——以中國南方XC氣藏為例

摘　要：在含CO2的天然氣藏中實(shí)施CO2長期穩(wěn)定埋存并提高天然氣采收率，實(shí)現(xiàn)CO2的規(guī)?；C合利用，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。為此，以一個(gè)真實(shí)的含CO2淺層廢棄氣藏為埋存靶場，運(yùn)用數(shù)值模擬方法，設(shè)計(jì)了縱向非均質(zhì)氣藏剖面模型，用于研究氣藏儲(chǔ)層在正韻律、反韻律以及復(fù)合韻律條件下氣體運(yùn)移對超臨界CO2穩(wěn)定埋存的影響，并重點(diǎn)研究了重力分異和地層非均質(zhì)性條件下的流體運(yùn)移規(guī)律。結(jié)果表明：不同韻律剖面模型在注超臨界CO2埋存及開采剩余天然氣過程中，作為反韻律的目標(biāo)氣藏注超臨界CO2埋存過程在生產(chǎn)井突破最晚，吸入的超臨界CO2量最大，天然氣累計(jì)采出量最多，其超臨界CO2埋存潛力相對最大；重力分異可引起超臨界CO2與天然氣之間產(chǎn)生非平衡態(tài)相的分離，天然氣向氣藏高部位運(yùn)移，CO2最終趨向于形成“超臨界CO2墊氣”，可以很穩(wěn)定地沉積在氣藏下部形成“墊氣”埋存。該成果為實(shí)現(xiàn)CO2減排、降低CO2：捕集與埋存技術(shù)(CCS)成本提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：二氧化碳  埋存  提高天然氣采收率  重力分異  非均質(zhì)性  反韻律  超臨界  墊氣

Influence of gravity differential ion and heterogeneity Oil CO2 sequestration in gas reservoirs：A case of the XC Gas Reservoir in South China

Abstract：It is no doubt of great practical significance to implement the long term stable CO2 sequestration in natural gas reservoirs containing CO2，enhance gas recovery，and achieve large-scale utilization of CO2．In this paper，a real deserted shallow gas reservoir containing CO2 of XC in South China was taken as a case of study．Numerical simulation was first employed to design a model of longitudinal heterogeneous gas reservoir profile to study the influence of gas migrati-on under positive rhythm，reverse and composite rhythm conditions on the stability of supercritical CO2 sequestration．With focus on the fluid migration rules under gravity differentiation and formation heterogeneity，we concluded the following results．(1)Among different rhythm profile models in gas injection in supercritical CO2 sequestration and the exploitation of remaining natural gas，the target reservoir of reverse rhythm was the last one among which the supercritical CO2 sequestration was broken through in producing wells；the absorbed volume of supercritical CO2 was the largest，and the cumulative gas production was the maximum，indicating that the potential supercritical CO2 storage volume might be the highest in that reservoir．(2)The gravity differentiation could cause the phases separation between supercritical CO2 and natural gas because of the non-equilibrium phase behavior，the natural gas moved towards the upper area of a gas reservoir，and the supercritical CO2 eventually tended to form a“cushion”and was deposited steadily on the bottom of the reservoir．This study provides a technical support for the minimization of CO2 emission and carbon capture and storage(CCS)cost．

Keywords：CO2 sequestration，enhanced gas recovery，gravity differentiation，heterogeneity，reverse rhythm，supercritical，cushion gas

CO2捕集與埋存技術(shù)(Carbon Dioxide Capture and Storage，簡稱CCS)是實(shí)現(xiàn)CO2減排的首選技術(shù)之一^[1]，但成本高昂^[1-2]。真正意義上獲得全球公認(rèn)的3例大型的工業(yè)CCS項(xiàng)目是：①將CO2埋存在油氣層下部鹽水層的Sleipner-Snjhvit項(xiàng)目；②與CO2-EOR相結(jié)合的Weybrn項(xiàng)目；③在含CO2的低豐度天然氣層中埋存CO2的In Salah項(xiàng)目^[2-3]。它們均屬于CO2地質(zhì)埋存同時(shí)結(jié)合石油天然氣開發(fā)的項(xiàng)目，其目的是通過規(guī)模化綜合利用來降低CO2地質(zhì)埋存的成本。其中In Salah項(xiàng)目在2009年成為CSLF(碳收集領(lǐng)導(dǎo)入論壇)贊助的全球30個(gè)CCS項(xiàng)目之一，是CSLF認(rèn)證的全球3個(gè)CO2埋存檢測示范點(diǎn)之一。In Salah氣田儲(chǔ)量2149×10⁸m³，產(chǎn)干氣和少量輕質(zhì)油，部分氣藏產(chǎn)CO2，CO2含量5％～l0％。CO2埋存層位是Krechba氣層，為石炭系低滲透砂巖邊水、干氣藏，且富含CO2。氣層厚度20m，孔隙度10％～18％，平均滲透率10mD，CO2埋藏深度為地下1850～1950m。為了在采氣的同時(shí)實(shí)施CO2埋存，項(xiàng)目總投資27億美元。2004年—2011年，氣田進(jìn)行了大規(guī)模天然氣開采和CO2地質(zhì)埋存，回注CO2速度約100×10⁴t／a。圖1給出2009年In Salah氣田Krechba氣層CO2埋存的運(yùn)移衛(wèi)星遙感圖顯示，經(jīng)過5年大劑量的CO2注入后，Krechba氣層的CO2擴(kuò)散仍比較均勻，在生產(chǎn)井未見CO2突破。結(jié)合已經(jīng)公開的成果可知，該項(xiàng)目到目前埋存是成功的^[2-7]。

