1. 西南石油大學(xué)·“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室, 四川 成都 610500;2. 中國石油川慶鉆探工程有限公司蘇里格項目經(jīng)理部, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000;3. 中國石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院, 新疆 克拉瑪依 834000

0 前言

天然氣是國家的戰(zhàn)略性資源,在當(dāng)今世界國際石油供應(yīng)緊張、油價動蕩起伏的國際背景下,天然氣在國民經(jīng)濟發(fā)展中的戰(zhàn)略地位日漸顯著[1]。由于擁有高熱值,高經(jīng)濟效益和污染小等優(yōu)點,天然氣作為清潔能源,其開發(fā)對調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、解決能源供需矛盾、改善環(huán)境質(zhì)量問題等起著巨大的作用[2]。由于天然氣生產(chǎn)、運輸和使用過程中,存在著用氣需求的波動性和儲存的特殊性,隨著季節(jié)、時段的不同,會出現(xiàn)用氣高峰與低谷。地下儲氣庫已成為全球天然氣生產(chǎn)調(diào)峰和戰(zhàn)略儲備的最佳選擇[3-7]。

建立儲氣庫涉及到墊層氣的選擇與優(yōu)化問題。用天然氣作墊層氣時,當(dāng)儲氣庫廢棄后,相當(dāng)數(shù)量的墊層氣不能被開采出來,導(dǎo)致大量“死資金”沉積。因此,研究人員試圖采用其他廉價氣體如惰性氣體作為墊層氣[8-11],李國韜，Oldenburg C M等人提出用CO2作墊層氣[12-13]。CO2是最主要的溫室氣體,處置CO2最有效的方式就是地質(zhì)埋存,用CO2作儲氣庫墊層氣既可實現(xiàn)CO2的地質(zhì)埋存,又可提高天然氣采收率,節(jié)約資金。但隨著儲氣庫運行后多次循環(huán)注采,儲氣庫儲層壓力、流體飽和度等會發(fā)生周期性變化,流體滲流能力不斷變化,作墊層氣的CO2氣體與天然氣的混氣問題將不可避免,因此必須分析混氣現(xiàn)象主要影響參數(shù)及影響方式,指導(dǎo)儲氣庫最優(yōu)運行控制。

1 CO2與天然氣的混氣問題

研究者們對CO2與天然氣的混氣問題作了一些研究[14-18],發(fā)現(xiàn)影響混氣現(xiàn)象發(fā)展的因素主要有三大類:一是儲層物性的影響,主要包含儲層孔隙度及滲透率。二是儲氣庫運行條件的影響,主要包含儲氣庫壓力、溫度、采氣速度等因素的影響。三是墊層氣的注入方式及注入量的影響。數(shù)值模擬技術(shù)是儲氣庫建設(shè)論證過程中必不可少的手段。通過數(shù)值模擬研究,對儲氣庫的庫容量、調(diào)峰能力和應(yīng)急能力作出正確的評價,為儲氣庫設(shè)計和最優(yōu)運行控制提供科學(xué)依據(jù)[16]。本文以枯竭油氣藏型儲氣庫為例,利用數(shù)值模擬技術(shù)對各敏感性參數(shù)進行具體分析。

2 模型描述

本文主要考慮滲透率、孔隙度、壓力、墊層氣量等外在因素對混氣的影響。由于目前世界上還沒有CO2作儲氣庫墊層氣的工程實踐,因此采用機理模型對影響混氣的主要因素進行分析。

機理模型見圖1,模型中心設(shè)置1口注采井,四角設(shè)置4口CO2墊層氣注入井。模型的水平滲透率為100×10-3μm2,垂直滲透率為水平滲透率的0.1倍,x、y方向均設(shè)置39個網(wǎng)格,每個網(wǎng)格長10 m,z方向分為20層,每層0.3 m?；A(chǔ)模型參數(shù)見表1。

圖1 機理模型

表1基礎(chǔ)模型參數(shù)

參數(shù)基礎(chǔ)模型值變化范圍網(wǎng)格尺寸/(m×m)10×10-儲層厚度/(m×m)6-層數(shù)20-孔隙度/()2010,15,25滲透率/10-3 μm210010,50,200,300初始壓力/MPa108,9,10,11,12溫度/℃4035,40,45,50CO2占儲氣庫總氣量的百分比/()010,15,20,30,40

機理模型地層水的物理性質(zhì)(黏度、壓縮系數(shù)、體積系數(shù))選用軟件默認計算值。氣體的壓縮因子、壓縮系數(shù)、體積系數(shù)、黏度由PR狀態(tài)方程計算得出。氣體擴散系數(shù)采用Hirschbelder等提出的經(jīng)驗公式計算[19],取值5×10-5m2/s。此外,相滲曲線可用Prison提出的相關(guān)經(jīng)驗公式計算[20],計算繪制相滲曲線見圖2。

