CO2注入过程中矿物颗粒动态运移和堵塞数值模拟方法

co2注入过程中矿物颗粒动态运移和堵塞数值模拟方法
技术领域
1.本发明涉及非常规油气勘探领域，尤其涉及一种co2注入过程中矿物颗粒动态运移和堵塞数值模拟方法、设备及存储设备。


背景技术：

2.在低渗砂岩油藏中开展co2地质封存是实现co2捕获、利用和封存(ccus)的有效途径之一，其优势一方面是减少co2排放，另一方面则是增加油/气/热等资源的回收。
3.而在co2向吸收层持续注入过程中，可能会由于矿物沉淀和脱落、流体旁通以及颗粒运移影响co2的注入。现有颗粒运移技术有如下研究：向煤层中注水时，颗粒运移会使煤储层渗透率发生变化；颗粒在多孔介质中的运移机制与多孔介质和悬浮颗粒流体特征有关；岩石的孔隙结构、颗粒大小和浓度等条件均是影响颗粒运移的重要参数。
4.前人对于颗粒运移影响co2注入机制的研究较为全面，但均未涉及颗粒形态对co2注入影响的讨论。实际碳储过程中，在低渗砂岩油藏中注入超临界co2时，发生掉落的弱胶结颗粒形状各异，这会形成更多接触点，造成颗粒间、颗粒与流体间以及颗粒与岩石壁面的受力情况的改变，进而导致孔隙裂隙堵塞程度的差异。
5.要解决上述问题，可以开展非规则矿物颗粒在孔隙/裂隙中的运移模拟，调节co2注入速度和注入压力等注入流体物性特征，进而探究注入的co2及其脱落的弱胶结非规则矿物颗粒在分支孔隙中的运移规律及颗粒对孔隙的堵塞作用，从而指导co2注入过程，实现更高效地低渗砂岩储层co2封存。
6.同时，前人提出了一种超临界流体质量流量确定方法，未涉及矿物颗粒形态等参数对co2注入影响的讨论。
7.要进行非规则矿物颗粒在孔隙/裂隙中的运移模拟，其技术难点是如何利用计算流体动力学(cfd)技术求解co2注入过程，如何通过离散单元(dem)方法进行非规则颗粒系统的动态受力分析，并建立非规则离散元流固耦合模型。


技术实现要素：

8.为了实现更高效地低渗砂岩储层co2封存，本发明提供一种co2注入过程中矿物颗粒动态运移和堵塞数值模拟方法、其中方法具体包括以下步骤：
9.s1、根据矿物颗粒固有物理属性和流体特性，建立流体动力学模型和矿物颗粒运移模型，其中矿物颗粒运移模型中包含基于颗粒碰撞理论建立的非规则离散元碰撞模型；
10.s2、采用流体动力学物理模型中非规则离散元流动形式的颗粒碰撞形式，使矿物颗粒利用规则离散元矿物颗粒差异化脱落模式进入孔隙，对流体物性因素、矿物颗粒参数以及对co2注入低渗砂岩过程的影响进行计算和分析；
11.s3、调节co2注入速度和注入压力，得到注入的co2及其脱落的弱胶结非规则矿物颗粒在分支孔隙中的运移规律及颗粒对孔隙的堵塞作用。
12.本发明提供的有益效果是：
13.(1)co2持续注入吸收层，弱胶结砂岩颗粒会发生脱落，可能形成颗粒堆积，本发明建立的基于多形态矿物颗粒的离散元流固耦合堵塞模型能在此基础上揭示了co2物性、弱胶结非规则颗粒参数与注入堵塞间的量化关系。
14.(2)考虑了多级粒径、非规则形态、旋转、差异化脱落模式等矿物颗粒参数，及co2注入速度、注入压力等流体物性因素的流体动力学模型构建，与实际情况更加符合。
15.(3)计算和分析co2注入速度、注入压力等流体物性因素，以及矿物颗粒浓度、旋转、密度、重力、形状、脱落模式、尺寸、运移速度以及对co2注入低渗砂岩过程的影响。能够实现弱胶结非规则矿物颗粒在砂岩孔隙中的瞬态堆积过程动态预测与可视化。
附图说明
16.图1是本发明方法的流程图；
17.图2是非规则矿物颗粒碰撞模型示意图；
18.图3是非规则矿物颗粒碰撞、旋转和堆积模型示意图；
19.图4是网格结构和网格平面示意图；
20.图5是注入后sem实验示意图和实验砂岩ct扫描图；
21.图6是co2注入条件下矿物颗粒尺寸和矿物颗粒速度对微纳米孔隙堵塞的影响规律。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作需要说明的是地描述。
