天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)CO2作墊層氣研究現(xiàn)狀

杜思宇,柏明星,張志超,劉敬源

(1.東北石油大學(xué),黑龍江 大慶 163318;2.提高采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 大慶 163318)

隨著近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,天然氣消費(fèi)量和需求量逐年增加,季節(jié)性、區(qū)域性差異更加明顯,同時(shí)天然氣供需之間的矛盾加大,儲(chǔ)氣庫(kù)用于應(yīng)急調(diào)峰和戰(zhàn)略儲(chǔ)備的意義也愈加凸顯。建設(shè)天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù),能夠有效緩解天然氣供需矛盾,調(diào)節(jié)供求不均衡性[1-4]。儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)容量的25%～75%氣體被用作墊層氣,為儲(chǔ)氣庫(kù)開采工作氣提供壓力,并抑制地層水流動(dòng)、防止水體侵入、保障儲(chǔ)氣庫(kù)穩(wěn)定性[5-8]。CO2在超臨界狀態(tài)下的高可壓縮和高粘度的特性,使其成為天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)墊層氣的合理選擇[9]。盡管CO2作天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)墊層氣還沒有實(shí)際的工程實(shí)踐,但油氣田開發(fā)中已積累了大量CO2埋存經(jīng)驗(yàn),為CO2作墊層氣提供了一定的理論基礎(chǔ)。采用CO2作墊層氣不僅可以節(jié)省大量資金,而且可實(shí)現(xiàn)CO2地質(zhì)埋存、減輕溫室氣體效應(yīng)[10-11]。所以,對(duì)CO2作天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)墊層氣的研究就顯得尤為重要。為此,從CO2作墊層氣可行性分析、CO2與CH4的混合機(jī)理以及CO2對(duì)儲(chǔ)層巖石的影響進(jìn)行總結(jié)梳理,旨在為CO2作天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)墊層氣的實(shí)施提供技術(shù)支持。

1 CO2作墊層氣的可行性

1.1 CO2與CH4的物性差異

墊層氣是初期建設(shè)天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)極其重要的一部分。常用的墊層氣有氮?dú)?N2)和天然氣(天然氣的主要成分是CH4)[12-14]。N2易與天然氣發(fā)生混合,導(dǎo)致采出工作氣雜質(zhì)增多,熱焓值降低,影響正常使用;而天然氣本身作墊層氣,部分天然氣存留在儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)不易被采出,無(wú)法進(jìn)行售賣,從而造成直接經(jīng)濟(jì)損失。因此,作墊層氣的氣體不僅要經(jīng)濟(jì)廉價(jià),同時(shí)要滿足與天然氣的物性差異較大。最早,Oldenburg等[15]首次提出將CO2注入氣藏作為儲(chǔ)氣庫(kù)墊層氣的可能,研究指出當(dāng)?shù)貙訙囟嚷愿哂贑O2臨界溫度時(shí),CO2密度、黏度都比CH4大。CO2相對(duì)較大的黏度有利于CH4的遷移,降低了CH4與CO2相互混合的趨勢(shì),使得CO2在運(yùn)移中更傾向于驅(qū)替CH4,形成傾斜的混相過(guò)渡帶,而不是發(fā)生大面積的混合。譚羽非[16]、李勇凱等[17]研究也同樣表明,枯竭油氣田和地下含水層改建的天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)的溫度、壓力使得CO2剛好處在超臨界區(qū)間內(nèi),能充分發(fā)揮CO2高密度和高粘度的特性。同時(shí)在重力梯度的作用下,CO2作墊層氣會(huì)集中在儲(chǔ)層底部,由此可置換出更多工作氣。壓縮系數(shù)代表氣體在空間的儲(chǔ)存能力,也是墊層氣物性考量之一。Zhang等[18]指出,CO2超臨界條件下的壓縮系數(shù)遠(yuǎn)高于CH4,若采用CO2作墊層氣,在注采階段可為工作氣提供更多的存儲(chǔ)空間和更強(qiáng)大的推動(dòng)力,但并不代表CO2在超臨界區(qū)間內(nèi)溫度和壓力越大越能發(fā)揮其物理特性。李國(guó)韜等[19]模擬研究表明,當(dāng)溫度在40 ℃左右、壓力范圍為6～10 MPa,CO2的壓縮系數(shù)會(huì)發(fā)生大幅度變化,CO2作墊層氣將有利于增加工作氣的儲(chǔ)氣空間;當(dāng)溫度超過(guò)40 ℃時(shí),CO2的壓縮系數(shù)較大,CO2作墊層氣的優(yōu)勢(shì)就會(huì)降低。

