ЗАКОН ПОДОБИЯ ДЛЯ ФИЛЬТРАЦИОННОГО ТЕЧЕНИЯ ПРИ ЗАКАЧКЕ CO2 В НАКЛОННЫЙ ВОДОНАСЫЩЕННЫЙ ПЛАСТ

Автор: Андрей Александрович Афанасьев

Соавторы: Веденеева Е.А., Гречко С.С.

Организация: НИИ механики МГУ

Закачка и долгосрочное хранение парниковых газов, в частности, углекислого газа (CO₂), в водонасыщенных пластах является эффективным методом смягчения последствий изменения климата. Утилизация выхлопных газов может быть осуществлена с помощью нагнетательной скважины, использующей для закачки CO₂ в пласт (рис.). Закачка приводит к образованию газового плюма – насыщенной CO₂ области, расширение которой от скважины контролируется плавучестью газа в водонасыщенных породах. Менее плотный газ поднимается в верхние части водонасыщенного пласта и растекается под непроницаемой породой. Моделирование переноса газа с учетом всех механизмов его удержания в пласте очень важно для оценки последствий и потенциальных рисков утилизации. Потенциальным риском закачки является утечка CO₂ к поверхности Земли через старые, заброшенные скважины или разломы вблизи места закачки. Утечка может привести к загрязнению грунтовых вод или, в случае утечки в атмосферу, сделать утилизацию бесполезной. Наибольший риск представляют скважины, расположенные в направлении структурного наклона пласта, так как именно в этом направлении достигается максимум расстояния, на который газ распространяется от скважины.

Проведены исследования, позволившие определить критерий подобия, т.е. безразмерный параметр, характеризующий максимальное расстояние, на которое распространится газ в наклоненном к горизонту пласте (рис.). Критерий подобия получен из системы законов сохранения, описывающих несмешивающуюся фильтрацию воды и газа, в предположении несжимаемости фаз и отсутствия фазовых превращений. Из безразмерной формы записи системы законов сохранения и фильтрации определены шесть критериев подобия, характеризующих течение газа и форму газового плюма. В результате детального анализа системы уравнений, описывающей фильтрацию, сделано предположение, что скорость распространения газа в направлении структурного наклона в основном зависит только от одного из шести параметров подобия, а влияние остальных пяти параметров незначительно на поздних этапах закачки газа.

Для проверки сделанного предположения проведено обширное параметрическое исследование размеров газового плюма. С применением трехмерного численного моделирования рассчитана закачка CO₂ в однородные водонасыщенные пласты, характеризующиеся различными толщинами, пористостью и анизотропной проницаемостью, кривыми относительной фазовой проницаемости и капиллярного давления, углом наклона пласта к горизонту, значениями начальных пластовых давлений и температур. Рассчитанные таким образом размеры газовых плюмов построены в зависимости от выбранного параметра подобия (рис.). Обнаружено, что все точки на плоскости хорошо группируются вдоль одной линии. Это подтвердило сделанное предположение о том, что скорость распространения в направлении структурного наклона пласта в основном зависит только от выбранного параметра подобия, а влияние остальных параметров мало.

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 19-71-10051).