地层环境与CO2饱和度变化下深部咸水砂岩层化学-渗流-蠕变规律研究

The project concentrates on the study of carbon sequestration by mineralization and the evolution of rock mechanics and permeability in saline aquifer. A series of experiments are conducted to reveal the mechanism of carbon sequestration by mineralization and the long-term deformation and failure of salt-water sandstone strata with different formation pressure and pore pressure under the see-page of pore fluid with different CO2 saturation, as well as the cooperative control relationship between the migration of CO2 and the permeability of reservoir stratum. On the base of test results under different confining pressure, different axial pressure and different composite mode of pore pressure difference, CO2 buoyancy and gravitation, the main objectives include the follows: develop a porosity-permeability-effective stress coefficient model and the dissolution/precipitation model of salt-water sandstone strata; analyze the evolution of fixed carbon content in salt-water sandstone strata with the changes of formation pressure, pore pressure and CO2 migration; propose the weakening envalution index of long-term mechanical strength of reservoir stratum after CO2 injection; develop the chemical-hydro-creep coupling model under the changes of stratum environment and CO2 saturation. The research findings of this project provide theory and technique supports for the quantitative assessment of potential carbon sequestration by mineralization in salt-water sandstone strata and the controlling of stratum long-term mechanical stability and deformation, as well as the predictive analytics of CO2 infiltration area range in reservoir.

以咸水层矿化封存CO2机理及岩层力学、渗透性质演化规律为研究核心。采用一系列室内试验，揭示咸水层储层在不同地层压力、不同孔隙压力以及不同CO2饱和度的孔隙流体渗透条件下矿化封存CO2的机制及储层砂岩长期力学变形破坏机理、CO2不同运移模式与储集岩层渗透特性的协同控制关系。基于不同围压、不同轴压、不同孔隙压差与CO2浮力、重力场的组合模式条件下的试验结果，建立孔隙率-渗透率-有效应力系数模型以及深部储层砂岩的溶解-沉淀物理模型，分析储层砂岩固碳量随地层压力、孔隙压力分布和CO2运移分布的演化规律，提出CO2注入对储层长期力学强度的弱化评价指标，建立不同地层压力、不同孔隙压力以及不同CO2饱和度的孔隙流体渗透条件下储层砂岩化学-渗透-蠕变模型。研究成果为储层砂岩矿化封存CO2潜力的定量评价以及地层力学稳定性、长期变形控制和储层渗透范围预测分析提供重要的理论和技术支持。

CO2咸水层封存过程是一个从注入二氧化碳到最终岩层矿物碳化固碳封存的复杂过程。本项目针对咸水层封存CO2的长期封存效果和长期安全性，从地层应力、孔隙压力、CO2饱和度三个因素开展了深部咸水砂岩层化学-渗流-蠕变规律研究。.1）开展了地应力、孔隙压力和CO2饱和度分布三种控制因素下的岩石化学-渗流-蠕变试验，通过试验揭示了CO2-NaCl溶液渗透和应力作用下砂岩蠕变机制以及孔隙结构、渗透系数的演化规律。.2）通过电镜扫描试验结果验证了CO2-NaCl溶液对砂岩变形特征的影响是由于CO2-NaCl溶液弱化了颗粒间的胶结情况，使得砂岩颗粒之间更容易产生彼此相对滑动引起剪胀，以及颗粒表面不同的应力分布使得矿物颗粒表面发生不同程度的化学作用引起矿物结构形状的改变形成各向异性，进而引起剪胀。.3）通过压汞实验、电镜扫描和水质分析实验从细观角度证明了CO2-NaCl溶液渗透作用对砂岩孔隙结构的改造，沿渗流路径，孔径减小，以及CO2-NaCl溶液对砂岩骨架矿物成分和孔隙流体离子浓度的改变，一方面引起原生矿物的表面溶蚀和分解，矿物离子进入孔隙流体中，另一方面引起新生矿物的沉淀，使得注入的二氧化碳以碳酸盐矿物的沉淀吸附在砂岩孔隙内。.4）建立了砂岩在CO2-NaCl溶液渗透蠕变过程中的溶解-沉淀物理模型，得到不同溶解类型矿物在压溶作用下的溶解体积与化学直接蠕变量之间的关系及其溶解/沉淀量与孔隙率之间的关系。通过孔隙率—渗透率—有效应力系数模型，得到砂岩渗透率随孔隙率的演化规律以及有效应力系数改变而产生的间接蠕变量。.5）建立了砂岩化学-渗流-蠕变耦合模型，并利用C++程序与FLAC3D的结合针对砂岩在CO2-NaCl溶液渗透作用下的蠕变试验过程进行模拟，分析了该耦合机制下砂岩的蠕变特征和渗透特征。.上述成果为储层砂岩矿化封存CO2潜力的定量评价以及地层力学稳定性、长期变形控制和储层渗透范围预测分析提供重要的理论和技术支持。