上述對(duì)CO2和CH4物性差異的對(duì)比分析表明,CO2作天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)墊層氣具有巨大的優(yōu)勢(shì)和潛力,既可以“激活”地下儲(chǔ)氣庫(kù)中的“死氣”,又能起到緩解溫室效應(yīng)的效果。

1.2 CO2作墊層氣相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究

通過(guò)對(duì)CO2與CH4物性差異分析,從理論角度證明了CO2可以作為天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)墊層氣。開展CO2作墊層氣的相關(guān)混氣實(shí)驗(yàn)并同物性分析研究結(jié)果對(duì)比,有利于深入了解CO2和CH4的混合擴(kuò)散機(jī)理,同時(shí)再次有力論證CO2作天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)墊層氣的可行性。胡書勇等[20]混氣實(shí)驗(yàn)表明,CO2相態(tài)對(duì)混氣現(xiàn)象的影響很大。在常溫常壓下,色譜檢測(cè)到8%的CO2,可推測(cè)CO2和CH4在中間容器內(nèi)發(fā)生了明顯的混氣現(xiàn)象;在CO2超臨界條件下,氣體出口端僅檢測(cè)到微量的CO2,說(shuō)明在該條件下,兩種氣體保持良好的分層狀態(tài)而非趨于混合。但該組實(shí)驗(yàn)是在中間容器內(nèi)完成的,并沒有考慮CO2和CH4在實(shí)際巖石介質(zhì)中的混氣現(xiàn)象。為此,李勇凱[17]開展了長(zhǎng)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,CO2驅(qū)替CH4過(guò)程具有活塞式驅(qū)替的部分特征,兩種氣體呈現(xiàn)出混合帶型,包括純CH4流動(dòng)帶、CO2與CH4混合帶和純CO2流動(dòng)帶,實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果與物性分析結(jié)果一致。再次論證有介質(zhì)存在時(shí),在儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行條件下,CO2作儲(chǔ)氣庫(kù)墊層氣的可行性。Zhang等[18]對(duì)CO2作墊層氣的整個(gè)注采工作氣過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn),通過(guò)測(cè)定中間容器上、中、下層氣體CO2摩爾百分比含量的比較得出,在注氣過(guò)程中,CO2逐漸被置換到底部,在下層形成了明顯的CO2與CH4混氣區(qū);在采氣階段,中間層CO2摩爾百分比增大,混氣區(qū)上移,但大部分CO2集中在下層為CH4提供動(dòng)力。當(dāng)混氣區(qū)位于下層區(qū)域,CO2不僅可以被用作墊層氣,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)CO2地質(zhì)埋存,一舉兩得。

2 CO2作墊層氣與工作氣混合的影響因素

由于受到分子擴(kuò)散、對(duì)流擴(kuò)散以及儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行條件等因素的影響,墊層氣勢(shì)必會(huì)與工作氣發(fā)生混合。混合程度過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致采出天然氣的熱焓值降低,影響正常使用,甚至使儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)動(dòng)力學(xué)特性發(fā)生改變,產(chǎn)生局部阻塞的危險(xiǎn)。因此,有必要對(duì)影響CO2和CH4混合程度的因素深入研究,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和調(diào)控混合帶的運(yùn)移,為CO2作墊層氣的天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行提供參考。

