一种二氧化碳注入多尺度岩体的扰动响应预测方法及系统
阅读说明：本技术 一种二氧化碳注入多尺度岩体的扰动响应预测方法及系统 (Disturbance response prediction method and system for injecting carbon dioxide into multi-scale rock mass ) 是由 祁生文 郑博文 黄天明 赵海军 曹长乾 崔振东 郭松峰 黄晓林 于 2021-11-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种二氧化碳注入多尺度岩体的扰动响应预测方法及系统,所述方法包括：对多尺度岩石基质注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测；对多尺度岩体结构注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测；对多尺度岩石基质-岩体结构体系注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测。本发明中的上述方法能够准确分析超临界二氧化碳注入扰动下多尺度岩体和渗流力学性质的跨尺度时空演变过程。(The invention relates to a disturbance response prediction method and a system for injecting carbon dioxide into a multi-scale rock mass, wherein the method comprises the following steps: predicting the disturbance response of the multi-scale rock matrix injected with the supercritical carbon dioxide; predicting the disturbance response of the multi-scale rock mass structure injected with supercritical carbon dioxide; and predicting the disturbance response of the multi-scale rock matrix-rock mass structure system injected with the supercritical carbon dioxide. The method can accurately analyze the cross-scale space-time evolution process of the multi-scale rock mass and the seepage mechanical property under the disturbance of supercritical carbon dioxide injection.)
技术领域
本发明涉及岩体工程地质力学领域，特别是涉及一种二氧化碳注入多尺度岩体的扰动响应预测方法及系统。
背景技术
实现“碳达峰”和“碳中和”的技术路径主要包括减少二氧化碳排放量和增加碳汇两个方面，其中二氧化碳捕集、利用与封存技术是目前国际公认的最直接、最有效的地质碳汇措施。二氧化碳地质封存技术是将工业捕集的二氧化碳以超临界态的形式（温度高于31.1℃，压力高于7.38MPa）注入到地下深处（800m以深）具有适当封闭条件的地层中进行长期安全（千年至万年尺度）封存和隔离的过程。超临界二氧化碳注入将会扰动封存场址中的岩体，使其产生复杂的化学、物理、力学响应。定量预测多尺度岩体对超临界二氧化碳注入扰动的响应过程，是科学、合理指导封存场地选址的关键。
岩体是由岩石基质和断裂裂隙组成的具有多尺度结构特征的地质体，岩石基质和断裂裂隙共同决定了岩体的物理力学及渗流特性。对于岩石基质而言，前人分别从化学、物理、力学方面对超临界二氧化碳注入下岩石基质的孔隙度、渗透率变化规律有了一定认识，但是没有融合地球化学反应与物理力学作用，因此难以准确预测超临界二氧化碳注入扰动下岩石基质孔隙度、渗透率及其渗流力学参数的动态变化。对于断裂裂隙而言，前人缺乏大型物理模拟试验研究，所得单条裂缝的研究结果难以反映岩体中复杂裂缝网络对注入超临界二氧化碳的响应规律，同时传统室内试验难以实时可视化追踪岩体内部多尺度破裂演化与气液运移过程。
