基于知识图谱的中国碳捕集、利用与封存领域研究历程

碳捕集、利用与封存(carbon capture,utilization,and storage,CCUS)技术是目前国际上应对气候变化的重要手段,对实现碳减排目标、促进可持续发展具有重要意义。该文首先梳理我国有关CCUS政策的发展历程,然后通过文献计量和科学知识图谱相结合的方法,基于中国知网数据库中2000年至2022年CCUS领域的研究文献(期刊论文和专利),利用VOSviewer和Excel软件统计分析论文的年度发文趋势、载文期刊、资助基金、研究机构、发文作者和研究热点以及专利的年度公开数量、主题及学科分布和发明人,并以二氧化碳吸收剂和二氧化碳驱油技术为例分析CCUS流程中的若干重点技术的发展进程和趋势。最后,针对现阶段CCUS研究存在的问题提出一定的建议。

基于地质工程一体化的裂缝性地层漏失压力预测

针对新探区裂缝性地层地质及工程资料严重缺乏,导致现有漏失压力计算模型有效性降低这一问题,文中提供了一套地质工程一体化裂缝性地层漏失压力预测方法,即在现有漏失压力计算模型的基础上,引入裂缝指数,结合钻井液漏失机理,制定漏失类型分类评价指标,形成裂缝性地层漏失压力三维建模方法。另外,建立了渤海A油田漏失层漏失类型分类评价指标,对A油田进行了三维漏失压力建模及预测,并在C-5井成功应用,钻井周期缩短15 d。应用结果表明,A油田的裂缝指数与漏点位置相关。文中方法综合利用地质、工程、地质力学数据,可为新探区提供可靠的漏失压力精细预测结果,有助于新探区的钻井优化设计和管理。

基于改进蚁群算法的海上稠油热采井钻井顺序优化

蒸汽吞吐是广泛应用的稠油开采方式之一。海上稠油区块钻井作业成本高,故钻井的同时对邻近已完钻井进行注热,该模式可大幅提高钻采效率,然而存在注热井蒸汽窜至在钻井风险。本文对热采井的汽窜风险进行了研究,并提出了改进蚁群算法,以求解出满足安全距离且钻井总工期最短的钻井顺序。首先,构建了三维储层,模拟向井底注热时井周温度场与压力场分布规律。结果表明,向非均质储层注热时,蒸汽易沿高渗通道突进,9 d时间窜流距离可超90 m。其次,对蚁群算法做出了改进,将归一化的井底最小距离引入位置转移概率,将钻井停工时间引入信息素更新策略,优化求解钻井顺序。结果表明,针对渤海油田典型案例,当设定安全距离为400~460 m时,该算法较人工选取法可节约钻井总工期15~30 d。本文提出的改进蚁群算法可以快速高效求解出钻井总工期最短的钻井顺序,为钻进顺序的优选提供了定量化计算方法,对节约钻井成本、增强海上稠油热采井钻井安全性具有重要意义。

文昌油田新近系储层出砂临界压差预测与防砂参数设计

文昌油田新近系储层为软至中硬地层,地层孔隙压力为正常压力。通过拉伸破坏和剪切破坏2种机理分析,储层出砂临界压差为3~12 MPa。油田设计生产压差高于出砂压差下限,生产中存在出砂风险,且1 600 m以浅储层开采初期出砂可能性较高。为了保障油田安全开发,通过岩心实验确定新近系储层粒度分布特征和黏土矿物含量,依据防砂图版对珠江组储层防砂方式和防砂参数进行初选,并进行防砂模拟实验验证。实验结果表明:采用优质筛管独立防砂和管外砾石充填防砂均能满足海上油田防砂要求,相同防砂参数下,独立筛管防砂出口流量高于砾石充填防砂;相同防砂方式下,挡砂精度为105、127μm出口流量相差不大。参考防砂模拟实验结果,综合考虑文昌油田新近系储层出砂临界压差大小、粒度分布及黏土矿物含量,建议1 600 m以浅储层采用砾石充填防砂,砾石尺寸按照5倍地层砂粒度中值(d50)设计,筛管挡砂精度按d50平均值设计;1 600 m以深储层采用优质筛管独立防砂,挡砂精度按d50下限值设计。

