超临界CO2压裂技术现状与展望

以水基压裂液开发非常规油气过程中所面临的问题为背景，总结了超临界CO₂压裂技术的独特优势、技术特点、工艺流程及其作业机制。全面分析了超临界CO₂压裂技术的起源、超临界CO₂压裂岩石起裂机制、缝内携砂规律、井筒流动与控制、压裂设备及现场试验等研究发展现状，得到了当前阻碍该技术工业化应用的关键问题，并给出了相应对策。针对超临界CO₂压裂岩石起裂机制的研究多为现象性描述，未来应重视理论分析与模拟实验相结合，给出定量评价方法；超临界CO₂缝内携砂能力的研究除了加强增黏剂方向的攻关力度外，研发纳米纤维实现物理增黏、开发新型低密度支撑剂、提高施工设备技术参数等也是有益的工作。未来超临界CO₂压裂技术将逐渐由直井单层压裂向水平井多级压裂发展并与连续油管拖动压裂相结合，逐渐满足页岩气、煤层气、致密砂岩气等非常规油气的规模化开发需求。     

基于含硅类增稠剂的新型超临界CO2压裂液的流变特性及岩心伤害评价

针对超临界CO₂压裂液黏度低、携砂能力差的应用现状合成了含硅类增稠剂,并研究了超临界CO₂压裂液的流变特性及岩心伤害情况,旨在为增稠剂的优选以及现场压裂施工提供参考依据。通过溶液聚合法室内合成了聚甲基倍半硅氧烷PMSQ和聚甲基倍半硅氧烷-醋酸乙烯酯PMSQ-VAc二元共聚物增稠剂,采用红外光谱测试验证了增稠剂样品的主要官能团,运用高压长管管流实验法测试了超临界CO₂压裂液的增黏效果及其流变特性,最后评价了超临界CO₂压裂液在人造裂缝天然长岩心中的滤失性、岩心伤害率。研究结果表明,随着温度、压力的升高,2种增稠剂的增黏效果均先增大后减小;随着增稠剂注入量的增大,2种CO₂压裂液的黏度先增大后减小;在超临界CO₂流体中,PMSQ-VAc的增黏效果相对较好,可使其黏度最大达到3.892 mPa·s;在渗透率为0.551 mD的岩心中,PMSQ-VAc与超临界CO₂流体混合后压裂液的滤失系数为1.435×10-2 m/min1/2,滤失速度为0.010 m/min,岩心的伤害率为16.33%~25.36%,滤失系数和滤失速度较小,伤害程度属弱。      

天然气藏 CO2驱及地质埋存技术研究进展

目前,随着 CO₂ 排放量的增加,全球温室效应日趋显著, CO₂ 的处理问题显得愈加重要。 中国现阶段的 CO₂ 埋存点均为油藏或盐水层,将干气藏 CO₂ 驱与其埋存相结合的研究甚少,现场试验更是没有。为此,调研了大量国外的相关研究,综述了目前已有的衰竭干气藏 CO₂ 驱及地质埋存示范工程,并结合已发表的气藏 CO₂ 驱室内实验与数值模拟研究成果,分析了影响 CO₂ 驱提高气藏采收率(EGR）的各个因素, CO₂ 驱的优缺点及发展方向,以及今后在低渗致密气藏 CO₂ 驱方面应做的工作。 结果表明： CO₂ 埋存于干气藏中安全可靠、存储量大、成本低,同时可采出部分剩余天然气;束缚水可减弱储层非均质性对干气藏 CO₂ 驱的影响;在中高渗气藏中,与气态 CO₂ 驱相比,液态或超临界态 CO₂ 驱效果更好;进行气CO₂ 驱开注时气藏压力越小,注入压力和注入速度越大,其提高采收率效果越好。     

CO2泡沫压裂井筒气-液-固三相流动模型

CO₂泡沫压裂技术具有低伤害、易返排、节约水资源等优点,已被广泛应用于非常规油气开采,但目前CO₂泡沫压裂液井筒流动模型大多只考虑气、液两相,忽略了支撑剂固相对CO₂泡沫压裂液流动性的影响。通过体积平均法将支撑剂固相与CO₂泡沫耦合建立气-液-固三相CO₂泡沫压裂液井筒流动计算模型,并与现场压裂井实测温度数据对比,温度平均误差仅为2.7%,验证了模型的正确性。实例计算表明:支撑剂固相会使CO₂泡沫压裂液井筒压力升高,井筒内温度和压力随支撑剂体积浓度的增加而增大,体积分数从0增加到0.3,井底压力增大9.0 MPa;泡沫质量增加会明显增大井筒内CO₂泡沫压裂液温度;增大质量流量会导致温度和压力降低,质量流量增加10 kg/s,井底压力降低5 MPa、温度降低0.4℃。研究成果可以实现CO₂泡沫压裂井筒气-液-固三相流动温度和压力等参数耦合计算。