23.请参考图1，图1是本发明方法的流程图。
24.本发明提供了一种co2注入过程中矿物颗粒动态运移和堵塞数值模拟方法，具体采用了流体动力学和非规则离散单元耦合方法，其中包含基于维纳斯托克斯方程建立的流体动力学模型和矿物颗粒运移模型，其中矿物颗粒运移模型中包含基于颗粒碰撞理论建立的非规则离散元碰撞模型。
25.具体的，方法包括以下步骤：
26.s1、根据矿物颗粒固有物理属性和流体特性，建立流体动力学模型和矿物颗粒运移模型，其中矿物颗粒运移模型中包含基于颗粒碰撞理论建立的非规则离散元碰撞模型；
27.s2、采用流体动力学物理模型中非规则离散元流动形式的颗粒碰撞形式，使矿物颗粒利用规则离散元矿物颗粒差异化脱落模式进入孔隙，对流体物性因素、矿物颗粒参数以及对co2注入低渗砂岩过程的影响进行计算和分析；
28.请参考图2，图2是非规则矿物颗粒碰撞模型示意图。步骤s2中采用基于流体动力学模型的非规则离散元流动形式的颗粒碰撞形式。因为矿物颗粒形状不规则，其碰撞模型相对于圆形颗粒碰撞模型更为复杂。碰撞后非规则颗粒的运动方向也更难捕捉。此外，非规则颗粒受力保持不变，主要包括流体阻力、压力、重力和其他非接触力。
29.利用离散元颗粒被随机释放进入孔隙的方法，其中孔隙设置为分支孔，保证颗粒在孔隙中有足够的碰撞。颗粒尺寸和浓度均可改变。在孔隙/裂隙中，颗粒之间堆积交联。每个非规则矿物颗粒的压力、速度、位移、流体速度和迁移过程都可以在模型中实时监测和记
录(见图3，图3为非规则矿物颗粒碰撞、旋转和堆积模型示意图)。
30.s3、调节co2注入速度和注入压力，得到注入的co2及其脱落的弱胶结非规则矿物颗粒在分支孔隙中的运移规律及颗粒对孔隙的堵塞作用。
31.作为更详细的阐述，步骤s1～s3具体如下:
32.步骤(1)：考虑矿物颗粒重力和矿物颗粒旋转等矿物颗粒固有物理属性及流体特性，基于矿物颗粒固有物理属性及流体特性建立步骤(2)～(4)的模型；
33.步骤(2)：基于如下理论建立流体动力学物理模型；
34.co2流体流动基于维纳斯托克斯方程的质量和动量守恒进行描述：
[0035][0036]
其中，ρ为co2密度，kg/m3；为co2注入速度，m/s；p为静压，pa；为应力张量；为外部受力，n；
[0037]
步骤(3)：基于如下理论建立矿物颗粒运移模型；
[0038]
矿物颗粒运移模型基于如下方程，co2注入状态下矿物颗粒的受力状态为：
[0039][0040]
式中，为矿物颗粒速度，m/s；fd为加速度力(力/单位质量)，n；为每单位质量下拖拽力，n；ρs为弱胶结矿物颗粒密度，kg/m3；
[0041]
矿物颗粒运移模型中，非规则离散单元的接触力由线弹性力和阻尼力组成，线性弹簧阻尼器模型中的能量耗散本质上是粘性的，法向阻尼系数c
l
可通过粘性能量耗散与非弹性碰撞能量耗散相匹配的方式确定，而非弹性碰撞能量耗散又由恢复系数确定；
[0042][0043]
其中，f
l
是接触点受力，n；k
l
是接触刚度，c
l
为阻尼系数；s
l
是接触法线重叠区域，m2；为接触法线重叠区域的时间导数；ζ为阻尼比；m为非规则离散单元质量，kg；
[0044]
需要考虑粒子所受的旋转力。在三维空间中，颗粒在z方向的力可以用x和y方向的力来描述：
[0045][0046][0047]
式中，ω为弱胶结旋转角速度，rad/s；u
s,y
和uy是笛卡尔y方向上的矿物颗粒和流体速度，m/s；u
s,x
和u
x
为笛卡尔x方向上的矿物颗粒和流体速度，m/s；
[0048]
非规则矿物颗粒旋转直径需要根据碰撞介质形状不同分为不同的类型；
[0049]
[0050]
其中，d
roll
为非规则矿物颗粒滚动直径，m；d
s1
和d
s2
是接触矿物颗粒的旋转直径，m；d