动态裂缝堵漏试验装置的研制与应用

由于地层压力和井筒压力的异常变化,致使应力敏感裂缝性地层裂缝形态复杂多变,钻井液漏失问题更加严重,采用传统静态裂缝堵漏试验优选的堵漏配方难以高效封堵应力敏感性漏失裂缝。为此,研制了一套动态裂缝堵漏模拟试验装置,可通过控制裂缝内的流体压力与裂缝面闭合压力差实现裂缝动态变化过程中的堵漏模拟。对裂缝启动压力、裂缝面闭合压力、裂缝出口漏失体积/漏失速率、封堵层反向承压能力、封堵层抗钻井液冲刷时间等参数进行评价,完成了阶梯加压模式和连续加压模式下的堵漏模拟试验。试验结果表明:当堵漏配方相同,但裂缝面闭合压力不同时,裂缝启动压力不同;当堵漏材料中的大尺寸颗粒和中等尺寸颗粒含量相当时,该堵漏材料在动态裂缝内易滞留、易架桥,且形成的封堵层承受井筒波动压力的能力较强。研究结果可为治理井下复杂事故提供参考。

泥页岩地层区域三维地质力学建模与应用

印尼A油田在钻井过程中泥页岩地层井壁坍塌严重,为安全快速钻井,减少复杂事故,文章提出了一种多源地质力学建模方法,该方法综合利用岩心实验数据、已钻井测井数据、地震反演数据和泥页岩失稳机理,对印尼A油田的地质力学参数进行了精细刻画,并建立了该油田三维孔隙压力空间分布、三维弹性模量空间分布、三维泊松比空间分布等三维属性体;利用有限元的方法,计算了该油田三维地应力分布,得到三维安全钻井液密度窗口。该模型有效耦合测井数据、岩心数据、地震数据等多源数据,可在钻井设计和钻井施工过程中根据目标井的坐标位置和井眼轨迹准确获取目标井的安全钻井液密度窗口,已在该油田B-8井中现场应用,模型所得到的安全钻井液密度窗口满足现场实际需要,实钻过程中无复杂,钻井周期相对油田前期平均钻井周期缩短40%。本模型为钻井设计及现场施工确定合理钻井液安全密度窗口提供了技术支撑,为解决泥页岩等易坍塌地层的井壁失稳提供一套地质工程一体化的解决方案。

多级压裂一界面破坏试验及数值模拟研究

现有多级压裂套管-水泥环破坏研究方式有限,无法准确反映其界面实际破坏情况。为此,结合试验与数值模拟方法,通过研制的胶结参数测试装置,获得界面胶结参数并将其赋予套管-水泥环界面中的Cohesive单元,以此开展在不同套管内压下套管-水泥环界面(一界面)破坏数值模拟研究。研究结果表明:建立的套管-水泥环-地层有限元模型可使一界面破坏数值模拟最大程度贴近实际界面物理破坏情形;在增压阶段,套管内压值越高,水泥环塑性变形程度越大;水泥环塑性变形程度及一界面微环隙宽度在周向上均不一致,在水泥环塑性变形程度越大的区域一界面微环隙越宽。所得结论可为油田压裂施工参数设计提供理论参考。

环氧树脂胶结人造砂岩单轴力学性质研究

人造砂岩以其易于获取和性质可控的特点,在石油、岩土工程等领域具有广泛的运用。然而,人造岩心的力学性质与天然岩心之间仍然存在一定的差异。为研究环氧树脂胶结人造砂岩的力学性质,分别使用3种不同的环氧固化体系进行人造岩心的制备。通过对不同固化体系胶结岩心的单轴应力-应变曲线和破坏形式的对比,研究了固化体系对岩心力学性质的影响。通过改变固化剂比例、固化时间和促进剂含量,分析了影响脂环族环氧树脂胶结岩心脆性的主导因素。针对环氧树脂的老化问题,进行了岩心浸泡流体后的强度测试,研究了环氧树脂胶结人造岩心力学性质对流体的敏感性。结果表明:环氧固化物的力学性质与环氧树脂及固化剂的类型和结构有关,不同环氧固化体系胶结的人造岩心力学性质差异较大;使用脂环族环氧树脂胶结的人造岩心其脆性相对更好,岩心破坏后应变软化迅速,表面可见明显的破坏倾角;促进剂对脂环族环氧树脂胶结岩心的脆性和强度有较大影响,促进剂含量低会导致岩心塑性太强,含量过高则导致岩心强度下降,以DMP-30作促进剂时用量3%到5%较为合适;岩心强度对水和矿物油均有不同程度的敏感性,其中水对强度的弱化作用较为显著,泡水2 h可导致50%左右的强度损失;对于涉及流体饱和的人造岩心力学性质的相关研究,应考虑岩心强度对流体的敏感性。本文的结果对于降低人造岩心与天然岩心之间的力学性质差异以及人造岩心在岩石力学实验方面的运用具有一定的指导意义。