2.1 靜態(tài)因素

2.1.1 孔隙度 孔隙度決定了墊層氣和工作氣在儲(chǔ)層內(nèi)部運(yùn)移擴(kuò)散的空間條件。孔隙度越大,氣體分子之間的擴(kuò)散越快,兩種氣體的混合擴(kuò)散能力越強(qiáng),但氣體在儲(chǔ)層中的運(yùn)移速度會(huì)減慢,CO2和CH4混合帶的發(fā)展緩慢。胡書勇[20]、Sadeghi等[21]模擬結(jié)果表明,孔隙度越大,采出工作氣中混有CO2含量越低,但從整體來(lái)看孔隙度對(duì)CO2和CH4的混合影響不大。王玉潔[22]在對(duì)枯竭型儲(chǔ)氣庫(kù)CO2作墊層氣的模擬研究中指出,當(dāng)孔隙度為0.1時(shí),采出氣中CO2摩爾含量明顯高于其它孔隙度,并隨著時(shí)間的推移,采出程度接近于某一定值。可能的原因是孔隙度太小,供氣體活動(dòng)的空間變小,反而增加了流體速度,加快了工作氣和墊層氣的混合。因此,為能合理的控制混氣帶的發(fā)展,當(dāng)儲(chǔ)氣庫(kù)的孔隙度較低時(shí),應(yīng)相對(duì)減少CO2墊層氣比例。

2.1.2 絕對(duì)滲透率 一般來(lái)說(shuō),儲(chǔ)層物性越好,流體流動(dòng)性越好。地下儲(chǔ)氣庫(kù)的注氣能力和產(chǎn)能受到巖石物性的制約,主要是絕對(duì)滲透率的制約。絕對(duì)滲透率越大,氣體之間擴(kuò)散越容易,導(dǎo)致氣體的混合程度增大。但從儲(chǔ)氣庫(kù)注采能力和庫(kù)容量角度來(lái)分析,絕對(duì)滲透率越大越好。李勇凱[17]研究表明,從采氣質(zhì)量和混氣角度來(lái)分析,儲(chǔ)層的絕對(duì)滲透率應(yīng)越小越好。但注采井的注采能力變差,注采井周圍儲(chǔ)層平均壓力變化幅度大,對(duì)于提高儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)容來(lái)說(shuō)是不利的。胡書勇等[20]模擬結(jié)果認(rèn)為,如果從經(jīng)濟(jì)化的角度出發(fā),只要混氣帶在合理的控制范圍內(nèi),取工作氣采出程度增幅明顯降低的滲透率最合適。同時(shí)兩位研究者都指出,在實(shí)際工程實(shí)踐中,要根據(jù)實(shí)際的工程參數(shù),從經(jīng)濟(jì)角度和混氣程度兩個(gè)方面綜合分析,選取適合的滲透率儲(chǔ)層,對(duì)天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行優(yōu)化具有重要意義。

2.2 動(dòng)態(tài)因素

2.2.1 壓力 壓力對(duì)氣體混合的影響主要有以下幾個(gè)方面:①壓力主導(dǎo)著氣體的流動(dòng),壓力改變直接影響儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行;②壓力變化會(huì)影響兩種氣體的分子擴(kuò)散系數(shù),從而影響氣體混合;③壓力影響著氣體的物理性質(zhì),包括密度、黏度以及壓縮因子等,物性的改變直接影響CO2和CH4混合。李勇凱[17]、胡書勇等[20]對(duì)比在未注入CO2墊層氣時(shí)儲(chǔ)氣庫(kù)壓力對(duì)回采氣中CO2摩爾含量的影響時(shí)認(rèn)為,只要壓力設(shè)定在8 MPa以上,壓力對(duì)CO2和CH4混合及運(yùn)行的影響較小。CO2的超臨界壓力為7.38 MPa,當(dāng)?shù)陀谂R界壓力時(shí),CO2是以氣態(tài)形式進(jìn)入儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi),氣體分子之間擴(kuò)散加劇,CO2和CH4之間的混合程度較大;當(dāng)高于CO2臨界壓力時(shí),CO2以超臨界流體進(jìn)入儲(chǔ)層,能充分發(fā)揮CO2的物性,CO2和CH4混合程度降低。王玉潔[20]的模擬結(jié)果指出,在實(shí)際生產(chǎn)中,無(wú)論是邊緣或是底部注入CO2墊層氣,儲(chǔ)氣庫(kù)的初始?jí)毫荒苓^(guò)低,同時(shí)也要控制儲(chǔ)氣庫(kù)工作氣和總儲(chǔ)量的比例。這可能的原因是,工作氣量占比過(guò)高,在采氣時(shí)壓力下降過(guò)快,儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)壓力變化速率過(guò)大,導(dǎo)致CO2和CH4混合加劇。因此,在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)監(jiān)測(cè)壓力變化幅度在合理范圍內(nèi),確保在下限壓力以上,壓力對(duì)CO2和CH4混合程度影響不大。