sw
为与边界接触的矿物颗粒的旋转直径，m；
[0051]
步骤(4)：矿物颗粒运移模型中包含非规则砂岩颗粒碰撞模型；
[0052]
圆形颗粒的碰撞基于传统颗粒碰撞模型，但非规则颗粒碰撞模式与传统颗粒碰撞模型不同。非规则矿物颗粒碰撞采用非规则形状的优化线性粘附模型，其粘附力模型为：
[0053][0054]
其中，f
la
为法向粘合接触力，n；δa为粘附距离，m；ra为粘附刚度与接触载荷刚度的比值；
[0055]
动量交换是通过非规则矿物颗粒的动量变化来计算从连续相到离散相的动量转移。
[0056][0057]
其中，c为摩阻系数；δt为时间步长；为离散单元质量流量，m3/s；
[0058]
步骤(5)：采用基于流体动力学模型的非规则离散元流动形式的颗粒碰撞形式。利用离散元颗粒被随机释放进入孔隙的方法，其中孔隙设置为分支孔，保证颗粒在孔隙中有足够的碰撞。
[0059]
步骤(6)：针对在孔隙/裂隙中矿物颗粒之间堆积交联的情况，实时监测和记录模型中每个非规则矿物颗粒的参数和迁移过程。流体和矿物颗粒进入通道时的迁移方向是随机的。流体流动模式为层流，矿物颗粒跟踪模式为瞬态跟踪。对co2注入速度、注入压力等流体物性因素、矿物颗粒参数以及对co2注入低渗砂岩过程的影响进行计算和分析。
[0060]
步骤(7)：通过调节地表co2注入速度和注入压力等注入流体物性特征，探究注入的co2及其脱落的弱胶结非规则矿物颗粒在分支孔隙中的运移规律及颗粒对孔隙的堵塞作用。从而指导co2注入过程，实现更高效地低渗砂岩储层co2封存。
[0061]
需要说明的是，本发明为确定超临界co2的运移路径以及确定脱落砂岩颗粒粒径大小范围，开展超临界co2注入物理模拟，通过扫描电镜实验分析选取砂岩试样中超临界co2的过流截面图片，基于co2过流截面ct扫描切片，确定超临界co2的运移路径，基于sem结果，确定脱落砂岩颗粒粒径大小范围。
[0062]
需要说明的是，本发明基于co2注入条件下非规则矿物颗粒运移数值模拟，计算非规则砂岩颗粒形状与浓度影响规律、co2注入条件下矿物颗粒密度和流体物理属性的影响、co2注入条件下矿物颗粒尺寸和矿物颗粒速度影响、co2注入条件下砂岩颗粒旋转和流体密度影响规律、co2注入条件下矿物颗粒脱落模式影响规律。
[0063]
需要说明的是，矿物颗粒在运移过程中，不会呈直线运动的形式，而是在孔隙内旋转、碰撞并随机运动。
[0064]
考虑矿物颗粒重力和矿物颗粒旋转等矿物颗粒固有物理属性及流体特性，其中矿物颗粒浓度、密度、速度和形状均设置为5种类型，矿物颗粒脱落模式设置为5种类型，且上述参数均可调整和增加。
[0065]
需要说明的是，建立流体动力学物理模型、矿物颗粒运移模型和砂岩颗粒碰撞模
型，可以开展非规则矿物颗粒在孔隙/裂隙中的运移模拟，调节co2注入速度和注入压力等注入流体物性特征，进而探究注入的co2及其脱落的弱胶结非规则矿物颗粒在分支孔隙中的运移规律及颗粒对孔隙的堵塞作用，从而指导co2注入过程，实现更高效地低渗砂岩储层co2封存。
[0066]
需要说明的是，采用基于流体动力学模型的非规则离散元流动形式的颗粒碰撞形式，其运动定律符合牛顿第二定律。
[0067]
需要说明的是，利用非规则离散单元被随机释放进入孔隙的方法，其中孔隙设置为分支孔，保证颗粒在孔隙中有足够的碰撞。颗粒尺寸和浓度均可改变。非规则离散单元释放位置基于入口表面，且释放方法为差异化脱落模式。因此，颗粒进入孔隙后的运移和方向是随机的。
[0068]
需要说明的是，针对在孔隙/裂隙中的矿物颗粒之间堆积交联的情况，监测和记录模型中每个非规则矿物颗粒实时的压力、速度、位移、流体速度和迁移过程。
[0069]
