石油圈
以下文章来源于兰德马克软件与服务 ，作者兰德马克
哈里伯顿推出的CCUS全生命周期解决方案–兰德马克Permedia CO2软件包，包括一套针对CO2存储、扩散运移模拟定制套件。在2021年12月6日召开的第23届世界石油大会（WPC，World Petroleum Congress）上，该软件获得唯一的卓越技术发展大奖。
编译 | 无忧 石油圈原创，石油圈公众号：oilsns
与传统的油藏模拟相比，CO2封存扩散和运移建模提出了新的挑战。CO2注入和建模的物理原理与油气开采不同，CO2封存模拟与油气藏模拟的一些显著差异。深入理解地下CO2羽流动力学，研发适用于CO2存储和运移模拟的算法，对于CO2地下扩散和运移模拟软件至关重要。
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01. 软件简介
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Permedia CO2软件是一套用于CO2封存勘探、监测和预测的高分辨率建模工具。该软件解决了CO2封存工作流程的关键方面：地层封存勘探、产能估算、油井注入能力、地层增压、羽流捕集和溶解CO2扩散。
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■ 主要应用
● 了解石油系统中CO2的来源
● 预测新存储站点
● 匹配存储监控数据
● 在运营后阶段预测存储站点的长期命运和风险
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■ 主要优势
● 为CO2应用定制的工作流程
● 针对最知名的存储站点和最佳可用数据集进行验证
● 端到端CO2工作流程；勘探、区域压力建模、羽流建模和注入建模
● 共同呈现和分析来自多个包和所有长度范围的数据
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■ 主要特征
● 用于CO2封存勘探、监测和预测的高分辨率建模工具集成套件
● 与OpenWorks、DecisionSpace 地球科学、Neftex Insights连通
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02. 软件模块介绍
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软件主要分为一下四个模块：石油圈原创，石油圈公众号：oilsns
1 CO2 Migration
适用于自由相羽流模拟的CO2侵入渗流模拟器。CO2 Migration建立在最先进的Permedia运移模拟器上，提供了非均质油藏环境中重力分离羽流分布的极高分辨率模型。
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2 CO2 BOS
CO2 BOS是一款Plume+Solubility快速多线程黑油模拟器，专门处理CO2的存储和溶解。CO2 BOS特别适用于两相羽流和盐水建模，它建立在Permedia黑油模拟器上，解决了储层工程工作流程中的CO2建模问题。CO2 BOS经过特别调整，可在开箱即用的情况下运行CO2注入，速度快，内置二氧化碳注入计划、PVT和溶解度处理。
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3 CO2 Flow
CO2 Flow采用Pressure+Tracers高分辨率流体动力学求解器，用于求解、模拟CO2存储相关的压力变化。通过处理CO2注入速率和注入层压力的油井建模方案，CO2 Flow提供了高分辨率区域模拟，用于测试区域压力模型的高分辨率非均质网格的边界条件。
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4 CO2 Dashboard
