气体推动式地下流体取样技术的室内验证

获取高质量的地下流体样品对于二氧化碳地质利用与封存(CCUS)场地的CO_(2)泄漏监测具有重要意义。基于气体推动原理的地下流体取样器具有取样精度高、地层扰动小、易与井下监测技术集成从而实现地下流体原位连续监测等多方面优势,已广泛应用于多个CCUS场地中。然而,在实际应用中取样器存在取样量不稳定、受地下水水位波动影响大等问题。为解决上述关键问题,作者研发并搭建一套模拟井筒内地下流体取样可视化实验装置,通过开展不同液面高度下地下流体的取样实验,探究气体推动式取样器的取样过程及取样机制。实验结果显示:气体推动式取样技术在取样过程对井筒内液体无干扰,证明具有被动取样的特点,对环境影响程度低。取样量大小主要取决于井筒内液面高度和储流容器大小,可通过液面高度及管路尺寸精确计算得出理论取样量。不同液面高度下实际取样量与理论计算量基本一致,其误差随液面高度的增加而降低,最大误差小于6.6%。取样时间与平均取样速率主要取决于注气压力,并与注气压力呈现幂函数关系,拟合相关系数大于99%。上述实验结果将有助于进一步理解气体推动式取样器的取样机理,对于取样器结构优化以及指导现场取样效果具有重要意义,可进一步提高CCUS以及其他污染场地环境风险预警能力。

日本苫小牧CO_(2)海底地质封存监测技术分析及其启示

海洋二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)是应对全球气候变化、减排温室气体CO_(2)的关键技术之一,也是实现中国碳中和目标愿景解决方案的重要组成部分。中国近海沉积盆地封存潜力巨大,2022年中国首个CO_(2)海底地质封存示范工程已在南海珠江口盆地咸水层中正式启动。日本苫小牧咸水层封存项目作为迄今为止亚洲最成功的海底封存项目,其CO_(2)封存监测工作为我国离岸封存项目的开展提供了重要的实践参考及技术指导。文章全面回顾了苫小牧CCS项目案例情况,对项目执行、场地监测内容及布点、监测设施及技术、监测结果等进行分析,总结苫小牧CCS项目的成功经验,以及陆—井—海结合一体化的多层次、全方位的监测体系,旨在助力中国海上CO_(2)封存项目顺利运行,确保海洋生态环境安全。

沉积岩储藏系统小断层在油气田注水诱发地震中的作用--以四川盆地为例

以四川盆地为例,通过分析沉积岩储藏系统中断层的发育特征和典型沉积岩断层形成前后岩石变形破坏过程的实验研究,探讨沉积岩层中小断层在油气田注水诱发地震中的作用及较大地震发生条件。首先,通过分析已有的有关四川盆地深部注水诱发地震活动情况的资料得到具有一定普遍性的认识:诱发地震的空间分布明显受已有断层或破裂的控制,有感地震尤其是可导致一定灾害的中强地震往往都是已有断层的重新活动所致。其次,结合石油地质资料及盆地边缘地区出露的一些未成熟小型断层的地质与构造特征观察分析,发现这些断层的存在具有普遍性而且是地下油气纵向运移的主要通道。进而,在实验室条件下对四川盆地几个典型沉积岩样本进行了三轴压缩破坏实验。采用多通道宽动态高速声发射观测技术与三维X射线CT成像技术分析断层形成过程及形成后的几何特征和摩擦系数的变化。最后,通过融合各方面研究结果分析注水诱发地震的发生机制和模型,探讨了较大地震发生条件,为提升注水诱发地震评估能力和建立安全注水操作管理指南提供理论基础。该结果有助于理解为何四川盆地油气田注水诱发地震活动如此剧烈。主要的前三叠系沉积岩(包括白云岩、页岩及白云质灰岩)均具有较高的破坏强度和脆性变形破坏特征,使四川盆地油气储藏系统有条件保持较高的应力水平和在一定条件下导致地震性断层破坏。一般,一条尺度达到几km的断层便足以产生M5级别的中强地震。这些条件使得该区具有发生破坏性注水诱发地震的可能。有必要在对注水孔周围的破裂及断层构造的空间分布、尺度大小及力学性质特征有基本了解的条件下,通过注水数值模拟和监测注水诱发地震的时空演化,建立适当的统计模型实现诱发地震的统计评估和预测,指导注水操作而达到减少灾害性地震发生的风险。