2.2.2 溫度 通過(guò)對(duì)CO2作墊層氣可行性分析知曉,儲(chǔ)層溫度影響CO2和CH4的物性參數(shù)。此外,溫度越高,氣體分子擴(kuò)散系數(shù)越大,進(jìn)而影響CO2與CH4的混合。王玉潔[22]、李勇凱[17]采用數(shù)值模擬方法探究溫度對(duì)CO2墊層氣和CH4混合程度的影響,研究結(jié)果都表明:隨著儲(chǔ)氣庫(kù)溫度的升高,采氣中CO2摩爾含量增大,說(shuō)明兩種氣體混合程度越高。但對(duì)比不同溫度,采出氣中CO2摩爾含量變化較小,溫度對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)混氣影響相對(duì)較弱。Ma等[23]通過(guò)建立多組分滲流模型模擬結(jié)果認(rèn)為,隨著溫度升高,混合區(qū)有減小的趨勢(shì),但變化趨勢(shì)并不明顯。在天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)初期,盡量避免采用溫度過(guò)高的儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù),雖然在儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中,儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)溫度會(huì)發(fā)生變化,但對(duì)于CO2和CH4混合影響不明顯。

2.2.3 CO2墊層氣比例 儲(chǔ)氣庫(kù)中CO2墊層氣比例,是指在天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)最小運(yùn)行壓力下,儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)處于超臨界狀態(tài)的CO2含量占儲(chǔ)氣庫(kù)總含氣量的比值。CO2墊層氣比例對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)的產(chǎn)氣質(zhì)量和穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。Sadeghi等[21]分析了不同CO2墊層氣比例,采出氣中CO2含量和滯留率的變化得出,隨著CO2比例增加,采氣中CO2含量會(huì)顯著增加,導(dǎo)致天然氣可能達(dá)不到熱值標(biāo)準(zhǔn)。但CO2墊層氣占比越高,儲(chǔ)氣庫(kù)能維持的壓力越高,可減少工作氣滯留。胡書勇[20]、李勇凱等[17]采用數(shù)值模擬方法分析指出,CO2墊層氣比例為30%時(shí),天然氣采出程度較高,但回采氣中CO2含量也大幅度上升。CO2墊層氣比例為20%時(shí),天然氣采出程度也相對(duì)較高,與墊層氣比例為10%的混氣程度相差不到3%。從運(yùn)行狀況、資金投入以及混氣方面綜合來(lái)看,CO2墊層氣比例為20%時(shí)效果更好。對(duì)于裂縫型天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)來(lái)說(shuō),盡管CO2墊層氣從邊緣氣井注入,在很大程度上減小了混合帶的波及范圍,但CO2墊層氣比例增大,混合帶的影響范圍將會(huì)大幅上升。牛傳凱[22]根據(jù)模擬的計(jì)算結(jié)果分析,在裂縫型枯竭氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)中,CO2墊層氣比例在19.5%～32.5%,并采用邊緣注CO2墊層氣的方式,CO2和CH4的混合對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行調(diào)峰過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生影響。

2.2.4 注采速度 天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行特點(diǎn)是高強(qiáng)度的注采過(guò)程,這將導(dǎo)致CO2和CH4混合更容易發(fā)生。控制混合帶發(fā)展是保障工作氣質(zhì)量的前提。在天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)的注氣階段,分段注氣方式要好于連續(xù)性的注氣方式。胡書勇等[20]指出,在儲(chǔ)氣庫(kù)注氣初期,應(yīng)采用較小的速度注入工作氣,中期可適當(dāng)?shù)募哟笞馑俣?注氣末期平穩(wěn)減小注氣速度,能很好的保證混氣帶的平穩(wěn)推進(jìn),降低注氣速度對(duì)CO2和CH4混合的擾動(dòng)。采氣速度是儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)中最重要也是最受關(guān)注的參數(shù)之一。采氣速度越快,儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)的地層壓力下降越快,并且較早地達(dá)到儲(chǔ)氣庫(kù)下限壓力,對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)的高效運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。李勇凱[17]、Sadeghi等[21]以定產(chǎn)量的生產(chǎn)方式,通過(guò)控制回采天數(shù)來(lái)探究不同采氣速度對(duì)混氣的影響。研究表明:回采速度越快,采出氣體中混有CO2氣體越早出現(xiàn),混合帶發(fā)展也越快。由此來(lái)看,天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)采氣速度越小越有利,但速度太小又無(wú)法滿足用氣調(diào)峰和用戶需求。因此,最佳采氣速度應(yīng)是在能保證用氣調(diào)峰和用戶需求前提下的最小采氣速度。