本发明以多尺度岩体精细刻画为前提，提供了一种适用于二氧化碳封存场址多尺度岩体注入超临界二氧化碳扰动响应预测的试验方法，以准确分析超临界二氧化碳注入扰动下多尺度岩体和渗流力学性质的跨尺度时空演变过程，从而支撑当前二氧化碳地质封存潜力和适宜性评价的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种二氧化碳注入多尺度岩体的扰动响应预测方法及系统，准确分析超临界二氧化碳注入扰动下多尺度岩体和渗流力学性质的跨尺度时空演变过程。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种二氧化碳注入多尺度岩体的扰动响应预测方法，所述预测方法包括：
对多尺度岩石基质注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测；所述对多尺度岩石基质注入二氧化碳的扰动响应进行预测包括：对不同压力、温度以及不同注入场景条件下的多尺度岩石基质进行化学响应预测和对不同压力、温度和不同注入场景条件下的多尺度岩石基质进行物理、力学响应预测；
对多尺度岩体结构注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测；所述对多尺度岩体结构注入二氧化碳的扰动响应预测包括：对试验样品尺度岩体结构注入二氧化碳的扰动响应进行预测和对物理模型尺度岩体结构注入二氧化碳的扰动响应进行预测；
对多尺度岩石基质-岩体结构体系注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测。
可选的，所述对不同压力、温度以及不同注入场景条件下的多尺度岩石基质进行化学响应预测具体包括：
采集深部咸水层、枯竭的油气藏储层以及深部不可采煤层的典型岩石并加工成试样；
采用核磁共振岩芯驱替装置在所述试样中注入超临界二氧化碳；
采用正交实验法，通过核磁共振岩芯驱替装置的加载系统和温控系统模拟不同应力、不同温度以及不同注入场景的工况，实时监测岩石流体化学和同位素组成变化的时空响应过程；
将驱替试验前后的样品加工成适用于微观-纳观测试成像的样品；
利用扫描电镜装置从微观-纳观尺度对所述样品进行测试成像；
对比驱替试验前后岩石流体化学和同位素组成的异同。
可选的，所述对不同注入场景条件下的多尺度岩石基质进行物理、力学响应预测具体包括：
采集深部咸水层、枯竭的油气藏储层以及深部不可采煤层的典型岩石并加工成试样；
从所述试样端面沿中轴线加工非贯通的注入孔；
向所述注入孔中注入超临界二氧化碳，利用CT扫描岩石多场耦合力学试验系统，结合声发射系统，采用正交试验方法，模拟不同应力、不同温度和不同注入时间的工况，从宏观到微观尺度，通过岩石多场耦合力学试验系统的CT扫描装置，实时监测岩石基质的物质成分、孔隙结构变化的时空响应过程；
利用红外线测温仪，实时监测岩石温度场参数变化的时空响应过程；利用渗流场监测仪，实时监测岩石渗流场参数变化的时空响应过程；利用液压传感器，实时监测二氧化碳注入过程中岩石起裂压力、破裂压力变化的时空响应过程。
可选的，所述对试验样品尺度岩体结构注入二氧化碳的扰动响应进行预测具体包括：
采集深部咸水层、枯竭的油气藏储层以及深部不可采煤层的典型岩石并加工成含人工裂缝的试样；
从所述试样端面沿中轴线加工非贯通的注入孔；
向所述注入孔中注入混合有磁性纳米Fe颗粒的超临界二氧化碳，利用CT扫描岩石多场耦合力学试验系统，结合声发射系统，采用正交试验方法，模拟不同应力、不同温度、不同注入时间、不同裂缝面粗糙度、不同裂缝面胶结强度以及注入孔轴线与裂缝面不同夹角的工况，从试验样品尺度，实时监测裂缝面的活化破裂过程；
通过CT扫描岩石多场耦合力学试验系统，开展泵压、温度、流量指标的实时监测；
采用高精度力和位移传感器，实时监测试样压力、轴向位移及径向位移；
采用核磁共振仪，测量不同工况下裂缝面上磁性纳米Fe颗粒的分布并确定裂缝面的活化错动区域；
