第12卷第12期2012年4月 科学技术与工程 Vo1.12 No.12 Apr.2012 1671—1815(2012 12—2919—04 Science Technology and En ̄neefing ⑥2012 Sci.Tech.Engrg. 力学 深部含水层二氧化碳运移的 热流固耦合模型研究 王保辉 闫相祯 杨秀娟 冯耀荣 (中国石油大学储运与建筑工程学院 ,青岛266555;中国石油集团石油管工程技术研究院 ,西安710065) 摘要 应用混合物连续介质理论,考虑二氧化碳溶解建立了深部含水层二氧化碳运移的热流固耦合数学模型。利用该模 型计算了深部含水层二氧化碳运移过程中二氧化碳饱和度、溶解质量分数和孔隙压力随时间的演化和扩散规律。计算结果 表明:耦合作用下注入点处储层含气饱和度比非耦合作用下增加9.92%,二氧化碳质量分数减小4.85%,孔隙压力降低 5.7%,二氧化碳在深部含水层运移过程中耦合效应十分明显。与传统渗流模型相比,本模型更接近于实际情况。 关键词 混合物理论 含水层 二氧化碳 运移 数值模拟 中图法分类号0357.3; 文献标志码A 如何减少二氧化碳排放,降低大气中二氧化碳 未考虑耦合作用。目前国内开展二氧化碳运移规 浓度,是人类面临的共同难题。二氧化碳地质埋存 律的研究主要以提高石油和煤层气采收率为目 J, 是避免气候变化的有效途径_1 J,其中二氧化碳地下 而对深部含水层二氧化碳运移规律的研究较少,特 水储存是目前最受瞩目及最具有潜力的隔离方法 别是与岩石力学有关的工作急需加强。为此,现应 之一 。由于二氧化碳的埋存深度一般在800 m以 用混合物连续介质理论,考虑二氧化碳溶解建立了 下 j,此处温度较高,地应力较大,当二氧化碳注入 深部含水层二氧化碳运移的热流固耦合数学模型, 时,地层中要发生温度、流体和固体三相耦合作用, 利用该模型计算了深部含水层二氧化碳运移过程 从而对含水层中二氧化碳运移产生重要影响。国 中含气饱和度、二氧化碳溶解质量分数和孔隙压力 内外关于深部含水层二氧化碳运移的研究已取得 随时间的演化和扩散规律,对比了热流固耦合模型 了一定的成果,如:2000年,Zweigel等 针对 与传统渗流模型的计算精度,为我国深部含水层二 Sleipnerd地区Utsira砂层开展注入二氧化碳数值模 氧化碳储存提供技术支持和借鉴。 拟研究,该研究仅考虑二氧化碳单相渗流,没有研 究深部含水层中二氧化碳、水两相耦合渗流;2003 1热流固耦合模型的建立 年,Pruess等 针对深部含水层二氧化碳地下埋存 1.1应力场平衡方程 建立了非等温条件下的二氧化碳、水两相渗流模 假设岩体为各向同性材料且发生弹性小变形, 型,模型中考虑了二氧化碳在含水层中的溶解,但 由孔隙弹性力学和混合物理论可知应力平衡方程为 ・( + +or。)+F=0 (1) 2012年2月7日收到,2月27日修改 中国石油天然气 式(1)中,or 、or 、or 分别为固相、水相和气相应力张 股份有限公司西气东输二线工程关键技术研究 量;F为体积力,MPa。 (2007_o5z 1 6)资助 根据有效应力和混合物理论,or 、or 、or 分别可 第一作者简介:王保辉(1983一),男,中国石油大学(华东),博士研 究生,研究方向:储气库和煤层气开采技术。E—mail:7353wbh 表示为: @163.eom ro =or一 [SrPf+(1一S,)P ],一 一 , (2) 科学技术与工程 12卷 or =一 aPz, 。(3) c o On一=一 aP。, (4) 【警( pc+pcg)卜V ; T)=。 (9) 将式(2)~式(4)代人式(1)。考虑or=DVu、 =(1一 )S 、咖 =(1一咖 )(1一S,)、 =Srot 式(9)中,c}:一 ;c:= 一 和 ・P 。则式(1)时间微分表达式为: (D )一 ’【(・ c =警;c ,】_ ‘ ,】- 警;(5) G 。 。[ 剽一 。[K ]+警=0 1.3深部含水层二氧化碳运移的温度场方程 假设二氧化碳、水和岩石固相骨架三相满足局 式(5)中,or为应力张量;X为Bishop有效应力参 数; 为岩体骨架的体积模量,MPa;/3为热膨胀系 数,1/ ̄C;S,为饱和度;P 、P 分别为水相和二氧化 碳相压力,MPa; 、 分别为流体和二氧化碳的 体积分数;Or为Biot系数,D为弹性刚度矩阵。 1.2 考虑二氧化碳溶解的耦合渗流场方程 假设流体的流动遵循Darcy渗流,并考虑渗流 过程中重力、毛管力的影响,则耦合作用下流体渗 流方程可表示为 =寺[_kr lk( p1+plg) 小 (6) 式(6)中, 为液相水热耦合系数; 为水的黏度; k 为水的相对渗透率;Vs为骨架颗粒的绝对速率, rn/s。 考虑二氧化碳在深部含水层的溶解,则流体体 积分数西 可表示为 = (1+H)S (7) 式(7)中n为孔隙度;日为二氧化碳溶解系数。 将式(7)和式(6)代人流体连续性方程经化简 得水相耦合渗流方程 C ̄r OT +C'Op c+Cll 0Pl+C'V・Ouc m da + ddi-s 一【 ( pl+Plg)]一 ).0(8) 式(8)中c =一n(1+H)Sfl。