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专利号: 2024107655690
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-14
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种二氧化碳封存靶层改造裂缝表征及增透效果评价方法,其特征在于,包括如下步骤:S10:勘探矿化封存靶层地质区域数据,确定具备封存潜力的拟二氧化碳矿化封存靶层,根据封存能力评估数据确定超临界二氧化碳注入井具体位置,在钻井过程中提取封存岩层的岩心样本分析其物化性质,完井后物探测井获取岩层的结构、厚度和孔隙度的二氧化碳封存相关的关键参数;

S20:根据注入井位置在封存岩层中开设注入井结构(110),所述注入井结构(110)包括水平井段(111)和竖直井段(112),所述水平井段(111)在封存岩层的延伸方向(X)延伸设置且在封存岩层的深度方向(Y)以及与深度方向(Y)垂直的横向方向(Z)上均间隔设置,每个所述水平井段(111)通过竖直井段(112)与超临界二氧化碳制备系统(120)相连通;

S30:超临界二氧化碳经注入井结构(110)输送至封存靶层对岩体实行压裂,施工监测井进行微震监测,分析微震波形信号进行破裂源定位并确定新生裂缝聚集区,通过震源机制反演获得裂缝破裂体积、破裂面法向和破裂位移运动方向的空间尺度参数,从而获取超临界二氧化碳压裂所致封存靶层岩体裂缝孕育情况;

S40:基于破裂空间尺度信息从破裂源间距、破裂尺度、破裂方位三个维度判断新生裂缝贯通程度,利用定位点三维体积数密度确定裂缝密集程度,基于裂缝损伤张量求解最大特征值及对应特征向量表征岩体渗透能力,并从靶层岩体的贯通度、密集度、渗透性三个维度对封存靶层岩体压裂增透改造获得的裂缝网络进行量化表征;

S50:在封存靶层压裂过程中实时获取裂隙表征参数,即时评估改造缝网结构增透效果,制定缝网增透改造方案,对进一步缝网改造过程施行监测再评价,实现封存靶层缝网改造效果最大化,并将获得的超临界二氧化碳注入参数及注入井结构(110)作为其他封存靶层缝网增透改造的最佳参数,监测并评价改造过程并做出相应调整以实现增透效果最优化。

2.根据权利要求1 所述的二氧化碳封存靶层改造裂缝表征及增透效果评价方法,其特征在于,在所述步骤S10中,确定具备封存潜力的拟二氧化碳矿化封存靶层包括:对具有封存潜力的拟二氧化碳矿化区域进行封存岩层矿化能力评估,其中封存岩层矿化能力F的表达式为:;式中,ρc为封存岩层密度,S为封存岩层分布面积,h为封存岩层平均厚度,f1为单位体积岩体中孔隙面能接触二氧化碳而矿化反应的最大能力,其权重为w1; f2为岩体能发生碳置换的最大能力,其权重为w2;

其中,f1和f2的具体表达式为:

;式中, 为孔隙度,s为孔隙反应表面积,m为单位面积封存

二氧化碳最大量,m’为单位体积岩体中钙、镁、铁反应矿物能实现碳置换的封存量。

3.根据权利要求1 所述的二氧化碳封存靶层改造裂缝表征及增透效果评价方法,其特征在于,在所述步骤S20中,每个所述水平井段(111)上还设置有多个分支井段(113),多个所述分支井段(113)沿着所述水平井段(111)的周向方向和延伸方向(X)均间隔设置;其中,每个所述分支井段(113)的延伸方向(X)与所述水平井段(111)由竖直井段(112)一侧朝向背离竖直井段(112)的一侧方向的夹角为锐角夹角;

其中,在所述水平井段(111)上,其延伸方向(X)上间隔布置的多个分支井段(113)中,其中相邻的两个分支井段(113)在垂直于该水平井段(111)的平面上的投影互相不重叠。

4.根据权利要求1 所述的二氧化碳封存靶层改造裂缝表征及增透效果评价方法,其特征在于,在所述步骤S30中,通过震源机制反演获得裂缝破裂体积、破裂面法向和破裂位移运动方向的空间尺度参数包括如下步骤:i

S31:确定裂缝破裂震源点位置,其中,破裂震源理论法向位移ur(x,t)的表达式为:;式中,cp为p波波速,ρ为岩体密度,r,γ

分别为裂缝破裂震源与传感器观测位置的直接空间距离及方向余弦, 为矩张量时间导数;x0为震源位置向量,t为传感器接收的p波到时;i,l,k表示三维坐标系的三个方向分量脚标;

S32:通过裂缝破裂震源理论法向位移和实测位移之间的最小误差即目标函数E最小值,进而获得矩张量Mkl,其中,目标函数E的表达式为:i

;其中,N为监测法向位移数据所用传感器个数,u m为

i

传感器处实测的法向位移,ur(Mkl,x)是上式所得破裂震源理论法向位移;

S33:确定破裂体积、破裂面法向、破裂位移运动方向关于矩张量计算公式如下:;其中,M1、M2、M3为矩张量Mkl的

特征值,λ和μ为拉梅常数;n和d为破裂面的法向向量和运动向量。

5.根据权利要求1 所述的二氧化碳封存靶层改造裂缝表征及增透效果评价方法,其特征在于,在所述步骤S30中,施工监测井进行微震监测包括如下步骤:

监测井布阵在改造靶层四周,且布置覆盖目标监测区域,监测井深至下封存盖层上部,监测井距水平井阵列半径满足数据信号站接收的最低要求;

最远破裂震源释放的最低频声波信号到最近数据采集站和最远数据采集站的距离差最低应满足一个波长的路程;

