实验室测量粉笔中超声波的速度——超临界CO?和盐水注入的影响。利用岩石物理学原理对粉笔的硬度和饱和度进行建模

《Geoenergy Science and Engineering》：Laboratory measurement of ultrasonic wave velocities in chalk - effect of supercritical CO 2 and brine injection. Modelling stiffness and saturation by using rock physics

丹麦研究利用北海枯竭油藏进行二氧化碳封存，通过超临界CO2注入盐水饱和的 chalk 样品，开展地力学测试及超声波速监测。实验表明，低于孔隙崩溃应力注入时CO2饱和度更高，盐水可部分置换CO2。Biot系数增大显示岩石孔隙结构变化，但受时间依赖性压实效应抵消。

　　

托比亚斯·奥兰德（Tobias Orlander）|弗雷德里克·彼得·迪特莱夫森（Frederik Peter Ditlevsen）|汉娜·达尔·霍姆斯利克（Hanne Dahl Holmslykke）|莱昂纳多·特谢拉·平托·梅雷莱斯（Leonardo Teixeira Pinto Meireles）|阿米尔霍赛因·沙姆索尔霍达埃（Amirhossein Shamsolhodaei）|伊达·利克·法布里修斯（Ida Lykke Fabricius）

丹麦技术大学，丹麦海上技术中心

摘要

丹麦目前正在探索将枯竭的北海白垩油和气储层重新用于二氧化碳（CO₂储存的方案。监测CO₂饱和度、井筒中的CO₂泄漏以及羽流传播是其中面临的挑战，而井筒测井和地震时间序列技术可能是常用的工具。这些工具依赖于对弹性波如何响应流体饱和度变化的理解。对于白垩储层而言，由于CO₂注入导致的矿物溶解和/或沉淀可能会引起地质力学和地震特性的变化。为了识别由CO₂注入引起的特性变化，我们设计了四项地质力学测试和一项地球化学测试，使用超临界CO₂（SC.CO₂）对饱和盐水的北海白垩进行注入。其中两项机械测试仅涉及SC.CO₂注入，另外两项则同时包含蠕变和盐水注入阶段。在地球化学测试中，首先通过一个模拟储层的白垩样品注入盐水。机械测试在低于或高于孔隙坍塌应力的情况下进行。在整个过程中测量了超声波速度，从而可以量化由于注入而可能产生的软化现象，并对SC.CO₂饱和度进行建模。建模结果显示，1.5孔隙体积的SC.CO₂无法完全替代饱和盐水。在低于孔隙坍塌应力的情况下注入时，所达到的SC.CO₂饱和度更高；而盐水注入似乎能够将注入的SC.CO₂替换到无法检测到的水平。SC.CO₂和盐水注入（方解石溶解）引起的软化现象通过贝奥系数（Biot’s coefficient）的增加表现出来，但这种软化作用被时间依赖的压实效应所抵消。

章节摘录

引言

碳捕获与储存（CCS）是一种减缓全球变暖的方法。由于丹麦计划在2050年前实现碳中和（丹麦气候变化委员会，2020年），因此正在探索将北海白垩中枯竭的油和气储层重新利用于地质二氧化碳储存的方案，以实现这一目标。然而，在实现长期成功储存的过程中，监测CO₂饱和度、潜在的CO₂泄漏以及储层内羽流的传播是面临的主要挑战之一。

样品制备、岩石物理特性分析及测试矩阵

共准备了5个样品，这些样品来自戈姆油田（Gorm field）N-31井的Ekofisk地层。所有样品的直径约为1.5英寸，长度为2或3英寸，使用带有Isopar-L冷却剂的旋转取芯钻获取。样品的端面经过修剪并保持平行，精度达到0.1毫米。所有岩芯塞和切割部分均使用甲醇和甲苯作为溶剂，通过索氏提取法（soxhlet extraction）去除盐分和烃类物质（Dean, 1998）。

应力-应变曲线

应力-应变曲线显示，所有测试样品的变形行为相似。就特扎吉有效轴向应力（Terzaghi’s effective axial stress）而言，孔隙坍塌的起始点在23至28 MPa之间，其中包含蠕变和注入阶段的样品在低于孔隙坍塌应力的情况下表现出最低的应力值（图6）。相比之下，包含蠕变和注入阶段的样品在高于孔隙坍塌应力的情况下表现出更大的变形（图6）。

超声波弹性波速度

随着特扎吉有效轴向应力的增加，超声波P波和S波的速度也随之增加

单次SC.CO₂注入测试期间的超声波速度

当向饱和盐水的样品中注入SC.CO₂时，其体积密度明显降低，导致P波和S波速度（V_P, V_S）发生变化。我们发现V_P的速度整体下降了300至400米/秒（图11），这一结果与Xue和Ohsumi（2004年）的研究结果相近，同时也与Wang等人（1998年）、Mikhaltsevitch等人（2014年）、Njiekak等人（2013年）以及Vialle和Vanorie（2011年）在类似实验中的结果基本一致。无论是低于还是高于孔隙坍塌应力的注入情况，都观察到了这一现象。

结论

在向饱和盐水的白垩样品中注入超临界CO₂的地质力学实验中，由于孔隙流体密度的降低，压缩波速度显著下降。相反，剪切波速度略有增加。在SC.CO₂注入后进行盐水注入的实验（WACO₂阶段）中，波速度恢复到接近SC.CO₂注入前的水平，但总体来看，压缩波和剪切波速度均有所下降。

CRediT作者贡献声明

伊达·利克·法布里修斯（Ida Lykke Fabricius）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，监督，方法论，概念化。阿米尔霍赛因·沙姆索尔霍达埃（Amirhossein Shamsolhodaei）：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，方法论，数据分析。莱昂纳多·特谢拉·平托·梅雷莱斯（Leonardo Teixeira Pinto Meireles）：撰写 – 初稿，方法论，数据分析，形式分析。汉娜·达尔·霍姆斯利克（Hanne Dahl Holmslykke）：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，方法论，数据分析，资金支持。

未引用的参考文献

L.J, 1941; Müller和Gurevich, 2004; Pang等人, 2019; Papageorgiou和Chapman, 2017; Rohmer等人, 2016.

数据获取

如需获取本研究的实验数据，可向通讯作者提出合理请求。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：所有作者均获得了丹麦海上技术中心（Danish Offshore Technology Centre）的财务支持。托比亚斯·奥兰德（Tobias Orlander）和伊达·法布里修斯（Ida Fabricius）与丹麦海上技术中心存在雇佣关系。作者声明不存在利益冲突。如果还有其他作者，他们也声明自己没有已知的利益冲突。

致谢

作者感谢丹麦地下联盟（TotalEnergies E&P Denmark、BlueNord ASA和Nords?fonden）提供岩芯材料并允许发表本研究。本研究得到了丹麦海上技术中心（DOTC）在二氧化碳储存项目下的资助。我们还要感谢丹麦技术大学的Morten Leth Hjuler和Ditte Jul Valentin在白垩特性分析方面提供的技术支持。