;G = ; c'o;n(1+tt)s c;= 一 。 同理可以推导得出气相耦合渗流方程 c; +c: +c +C:V・Ou + 部热均衡假定,则由能量守恒可推导得深部含水层 二氧化碳运移的温度场方程为: Cr 0T 一 。d(c; )一 。[c (Vp +p g)]一 ・[c (Vpl+pig)]+c ・Ou 一Q=0(1O) 式(1O)中,Q为热源强度,W/m ,u为骨架应变。 2算例分析及计算结果讨论 为了验证本文建立的深部含水层二氧化碳运 移的热流固耦合模型的正确性,选取地表下1 000 in 处4 000×4 000×150 nl 区域作为研究对象,储层 初始压力为9 MPa,注气速率为2 kg/s,二氧化碳溶 解系数、毛管压力和相渗曲线引自文献[7],模型计 算剖面图见图1,具体数值模拟参数见表1,数模拟 结果见图2~图4。 表1储层物性参数 由图2可知在二氧化碳注入速率较低的情况 下,由于二氧化碳的驱替作用,耦合与非耦合模型 均呈现出二氧化碳混合带和水带两个区域,并且分 别出现急剧变化的“陡坎”带,“陡坎”带二氧化碳饱 和度在0.2—0.3之间。相同的注入速率条件下,耦 合作用下的二氧化碳饱和度比非耦合作用的数值 12期 王保辉,等:深部含水层二氧化碳运移的热流固耦合模型研究 2921 水平距离L-4 000m 图1二氧化碳储存计算剖面图 水平距离/m 图2二氧化碳饱和度随时间演化对比图 水平距离/m 图3二氧化碳溶解质量分数随时间变化曲线 偏大。例如,注入时间为10 000天时,耦合作用与 非耦合作用下注入点处二氧化碳饱和度分别为: 0.399和0.363,增加了9.92%。二氧化碳在深部 含水层的溶解质量分数随着注入时间的增加不断 沿着水平距离向前推进,而二氧化碳在深部含水层 的最大溶解质量分数变化幅度不大(图3)。相同的 注入速率下,耦合作用下的二氧化碳溶解质量分数 比非耦合作用的数值小。例如,注入时间为10 000 d时,非耦合与耦合作用下二氧化碳在深部含水层 的最大溶解质量分数分别为:5.15%和4.9%,减小 图4孔隙压力随时间演化对比图 了4.85%。由图4可知相同的注入速率下,耦合作 用下的孔隙压力比非耦合作用下的数值小,二者之 间的压力差值随着气水界面的推进而愈加不明显。 例如,注入时间为10 000 d时,非耦合与耦合作用下 注入点处孔隙压力分别为:10.35 MPa和9.76 MPa, 减小了5.7%,而在水平距离为800 m时,孔隙压力 分别为9.64 MPa和9.55 MPa,仅减小0.93%。 3结论 应用混合物连续介质理论,考虑二氧化碳溶解 建立了深部含水层二氧化碳运移的热流固耦合数 学模型,利用该模型计算了深部含水层二氧化碳动 态运移规律。计算结果表明:二氧化碳在深部含水 层运移过程中耦合效应十分明显且不能忽略二氧 化碳溶解的影响。 参考文献 1 Bruant R G,Guswa A J,CeliaM A,et a1.Safe storage of C02 in deep saline aquifers.Environmental Science&Technology,2002;36 (11):240--245 2 Da Huo,Younes Jalali.An analysis of CO2 storage prospects in deep saline reservoirs.SPE:136077,2010 2922 科学技术与工程 l2卷 3谷丽冰,李治平,侯秀林.二氧化碳地质埋存研究进展.地质科 技情报,2008;27(4):81~84 4 Zweigel P,Hamborg M,Arts R J,et a1.Prediction of migration of posal of CO2.SPE:83695,2003 6房宝财,王允诚,王庆,等.葡萄花油田二氧化碳吞吐采油现场 试验.江汉石油学院学报,2003;25(2):93—94 7 Xu T,Sonnenthal E,Spycher N,et a1.TOU GHREACT--a simula— tion program for non—isothermal multiphase reactive geochemical trans‘ CO2 injected into an underground depository:reservoirs geology and miratgion modelling in the Sleipner case(North Sea).in Fifth Inter・ national Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, Cairns.Australia,13th--16th 2000:360—065 port in variably saturated geologic media:applications to geothermal injectivity and CO2 geological sequestration.Computer Geoscience, 2006:32:145—165 