石油圈
以下文章來源于蘭德馬克軟件與服務 ，作者蘭德馬克
哈里伯頓推出的CCUS全生命周期解決方案–蘭德馬克Permedia CO2軟件包，包括一套針對CO2存儲、擴散運移模擬定制套件。在2021年12月6日召開的第23屆世界石油大會（WPC，World Petroleum Congress）上，該軟件獲得唯一的卓越技術發展大獎。
編譯 | 無憂?石油圈原創，石油圈公眾號：oilsns
與傳統的油藏模擬相比，CO2封存擴散和運移建模提出了新的挑戰。CO2注入和建模的物理原理與油氣開采不同，CO2封存模擬與油氣藏模擬的一些顯著差異。深入理解地下CO2羽流動力學，研發適用于CO2存儲和運移模擬的算法，對于CO2地下擴散和運移模擬軟件至關重要。
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01. 軟件簡介
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Permedia CO2軟件是一套用于CO2封存勘探、監測和預測的高分辨率建模工具。該軟件解決了CO2封存工作流程的關鍵方面：地層封存勘探、產能估算、油井注入能力、地層增壓、羽流捕集和溶解CO2擴散。
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■ 主要應用
● 了解石油系統中CO2的來源
● 預測新存儲站點
● 匹配存儲監控數據
● 在運營后階段預測存儲站點的長期命運和風險
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■ 主要優勢
● 為CO2應用定制的工作流程
● 針對最知名的存儲站點和最佳可用數據集進行驗證
● 端到端CO2工作流程；勘探、區域壓力建模、羽流建模和注入建模
● 共同呈現和分析來自多個包和所有長度范圍的數據
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■ 主要特征
● 用于CO2封存勘探、監測和預測的高分辨率建模工具集成套件
● 與OpenWorks、DecisionSpace 地球科學、Neftex Insights連通
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02. 軟件模塊介紹
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軟件主要分為一下四個模塊：石油圈原創，石油圈公眾號：oilsns
?1??CO2 Migration
適用于自由相羽流模擬的CO2侵入滲流模擬器。CO2 Migration建立在最先進的Permedia運移模擬器上，提供了非均質油藏環境中重力分離羽流分布的極高分辨率模型。
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?2? CO2 BOS
CO2 BOS是一款Plume+Solubility快速多線程黑油模擬器，專門處理CO2的存儲和溶解。CO2 BOS特別適用于兩相羽流和鹽水建模，它建立在Permedia黑油模擬器上，解決了儲層工程工作流程中的CO2建模問題。CO2 BOS經過特別調整，可在開箱即用的情況下運行CO2注入，速度快，內置二氧化碳注入計劃、PVT和溶解度處理。
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?3? CO2 Flow
CO2 Flow采用Pressure+Tracers高分辨率流體動力學求解器，用于求解、模擬CO2存儲相關的壓力變化。通過處理CO2注入速率和注入層壓力的油井建模方案，CO2 Flow提供了高分辨率區域模擬，用于測試區域壓力模型的高分辨率非均質網格的邊界條件。
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?4? CO2 Dashboard
