一种基于三维地质模型的深部咸水层碳封存储量评估方法

摘要

本发明涉及深部咸水层碳封存储量评估技术领域，具体公开了一种基于三维地质模型的深部咸水层碳封存储量评估方法，包括以下步骤：S01：地层位势场构建：采用三维地质隐式建模方法对地层界线点及其对应的属性进行空间插值，建立同一沉积序列的整合地层的地层位势场；S02：层控约束条件下的岩相建模，以岩相为空间插值的主变量，地层位势场作为次级变量，通过考察主变量与次级变量之间的相关性来提升岩相插值结果的准确性；S03：相控约束条件下的地质属性同位协同随机建模：在岩相模型约束下模拟储层中孔隙度等属性的空间分布，来确定封存条件较好的深部咸水层；S04：深部咸水层碳封存储量估算，即采用容积法计算深部咸水层的碳封存储量。

说明书

技术领域

本申请涉及深部咸水层碳封存储量评估技术领域，具体公开了一种基于三维地质模型的深部咸水层碳封存储量评估方法。

背景技术

深部咸水层地质碳封存技术可以将二氧化碳永久地储存到地下深处。深部咸水层是指“不可利用”的盐水层(矿化度在3-50g/L之间)，层内水中含有高浓度的盐类(盐度高于10g/L)，不适于人类生产和生活使用。只要存在渗透性差的封闭盖层阻止二氧化碳逸出，任何具有足够大深度(大于800米)和足够的孔隙度的深部咸水层都有可能成为潜在的封存空间。同时，适合封存二氧化碳的深部咸水层必须具有必要的容量和注入能力。要实施深部咸水层地质碳封存技术，首先要评估深部咸水层的碳封存量，以确定该地是否具有足够的容量。

相同地层岩相的物性、组分等具有较强的相似性，不同的地层和岩相即使空间距离上相近或相邻，它们的属性也往往有较大差异，普通空间插值方法通常无法反映岩相和地质属性在空间中层控、相控的作用情况，这是由于地层、岩相和地质属性存在不连续性和突变性。通常，地层属性和岩相之间存在着隐性的关联关系，而地层内也存在不连续的相变，一般不能在整个空间进行空间插值和条件随机模拟。尽管孔隙度、渗透率等物化属性采样数据分布往往很不均匀而且数量有限，但它们之间仍存在某些联系和规律性，必须依据沉积学层控、相控原理，结合三维地层、岩相模型来选择合适的物性、组分的推断方法，才能获得符合沉积学规律的三维地质物、化属性模型。

传统使用二维平面地质图和剖面地质图进行碳封存储量评价方法，只能利用投影面积和平均厚度来粗略估算深部含水层的体积，而且对深部含水层内的岩相和属性(孔隙度、渗透率等)的三维空间非均质性也难以表征，这给深部咸水层的碳封存储量估计带来很大的不确定性，鉴于此，发明人提出一种基于三维地质模型的深部咸水层碳封存储量评估方法，需要对各地层及其内部岩相、属性分布进行三维建模。地层三维隐式建模采用地层位势场表达各地层的空间分布；岩相是地层沉积环境中形成的岩石或岩石组合，其分布与地层的变化具有一定的关联，因此在岩相三维建模过程中要考虑层控的影响来提高建模结果的准确性；在岩相模型的约束下，采用同位协同条件随机模拟方法模拟含水层内的三维属性(孔隙度、渗透率)模型；最后，结合理论碳封存储量估算方法，在深部咸水层的三维属性模型基础上估算其碳封存储量。

发明内容

本发明利用基于地层位势场的三维地质隐式建模建立深部咸水层的三维地质模型，可以精确计算深部咸水层的体积；将地层位势场作为次级变量，辅助岩相主变量进行空间插值，从而更好地表达含水层内岩相空间分布的非均质性；进而考虑岩相对孔隙度等地质属性的空间非均质性和连续性的控制作用，在岩相模型约束下使用条件随机模拟对深部咸水层内的孔隙度进行属性建模；再结合深部咸水层的相关的水文地质属性，通过三维水文地质属性模型精确估算深部咸水层的体积和精细表达岩相、水文地质属性的空间非均质性，在此基础上开展深部咸水层的碳封存储量评估，为深部咸水层的碳封存选址提供合理建议。

为了达到上述目的，本发明提供以下基础方案：

一种基于三维地质模型的深部咸水层碳封存储量评估方法，包括以下步骤：

S01：地层位势场构建：采用三维地质隐式建模方法对地层界线点及其对应的属性进行空间插值，建立同一沉积序列的整合地层的地层位势场；

S02：层控约束条件下的岩相建模：基于协同指示克里格的岩相建模方法，以岩相为空间插值的主变量，地层位势场作为次级变量，通过考察主变量与次级变量之间的相关性，从而更加准确地评估地层内未知点的岩相类别；