由此實(shí)例可知，含CO2的天然氣藏是最適合通過主動(dòng)注入大量CO2實(shí)現(xiàn)CO2地下封存的靶場之一^[1-2，8-9]。而在氣藏中實(shí)施CO2長期穩(wěn)定埋存與提高天然氣采收率(CO2 Sequestration with Enhanced Gas Recovery，簡稱CSEGR)相結(jié)合，就可實(shí)現(xiàn)CO2的規(guī)?；C合利用，降低CCS的成本^[10-11]。我國海上以及松遼平原已發(fā)現(xiàn)許多富含CO2的氣田，這無疑具有很大的潛力。

筆者以一個(gè)真實(shí)的含CO2天然氣藏為埋存靶場，運(yùn)用數(shù)值模擬方法，研究了氣藏超臨界CO2埋存過程中氣體運(yùn)移與同時(shí)提高天然氣采收率的機(jī)理，主要研究了地層韻律和重力分異對流體運(yùn)移的影響。韻律和重力分異可引起超臨界CO2與天然氣之間產(chǎn)生非平衡態(tài)相的分離，為了分析在實(shí)際氣藏超臨界CO2驅(qū)氣過程中，相的分離和重力分異作用對在氣藏下部形成超臨界CO2“墊氣”的影響，以及縱向上超臨界CO2和天然氣之間過渡帶的形成方式，設(shè)計(jì)和分析了不同韻律氣藏剖面模型來研究氣藏儲(chǔ)層條件下超臨界CO2的穩(wěn)定埋存及驅(qū)氣效果。

1　目標(biāo)氣藏及剖面模型簡化

該氣藏儲(chǔ)層為河流相沉積，以砂巖為主，地層溫度35℃，平均地層壓力10MPa。氣藏主要含氣集中在埋深約為1000m之處。氣藏上下部均有滲透率孔隙度極低的致密蓋層，氣密性適宜作為CO2埋存靶場。氣藏剖面模型為一背斜構(gòu)造模型(圖2)。X方向?yàn)?span lang="EN-US">3000m，劃分為120個(gè)網(wǎng)格；2方向分為115m，劃分為12層，其中最上兩層為致密蓋層，最下兩層為致密隔層，中間的氣層分為8個(gè)小層。該氣藏為反韻律儲(chǔ)層。儲(chǔ)層束縛水飽和度為30％，注采井組設(shè)計(jì)是在提取的反韻律模型中，兩端低部位分別設(shè)計(jì)1口CO2注氣井，注氣井均只打開產(chǎn)層的下1／4井段；在地層剖面模型的中間高點(diǎn)上設(shè)計(jì)l口采氣井，只打開氣層的上1／4井段采氣。

注氣方案分為兩個(gè)階段。第一階段為注超臨界CO2埋存同時(shí)提高天然氣采收率的驅(qū)替階段，當(dāng)采氣井井流物中CO2摩爾百分?jǐn)?shù)達(dá)到l0％時(shí)，采氣井關(guān)井停止天然氣開采，同時(shí)注氣井組停止超臨界CO2注入。第二階段為超臨界CO2永久埋存階段，即在氣藏注氣井和采氣井關(guān)閉后，模擬氣藏繼續(xù)實(shí)施超臨界CO2埋存100年以上。在實(shí)施整個(gè)方案的115年中，重點(diǎn)研究CO2的埋存狀態(tài)，氣藏剩余天然氣的采出程度，CO2突破情況，以及超臨界CO2天然氣過渡帶是否能保持相對穩(wěn)定。