CO2 Dashboard采用EoS Wizard CO2特定狀態方程和PVT初始化模擬向導。使用CO2 Dashboard初始化模型條件：氣相和鹽水相密度、壓縮性、粘度、溶解度和界面張力。這個模塊已通過包含理論和實驗數據的幾部出版作品的驗證。這些關鍵特性的初始模型條件可以自動從儀表板傳輸到CO2模擬器。
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03. 核心技術原理
CO2封存地點模擬與油氣藏模擬的一些顯著差異。注入地下封存的二氧化碳與地下儲存的油氣動力特征有顯著的不同，流體運移機制的差異嚴重影響CO2封存擴散模擬的準確性，對尋找可靠封存地點、評估封存二氧化碳的短期和長期風險，了解CO2流體流動的物理規律對二氧化碳的封存和油氣勘探都具有重要意義，并對封存可靠性有嚴重影響。石油圈原創，石油圈公眾號：oilsns
模擬地下二氧化碳的運移與油氣運移的根本區別主要體現在以下4個方面：
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?1??二氧化碳的流體力學
對近井筒和遠井筒的流體動力學的刻畫是準確預測油氣藏動態以及二氧化碳的封存潛力的關鍵。影響流體流動的三種主要作用力是毛細管力、重力和粘性(圖1)。這些力量總是相互存在的，但有時有一種力量占主導地位。毛細管數（Capillary number，Ca），用來比較粘滯阻力與毛細管力的比值，亦稱界面張力數，是一個無量綱量，Ca用于確定氣流是由粘滯阻力還是毛細管力控制。傳統的油藏模擬器基于粘性主導(達西流Darcy-based)來模擬流體流動，這適用于在油氣開發時間尺度上模擬油氣運移。在前期CCUS項目中，這些油藏模擬器也常拿來應用于二氧化碳建模。然而，對二氧化碳流動物理的廣泛研究表明，在大部分存儲空間中，二氧化碳流動并不受粘滯阻力的控制(圖1)。
圖1.流體動力型模型，CO2流動受浮力（驅動力）和毛細管力（阻力）的共同作用
CO2封存期間，二氧化碳注入后的運移主要是由浮力(驅動)和毛細管(阻力)之間的相互作用(圖1)。這是因為距離井筒十米到百米開外壓力梯度就下降到靜水常壓，導致非常低的流速，因此粘滯力可以忽略。事實上，在大多數情況下，井中的二氧化碳注入速率不太可能超過毛細管主導流動的邊界條件。這意味著在CO2注入過程中和注入后，大部分的儲存空間都是由浮力和毛細管力控制，而不是由粘滯力控制的。
圖2.多相流標準流動理論模版，油氣和CO2侵入滲流、甚至快速上升的浮力仍然存在于侵入滲流領域。達西流只在高流速和壓差下出現。
侵入滲流是一種模擬非混相流體在多孔介質中緩慢侵入擴散的真實流體運移分布的數學模型。改進的侵入滲濾技術模擬了浮力和毛細管力之間的相互作用，從而可以正確地模擬CO2的運移。侵入滲流通常應用于地質流動系統中緩慢擴散的不混相流體(圖2)。在毛細管力為主的條件下，非混相流體要么沿低臨界飽和度的路徑運移，要么沿孔隙運移。在不超過孔隙介質的最大氣體飽和度的更高飽和度下驅油(Cavanagh和Ringrose, 2010)。要應用侵入滲流機制，毛細管力必須大于粘滯力1:10萬(毛細數Ca＜10-4)(圖2)。當這些情況發生時，使用入侵滲透技術是合適的。由于在低通量速率下，粘性對流動的貢獻可以忽略，且粘性主導的(達西流)近似被毛細管主導的作用力所取代，因此入侵滲流方法在CO2封存模型中是準確有效的。
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在2008年國際地質大會(lipard et al.，2008)上提出了達西流和侵入滲流的早期比較。結果表明，在挪威Sleipner二氧化碳封存項目對標的兩種模型中，在十年的時間尺度上存在顯著偏差。侵入滲濾模型預測，在注入停止后到數十年里CO2都封存在構造圈閉以內，CO2沒有大規模運移；然而，達西流動模型預測，在注入停止后的幾十年里，二氧化碳會持續垂直運移，最終導致二氧化碳會聚焦在構造圈閉的上方 (僅將二氧化碳封堵在蓋層正下方)(見圖3)。隨后，基于北海Sleipner CO2封存點的地質模型(Sleipnerstorage Benchmark對標研究)，應用黑油模擬和二氧化碳封存的運移模擬進行了詳細的比較研究。Equinor(前挪威國家石油公司)和Permedia公布了最后對比結果(圖3)(Singh等人，2010年)，表明過去10年的CO2羽流分布是由于重力快速分離而形成的動態平衡。結果表明，與傳統油藏模擬相比，侵入滲流模型更準確、更適用。
