变围压/孔压下的岩心水驱试验共张开6套方案,揭穿了在CO2注入压力诱导下的应力场变化学工业机械理以及运移前缘规律

二氧化碳地质封存和驱油过程中,大量流体注入会改变原有地层的地质力学场状态,注入流体的圈闭机理、运移分布和扩展范围是油藏科学家和地质工程师们关心的科学技术问题,也是CO2地质封存储量评估和安全性预测的重要基础。传统监测手段对该环境下的岩心驱替试验研究存在问题,因而急需新的监测技术和驱替装置。中国科学院武汉岩土力学研究所利用光纤布拉格光栅(Fiber
Bragg Grating,
FBG)感测技术首次对岩心尺度的H2O/CO2驱替试验进行实时高精度动态监测,在驱替前缘(Flooding
fronts)界面信息捕捉上取得新进展。

全球气候变暖已日益成为人们所关切的重要环境问题。为减轻大气含碳量及控制温室效应对全球气候的影响,二氧化碳地质封存技术逐渐被认可为是一种安全且有效的方法来应对上述气候问题。地下深部咸水层作为主要的封存载体因具有分布广泛、储存量大等特点被视为CO2长期封存的最优场地。然而,由于储层应力场改变以及存在的天然裂缝、断层等地质结构、构造,CO2封存过程可能存在泄漏的风险。因此,有必要对CO2运移过程包括运移路径和前缘进行实时监测。目前,国内外实验室已经对CO2室内岩芯驱替实验进行了深入研究,主要集中于CO2溶解捕获机理及运移过程的监测,但缺乏在封存条件下针对超临界二氧化碳实时运移过程中应力场变化及运移前缘的同步监测。中国科学院武汉岩土力学研究所首次利用光纤布拉格光栅传感技术对不同状态CO2的驱替过程进行实时动态监测,揭示了在CO2注入压力诱导下的应力场变化机理以及运移前缘规律。

变围压/孔压下的岩心水驱试验共进行6套方案,以方案2中传感阵列Ch3为例,即孔压恒定为2MPa、孔压从0.5MPa变为2
MPa(图1左上角第一图所示)。当去离子水连续注入饱水岩心,将出现7次显著跳跃点。通过局部放大图,可以看到用三个轴向FBG传感器实时监测到的压力前缘的初始到时。低孔压下,属于同阵列Ch3的三个传感器的初始到时相差1-6s,但高孔压下,时差变小甚至重合。物质前缘界面未能在曲线上清晰地响应出来,主要是驱替流体本身对FBG传感器的影响相对较小。理论上,这与太沙基原理相吻合,随着有效应力减小,会导致有效应变的减小。此外,随着有效应力的减小,即孔压增大,三个FBG传感器测得的初始到时时差越来越小,最后甚至为零。因此,实际驱油工程中,尽可能减小储层有效应力,进而提高驱油时效,减少工程作业时间和成本等。

研究人员采用的岩芯驱替夹持器可满足在50
MPa以及60℃条件下的实验要求,同时能够实现scCO2(31.1℃,7.38
MPa)的稳定驱替。采用的两根FBG传感器,规格为单根光纤上嵌入三个中心波长连续分布的光栅且沿岩芯轴向方向对称粘贴于岩样表面。实验样本为四川盆地侏罗纪上统蓬莱镇组红色砂岩。实验结果表明,岩芯表面动态应变响应与CO2注入压力相关且保持线性增长的关系。基于此,可进一步针对较高注入压力条件下诱导的应力场变化进行预测且为储层及井筒稳定性评估提供室内实验数据及理论依据。另外,从实验结果可以看出在45℃条件下的应变响应值略高于20℃条件下,这是由于光栅对温度变化敏感且岩芯受热易产生膨胀变形等因素。由于三个光栅沿轴向布设于岩样上、中、下三个位置,当CO2注入后诱导岩芯内部应力场的波动会先后传递到三个光栅的感应区域从而产生相应的应变响应和初始响应时间差。在不同温压条件下,初始应变时间差不同。由图2可知,当注入压力为2
MPa,围压为10 MPa时,最大时间差为0.5 s;而在20℃,孔压增至8
MPa及围压保持16 MPa时,初始响应时间差已增至1.3
s。这主要是因为注入压力的改变使CO2由气态转变为了液态,而对lqCO2增温后使其保持超临界状态时,初始时间差又略有减小。温压的变化对CO2物质属性影响明显,特别是流体的动力粘滞系数。根据时间差及光栅中心间隔的比值可初步估计不同状态CO2在岩芯内部的运移速度:gCO2运移速度最快;lqCO2最慢;scCO2介于两者之间。因此,根据FBG测量结果可知这种监测技术可用于观测CO2流体运移路径及相应的前缘信息,有助于应用在CO2封存现场渗漏监测。最后,针对上述实验过程利用COMSOL软件进行编程模拟,模拟结果与实验结果高度一致,从而进一步验证了实验数据的真实性及监测技术的有效性。

水驱试验结束后,将气态CO2从饱水砂岩底部注入进行气驱试验研究。结果表明,对于CO2-水两相流,密度小的CO2由于浮力和毛细作用将会上移到岩心顶部,同时因差压而发生侧向延伸流动。大约经过19.3h,CO2羽到达岩心上部。由于试样顶部密闭,不同于传感器Ch3-2和Ch3-3处的气态CO2,传感器Ch3-1处的气态CO2会随着注入持续进行累积。因此,当砂岩底部持续注入CO2,导致试样顶部静水压力逐渐增大,因为顶部空间的去离子水会被上涌的CO2驱替排开,迫使水向试样底部缓慢移动,进一步导致有效应力减小。尽管测得的应变历史出现一些波动(机理尚待进一步解释),但原始试验结果对指导后续不同边界条件的驱替试验研究、数值模拟和现场应用具有指导意义,也为流体注入诱发的地质力学场微小变化的监测提供机理解释,最终目标是为CCUS现场高精度智能监测网络系统的搭建提供技术支撑。

该研究相关成果发表于Wiley出版社旗下的《温室气体:科学与技术》(Greenhouse
Gases: Science and
Technology
)杂志,第一作者为武汉岩土所硕士研究生范成凯,通讯作者为研究员李琦。该成果得到国家自然科学基金(No.
41274111)、中澳二氧化碳地质封存项目共同资助。

相关研究成果发表在《国际温室气体控制杂志》上。研究中使用的设备早期研发阶段受到中科院百人计划“引进海外杰出人才项目”的资助,实验受国家基金面上项目的资助。

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图1
表面粘贴两根FBG传感器CH3监测不同温度压力条件下CO2注入诱导岩芯表面相对应变响应

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图1
试验方案2中Ch3阵列的FBG传感器记录的砂岩水驱前缘信息的详细试验结果。表示Ch3阵列中三个FBG传感器对不同水驱过程的前缘信息响应。

图2 光纤布拉格光栅传感器CH1在恒定有效围压8
MPa下监测岩芯表面三个光栅初始应变响应时间差。气态CO2注入后光栅应变响应及时间差;液态CO2注入后光栅应变响应及时间差;超临界CO2注入后光栅应变响应及时间差。

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图2 恒压2MPa注入气态CO2驱替饱水砂岩岩心试验结果。

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