2　儲(chǔ)層韻律對超臨界CO2埋存穩(wěn)定性及驅(qū)氣效果的影響

為了了解反韻律目標(biāo)氣藏對超臨界CO2穩(wěn)定埋存及驅(qū)氣效果的影響程度，首先設(shè)定和分析了正韻律地層、反韻律地層以及復(fù)合韻律地層3種氣藏剖面模型計(jì)算得到的超臨界CO2埋存及驅(qū)氣效果。

2．1　地層平均壓力隨埋存時(shí)間變化程度對比

圖3給出了在剖面模型兩端底部注氣，中間頂部采氣的相同注采對應(yīng)關(guān)系下，3種氣藏剖面模型超臨界CO2驅(qū)氣及埋存整個(gè)過程(約115年)中地層平均壓力隨時(shí)間的變化對比曲線。預(yù)測結(jié)果顯示，在相同關(guān)井條件下(生產(chǎn)井采出天然氣中CO2摩爾百分含量達(dá)到l0％時(shí)關(guān)閉生產(chǎn)井)，正韻律地層可連續(xù)保持8年的超臨界CO2注入和天然氣的開采，反韻律地層可連續(xù)保持l0年的超臨界CO2注入和天然氣的開采，而復(fù)合韻律地層介于兩者之間，保持在9年左右。由此可知，在剖面模型兩端底部注氣，中間頂部采氣的相同注采對應(yīng)關(guān)系下，反韻律地層超臨界CO2在采氣井突破后達(dá)到l0％的CO2含量的時(shí)間最晚，天然氣采出程度最高，埋存潛力最大；而且反韻律地層在超臨界CO2停止注入后持續(xù)封存過程中，地層壓力的上升幅度最小。根據(jù)超臨界CO2—天然氣體系相態(tài)特征研究結(jié)果^[8-11]，相同地層條件下，等質(zhì)量數(shù)的超臨界CO2—天然氣混合物其體積要比高密度的超臨界CO2的大?？芍错嵚傻貙又?，剩余天然氣擴(kuò)散彌散引起的超臨界CO2體積膨脹的程度相對最低，最有利于超臨界CO2的穩(wěn)定埋存。

2．2　注超臨界CO2驅(qū)采出氣中CO2摩爾百分含量對比

圖4給出3種不同剖面模型超臨界CO2驅(qū)天然氣采出氣中CO2摩爾百分含量變化的對比。由圖4可知，正韻律地層注超臨界CO2驅(qū)替天然氣突破最早，這是由于正韻律地層下部氣層的滲透率大，加之超臨界CO2密度明顯大于天然氣密度，導(dǎo)致超臨界CO2優(yōu)先傾向于向地層底部運(yùn)移，然后再沿縱向向上運(yùn)移，從而導(dǎo)致超臨界CO2較快在生產(chǎn)井突破的原因；而采氣井近井地帶的天然氣傾向于向地層上部運(yùn)移，地層中天然氣的運(yùn)移方向與超臨界CO2相同。因此，雖然超臨界CO2在地層中基本保持均勻推進(jìn)，但由于天然氣的采出，不可避免地產(chǎn)生了超臨界CO2氣錐。反韻律地層中，受超臨界CO2與天然氣密度差引起的重力分異作用影響，整體上超臨界CO2傾向于向地層背斜底部運(yùn)移，而天然氣傾向于向地層背斜上部運(yùn)移，超臨界CO2前緣推進(jìn)較為均勻，氣體運(yùn)移對超臨界CO2天然氣過渡帶的擾動(dòng)較小，在生產(chǎn)井底部不產(chǎn)生超臨界CO2氣錐，因此超臨界CO2在生產(chǎn)井的突破最晚。復(fù)合韻律剖面中，超臨界CO2帶整體表現(xiàn)為非均質(zhì)指進(jìn)，超臨界CO2主要優(yōu)先沿高滲層竄流，但總體上超臨界CO2傾向于向地層底部運(yùn)移，超臨界CO2在埋存同時(shí)向采氣井運(yùn)移推擠驅(qū)替天然氣，除了采氣井近井地帶的天然氣傾向于向地層上部運(yùn)移外，地層中天然氣的運(yùn)移方向與超臨界CO2相同，這會(huì)加劇超臨界CO2與天然氣的混合，對超臨界CO2天然氣過渡帶的擾動(dòng)較大。由于天然氣的采出，也不可避免地產(chǎn)生超臨界CO2氣錐，但由于超臨界CO2的氣竄主要發(fā)生在高滲層，因此氣藏底部產(chǎn)生的超臨界CO2氣錐比正韻律地層小。因此突破也略晚。