CO2 Dashboard采用EoS Wizard CO2特定状态方程和PVT初始化模拟向导。使用CO2 Dashboard初始化模型条件：气相和盐水相密度、压缩性、粘度、溶解度和界面张力。这个模块已通过包含理论和实验数据的几部出版作品的验证。这些关键特性的初始模型条件可以自动从仪表板传输到CO2模拟器。
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03. 核心技术原理
CO2封存地点模拟与油气藏模拟的一些显著差异。注入地下封存的二氧化碳与地下储存的油气动力特征有显著的不同，流体运移机制的差异严重影响CO2封存扩散模拟的准确性，对寻找可靠封存地点、评估封存二氧化碳的短期和长期风险，了解CO2流体流动的物理规律对二氧化碳的封存和油气勘探都具有重要意义，并对封存可靠性有严重影响。石油圈原创，石油圈公众号：oilsns
模拟地下二氧化碳的运移与油气运移的根本区别主要体现在以下4个方面：
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1 二氧化碳的流体力学
对近井筒和远井筒的流体动力学的刻画是准确预测油气藏动态以及二氧化碳的封存潜力的关键。影响流体流动的三种主要作用力是毛细管力、重力和粘性(图1)。这些力量总是相互存在的，但有时有一种力量占主导地位。毛细管数（Capillary number，Ca），用来比较粘滞阻力与毛细管力的比值，亦称界面张力数，是一个无量纲量，Ca用于确定气流是由粘滞阻力还是毛细管力控制。传统的油藏模拟器基于粘性主导(达西流Darcy-based)来模拟流体流动，这适用于在油气开发时间尺度上模拟油气运移。在前期CCUS项目中，这些油藏模拟器也常拿来应用于二氧化碳建模。然而，对二氧化碳流动物理的广泛研究表明，在大部分存储空间中，二氧化碳流动并不受粘滞阻力的控制(图1)。
图1.流体动力型模型，CO2流动受浮力（驱动力）和毛细管力（阻力）的共同作用
CO2封存期间，二氧化碳注入后的运移主要是由浮力(驱动)和毛细管(阻力)之间的相互作用(图1)。这是因为距离井筒十米到百米开外压力梯度就下降到静水常压，导致非常低的流速，因此粘滞力可以忽略。事实上，在大多数情况下，井中的二氧化碳注入速率不太可能超过毛细管主导流动的边界条件。这意味着在CO2注入过程中和注入后，大部分的储存空间都是由浮力和毛细管力控制，而不是由粘滞力控制的。
图2.多相流标准流动理论模版，油气和CO2侵入渗流、甚至快速上升的浮力仍然存在于侵入渗流领域。达西流只在高流速和压差下出现。
侵入渗流是一种模拟非混相流体在多孔介质中缓慢侵入扩散的真实流体运移分布的数学模型。改进的侵入渗滤技术模拟了浮力和毛细管力之间的相互作用，从而可以正确地模拟CO2的运移。侵入渗流通常应用于地质流动系统中缓慢扩散的不混相流体(图2)。在毛细管力为主的条件下，非混相流体要么沿低临界饱和度的路径运移，要么沿孔隙运移。在不超过孔隙介质的最大气体饱和度的更高饱和度下驱油(Cavanagh和Ringrose, 2010)。要应用侵入渗流机制，毛细管力必须大于粘滞力1:10万(毛细数Ca＜10-4)(图2)。当这些情况发生时，使用入侵渗透技术是合适的。由于在低通量速率下，粘性对流动的贡献可以忽略，且粘性主导的(达西流)近似被毛细管主导的作用力所取代，因此入侵渗流方法在CO2封存模型中是准确有效的。
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在2008年国际地质大会(lipard et al.，2008)上提出了达西流和侵入渗流的早期比较。结果表明，在挪威Sleipner二氧化碳封存项目对标的两种模型中，在十年的时间尺度上存在显著偏差。侵入渗滤模型预测，在注入停止后到数十年里CO2都封存在构造圈闭以内，CO2没有大规模运移；然而，达西流动模型预测，在注入停止后的几十年里，二氧化碳会持续垂直运移，最终导致二氧化碳会聚焦在构造圈闭的上方 (仅将二氧化碳封堵在盖层正下方)(见图3)。随后，基于北海Sleipner CO2封存点的地质模型(Sleipnerstorage Benchmark对标研究)，应用黑油模拟和二氧化碳封存的运移模拟进行了详细的比较研究。Equinor(前挪威国家石油公司)和Permedia公布了最后对比结果(图3)(Singh等人，2010年)，表明过去10年的CO2羽流分布是由于重力快速分离而形成的动态平衡。结果表明，与传统油藏模拟相比，侵入渗流模型更准确、更适用。