在监测井不同深度布设波形信号采集低频检波器,检波器到靶层压裂位置倾角位于

15°50°区间,根据监测井位置和倾角要求安置第一节检波器,其他检波器以相同间隔自上~而下排列安装设置,形成立体监测布阵对封存靶层岩体压裂情况进行实时监测。

6.根据权利要求1 所述的二氧化碳封存靶层改造裂缝表征及增透效果评价方法,其特征在于,在所述步骤S40中,基于破裂空间尺度信息从破裂源间距、破裂尺度、破裂方位三个维度判断新生裂缝贯通程度包括如下步骤:S41:取某一震源点i,即为一个新生裂缝,裂纹面法向方向n,裂纹面运动方向d,以震源3

点i为球心空间上X半径内作为一个贯通评估子单元,其子单元体积V=4/3πX  ;距离最近的震源点j,震源点i和j间的距离为Dij,震源i破裂体积Vi,震源点i和j法向夹角α,震源点i和j法向夹角β;

S42:若震源间距Dij≤εX,ε为距离系数,则认为震源点间距较近,裂缝贯通度较好,判定为贯通程度I,有能力充分矿化;

S43:若震源间距Dij>εX,则判断震源i破裂体积Vi与ξV之间的大小关系,其中,若Vi≥ξV,ξ为体积系数,震源破裂尺度较大,则认为裂缝体积较大;若Vi,<ξV,震源破裂尺度较小,则认为裂缝体积较小。

7.根据权利要求6 所述的二氧化碳封存靶层改造裂缝表征及增透效果评价方法,其特征在于,所述步骤S43中,判断震源i破裂体积Vi与ξV之间的大小关系具体包括如下步骤:S431:在震源i破裂体积Vi≥ξV情况下,若震源点i和j法向夹角αij>α,或者震源点i和j法向夹角βij>β,则认为裂缝面夹角较大,裂缝有从尾部延申贯通潜力,裂缝贯通度较好,有能力充分矿化,判定为贯通程度I;若震源点i和j法向夹角αij≤α,或者震源点i和j法向夹角βij≤β,则认为裂缝面夹角较小,裂缝贯通度一般,判定为贯通程度Ⅱ;

S432:若震源i破裂体积Vi<ξV情况下,若震源点i和j法向夹角αij>α,或者震源点i和j法向夹角βij>β,则认为破裂体积程度不高,但裂缝面夹角较大,则判定为裂缝贯通度一般,即贯通程度Ⅱ;若震源点i和j法向夹角αij≤α,或者震源点i和j法向夹角βij≤β,则认为破裂体积程度不高,且裂缝面夹角较小,裂缝贯通度不佳,判定为贯通程度Ⅲ。

8.根据权利要求1 所述的二氧化碳封存靶层改造裂缝表征及增透效果评价方法,其特征在于,在所述步骤S40中,利用定位点三维体积数密度确定裂缝密集程度如下步骤:取某一震源点i',以震源点i'为球心空间上X'半径内作为一个密集评估子单元,其子3

单元体积V'=4/3 πX';在所述子单元体积V'内定位数为Ni',则体积数密度为ni'=Ni'/V';当定位点体积数密度ni'较大认定为破裂密集程度较高;若定位点体积数密度ni'较小基本认定为破裂密集程度较低。

9.根据权利要求1 所述的二氧化碳封存靶层改造裂缝表征及增透效果评价方法,其特征在于,在所述步骤S40中,所述基于裂缝损伤张量求解最大特征值及对应特征向量表征岩体渗透能力具体包括如下步骤:S401:确定裂纹损伤张量,裂纹损伤张量表示了岩体某一体积下的整体损伤程度,由裂纹尺寸和方向定义为:;其中,ωkl为震源点i的单元体积V内损伤张量,N为单元体积内i i

的活跃裂纹数,即单元体积内定位数,A 第i条裂纹面面积,n 为第i条裂纹法向向量;

S402:求解特征值和特征向量,震源点i的单元体积V内损伤张量ωkl的特征值和特征向量定义为:;其中,ω0为损伤张量特征值, 为单位矩阵,Ui为ωkl的对应于特征值ω 0的特征向量,令特征多项式|ω0δkl‑ ωkl|=0,求得最大特征值ωm及对应特征向量Um;

S403:定量表征渗透性,岩体损伤程度即裂纹发育程度,裂隙发育情况极大的影响着渗透率变化,在不考虑化学反应及外界物理条件变化的情况下,裂纹损伤是影响封存靶层岩体渗透性的决定因素;其中,损伤张量ωkl的最大特征值ωm的表示损伤最大程度,以某一区域内的损伤张量最大特征值代替表征渗透率,最大特征值对应特征向量即为渗透优势方向;定义ωm为渗透率k的函数:;其中,η为损伤张量最大特征值ωm和渗透率k的相关性系数。

10.根据权利要求1 所述的二氧化碳封存靶层改造裂缝表征及增透效果评价方法,其特征在于,在所述步骤S50中,所述评估改造缝网结构增透效果,制定缝网增透改造方案包括如下步骤:在所需评估的时间段内以评估子单元为单位,按照实际相应情况由程度强到弱,将贯通度分三级,密集度分两级,渗透性分三级,分别从强到弱赋3、2、1分,其中,当密集度分两级时强赋值3、弱赋值2,随监测评价数据增多并结合实际地质情况后续对等级评定及赋予分值更精细划分调整;

根据改造缝网结构增透效果评价赋予分数位于9 4之间,制定缝网增透改造方案相应~提高;

评价值9和8时靶层岩体改造效果较好,无需改造;评价值7和6为靶层岩体改造效果中等,调整二氧化碳封存注入参数注入压力和速度;评价值5和4为靶层岩体改造效果不佳,增大注入压力、速度,改变二氧化碳液体浓度,调节注入液PH值,利用物理化学双重手段对靶层裂隙网增透改造。