超轻预充填防砂筛管控砂解堵机理研究

在疏松砂岩油藏开采过程中,储层出砂后堵塞油气通道已经成为油井减产降效的重要原因。为了研究机械筛管在防砂过程中的堵塞问题,基于超轻预充填防砂筛管建立CFD-DEM四向交互流固耦合模型,针对地层砂粒度分布特点构建混合砂注入模型,形成井壁出砂与机械筛管防砂全周期流体生产过程;采用静态分层法划分井筒环空与挡砂介质区域,考虑挡砂结构、流体性质与井壁出砂速度3方面影响因素,定量研究流体压力与颗粒的堵塞规律。分析结果表明:陶粒直径与地层砂粒度中值比值为7时,流体阻力变小,解堵效果明显;流速过大形成的冲击力不仅对解堵作用较弱,反而会加剧筛管的堵塞;超轻预充填防砂筛管对流体黏度敏感性较弱,且能够应对井壁快速出砂的情况,适用于出砂量大的稠油油藏。研究结果可为油田高效防砂增产提供参考。

疏松砂岩压裂充填支撑剂在裂缝中运移规律数值模拟

压裂充填防砂完井要求裂缝保持较高的无因次导流能力,支撑剂在裂缝中的运移和铺置对导流能力有直接影响.为了分析支撑剂在疏松砂岩压裂裂缝中的运移规律,利用欧拉方法描述压裂液流体和支撑剂颗粒在压裂充填过程中的运动,建立了数值模拟模型.通过模拟计算得出了压裂液排量和黏度对裂缝内支撑剂运移的影响规律.计算结果表明,压裂液排量越高,支撑剂运移距离越远,悬浮量越多,形成砂堤的速度越快.当压裂液黏度为300 mPa·s,排量大于2.3 m^(3)/min时,支撑剂在裂缝中均匀分布,几乎不发生沉降.同时,压裂液黏度增加,支撑剂运移距离和悬浮量均增加.当压裂液排量为1.4 m^(3)/min,表观黏度超过200 m Pa·s时,大部分支撑剂在运移过程中能够被悬浮到裂缝中.模拟计算结果对压裂充填完井压裂液黏度选择和排量设计具有指导意义.

复合盐膏层井眼缩径机理与对策分析

目前,在非均匀地应力和考虑盐膏层与软泥岩互层蠕变相互影响的条件下,对控制复合盐膏层井眼缩径的合理钻井液密度的确定方法研究较少。为此,文中以Buzurgan油田复合盐膏层井眼缩径问题为例,在岩石力学实验的基础上,建立了盐层-软泥岩-盐层的三维FLAC3D复合盐膏层模型,并编制了控制复合盐膏层井眼缩径安全钻井密度图版。结果表明:在相同钻井液密度条件下,最小水平地应力方位井眼缩径率高于最大水平地应力方位井眼,而软泥岩夹层井眼缩径速率高于盐岩地层井眼,软泥岩蠕变是造成Buzurgan油田复合盐膏层井眼缩径的主要原因;为控制井眼缩径,钻井液密度应取2.35 g/cm^3;控制复合盐膏层井眼缩径的同时,要提高钻井液的矿化度、降滤失性和封堵性,抑制软泥岩的蠕变。研究成果复合盐膏层的安全钻进提供了技术支撑。

断层错动型套管变形特征分析——以大港官东页岩油为例

非常规页岩油气的开发对于保障我国能源安全具有重要意义,在我国页岩油气水力压裂开采过程中,套管变形问题十分突出,严重制约了我国页岩油气的高效开发。大港官东页岩油区块进行压裂作业后,套管变形问题严重,初期套变率高达66%。对比官东页岩油区块的断层位置信息后发现套管的变形区域与井眼轨迹和断层交点位置重叠度较高,表明套管变形问题与压裂过程中的断层运动关系密切。通过MIT(The Multi Finger Imaging Tool)工具对套管变形区域进行了测量,所得的数据基于SolidWorks软件重构了变形套管的3D形貌,结果显示,套管的变形特征与断层的运动方向和视图观察方向有关剪切变形,并不一定呈现出经典S型变形特征。该地区的套管主要受水平方向运动的走滑断层挤压,平行断层错动方向可观察到套管截面存在受压扩径的特征。为了研究断层错动对套管内部受力的影响,本文用Abaqus软件建立了含断层的地层—水泥环—套管模型,并通过控制位移边界条件模拟了走滑断层的运动,且对不同的断层倾角和走向造成的套管局部受力变化进行了敏感性分析。研究结果表明:(1)受断层剪切的套管变形特征与观察方向有关,平行断层运动方向观察套管形貌应观察到受压膨胀的特征,垂直断层运动方向观察套管形貌,应观察到S型的剪切变形特征;(2)套管受断层挤压影响,在变形区域的截面轮廓则会呈现出椭圆化的特征,套管的受挤压方向和截面的短轴方向一致;(3)水平运动的断层,其倾角越大,套管达到极限强度时的位移越小;目标区块地应力条件下,断层走向为45°时套管达到极限强度时的位移最小。研究结果为确定套管变形是否由断层滑移造成提供了判断依据。