油气田典型岩石三轴压缩变形破坏与声发射活动特征--四川盆地震旦系白云岩及页岩的破坏过程

随着二氧化碳地质封存、深部地热开采、地下储气库建设、页岩气开发、二次驱油/驱气等工业应用的快速发展,与地下流体注入有关的诱发地震活动呈现一定的增加趋势.利用声发射实验观测油气田典型岩石在三轴压缩条件下变形破坏过程与声发射活动特征,对研究注水诱发地震过程有着重要意义.本文利用四川盆地现场采集的震旦系白云岩及页岩,采用实验室声发射技术观测研究岩石三轴压缩变形破坏过程中地震波速度等物性参数及声发射事件时空分布特征.实验结果表明:震旦系白云岩及页岩在变形破坏过程中均有一定的声发射活动.根据声发射定位结果,声发射主要集中在破坏前后的较短时间内,页岩的层理面为结构弱面,控制最终破坏面的形态及声发射特征.根据应力-应变结果,白云岩在压缩的后期阶段有一定的扩容现象,但页岩在整个压缩阶段均没有明显扩容现象.研究结果表明四川盆地较古老的白云岩及页岩具有脆性破坏特征,地下流体注入容易诱发微震活动,形成裂缝,有利于页岩气压裂开采.微震活动有利于监测裂缝的发生发展,但同时在页岩气开发及二氧化碳地质封存时应采取相应的预防控制措施进行安全合理的储盖层管理,避免灾害性诱发地震的发生.

浅层地下流体保真取样技术及工程应用

开展地下流体取样作为地下环境保护的基础性工作,是实现地下能源可持续发展的关键性措施。通过对比国内外地下流体取样技术,气体推动式取样技术具有取样精度高、地层扰动小、分层连续取样的特点,是实现地下环境三维高精度连续监测的重要技术手段。通过分析国外气体推动式取样器的结构及应用情况,研发了浅层U形管分层取样系统,通过定制连接构件、封隔器、过滤渗析组件及储流容器,克服了应用深度有限、层间封隔性弱、易淤堵、场地适应性弱等难题,实现了定量、保压取样功能,并使得取样器更加标准化和规范化。目前,取样器在延长油田CCS-EOR示范项目进行安装应用,监测结果证明示范区未发生CO_(2)泄漏。此外,该应用也验证了所研发的取样系统具有取样精度高、系统体积小、综合成本低等技术优势。通过搭接现场原位监测技术,浅层U形管分层取样装置可望形成地下流体环境实时监测预警平台,为中国地下水资源调查与评估、污染场地监测与修复、废弃物地质封存等环境工程领域提供技术支撑。

页岩单轴压缩破坏试验的光纤布拉格光栅测试技术研究

由于化石能源工业的不断发展及其大量燃烧造成的严重环境污染问题等原因,促使页岩气逐渐成为绿色革命的关键能源组成之一。四川盆地龙马溪组是我国页岩气主力开采层位,在页岩气开采过程中,针对储层变形监测将有利于指导现场页岩气开采方案和安全风险管理等工作。光纤布拉格光栅测量应变的方法是近年来被广泛使用的一种新颖先进的实时应变监测技术,研究将其运用于页岩单轴压缩试验并对页岩表面应变进行监测。结果表明:(1)光纤布拉格光栅能够较好地监测页岩表面应变变化且环向应变传递效率高于轴向;(2)光纤布拉格光栅测试结果优于十字应变花,但轴向应变变化极易受表面裂缝发育影响而导致较低传递效率;(3)光栅传递效率受光栅本身力学性质、粘贴层性质及厚度等因素影响。从试验选择的两种环氧树脂黏胶对比试验结果中可知,新型555黏胶效果更佳。