5 Pruess K,Xu T,Apps J,et a1.Numerical modeling of aquifer dis— Study the Thermo-hydro--mechanical Coupling Model of Carbon Dioxide Migration in Deep Aquifer WANG Bao—hui ,YAN Xiang.zhen ,YANG Xiu-juan ,FENG Yao—rong (College of Pipeline and Civil Engineering,China University of Petroleum’,Qingdtic 266555,P.R.China CNPC Tubular Goods Research Institute ,Xi’an 710065,P.R.China) [Abstract] Based on the continuum theory of mixture,considering the dissolution of carbon dioxide in deep aq— uifer,the thermo-hydro—mechanical coupling model for geological storage of carbon dioxide in deep aquifer is estab— lished.The dynamic change laws of carbon dioxide are calculated based on the proposed mode1.The calculating re— suits are compared with the traditional seepage mode1.The examples show the coupling effect is very significant for geological storage of carbon dioxide in deep aquifer.Compared with the traditional model,the thermo—hydro-me— chanical coupling model confo1TUS to reality better. [Key words] mixture theory \ ≮ \ aquifer carbon dioxide ≯ p\ \ \ migration numerical simulation ≯ p p ≯ (上接第2906页) Application of INS/ESGM/GNSS Integrated Navigation System of ST&C Ship in One Model ST&C Task CHENG Long,ZHOU Hai-yuan,WU Xu—xian,JIANG Yong-gang,WANG Ke (China Satellite Maritime Tracking&Controlling Department,Jiangyin 214431,P.R.China) [Abstract] Characteristic of INS(Inertia Navigation System),ESGM(Electronically Supported Gyro Monitor), GNSS(Global Navigation Satellite System)and one model space tracking and controlling task(ST&C task)of space tracking and controlling ship(ST&C ship)are analyzed and analyzed advantage of INS/ESGM/GNSS integrated navigation system.By correcting and compensating error the ship course obtains high precision,via application of analysis of the error in project fact.The method has importance means for that ST&C ship triumphantly accompli— shes one model ST&C task,and assures ship course precision and integrated navigation system stability via valida- ring of photoelectric transit instrument in a ST&C task. [Key words] Inertia Navigation System(INS) Navigation Satellite System(GNSS) Electronically Supported Gyro Monitor(ESGM) Global