石油工程岩石力学工程案例教学方案设计

石油工程岩石力学是石油工程专业本科生的一门必修课,主要讲授岩石力学基本原理及其在石油工程领域的应用。目前,传统的以传授书本知识为主的教学模式难以满足应用型本科生培养需求和工程教育专业认证要求,在课堂教学中适当引入工程案例教学有助于理论联系实际,提高学生的学习兴趣,达成教学培养目标。因此,选择难易适中、具有启发性、分析结论具体明确的典型工程案例引入课堂教学,并对教学方案进行设计,形成了包括“理论学习、工程案例引入、分析讨论、教师讲解和、课后作业复习”的一整套工程案例教学方案。该方案鼓励学生积极主动参与课堂教学,同时兼顾教师在课堂教学中的重要作用,有利于提高学生理论知识学习效率和解决实际工程问题的能力。

盐穴型地下储气库建库评价关键技术及其应用

为了解决层状盐岩盐层展布不均、造腔机理复杂、造腔过程控制难、盐腔运行安全稳定性差、老腔改造利用难度大等技术难题,从盐穴地下储气库盐层利用最大化、提高造腔效率、缩短建库周期、保证腔体安全的设计目标出发,依托江苏金坛盐穴储气库的设计经验与现场实践,全面更新设计理念,提出了选址评价、造腔设计与控制、稳定性评价与库容参数设计、老腔筛选及利用、气库运行及监测等5项关键技术序列,丰富和完善了盐穴储气库建库评价技术体系。上述5项关键技术在金坛盐穴储气库建设中的实际应用效果表明:(1)地质方案实钻符合率高;(2)造腔形态符合设计预期;(3)腔体变形收缩率符合稳定性评价结果预期;(4)老腔改造利用成功;(5)部署监测网络保障了盐穴储气库的运行安全,为长江三角洲地区天然气调峰保供发挥了重要作用。结论认为,该项研究成果指导了盐穴地下储气库的建库方案设计及工程实施,为同类储气库的建设提供了理论支撑与技术保障。

临兴区块石盒子组致密砂岩气储层压裂缝高控制数值模拟研究

对含上下隔层的致密砂岩进行水力压裂增产作业时,储隔层间应力差、物性差异等地质因素和压裂液黏度、施工排量、射孔位置等工程因素对水力裂缝延伸规律影响显著。针对鄂尔多斯盆地东缘临兴区块石盒子组致密气砂岩储层,基于ABAQUS有限元计算平台,建立三维层状介质的压裂缝高数值模型,研究各因素对裂缝高度控制的影响规律。研究结果表明:临兴区块石盒子组储层压裂施工产生垂直形态的水力裂缝,储隔层应力差是最关键控制因素,当大于4 MPa时可以有效控制缝高;弹性模量低的隔层对控制压裂缝高有利;泊松比对于压裂缝高几乎没有影响;高储隔层应力差(>4 MPa)下施工排量小于6 m^3/min时,裂缝延伸抑制作用明显;低储隔层应力差下(<2 MPa)施工排量越大,裂缝在隔层内延伸程度越大;压裂液黏度低于10 m Pa·s时对压裂缝高影响很小;射孔位置的不同对于裂缝起裂阶段影响显著,储层上部射孔时裂缝最终形态和压裂缝高较储层中部射孔和全井段射孔差异很大。开展室内试验研究施工排量、射孔位置等工程因素对裂缝穿层扩展的影响,试验结果与数值模拟结果吻合良好。研究结论可为油田现场预测裂缝形态,选择合适层位,优化压裂参数提供借鉴。