圖2 相對滲透率曲線

3 敏感性參數(shù)分析

3.1 CO2墊層氣氣量對混氣的影響

圖3 不同墊層氣量氣庫采出氣中CO2含量

圖4 不同墊層氣量氣庫天然氣采出程度

3.2 絕對滲透率對混氣的影響

對于一般氣藏而言,儲層絕對滲透率越大,地層的傳導(dǎo)性越好,氣井的采氣能力越強,往往滲透率越大越有助于開采。但對于儲氣庫而言,絕對滲透率越大,CO2與天然氣的擴散越容易,氣體的混合程度也越大,從經(jīng)濟化角度出發(fā)反而不利于儲氣庫的開發(fā)。因此,從采出氣的質(zhì)量及氣體的混合角度來講,滲透率越小越好;從注采能力及儲氣庫庫容角度來講,滲透率越大越好。不同滲透率情況下采出氣中CO2含量變化曲線和天然氣采出程度見圖5～6，從圖5～6可以看出，隨著滲透率的增大,天然氣采出程度增長幅度逐漸降低,但采出氣中CO2的含量仍呈現(xiàn)快速增長現(xiàn)象。此模型結(jié)果認為,從經(jīng)濟化角度出發(fā),在合理的混氣程度范圍內(nèi),取天然氣采出程度增加幅度開始明顯降低的滲透率為最佳值。在實際工程實踐中,需要結(jié)合實際工程參數(shù)同時考慮兩方面選擇合適滲透率的儲層作為儲氣庫。

圖5 不同滲透率下采出氣中CO2含量變化曲線

圖6 不同滲透率情況下天然氣采出程度

3.3 孔隙度對混氣的影響

儲氣庫孔隙度是定量描述儲氣庫墊層氣與天然氣運移空間的一個指標(biāo)。對于儲氣庫而言,孔隙度也是一個影響指標(biāo)。一方面,孔隙度越大,墊層氣與天然氣的運移及擴散空間越大,有利于氣體間的擴散與混合；另一方面,孔隙度越大,氣體在儲層中的運移速度會變慢,墊層氣與天然氣混氣速度也會變慢,有利于儲氣庫的運行。圖7為模擬得到的不同孔隙度條件下儲氣庫采出氣中CO2含量的變化曲線,孔隙度越大采出氣中CO2的含量越低,但總體看來孔隙度對墊層氣和天然氣的混合影響不大。

圖7 不同孔隙度下采出氣中CO2含量變化曲線

3.4 壓力對混氣的影響

表2對比模型運行參數(shù)

壓力/MPa天然氣庫存量/m3CO2注入量/m3單井CO2注入速度/(m3·d-1)回采速度/(m3·d-1)814 992 5673 748 14123 42562 469917 037 9804 259 49526 62170 9911019 096 0814 774 02029 83779 5671121 157 4075 289 35133 05888 1551223 212 4815 803 12036 26996 718

不同壓力下采出氣中CO2含量變化曲線見圖8。從圖8可知,隨著壓力的降低,采出氣中CO2含量呈上升趨勢。隨著回采的進行,儲氣庫壓力不斷下降,當(dāng)下降到臨界壓力以下時,CO2會從超臨界態(tài)變?yōu)槌Ｒ?guī)氣態(tài),流體密度、黏度、擴散系數(shù)等性質(zhì)發(fā)生突變,流體的物理性質(zhì)不再呈現(xiàn)為超臨界態(tài)而表現(xiàn)為氣態(tài),從而影響了分子擴散和對流擴散,這時采出氣中CO2含量上升的趨勢會被打破。此模型結(jié)果認為,在壓力設(shè)置在 8 MPa 以上時,幾個對比模型回采氣中CO2含量變化范圍較小,只要保持壓力不低于8 MPa,壓力對混氣及運行的影響較小。

圖8 不同壓力下采出氣中CO2含量變化曲線

3.5 采氣速度對混氣的影響

圖9 不同回采速度下采出氣中CO2含量

由圖9可知,回采速度越大,采出氣中檢測到CO2氣體的時間越早,壓力等變化越劇烈,混氣速度越快,儲氣庫平均地層壓力下降越快,較早達到下限壓力,這對儲氣庫的運行將產(chǎn)生不利影響。因此,天然氣地下儲氣庫回采速度越小越利于抑制混氣現(xiàn)象的發(fā)展,但回采速度太小又不能滿足調(diào)峰量和下游用戶的需求。在實際工程實踐中,在保證調(diào)峰量和用戶需求的前提下采用最小的回采速度為最佳方案。

4 結(jié)論與認識

1)采用CO2作儲氣庫墊層氣時,影響CO2墊層氣與天然氣混合的因素主要有儲層物性、儲氣庫運行條件及墊層氣的注入方式等。

3)隨著氣藏壓力降低,采出氣中CO2含量呈增加趨勢,當(dāng)壓力下降到臨界壓力以下時趨勢會被打破,只要保持壓力不低于8 MPa,其對混氣及運行的影響便較小。

4)注采運行階段應(yīng)該確定合理的注采速度和運行周期,分段注氣的方式可保障混氣現(xiàn)象的平穩(wěn)發(fā)展,即注氣開始時采用較小注入速度,中期適當(dāng)加大注氣速度,最后再平穩(wěn)減小注氣速度,盡量降低注氣時的擾動。