图3.北海Sleipner二氧化碳封存对标模拟结果，传统的油藏模拟，在注入的几十年里,二氧化碳的垂直运移，与四维地震数据中观测到的二氧化碳分布相比不吻合。Permedia CO2 Toolkit能够更准确地模拟羽流分布,并为观测到的地震分布提供了密切的匹配。
研究和比较研究继续强调CO2和油气在地下运移的差异。与其他技术相比，通过侵入渗流使用毛细管主导力可以得到更可靠的模型，并对二氧化碳的短期风险和长期风险提供了更准确、更可靠的预测。石油圈原创，石油圈公众号：oilsns
2 盖层泄漏和密封完整性
对密封完整性和/或盖层泄漏进行建模是CO2封存建模的关键。了解潜在的封存泄露对于评估二氧化碳封存的库容能力估算很重要。定量渗流速率估算有助于识别有关储层至地表泄露的可能途径(Wilkinson等人，2006年)。在毛细管主导的流体运移情形下(使用改进的侵入渗滤模型建模)，二氧化碳要么沿低临界饱和度的路径运移，要么回注，并在不超过孔隙介质的最大气体饱和度的更高饱和度时向圈闭内充注。毛细管启动压力是决定渗流路径和盖层封闭性的基本因素之一。毛细阈值压力是作用在流体内部和流体与其结合部固体之间的力相互作用的结果。它们既可以在实验室中测定，也可以从中得出。
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如果一个二氧化碳地下封存点有一个非常大的库容空间，那么盖层就要有非常高的阈值压力值。地层(储层)具有较低的启动压力值。二氧化碳将无法以更高的阈值压力冲破密封，因此它将继续回注在封存空间，然后可能会涌向第二个容积空间。这表明封盖完整性和盖层泄漏会受到阀值压力的影响。地质力学也是很重要的，因为这些研究对于理解封盖完整性和盖层渗漏是不可或缺的。也就是说，传统的油藏模拟器没有考虑盖层泄漏和密封完整性，这影响了CO2羽流模型的有效性。对密封完整性和盖层泄漏进行建模是评估CO2储存区潜力的基础，如果不考虑盖层完整性和圈闭完整性和可行性将危及CCUS项目。石油圈原创，石油圈公众号：oilsns
3 岩石非均质性
建模描述沉积和沉积后过程引起的岩石非均质性非常具有挑战性。但由于计算成本和运算时间考虑，在传统的油藏数值模拟中，由于小尺度非均质性对达西流控制系统的影响有限，基本未考虑小尺度非均质性。但岩石非均质性对毛细管主导的流体运移规律有重要影响。岩石非均质性显著影响CO2流体动力学，在CO2运移模拟中起着至关重要的作用。毛细管压力阈值对比，由于小规模的异构性问题可以影响二氧化碳的流动入侵路径，导致充填和毛细管累积障碍(图4)。因此，更重要的是要同时考虑地质构造和小尺度岩石的非均质性，它们会影响毛细管主导状态下的流动路径。石油圈原创，石油圈公众号：oilsns
图4.利用Permedia软件对一个大型油田的二氧化碳储存能力和泄漏机理进行建模。通CO2沿层饱和度可以看出大型油田存在较强的非均质性。
4 时空尺度
油藏模拟器本质上是封闭系统的流动模型，非常适合于短时间尺度和油藏开发尺度的油气生产。然而，二氧化碳封存不是在一个封闭的系统中运行的，一旦注入，它就会迁移到储层之外。理想情况下，二氧化碳储存点运行的时间尺度需要考虑百年以上。按照地质时间尺度封存二氧化碳，对于实现符合全球气候变化减缓目标的工业化经济体的碳中和至关重要。石油圈原创，石油圈公众号：oilsns
注入地质封存点的二氧化碳量可能会显著增加。长期而言，二氧化碳是否会迁移到另外的储存领域存在不确定性。因此，在模拟二氧化碳储存时，需要考虑多个空间和时间尺度，以便从油藏到区域范围来了解二氧化碳的短期和长期风险，并从地质时间尺度上理解二氧化碳的注入和封存。石油圈原创，石油圈公众号：oilsns
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