2.2.5 儲(chǔ)層厚度 一些學(xué)者指出,N2作墊層氣時(shí),儲(chǔ)層越厚,地層平均壓力及井點(diǎn)壓力上升的趨勢(shì)越緩慢,從儲(chǔ)氣量角度來(lái)說(shuō),儲(chǔ)層厚度越大對(duì)注氣量的提高越有利;但從混氣的角度來(lái)說(shuō),儲(chǔ)層厚度越大,氣體混合程度越高。因此,采用N2作墊層氣時(shí),儲(chǔ)層厚度應(yīng)該越薄越好[24-25]。N2的物性與CH4物性相差不多,而CO2的密度遠(yuǎn)大于CH4密度,因此在討論CO2作墊層氣儲(chǔ)層厚度對(duì)氣體混合的影響時(shí),應(yīng)當(dāng)考慮重力作用。Ma等[23]模擬儲(chǔ)層厚度分別為22,50,100 m條件下,CO2和CH4的混合程度。模擬結(jié)果顯示,在重力作用下,隨著儲(chǔ)層厚度的增加,CO2和CH4混相界面傾角變小,傾向于水平方向,混合程度降低,CH4的分布區(qū)域逐漸呈現(xiàn)出倒錐形狀。李國(guó)韜等[17]也指出,在采氣時(shí),CO2是錐形推進(jìn)的,較厚的儲(chǔ)層,CO2的突進(jìn)現(xiàn)象緩慢,采出的甲烷氣體較純凈。對(duì)于儲(chǔ)層厚度相對(duì)較薄的儲(chǔ)層,由于氣體流動(dòng)的主要方向是水平流動(dòng),重力突進(jìn)以及CO2和CH4的接觸界面較大,導(dǎo)致混相界面面積變大,增加了兩者的混合程度。因此,對(duì)于很薄的儲(chǔ)層來(lái)說(shuō),減小注采速度是降低混合程度的有效方法。

2.2.6 注采周期 注采過(guò)程中,在保證CO2和CH4混合程度不會(huì)過(guò)大且儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)部可以保持正常流動(dòng)狀態(tài)的前提下,注采周期越長(zhǎng),對(duì)混合的控制是越有利的。而實(shí)際的用氣需求無(wú)法始終保持注采周期的穩(wěn)定,混合帶的發(fā)展也會(huì)隨之改變。由此看來(lái),探究注采周期對(duì)混氣帶的影響十分必要。王玉潔[22]、李勇凱[17]的模擬結(jié)果表明,無(wú)論是從儲(chǔ)氣庫(kù)的邊部還是底部注入CO2墊層氣,在經(jīng)歷4個(gè)注采周期后,儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)平均地層壓力逐漸下降,第4個(gè)周期結(jié)束后CO2含量是第1個(gè)周期的50倍左右,并且CO2出現(xiàn)的時(shí)間也隨著注采周期的增大越來(lái)越早。這是由于,隨著注采制度的進(jìn)行,CO2和CH4的混合程度變高,混合帶逐漸向生產(chǎn)井靠近。為能滿足調(diào)峰的要求,需要通過(guò)合理調(diào)配注采井的工作制度,來(lái)安排注采周期調(diào)配方案。牛傳凱[22]同樣采用兩種注氣方式對(duì)裂縫型天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)CO2作墊層氣多周期注采進(jìn)行模擬,該研究結(jié)果也表明多周期注采使得氣體在儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)的擾動(dòng)加劇,混合帶波及的范圍隨之增加。盡管儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)擾動(dòng)增加,但整體仍按照分層的形式發(fā)展。這可能的原因是,CO2和CH4的密度差異和重力綜合作用下的結(jié)果。為了降低注采周期對(duì)混合程度的影響,在每個(gè)注采階段結(jié)束后,關(guān)井一段時(shí)間在進(jìn)行下一個(gè)周期的注采,更有利于混合帶的控制和發(fā)展。

