二氧化碳深含水层隔离的二相渗流模拟与岩石物理学研究

论文题目: 二氧化碳深含水层隔离的二相渗流模拟与岩石物理学研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 固体地球物理学

作者: 刘小燕

导师: 席道瑛

关键词: 地下隔离,耦合模型,时延地震,岩石物理学,地震烟囱

文献来源: 中国科学技术大学

发表年度: 2005

论文摘要: 近百年来气候的急剧变化引起人们对温室气体排放问题的注意，为了遏制全球增暖趋势，收集人类集中排放的CO2并进行地下隔离成为减排对策之一。目前CO2深部隔离储存的地点和方式可有以下几种选择：已废弃、无商业开采价值的油气田、深部煤层、深海隔离、深含水层隔离等。其中CO2深部地下含水层储存，因其具有隔离储存空间大、封闭隔离时间长、分布广易于在排放点位置就近选择的优点，成为目前最受瞩目及最具潜力的隔离方法之一。 位于挪威北海中部Sleipner地区的Utsira砂层是世界上第一个以商业为目的大型超临界CO2深含水层隔离的项目，从1996年开始每年向地下注入约100万吨CO2，项目开展起来的6年时间里进行过3次时延地震，其监测资料对科学研究而言具有十分重要的意义。基于发表的数据和资料，本文拟对此进行更深入的研究工作，继续修改流动模型机制和提出适应于二相渗流分布的岩石物理学模型，为Sleipner地区CO2深含水层隔离的时延地震某些流体异常提供新的机制解释。 针对超临界CO2地中隔离的多组分多相渗流特点，构建了考虑局部非热均衡效应的非等温两相渗流THM耦合框架，开发了有限元模拟程序，以SACS计划设立的用于各国模拟程序对比的概化模型为BMT（Bench Mark Test）进行程序验证和核准，得到了考虑毛细管力和相对渗透率的两相非混溶渗流CO2饱和度分布时间演化规律。由于模拟框架考虑了固液三相非等温的热传递过程，这为将来模型应用考虑相变情况的预留了拓展空间。 考虑超临界CO2与地下水的粘度差异，CO2深含水层隔离二相渗流可能产生粘性指进现象。对超临界CO2在含水层中运移的两相流界面非稳定粘性指进现象进行了渗流力学机制分析，在二相流THM耦合模型中引入流度比判断条件下渗透率概率扰动项，将其引入非等温两相渗流的有限元模拟中，得到了CO2在运移过程中的细部发育特征，特别的是CO2中间饱和度区域将出现粘性指进引起的两相密集交错带；基于对由介质孔隙结构（如渗透率分层和毛管力作用）导致的优势流（或称沟槽流）指进形态的模拟，本文对三种指进的差异及其共同作用下CO2在深含水层中驱替运移特征进行了比较分析。 针对裂隙性多孔介质，率先提出了含裂隙非均匀介质的地震波传播中波致流体弛豫的尺度效应概念。就不同的裂隙空间分布进行符合波传播特点的渗透率尺度效

论文目录:

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 论文相关的研究背景简介

1.1.1 提出CO_2地中隔离设想是减缓气候变化的要求

1.1.2 CO_2地中隔离方式

1.1.3 CO_2深含水层隔离可行性和隔离机制分析

1.2 CO_2含水层储存隔离国际项目开展情况和研究动态

1.2.1 各发达国家纷纷着手开展CO_2含水层隔离研究项目

1.2.2 我国适于进行CO_2深含水层隔离储存的含水层分布

1.2.3 CO_2深含水层隔离储存的重点研究问题

1.3 CO_2深部含水层隔离的流体流动模拟研究现状

1.4 时延地震及其CO_2深含水层隔离监测可行性简述

1.5 本文研究思路、技术路线和主要研究内容

第二章 多组分多相流THM耦合迁移控制方程

2.1 引言

2.2 超临界CO_2的热物理性质

2.3 二相流THM耦合控制方程

2.3.1 耦合模型的建立

2.3.2 模型特点与讨论

2.4 小结

第三章 流动耦合模型数值计算与验证

3.1 引言

3.2 模型验证

3.2.1 不考虑重力的CO_2含水层隔离二相流的径向流模拟

3.2.2 考虑重力的CO_2含水层隔离二相流的径向流模拟

3.2.3 考虑重力的CO_2含水层隔离二相流的层状模拟

3.3 讨论

3.4 小结

第四章 CO_2含水层隔离THM耦合下的指进现象

4.1 引言

4.2 两相非稳定流动的粘性指进现象

4.2.1 粘性指进的渗流力学机制分析

4.2.2 考虑相对渗透率的过渡带粘性非稳定判别准则

4.2.3 粘性指进模型应用评述

4.2.4 从控制方程入手建立新模型

4.2.5 模拟的粘性指进流型特征分析与参数选取

4.3 非均质地层中渗透率和毛细管作用造成的指进现象

4.3.1 模拟渗透率分层引起的指进

4.3.2 模拟毛细管力差异引起的指进

4.4 三种指进现象对比

4.5 小结

第五章 CO_2深含水层隔离的岩石物理学研究

5.1 引言

5.2 几种经典岩石物理模型发展评述

5.2.1 Gassmann流体置换类方程

5.2.2 Wyllie时间平均方程

5.2.3 Reuss—Voigt方程

5.2.4 一些经验公式

5.3 温度、压力、流体饱和度对岩石地震属性的影响

5.3.1 温度作用

5.3.2 应力作用

5.3.3 流体饱和度

5.3.4 流体粘度与流动性

5.4 裂隙介质渗透率的弛豫尺度效应

5.4.1 介质的非均匀性导致特征参数的尺度效应

5.4.2 尺度效应研究在水力学和地震波传播上的异同

5.4.3 含尺度效应的波致流动渗透张量分析

5.4.4 含多组裂隙饱和岩石的波致流动的力学本构方程

5.4.4.1 本构模型和方程推导

5.4.4.2 模型计算和单因素分析

5.4.4.3 模型讨论

5.4.5 低频下渗透率尺度效应影响弛豫过程的试验证据与分析

5.5 两相流体占据空间形态的地震响应

5.5.1 DEM微分等效介质理论的发展和有效性分析

5.5.2 建立两相非混溶流体饱和多孔介质的DEM微分等效介质模型

5.5.3 模型计算与分析

5.6 小结

第六章 时延地震流体异常的模拟研究

6.1 引言

6.2 波阻抗与地震信号的联系——褶积模型

6.3 地震响应正演模拟

6.4 小结

第七章 时延地震解释实例研究—以Sleipner地区CO_2深含水层隔离为例

7.1 引言

7.2 Sleipner地区CO_2深含水层隔离储层情况简介

7.3 SACS技术报告对显影、烟囱现象的解释

7.4 本文对“显影”、“烟囱”现象的解释

7.4.1 均质性较好的Utsira砂层中CO_2的上浮运移区域形态

7.4.2 均质性较好的Utsira砂层中“显影”现象解释

7.4.3 “显影”现象的断续——“烟囱”现象的解释

7.5 讨论:CO_2深含水层隔离机制分析结果的研究意义

7.6 小结

第八章 结论

8.1 结论

8.2 展望

参考文献

致谢

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发布时间: 2007-03-13

参考文献

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