在超臨界CO2總注入速度和天然氣總開采速度相同的條件下，生產(chǎn)井超臨界CO2驅(qū)替天然氣階段的收效時(shí)間長短決定了地層天然氣累計(jì)采出程度的高低。圖5給出的天然氣累計(jì)采出程度曲線也證明了上述觀點(diǎn)。因此所選取的反韻律目標(biāo)氣藏實(shí)施超臨界CO2埋存的同時(shí)降壓驅(qū)替天然氣的效果是相對最好的。

3　目標(biāo)氣藏注超臨界CO2驅(qū)氣及埋存過程的模擬

由于CO2永久埋存必須考慮CO2是否會(huì)大量運(yùn)移至地層上部而產(chǎn)生泄露的風(fēng)險(xiǎn)，故須研究所選反韻律目標(biāo)氣藏超臨界CO2驅(qū)氣及埋存全過程中天然氣和CO2的運(yùn)移規(guī)律。

3．1　第一階段：注超臨界CO2驅(qū)天然氣開采階段

圖6給出了目標(biāo)氣藏剖面模型超臨界CO2埋存及驅(qū)替天然氣初期，CO2摩爾百分含量及地層流體滲流的流線分布。圖中流線方向顯示，反韻律地層中，超臨界CO2從2口注氣井下部注入后，受滲透率反韻律影響，先是沿近井區(qū)地層向上部流動(dòng)，然后在密度流和重力分異作用下，沿水平和下傾方向向氣藏中部和下部運(yùn)移，而天然氣被驅(qū)向氣藏中部和上部。超臨界CO2前緣推進(jìn)較為均勻，氣體對流擴(kuò)散運(yùn)移對超臨界CO2  天然氣過渡帶的擾動(dòng)較小，而儲(chǔ)層非均質(zhì)影響較大，上部高滲層中超臨界CO2彌散和滲流快，重力舌進(jìn)現(xiàn)象較強(qiáng)，過渡帶寬度大于下部低滲層。

3．2　第二階段：超臨界CO2永久埋存階段

圖7給出了目標(biāo)氣藏剖面模型超臨界CO2停止注入并關(guān)井約l05年后反韻律地層中，超臨界CO2與天然氣運(yùn)移分布情況。剩余天然氣主要集中在地層中部，超臨界CO2則集中在氣藏兩側(cè)的邊翼部。流線方向顯示，超臨界CO2趨于向氣藏下部運(yùn)移，而天然氣趨于向上部運(yùn)移，但在超臨界CO2與天然氣的接觸前緣，超臨界CO2和天然氣的自發(fā)擴(kuò)散和對流很弱。此運(yùn)移行為類似于使用CO2作為“墊氣”的天然氣儲(chǔ)氣庫，地層中的天然氣和“CO2墊氣”都能維持足夠的穩(wěn)定性^[12-14]。在105年時(shí)序中，超臨界CO2帶與天然氣帶之間，受縱向上重力分異對流擴(kuò)散的影響，超臨界CO2運(yùn)移到地層的下部重新形成連續(xù)的墊氣帶，天然氣則運(yùn)移到氣藏的上部形成氣頂，中上部則形成一定厚度的過渡帶。由此可以看出，在氣藏滿足超臨界CO2的溫度和壓力條件下，反韻律氣藏中超臨界CO2最終沉積在儲(chǔ)層下部，地層上部CO2含量少，泄露風(fēng)險(xiǎn)較低。

4　結(jié)論

基于真實(shí)氣藏模型的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，利用淺層廢棄天然氣藏實(shí)施超臨界CO2穩(wěn)定埋存技術(shù)上可行。

不同韻律剖而模型在注超臨界CO2埋存及開采剩余天然氣過程中，對于反韻律的目標(biāo)氣藏，CO2在生產(chǎn)井中突破最晚，儲(chǔ)層吸入的超臨界CO2量最大，剩余天然氣累計(jì)采出量最多，超臨界CO2埋存潛力相對最大。

在重力分異作用下，總體上超臨界CO2向氣藏下部聚集，而天然氣向氣藏高部位運(yùn)移，最終趨向于形成“超臨界CO2墊氣”。在超臨界CO2長時(shí)間封存階段，當(dāng)重力分異作用使超臨界CO2墊氣帶達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，過渡帶中對流擴(kuò)散相對減弱，超臨界CO2可以較“安靜”地沉積在氣藏下部作為“墊氣”而處于相對穩(wěn)定的埋存狀態(tài)。

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本文作者：孫揚(yáng)  崔飛飛  孫雷  杜志敏  湯勇

作者單位：西南石油大學(xué)

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