2.2.7 墊層氣注入方式 CO2墊層氣的注入方式不同,儲(chǔ)氣庫(kù)在經(jīng)歷多周期注采后,CO2和CH4的混合程度也會(huì)受到很大的影響。CO2墊層氣注入到儲(chǔ)氣庫(kù)主要有兩種方式:一是先注入CO2墊層氣充滿整個(gè)儲(chǔ)氣庫(kù),再?gòu)暮瑲庵行膮^(qū)域注入天然氣,利用天然氣逐漸向外驅(qū)替CO2,形成中心區(qū)域?yàn)樘烊粴獾哪Ｊ?二是在天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)的邊緣井注入CO2墊層氣,中心井位置注入天然氣的模式。牛傳凱[24]對(duì)比以上兩種方式,分析得出,第1種方式在最初時(shí)刻,天然氣的注采井附近就已經(jīng)存在大量的CO2墊層氣,由于天然氣高速注入,加劇了CO2和天然氣之間的混合。相比較而言,采用從邊緣注入墊層氣的方式,CO2墊層氣只存在邊緣氣區(qū),中心井注采天然氣時(shí),有效避免流體劇烈流動(dòng)導(dǎo)致CO2和天然氣的混合。因此,CO2作墊層氣時(shí)從儲(chǔ)氣庫(kù)邊緣注入的方式更有利于儲(chǔ)氣庫(kù)高效運(yùn)行。王玉潔[22]對(duì)比CO2墊層氣從外側(cè)注入和底部注入兩種不同方式,對(duì)比模擬結(jié)果,進(jìn)一步證明了CO2墊層氣從儲(chǔ)氣庫(kù)的外側(cè)注入,在很大程度上降低了CO2和天然氣混合的影響。但并不是所有儲(chǔ)氣庫(kù)都滿足從邊緣注入墊層氣的條件,特別是對(duì)于含水層型儲(chǔ)氣庫(kù)和枯竭油藏型儲(chǔ)氣庫(kù)來(lái)說(shuō),還要考慮排水的問題。此外,盡管作為墊層氣的氣體不被采出,墊層氣的注入也不是一次性完成的,墊層氣在儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)也存在一定的消耗,比如CO2在水中的溶解。因此,還需要及時(shí)補(bǔ)充墊層氣,維持儲(chǔ)氣庫(kù)壓力。總而言之,最佳CO2墊層氣注入方式就是最大限度發(fā)揮CO2物性的同時(shí),還能保障儲(chǔ)氣庫(kù)的正常運(yùn)行,從而降低不同墊層氣注入方式對(duì)CO2和天然氣混合帶來(lái)的影響。