国际碳捕集、利用与封存科技战略与科技发展态势分析

随着全球气候变暖,如何有效解决碳排放问题成为全球关注的焦点。近年来,碳捕集、利用与封存(carbon capture utilization and storage,CCUS)技术作为有效改善碳排放问题的负排放技术受到广泛关注。为了了解国际CCUS领域研究的总体状况与研究热点,基于美国、欧盟、英国、加拿大和日本等重要国家/地区发布的CCUS相关政策和规划,采用战略规划解读方法对CCUS领域发展态势进行分析。最后,总结全球CCUS研究热点与发展趋势,并提出中国CCUS发展的对策与建议。

川南龙马溪组页岩不同应力条件下脆性破坏特征室内实验与数值模拟研究

四川盆地龙马溪组页岩具有较好的生烃潜力。为研究龙马溪组页岩力学特性,首先对完整页岩试样开展了单轴压缩试验,基于颗粒流离散单元法反演单轴压缩岩石动态破坏过程,通过模拟常规三轴压缩试验,研究不同应力条件下页岩脆性破坏特征。研究表明,该龙马溪组页岩脆性矿物含量高,强度大,脆性特征明显;不同应力条件下龙马溪组页岩发生脆性破坏时具有相似的破坏特征,且峰值强度符合Mohr-Coulomb线性规律。加载到岩石损伤应力以前,微裂纹的分布无明显方向性和区域性,该时微裂纹的分布应与岩石的非均质性有关;损伤应力后微裂纹的萌生、聚集和贯通将受应力影响。页岩的特征应力(起裂应力、损伤应力、峰值强度)与围压表现出强相关性,但围压对峰值应力的影响程度比对损伤应力和起裂应力的影响程度更大,因裂纹稳定扩展阶段,微裂纹独立产生无相互影响,峰值应力还需考虑微裂纹间的相互作用及形成的宏观破裂面粗糙性的影响。

长庆油田黄3区长8特低渗油藏二氧化碳驱油与埋存先导试验

为了评价CO2驱在长庆油田特低渗油藏中的适应性及应用潜力,中国石油长庆油田进行了CO2驱油与埋存先导试验技术研究,取得了令人满意的初步效果。在综合对比周边气源条件、油藏条件、现场道路及CO2试运输的基础上,确定姬源油田黄3区长8油藏为先导试验区块。该区块油藏规模大,油藏条件具有达到混相驱的条件,周边气源丰富,现场道路条件好,属于低渗透开发早期油藏,但水驱开采效率低,开发效果逐年下降。先导试注效果显示:在CO2驱的作用下,黄3区长8油藏部分油井的日产液量及日产油量明显上升,且含水率下降。与水驱注入压力相比较,CO2注入压力无明显上升,且不随注入量的多少而变化,说明黄3区长8油藏具有较好的CO2注入性和良好的吸气能力。同时结果表明,所选取的CO2注入参数设计基本合理,CO2驱具有进一步在长庆油田推广的良好前景。然而,由于CO2注入压力较水驱上升幅度较低,原方案的周期注气方式、注入速率及注入压力上限等仍有实行进一步优化的空间。此外,为了提升试验效果,可逐步扩大试验规模,以便CO2驱试验在长庆油田范围内的整体性评价分析。

地下流体注入诱发地震机理及其对CO_2地下封存工程的启示

二氧化碳地质封存(CO2Capture and Storage,CCS)项目应当评估诱发地震的潜在可能性。中强震、强震危及人类生命财产安全,有感地震甚至微震也对CO2储区的盖层完整性构成威胁,增加泄漏风险。地热开发、页岩气开发及油气增产等的水压致裂过程中都伴随有地下流体的注入,且时有地震诱发的案例。诱发地震活动通常在流体注入压力较高时沿已有断层发生,因此可通过应力分析等对其发生机理进行研究。超临界状态CO2密度比水小,在地层深部可能会形成密度流或者与构造中先存的水岩发生相互作用,进而导致渗透率和压力变化并引发地震活动。综述了全球相关的研究进展,主要从地震成因机理入手,考虑超临界CO2性质的特殊性,结合商业尺度和实验尺度的流体注入项目和地震监测分析,研究其对储区盖层完整性的影响。以期通过适当的选址、注入方法及监测方案的优化来避免破坏性地震的发生。