结合三维激光扫描仪对试验前后裂缝面的形貌进行扫描和三维重构，获取裂缝面三维形貌参数，对比试验前后裂缝面三维形貌参数的异同；
试验过程中实时监测裂缝面岩石矿物及溶液水化学组分变化的时空响应过程，获取不同超临界二氧化碳注入参数的裂缝面粗糙度、张开度、温度、渗流、应力、变形以及化学参数。
可选的，所述对物理模型尺度岩体结构注入二氧化碳的扰动响应进行预测具体包括：
针对深部咸水层、枯竭的油气藏储层以及深部不可采煤层，考虑典型储层-盖层及上覆地层的三维岩体结构，概化出能够反映主要岩体结构特征的缩尺物理模型；
利用光敏材料和3D打印技术，构建出多个含有裂缝网络的光敏材料岩体单元；
将所述光敏材料岩体单元堆叠，粘合成大型岩体物理模型，加工非贯通的注入孔；所述注入孔穿越上覆地层、盖层到达储层；
在所述物理模型边界上施加预设的温度、应力直至达到平衡，向注入孔中注入混合有荧光剂的超临界二氧化碳；
利用红外线测量仪实时监测裂缝网络模型中温度的时空响应过程；
利用流体荧光剂分析仪实时监测裂缝网络模型中渗流的时空响应过程；
利用光弹试验实时监测裂缝网络模型中应力的时空响应过程；
利用数字图像法实时监测裂缝网络模型中位移的时空响应过程，获取裂缝网络模型中温度场、渗流场、应力场及位移场参数，实时定量追踪裂缝起裂、扩展、贯通演化过程，监测岩体结构参数、变形强度参数及渗流力学参数的动态变化。
可选的，所述对多尺度岩石基质-岩体结构体系注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测具体包括：
针对深部咸水层、枯竭的油气藏储层以及深部不可采煤层，建立融合储层-盖层及上覆地层的多尺度岩石基质-岩体结构体系的多场耦合数值仿真模型；
采用正交数值试验方法，在多尺度岩石基质、多尺度岩体结构注入超临界二氧化碳扰动的响应数据基础上，模拟二氧化碳注入后储层-盖层岩石基质-岩体结构体系的纳观-微观-细观尺度、试样尺度、物理模型尺度、工程尺度的跨尺度时空响应过程；
根据二氧化碳注入参数、储层-盖层岩石基质化学物理力学参数间的互馈变化规律，实时监测储层-盖层岩体结构的扩展变化及二氧化碳的运移分布，获取不同二氧化碳注入参数的储层-盖层多尺度岩石基质-岩体结构体系化学场、温度场、渗流场、应力场参数。
基于上述的方法，本发明还提供一种二氧化碳注入多尺度岩体的扰动响应预测系统，所述预测系统包括：
第一响应预测模块，用于对多尺度岩石基质注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测；所述对多尺度岩石基质注入二氧化碳的扰动响应进行预测包括：对不同压力、温度以及不同注入场景条件下的多尺度岩石基质进行化学响应预测和对不同压力、温度和不同注入场景条件下的多尺度岩石基质进行物理、力学响应预测；
第二响应预测模块，用于对多尺度岩体结构注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测；所述对多尺度岩体结构注入二氧化碳的扰动响应进行预测包括：对试验样品尺度岩体结构注入二氧化碳的扰动响应进行预测和对物理模型尺度岩体结构注入二氧化碳的扰动响应进行预测；
第三响应预测模块，用于对多尺度岩石基质-岩体结构体系注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明中的上述方法基于现有较成熟的多尺度（宏观-细观-微观-纳观）、多场（化学场-温度场-渗流场-应力场）耦合室内试验和数值模拟，结合3D打印技术的透明岩体模型可进行复杂地质条件下的物理模拟，可实现二氧化碳封存场址多尺度岩体注入扰动响应的定量分析，为建立二氧化碳注入扰动下封存场址的多尺度岩体物性变化、破裂演化及气液运移规律的动态预测模型奠定基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例二氧化碳注入多尺度岩体的扰动响应预测方法流程图；