疏松砂岩油藏压裂裂缝延伸规律数值模拟

压裂充填防砂可实现增产与防砂双重目的,是疏松砂岩油藏的一种重要完井方式。疏松砂岩具有高孔、高渗特点,且强度低、塑性强,裂缝起裂与延伸机理较为复杂。为研究疏松砂岩储层压裂裂缝延伸机理,揭示压裂工艺参数对裂缝形态的影响,建立了考虑储层岩石弹塑性变形、裂缝起裂与延伸、压裂液流动与滤失以及储层孔隙流体渗流复杂耦合作用的流固耦合有限元数值模型,针对渤海油田绥中36-1区块典型疏松砂岩储层,开展了压裂裂缝延伸规律数值模拟计算,并重点分析了压裂液效率、排量对于裂缝延伸规律的影响。结果表明:低效率压裂液在疏松砂岩中仅形成极短而窄的裂缝,裂缝两侧伴随着一定范围的剪胀高渗带,难以容纳支撑剂,无法实现充填防砂目的;高效率压裂液可在疏松砂岩中形成压裂充填防砂工艺所需的短宽裂缝,裂缝壁面两侧存在轻微压实现象,对渗透率的影响较小;提高压裂液排量,裂缝长度减小,裂缝宽度增加。研究结果可为疏松砂岩压裂充填设计提供一定理论参考。

几种热采井用油管钢在次生H_2S/CO_2环境中的腐蚀行为

利用动态高温高压釜模拟研究了普碳油管钢N80和两种热采井用低合金油管钢TP100H和TP110H在稠油热采次生H_2S/CO_2腐蚀环境中的腐蚀行为。结果表明:在次生H_2S/CO_2腐蚀环境中,N80钢呈非均匀腐蚀特征,导致其腐蚀速率较低;TP110H钢及TP100H钢的腐蚀速率略高于N80钢的,清理产物膜后,呈现均匀腐蚀特征;三种钢的腐蚀速率与微观形貌特征一致,随腐蚀时间的延长,钢表面粗糙度增加,腐蚀速率降低。

考虑温度效应的高温高压直井井壁稳定性规律

海外A区块探井的高温高压井段因频繁发生井漏、卡钻等井下复杂情况,井壁不稳定,导致原井眼报废。根据经典的坍塌压力和破裂压力计算模型,钻井液安全密度窗口为0.2 g/cm3,但实际作业过程中发现在高温高压井段安全密度窗口更窄。由于温度变化产生的温变应力会对井壁稳定性造成影响,因此考虑井壁温度效应,探索了温度变化对高温高压直井井壁稳定性的影响。通过分析井壁附加温变应力场,建立了考虑温度效应的坍塌压力和破裂压力计算模型,发现了温度变化对井壁稳定性的影响规律。低温钻井液在高温地层循环产生的附加温变应力,使地层坍塌压力和破裂压力减小。该方法为该区块后续生产井的顺利实施提供了技术支撑,相比探井,钻井周期大幅缩短。考虑温度效应的地层坍塌压力和破裂压力计算模型,对今后窄安全密度窗口高温高压直井的井壁稳定性研究具有参考价值。

基于贝叶斯网络的深水探井井筒完整性失效风险评估

探井转开发井是降低深水油气开发成本的重要途径,然而探井的井筒完整性失效是深水探井转开发井工艺中的主要风险,为有效评估探井井筒完整性风险,建立了深水探井井筒完整性风险评估模型。利用故障树分析法将探井井筒分为井口失稳、套管管柱失效、水泥环失效、水泥塞失效、裸眼完井段失稳、人工作业管理风险等6个风险屏障单元,并确定了各个单元的主要风险因素;利用Noisy-OR gate模型和历史数据,确定了贝叶斯网络的条件概率;最后利用贝叶斯网络计算得到的失效概率与层次分析法相结合,定量确定了各风险因素的权重,并通过风险矩阵法评估了风险因素发生的可能性与严重程度,实现了对井筒完整性风险等级的划分。实例分析结果表明,本文所建立的风险评估模型实现了对探井井筒各风险因素及井筒完整性失效的定量判断,有助于降低深水探井转开发井的事故风险,可为现场井筒完整性管理提供一定的理论指导。

海上中等强度砂岩出砂预测研究

针对中等强度砂岩岩石力学特性,采用岩石应力场与流体渗流场相耦合的方法建立了出砂预测模型,对生产过程中井壁岩石塑性区的扩展进行模拟,对出砂临界生产压差进行了计算。结果表明,非均匀地应力条件下塑性区最先在最小地应力方向出现,随着井底流压的降低,塑性逐渐扩展,并最终呈现椭圆状。由于塑性的影响井周应力发生变化,切向应力降低严重,井壁上的切向应力降为最小。井壁岩石的等效塑性应变超过0.0045,此时井壁岩石会发生大规模的脱落,造成严重出砂。实际生产表明,井底流压13MPa时,井口无出砂,计算结果与现场监测结果一致,较好地指导了现场完井防砂的选择。