S03：相控约束条件下的地质属性同位协同随机建模：采用岩相模型约束下的地质属性随机模拟，以模拟储层中孔隙度等属性的空间分布；

S04：深部咸水层碳封存储量估算：结合三维地质岩相模型和属性模型，采用容积法计算深部咸水层的单元碳封存储量。

进一步，在步骤S01中，三维地质隐式建模方法为范协克里格或者径向基函数中的任意一种。

进一步，在地层位势场空间插值中，地质模型是输入参数的函数，所述函数为：

进一步，在步骤S02中，地层位势场作为辅助变量，在其约束下采用协同指示克里格(CoIK)插值方法捕捉岩相分布随地层位势场值变化的层控特征，从而更好地预测深部咸水层内岩相的三维空间分布情况，根据岩相采样数据中的实际类别数L设置L个指示函数，通过指示函数将原始岩相采样数据转换为各岩相类别的二元指示值0或1，将地层位势场与岩相统一至相同的数量级。

进一步，岩相的指示变差函数和地层位势场的变差函数用于描述两种属性的空间结构，获得各类别岩相的CoIK插值公式，通过解算协同指示克里格方程组，可以获得对应的岩相和地层位势场两组权重系数。

进一步，在步骤S03中，采用条件随机模拟方法，在相控条件约束下根据已知的孔隙度信息通过随机函数产生可选的和等概率的模型。在模拟结果中，给定点处的大量独立条件模拟的均值趋向于克里金估计，并且它们的方差趋向于克里金方差。

进一步，共同求解协同克里格方程组，得到的主、次变量对应的权重系数，模拟出满足相控约束的孔隙度地质属性的空间分布，反映其空间非均质性和相控特征。

进一步，在步骤S04中，采用容积法计算深部咸水层的体积，结合超临界CO

进一步，考虑储层非均质性、CO

本方案的原理及效果在于：

1.与现有技术相比，本发明首先将反映层控作用的地层位势场模型作为岩相插值的次级变量，并结合岩相主变量的水文地质剖面上的采样点，分析地层位势场与各岩相的分布之间的关联关系并计算其相关系数，通过CoIK-MM2方法对地下空间的岩相分布进行插值，重构三维岩相模型，并提取具有较好碳封存能力的地下咸水层储层模型；其次，在岩相指示函数的约束下使用同位协同条件随机模拟对孔隙度的空间分布进行模拟，反映孔隙度地质属性分布的空间非均质性和相控特征；最后，利用重构的三维岩相模型和地质属性模型，结合储层条件等因素，计算深部咸水层单元碳封存储量在三维空间中的分布情况。

2.与现有技术相比，本发明采用的CoIK-MM2方法将水文地质剖面岩性采样点作为主变量，结合地层位势场模型次级变量进行岩相插值建模，以准确表达地下空间各个岩相的空间分布和层控特征，可有效地捕捉到岩相分布和地层位势场水平和垂向上变化之间的映射关系，准确再现岩相在水平和垂直方向上的空间变化特征。基于岩性指示函数的约束，本发明采用同位协同条件随机模拟方法获得了相控约束条件下的孔隙度空间分布情况，这为碳封存储量评估提供了新的模型支持和估算模式。相对于使用储层的二维投影面积和平均厚度来计算储层体积，三维岩性模型能够更加精确地计算实际储层体积、表达储层形态的复杂性和不规则性。本发明所采用的三维地质属性模型能够考虑储层孔隙度的空间非均质性和相控特征，更好地反映了储层在空间中的连通性和孔隙度的分布规律，从而更加准确地估算深部咸水层的碳封存储量。综上，本研究采用三维地质模型评估地下空间的岩相分布和孔隙度分布，提高了深部咸水层碳封存储量估算的精度和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本申请实施例提出的一种基于三维地质模型的深部咸水层碳封存储量评估方法的深部咸水层的碳封存储量评估技术路线图；

图2示出了本申请实施例提出的一种基于三维地质模型的深部咸水层碳封存储量评估方法的水文地质剖面图分布情况；

图3示出了本申请实施例提出的一种基于三维地质模型的深部咸水层碳封存储量评估方法的三维地层位势场模型：(a)三维模型；(b)栅状图；

图4示出了本申请实施例提出的一种基于三维地质模型的深部咸水层碳封存储量评估方法的基于CoIK获得的岩相模型：(a)三维岩相分布模型；(b)三维粉砂岩模型；(c)三维泥岩模型；(d)三维砂岩模型；

图5示出了本申请实施例提出的一种基于三维地质模型的深部咸水层碳封存储量评估方法的孔隙度模拟结果示意图：(a)三维孔隙度分布模型；(b)三维孔隙度分布栅状图；

图6示出了本申请实施例提出的一种基于三维地质模型的深部咸水层碳封存储量评估方法的深部咸水层碳封存储量的空间分布情况。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