图2为本发明实施例二氧化碳注入多尺度岩体的扰动响应预测系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种二氧化碳注入多尺度岩体的扰动响应预测方法及系统，准确分析超临界二氧化碳注入扰动下多尺度岩体和渗流力学性质的跨尺度时空演变过程。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例二氧化碳注入多尺度岩体的扰动响应预测方法流程图，如图1所示，所述方法包括：
步骤S1：对多尺度岩石基质注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测；所述对多尺度岩石基质注入二氧化碳的扰动响应进行预测包括：对不同压力、温度以及不同注入场景条件下的多尺度岩石基质进行化学响应预测和对不同压力、温度和不同注入场景条件下的多尺度岩石基质进行物理、力学响应预测。
具体的：对不同压力、温度以及不同注入场景条件下的多尺度岩石基质进行化学响应预测具体包括：
步骤101：针对深部咸水层、枯竭的油气藏储层、深部不可采煤层，采集典型岩石并加工成圆柱形试样；
步骤102：利用核磁共振岩芯驱替装置，对核磁共振岩芯驱替装置的岩芯夹持器内的试样注入超临界二氧化碳；采用正交试验方法，通过核磁共振岩芯驱替装置的加载系统和温控系统，模拟不同应力（应力值超过7.38MPa，如10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa）、不同温度（温度值超过31.1℃，如35°C、45°C、55°C、65°C、75°C、85°C、95°C）和不同注入场景（二氧化碳注入、二氧化碳和水交替注入、饱和二氧化碳溶液等）等工况，从宏观-细观尺度，实时监测岩石流体化学和同位素组成等参数变化的时空响应过程；
步骤103：将驱替试验前后试样加工成适用于微观-纳观测试成像的样品，利用扫描电镜装置，从微观-纳观尺度，进行测试成像，对比驱替试验前后岩石流体化学和同位素组成等参数的异同。
对不同注入场景条件下的多尺度岩石基质进行物理、力学响应预测具体包括：
步骤201：针对深部咸水层、枯竭的油气藏储层、深部不可采煤层，采集典型岩石并加工成圆柱形试样，从试样端面沿中轴线加工非贯通的注入孔；
步骤202：向注入孔中注入超临界二氧化碳，利用CT扫描岩石多场耦合力学试验系统，结合声发射系统，采用正交试验方法，模拟不同应力（应力值超过7.38MPa，如10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa）、不同温度（温度值超过31.1℃，如35°C、45°C、55°C、65°C、75°C、85°C、95°C）和不同注入时间（超过0.1h，如0.5h、1h、6h、12h、24h）等工况，从宏观到微观尺度，通过岩石多场耦合力学试验系统的CT扫描装置，实时监测岩石基质的物质成分、孔隙结构等结构场参数变化的时空响应过程；
步骤203：利用红外线测温仪，实时监测岩石温度场参数变化的时空响应过程；利用渗流场监测仪，实时监测岩石渗流场参数变化的时空响应过程；利用液压传感器，实时监测二氧化碳注入过程中岩石起裂压力、破裂压力等应力场参数变化的时空响应过程。
步骤S2：对多尺度岩体结构注入二氧化碳的扰动响应进行预测；所述对多尺度岩体结构注入扰动进行响应预测包括：对试验样品尺度岩体结构注入扰动进行响应预测和对物理模型尺度岩体结构注入扰动进行响应预测。
具体的，对试验样品尺度岩体结构注入扰动进行响应预测具体包括：
步骤301：针对深部咸水层、枯竭的油气藏储层、深部不可采煤层，采集典型岩石并加工成含人工裂缝的圆柱形试样，从试样端面沿中轴线加工非贯通的注入孔；
步骤302：向注入孔中注入混合有磁性纳米Fe颗粒的超临界二氧化碳，利用CT扫描岩石多场耦合力学试验系统，结合声发射系统，采用正交试验方法，模拟不同应力（应力值超过7.38Mpa，如10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa）、不同温度（温度值超过31.1℃，如35°C、45°C、55°C、65°C、75°C、85°C、95°C）、不同注入时间（时间值超过0.1h，如0.5h、1h、6h、12h、24h）、不同裂缝面粗糙度、不同裂缝面胶结强度、注入孔轴线与裂缝面不同夹角（如0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°）等工况，从试验样品尺度，实时监测裂缝面的活化破裂过程；