圖3.北海Sleipner二氧化碳封存對標模擬結果，傳統的油藏模擬，在注入的幾十年里,二氧化碳的垂直運移，與四維地震數據中觀測到的二氧化碳分布相比不吻合。Permedia CO2 Toolkit能夠更準確地模擬羽流分布,并為觀測到的地震分布提供了密切的匹配。
研究和比較研究繼續強調CO2和油氣在地下運移的差異。與其他技術相比，通過侵入滲流使用毛細管主導力可以得到更可靠的模型，并對二氧化碳的短期風險和長期風險提供了更準確、更可靠的預測。石油圈原創，石油圈公眾號：oilsns
?2? 蓋層泄漏和密封完整性
對密封完整性和/或蓋層泄漏進行建模是CO2封存建模的關鍵。了解潛在的封存泄露對于評估二氧化碳封存的庫容能力估算很重要。定量滲流速率估算有助于識別有關儲層至地表泄露的可能途徑(Wilkinson等人，2006年)。在毛細管主導的流體運移情形下(使用改進的侵入滲濾模型建模)，二氧化碳要么沿低臨界飽和度的路徑運移，要么回注，并在不超過孔隙介質的最大氣體飽和度的更高飽和度時向圈閉內充注。毛細管啟動壓力是決定滲流路徑和蓋層封閉性的基本因素之一。毛細閾值壓力是作用在流體內部和流體與其結合部固體之間的力相互作用的結果。它們既可以在實驗室中測定，也可以從中得出。
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如果一個二氧化碳地下封存點有一個非常大的庫容空間，那么蓋層就要有非常高的閾值壓力值。地層(儲層)具有較低的啟動壓力值。二氧化碳將無法以更高的閾值壓力沖破密封，因此它將繼續回注在封存空間，然后可能會涌向第二個容積空間。這表明封蓋完整性和蓋層泄漏會受到閥值壓力的影響。地質力學也是很重要的，因為這些研究對于理解封蓋完整性和蓋層滲漏是不可或缺的。也就是說，傳統的油藏模擬器沒有考慮蓋層泄漏和密封完整性，這影響了CO2羽流模型的有效性。對密封完整性和蓋層泄漏進行建模是評估CO2儲存區潛力的基礎，如果不考慮蓋層完整性和圈閉完整性和可行性將危及CCUS項目。石油圈原創，石油圈公眾號：oilsns
?3? 巖石非均質性
建模描述沉積和沉積后過程引起的巖石非均質性非常具有挑戰性。但由于計算成本和運算時間考慮，在傳統的油藏數值模擬中，由于小尺度非均質性對達西流控制系統的影響有限，基本未考慮小尺度非均質性。但巖石非均質性對毛細管主導的流體運移規律有重要影響。巖石非均質性顯著影響CO2流體動力學，在CO2運移模擬中起著至關重要的作用。毛細管壓力閾值對比，由于小規模的異構性問題可以影響二氧化碳的流動入侵路徑，導致充填和毛細管累積障礙(圖4)。因此，更重要的是要同時考慮地質構造和小尺度巖石的非均質性，它們會影響毛細管主導狀態下的流動路徑。石油圈原創，石油圈公眾號：oilsns
圖4.利用Permedia軟件對一個大型油田的二氧化碳儲存能力和泄漏機理進行建模。通CO2沿層飽和度可以看出大型油田存在較強的非均質性。
?4? 時空尺度
油藏模擬器本質上是封閉系統的流動模型，非常適合于短時間尺度和油藏開發尺度的油氣生產。然而，二氧化碳封存不是在一個封閉的系統中運行的，一旦注入，它就會遷移到儲層之外。理想情況下，二氧化碳儲存點運行的時間尺度需要考慮百年以上。按照地質時間尺度封存二氧化碳，對于實現符合全球氣候變化減緩目標的工業化經濟體的碳中和至關重要。石油圈原創，石油圈公眾號：oilsns
注入地質封存點的二氧化碳量可能會顯著增加。長期而言，二氧化碳是否會遷移到另外的儲存領域存在不確定性。因此，在模擬二氧化碳儲存時，需要考慮多個空間和時間尺度，以便從油藏到區域范圍來了解二氧化碳的短期和長期風險，并從地質時間尺度上理解二氧化碳的注入和封存。石油圈原創，石油圈公眾號：oilsns
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