一种基于三维地质模型的深部咸水层碳封存储量评估方法：

1.地层位势场构建。三维地质隐式建模方法(如范协克里格和径向基函数均可)，可对地层界线点及其对应的属性进行空间插值，建立同一沉积的整合地层序列的地层位势场。在地层位势场插值中，地质模型是一组输入参数的函数，本发明使用下式表示模型和相关参数之间的关系；

其中，地层位势场将三维地质空间定义为一个标量函数f(p)，其中f是三维空间中任意点

2.层控约束条件下的岩相建模。岩相是地层沉积环境中形成的岩石或岩石组合，岩相随时间和空间条件的改变而变化，可以从水平方向和垂直方向两方面来考察。同一地层在水平方向的岩相变化反映了同一时期不同区域的沉积环境的差异，在地层剖面图上垂直方向的岩相变化则反映了同一区域不同时间的地质沉积环境的改变。为反映岩相变化的层控作用情况，本发明提出了一种基于协同指示克里格的岩相建模方法，即以岩相为空间插值的主变量，地层位势场作为插值中的次级变量来提升岩相插值结果的准确性，通过考察主变量与次级变量之间的相关性，从而更加准确地评估地层内未知点的岩相类别。在作为辅助变量的地层位势场的约束下，采用协同指示克里格插值(CoIK，Co-IndicatorKriging)方法可以捕捉到岩相的分布随地层位势场值变化的层控关系，从而更好地估计深部咸水层内岩相的三维空间分布情况；

根据岩相采样数据中的实际类别数L，对于第i个岩相样本Z

式中z

式中λ

式中，γ

协同指示克里格可以考虑次级变量对主变量分布产生的影响，在主变量的插值过程中将次级变量的变化纳入考虑。在本发明提出的方法中，地层位势场和岩相数据的变差函数被用于描述两种属性的空间特征和各向异性，并作为协同指示克里格方程组的重要组成部分。γ

式中，N(h)为在距离为h的步长下所有的数据点对的数量。对于γ

式中，Var[I

把方程组整理成以下的矩阵形式便于求解：

对某类岩相，分别用γ

3.相控条件下的地质属性同位协同随机建模。深部咸水层的碳储存能力受其固有地质属性的影响，这些属性包括孔隙度、渗透率、储层面积和厚度等属性。通常，砂岩与碳酸盐岩中含有较多的孔隙，因而具有较好的碳封存能力；同时，储层与渗透率较小的泥岩盖层一起构成了深部咸水层封存系统。岩相是影响深部咸水层中孔隙分布的控制因素，因此，在获得岩相模型后，可以利用岩相模型约束孔隙度的地质属性随机模拟，从而有助于模拟三维空间中更为真实的孔隙分布情况，并揭示包括地下咸水和超临界二氧化碳等流体的地下运输通道及碳封存潜力。本发明采用三维储层模型约束下的地质属性随机模拟，以模拟储层中孔隙度等属性的空间分布，来确定封存条件较好的深部咸水层。通过本发明的方法，可以模拟出满足相控约束的地质属性的空间分布，以便进行深部咸水层碳封存储量估算。

本发明在岩相模型的约束下，将已知的孔隙度信息通过随机函数产生可选的和等概率的模型。在模拟结果中，给定点处的大量独立条件模拟的均值趋向于克里金估计，并且它们的方差趋向于克里金方差。在协同随机模拟操作中，可先假设在空间内有N个条件数据点，每个点上包含了模拟的地质属性主变量Z

式中，η为生成的从0到1的正态分布随机实数值；E

式中，λ

本发明构建的孔隙度模型可以更好地表达其空间非均质性和相控特征，为在三维地质模型上进行深部咸水层二氧化碳封存储量评估提供了一个可行的解决方案；

4.深部咸水层碳封存储量估算：传统深部咸水层碳封存储量二维评估方法主要基于封存区投影面积、厚度和平均的孔隙度、渗透率。本发明在考虑了三维地质岩相模型和属性模型的空间分布及其对流体流动上的影响，并计算对应深部咸水层的碳封存储量，首先采用容积法计算深部咸水层的单元碳存储体积：

式中，V

式中，

式中，E是综合了储层非均质性、CO

本发明的关键点在于：

本发明首先将反映层控作用的地层位势场模型作为岩相插值的次级变量，并结合岩相主变量的水文地质剖面上的采样点，分析地层位势场与各岩相的分布之间的关联关系并计算其相关系数，通过CoIK-MM2方法对地下空间的岩相分布进行插值，重构三维岩相模型，并提取具有较好碳封存能力的地下咸水层储层模型；其次，在岩相指示函数的约束下使用同位协同条件随机模拟对孔隙度的空间分布进行模拟，反映孔隙度地质属性分布的空间非均质性和相控特征；最后，利用重构的三维岩相模型和地质属性模型，结合储层条件等因素，计算深部咸水层碳封存储量在三维空间中的分布情况。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。