步骤303：通过CT扫描岩石多场耦合力学试验系统，开展泵压、温度、流量等指标的实时监测，并采用高精度力和位移传感器，实时监测试样压力、轴向位移及径向位移；利用现有的核磁共振仪，测量不同工况下裂缝面上磁性纳米Fe颗粒的分布并确定裂缝面的活化错动区域；结合三维激光扫描仪对试验前后裂缝面的形貌进行扫描和三维重构，获取裂缝面三维形貌参数，对比试验前后裂缝面三维形貌参数的异同；并且，试验过程中实时监测裂缝面岩石矿物及溶液水化学组分等参数变化的时空响应过程，获取不同超临界二氧化碳注入参数的裂缝面粗糙度、张开度、温度、渗流、应力、变形、化学等参数。
对物理模型尺度岩体结构注入二氧化碳的扰动响应进行预测具体包括：
针对深部咸水层、枯竭的油气藏储层、深部不可采煤层，考虑典型储层-盖层及上覆地层的三维岩体结构，开展相似理论分析，概化出能够反映主要岩体结构（储层-盖层及上覆地层）特征的缩尺物理模型。利用光敏材料和3D打印技术，构建出含有裂缝网络的光敏材料岩体单元若干。将光敏材料岩体单元堆叠、粘合成大型岩体物理模型，加工非贯通的注入孔（注入孔穿越上覆地层、盖层到达储层）。在物理模型边界上施加设定的温度、应力直至达到平衡，向注入孔中注入混合有荧光剂的超临界二氧化碳，开展多场耦合条件下岩体结构与渗流特性的时空响应研究。试验过程中，利用红外线测量技术实时监测裂缝网络模型中温度的时空响应过程，利用流体荧光剂分析仪实时监测裂缝网络模型中渗流的时空响应过程，利用光弹试验实时监测裂缝网络模型中应力的时空响应过程，借助数字图像相关技术实时监测裂缝网络模型中位移的时空响应过程，获取裂缝网络模型中温度场、渗流场、应力场及位移场等参数，实时定量追踪裂缝起裂、扩展、贯通演化过程，监测岩体结构参数、变形强度参数及渗流力学参数的动态变化。
步骤S3：对多尺度岩石基质-岩体结构体系注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测。
针对深部咸水层、枯竭的油气藏储层、深部不可采煤层，建立融合储层-盖层及上覆地层的多尺度岩石基质-岩体结构（孔隙-裂缝-断裂）体系的多场耦合数值仿真模型，研究超临界二氧化碳注入扰动下封存场址多尺度岩体的时空响应规律。采用正交数值试验方法，根据前述方法获取的多尺度岩石基质、多尺度岩体结构注入扰动的响应数据，模拟二氧化碳注入后储层-盖层岩石基质-岩体结构（孔隙-裂缝-断裂）体系的纳观-微观-细观尺度、试样尺度、物理模型尺度、工程尺度的跨尺度时空响应过程，研究超临界二氧化碳注入参数、储层-盖层岩石基质化学物理力学参数间的互馈变化规律，实时监测储层-盖层岩体结构（孔隙-裂缝-断裂）的扩展变化及二氧化碳的运移分布，获取不同二氧化碳注入参数的储层-盖层多尺度岩石基质-岩体结构（孔隙-裂缝-断裂）体系化学场、温度场、渗流场、应力场等参数。
图2为本发明实施例一种二氧化碳注入多尺度岩体的扰动响应预测系统结构示意图，如图2所示，所述系统包括：
第一响应预测模块4，用于对多尺度岩石基质注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测；所述对多尺度岩石基质注入二氧化碳的扰动响应进行预测包括：对不同压力、温度以及不同注入场景条件下的多尺度岩石基质进行化学响应预测和对不同压力、温度和不同注入场景条件下的多尺度岩石基质进行物理、力学响应预测；
第二响应预测模块5，用于对多尺度岩体结构注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测；所述对多尺度岩体结构注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测包括：对试验样品尺度岩体结构注入扰动进行响应预测和对物理模型尺度岩体结构注入扰动进行响应预测；
第三响应预测模块6，用于对多尺度岩石基质-岩体结构体系注入超临界二氧化碳的扰动响应进行预测。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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