基于U型管原理的浅层地下流体环境监测与取样技术

在能源与废弃物地下储存及地下水环境评估与污染治理等领域,为了对地下水环境进行三维高精度连续监测,中国科学院武汉岩土力学研究所开发了一种基于U型管原理的地下流体多层取样和监测装置。介绍了这种基于U型管原理的气体推动式取样装置,并与国内外多种同类型的取样技术进行对比。共开发出3种不同型号的流体取样装置,经过多次场地试验和工程检验,验证了该浅层U型管监测装备是一种性能可靠、运行稳定的浅部地层(0～200 m)取样监测设备。作为地下水环境监测平台,浅层U型管监测系统可以进行技术集成化改进并进一步增加其应用深度,后期开发前景和应用前景广阔。

珊瑚礁灰岩物性特征及工程性质研究进展

礁灰岩是珊瑚礁岩体的基础和主体部分,其物理力学特征及工程性质的研究在海洋开发建设中具有重要的战略意义。国内外对不同地区礁灰岩的研究表明,礁灰岩具有高孔隙、低密度、低强度的物理性质,且由于成岩作用复杂,其岩石结构发育具有不均匀性,不同胶结程度的礁灰岩具有不同的应力响应,这与其他常规软岩及脆性岩石性质相比明显不同。目前对礁灰岩的研究总体上仍处于初级阶段,尚不能很好地解决珊瑚礁工程建设中的诸多难题,需要系统地开展更加深入的研究。建议首先进行科学的结构分类,加强对不同结构类型礁灰岩的物理力学特征、工程性质、微观胶结机理以及海水侵蚀作用对其物性特征影响等方面的研究。

低能耗相变吸收体系捕集CO_(2)与驱油封存关键技术开发及应用

2015年11月,我国在巴黎大会期间庄重承诺"将于2030年左右使CO_(2)排放达到峰值并争取尽早实现,2030年单位国内生产总值CO_(2)排放比2005年下降60%~65%";十九大报告指出"积极参与全球环境治理,落实减排承诺";2020年9月,我国在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重宣布,"中国将采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和."CO_(2)捕集与驱油封存技术是当前有效的碳减排途径之一,既能封存大量CO_(2),又能增产石油,具有保障国家能源安全和保护生态环境的双重战略地位.项目的实施实现了CO_(2)捕集与驱油封存的规模化、资源化、一体化和低成本减排,对于推动碳减排事业、助力国家碳达峰、碳中和战略目标的实现具有重大意义.

基于光纤Bragg光栅的油气工业实时监测技术研究进展

光纤Bragg光栅(FBG)是近年发展起来的一种实时高精度监测技术,具有耐高温高压、抗电磁干扰、易于复用与可组网等独特优点,成为油气领域最具前景的监测手段。介绍了FBG传感技术的发展历程、工作原理,重点分析了全球油气工程中管道完整性监测、油气测井、地震勘探方面的最新应用现状;探讨了目前FBG传感器在油气田复杂环境条件下实时监测存在的问题,并就未来发展趋势进行展望。

塔河油田酸气回注与LO-CAT硫磺回收经济性对比

塔河油田二号联轻烃处理站原料气中酸气含量过高,需要对原料气进行脱硫处理,以满足国家排放要求。计算塔河油田酸气回注的工艺固定投资及年运行费用的上下限区间,对酸气回注工艺与LO-CAT硫磺回收工艺进行经济性对比。结果显示:塔河油田酸气回注的固定投资成本仅为硫磺回收工艺固定投资成本的80%～90%,酸气回注的运行费用仅为硫磺回收工艺运行费用的11%～24%,在不考虑酸气回注的减排补贴和硫回收工艺硫磺收益的情况下,酸气回注的经济效益优于硫磺回收工艺。