3 CO2作墊層氣對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)容及穩(wěn)定性的影響

趙明國(guó)等[26]模擬油藏條件下,CO2驅(qū)天然巖心的室內(nèi)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:驅(qū)替后的巖石,孔隙度、滲透率以及潤(rùn)濕性都逐漸增大。這是因?yàn)镃O2溶于水,流體環(huán)境酸化,與巖石孔隙表面礦物發(fā)生地球化學(xué)反應(yīng),使得巖石的孔隙結(jié)構(gòu)和潤(rùn)濕性發(fā)生改變。谷麗冰等[27]在CO2與巖石和流體的相互作用實(shí)驗(yàn)中指出,儲(chǔ)層不同位置礦物溶解度有所不同,上部巖石的礦物溶解最多。可能的原因是在驅(qū)替過(guò)程中,CO2從上端注入與巖石和流體最先反應(yīng)生成部分沉淀和微粒向下運(yùn)移,與礦物溶解造成的孔隙體積增大相互抵消,生成的沉淀堵塞孔隙吼道,下部的孔隙度變化不明顯。此外,膠結(jié)物溶解的同時(shí),鉀長(zhǎng)石在酸性環(huán)境下會(huì)轉(zhuǎn)化為高嶺石。趙仁保等[28]巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)也證明了CO2在注入過(guò)程中孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化,同時(shí)三軸巖石實(shí)驗(yàn)還表明巖石的力學(xué)強(qiáng)度明顯下降,這是由于巖石抗拉強(qiáng)度與膠結(jié)強(qiáng)度有關(guān),CO2溶蝕作用使得巖石膠結(jié)物被破壞,巖心變得松散,甚至產(chǎn)生微裂縫,導(dǎo)致巖石力學(xué)強(qiáng)度明顯下降,CO2溶蝕的影響非常明顯,最終導(dǎo)致巖石穩(wěn)定性降低。對(duì)于CO2作墊層氣來(lái)說(shuō),作為墊層氣的氣體是不被采出的,當(dāng)天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)廢棄時(shí),CO2直接深埋于地下進(jìn)行封存。上述實(shí)驗(yàn)“氣-水-巖”之間的地球化學(xué)反應(yīng)周期較短,而CO2封存是要經(jīng)過(guò)數(shù)千年的時(shí)間,“氣-水-巖”之間長(zhǎng)期的地球化學(xué)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法是很難實(shí)現(xiàn)的。賈祎軻[29]、Zhang等[30]的數(shù)值模擬方法結(jié)果表明,CO2地質(zhì)封存的有效性在很大程度上受到地層巖石礦物組成成分的影響,在長(zhǎng)期的地球化學(xué)反應(yīng)作用下,鐵離子和鎂離子成分變化顯著。數(shù)值模擬研究CO2地質(zhì)封存“氣-水-巖”之間的地球化學(xué)反應(yīng)機(jī)理是非常有意義的,同時(shí)也有利于預(yù)測(cè)CO2地質(zhì)封存的穩(wěn)定性。對(duì)于CO2埋存作天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)墊層氣的具體研究案例非常少,盡管上述研究是針對(duì)CO2地質(zhì)埋存對(duì)地層的影響,但也為CO2作墊層氣對(duì)儲(chǔ)層的影響研究提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)CO2與CH4的物性對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),CO2在儲(chǔ)氣庫(kù)條件下呈現(xiàn)超臨界狀態(tài),其密度、粘度以及壓縮系數(shù)都遠(yuǎn)大于CH4。CO2作墊層氣在注氣時(shí),不僅可以存儲(chǔ)更多工作氣,同時(shí)在重力作用下,CO2沉積在儲(chǔ)層底部,較大的粘度使其遷移程度降低。在采氣時(shí),CO2為工作氣提供“推動(dòng)力”,維持儲(chǔ)層內(nèi)部壓力,防止地下水入侵。CO2作墊層氣相關(guān)實(shí)驗(yàn)的分層現(xiàn)象,進(jìn)一步說(shuō)明CO2是作天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)墊層氣的一個(gè)優(yōu)質(zhì)的選擇。

(2)CO2作墊層氣與工作氣混合除受分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散的影響外,絕對(duì)滲透率、注采速度、注采周期以及CO2墊層氣比例也是影響CO2與工作氣混合的主要因素。對(duì)于低孔高滲的儲(chǔ)氣庫(kù)來(lái)說(shuō),減少CO2墊層氣的注入量是控制混合帶發(fā)展的有效措施。對(duì)于工作氣注采階段,分段注采的方式能保證混氣帶穩(wěn)定推進(jìn)。盡管研究表明CO2墊層氣的最佳比例為20%,但在實(shí)際建庫(kù)前要進(jìn)行主因素分析才能最終確定CO2最佳比例。

(3)“氣-水-巖”相互作用對(duì)儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的影響十分明顯。CO2部分溶于水,使水體環(huán)境呈酸性,在長(zhǎng)時(shí)間的作用下,生成碳酸鹽沉淀,堵塞孔隙吼道與溶蝕作用下孔隙結(jié)構(gòu)增大相互抵消。在CO2注入井附近儲(chǔ)層滲透率增大,儲(chǔ)層穩(wěn)定性降低,而儲(chǔ)層底部的滲透率變化不明顯,對(duì)儲(chǔ)層底部穩(wěn)定性影響不大。