需要说明的是，在孔隙模型、物性参数和网格特征方面，设置不同细度和精度的网格并进行流体计算和监测(见图4，图4是网格结构和网格平面示意图)，同时孔道设置为分支孔模式，网格独立计算保证计算时间和计算精度都在最优范围内。不考虑温度的影响，重力方向为y的负方向，为-9.81m/s2，设置流体注入方式为可分为层流模式和湍流模式。
[0070]
需要说明的是，计算和分析co2注入速度、注入压力等流体物性因素，及矿物颗粒浓度、旋转、密度、重力、形状、脱落模式、尺寸、运移速度以及对co2注入低渗砂岩的过程的影响。
[0071]
作为一种实施例，非规则矿物颗粒和流体物理参数如表1：
[0072]
表1非规则矿物颗粒和流体基础参数
[0073][0074]
在运移过程中，随时间推移，大尺寸颗粒在孔隙中形成大的网架结构、小尺寸矿物颗粒逐渐填充在大型颗粒的之间，影响后续co2的注入。当矿物颗粒尺寸、浓度、速度发生变化时，其在孔隙/裂隙中的运移规律和堵塞均会改变。矿物颗粒形状各异、尺寸不同且相同形状矿物颗粒具有尺寸梯度，保证模拟状态的随机性和模拟结果的可靠性。
[0075]
为确定超临界co2的运移路径以及确定脱落砂岩颗粒粒径大小范围，利用taw-2000型室内co2注入模拟实验机对延长组砂岩标准岩心开展超临界co2注入物理模拟，注入试验后co2溢出砂岩试样表面。通过扫描电镜实验分析选取砂岩试样中超临界co2的过流截面图片，基于co2过流截面ct扫描切片，确定超临界co2的运移路径，选取试样中超临界co2的过流截面开展扫描电镜观测实验，可以观测到一些弱胶结矿物颗粒或矿物颗粒会与co2一起迁移，可能为弱胶结矿物颗粒或矿物颗粒迁移痕迹，划痕往往出现在尺寸
相对较大的孔隙附近。划痕由砂岩颗粒运移产生，因此脱落物粒径大于划痕最大直径，基于sem结果，划痕最大直径为1-2μm，脱落砂岩颗粒粒径大于1-2μm(见图5，图5是注入后sem实验示意图和实验砂岩ct扫描图)；
[0076]
基于超临界co2的运移路径以及确定脱落砂岩颗粒粒径大小范围进行co2注入条件下非规则矿物颗粒运移数值模拟，计算非规则砂岩颗粒形状与浓度影响规律、co2注入条件下矿物颗粒密度和流体物理属性的影响、co2注入条件下矿物颗粒尺寸和矿物颗粒速度影响、co2注入条件下砂岩颗粒旋转和流体密度影响规律、co2注入条件下矿物颗粒脱落模式影响规律。
[0077]
co2注入条件下，脱落矿物颗粒尺寸不同对砂岩孔隙/裂隙的堵塞也会有所差异。矿物颗粒平均尺寸设置为孔隙直径的1/2、1/3和1/5。在注入co2总量和脱落矿物颗粒质量一致情况下，当矿物颗粒平均尺寸为孔隙直径尺寸的1/3时co2的持续注入效果最差。矿物颗粒平均尺寸为孔隙直径1/3相对于其为孔隙直径1/5时，其堵塞提升10.51％。在co2注入速度方面，假设矿物颗粒脱落速度一致，注入速度与堆积效率呈正相关关系。此外，在实际注入过程中，在更高速度的冲击下，矿物颗粒的脱落数量也会更高。因此，注入速度的增高会带来更高的堆积效率。co2注入速度为0.3m/s相对于co2注入速度为0.1m/s，其堵塞提升比率为19.89％(见图6，图6是co2注入条件下矿物颗粒尺寸和矿物颗粒速度对微纳米孔隙堵塞的影响规律)。
[0078]
本发明的有益效果是：
[0079]
(1)co2持续注入吸收层，弱胶结砂岩颗粒会发生脱落，可能形成颗粒堆积，本发明建立的基于多形态矿物颗粒的离散元流固耦合堵塞模型能在此基础上揭示了co2物性、弱胶结非规则颗粒参数与注入堵塞间的量化关系。
[0080]
(2)考虑了多级粒径、非规则形态、旋转、差异化脱落模式等矿物颗粒参数，及co2注入速度、注入压力等流体物性因素的流体动力学模型构建，与实际情况更加符合。
[0081]
(3)计算和分析co2注入速度、注入压力等流体物性因素，以及矿物颗粒浓度、旋转、密度、重力、形状、脱落模式、尺寸、运移速度以及对co2注入低渗砂岩过程的影响。能够实现弱胶结非规则矿物颗粒在砂岩孔隙中的瞬态堆积过程动态预测与可视化。
[0082]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种co2注入过程中矿物颗粒动态运移和堵塞数值模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：s1、根据矿物颗粒固有物理属性和流体特性，建立流体动力学模型和矿物颗粒运移模型，其中矿物颗粒运移模型中包含基于颗粒碰撞理论建立的非规则离散元碰撞模型；s2、采用流体动力学物理模型中非规则离散元流动形式的颗粒碰撞形式，使矿物颗粒利用规则离散元矿物颗粒差异化脱落模式进入孔隙，对流体物性因素、矿物颗粒参数以及对co2注入低渗砂岩过程的影响进行计算和分析；s3、调节co2注入速度和注入压力，得到注入的co2及其脱落的弱胶结非规则矿物颗粒在分支孔隙中的运移规律及颗粒对孔隙的堵塞作用。2.如权利要求1所述的一种co2注入过程中矿物颗粒动态运移和堵塞数值模拟方法，其特征在于：所述流体动力学物理模型基于维纳斯托克斯方程的质量和动量守恒进行描述如下：其中，ρ为co2密度，kg/m3；为co2注入速度，m/s；p为静压，pa；为应力张量；为外部受力，n。3.如权利要求1所述的一种co2注入过程中矿物颗粒动态运移和堵塞数值模拟方法，其特征在于：所述矿物颗粒运移模型如下：所述砂岩颗粒碰撞模型中圆形颗粒的碰撞基于传统颗粒碰撞模型，非规则颗粒碰撞采用非规则形状的优化线性粘附模型，其粘附力模型为：其中，f
la
为法向粘合接触力，n；δ
a
为粘附距离，m；r
a
为粘附刚度与接触载荷刚度的比值。4.如权利要求1所述的一种co2注入过程中矿物颗粒动态运移和堵塞数值模拟方法，其特征在于：矿物颗粒运移模型具体如下式：上式中，为矿物颗粒速度，m/s；f
d
为加速度力(力/单位质量)，n；为每单位质量下拖拽力，n；ρ
s
为弱胶结矿物颗粒密度，kg/m3。5.如权利要求1所述的一种co2注入过程中矿物颗粒动态运移和堵塞数值模拟方法，其特征在于：步骤s2中，矿物颗粒进入孔隙时，其迁移方向是随机的，流体流动模式为层流，矿物颗粒跟踪模式为瞬态跟踪。6.如权利要求1所述的一种co2注入过程中矿物颗粒动态运移和堵塞数值模拟方法，其特征在于：步骤s2矿物颗粒进入孔隙的运移过程中，考虑矿物颗粒重力和矿物颗粒旋转固有物理属性及流体特性，将矿物颗粒浓度、密度、速度和形状均设置为多种类型，矿物颗粒脱落模式也设置为多种类型。7.如权利要求1所述的一种co2注入过程中矿物颗粒动态运移和堵塞数值模拟方法，其特征在于：步骤s2中，所述的孔隙设置为随机的分支孔。
8.如权利要求1所述的一种co2注入过程中矿物颗粒动态运移和堵塞数值模拟方法，其特征在于：步骤s2中，通过设置不同细度和精度的网格并进行流体计算和监测；其监测过程采用可视化。

技术总结
本发明公开了一种CO2注入过程中矿物颗粒动态运移和堵塞数值模拟方法，方法具体如下：根据矿物颗粒固有物理属性和流体特性，建立流体动力学模型和矿物颗粒运移模型，其中矿物颗粒运移模型中包含基于颗粒碰撞理论建立的非规则离散元碰撞模型；使矿物颗粒利用规则离散元矿物颗粒差异化脱落模式进入孔隙，对流体物性因素、矿物颗粒参数以及对CO2注入低渗砂岩过程的影响进行计算和分析；调节CO2注入速度和注入压力，得到注入的CO2及其脱落的弱胶结非规则矿物颗粒在分支孔隙中的运移规律及颗粒对孔隙的堵塞作用。本发明有益效果是：提出了CO2地质封存过程中弱胶结非规则矿物颗粒堵塞效率预测方法，从而指导CO2注入过程，实现更高效地低渗砂岩储层CO2封存。封存。封存。


技术研发人员：杨现禹 许权威 刘汉林 蒋国盛 蔡记华 代钊恺 薛曼 梁梦佳
受保护的技术使用者：中国地质大学（武汉）
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/8/21