杜思宇,柏明星,張志超,劉敬源

(1.東北石油大學,黑龍江 大慶 163318;2.提高采收率教育部重點實驗室,黑龍江 大慶 163318)

隨著近年來我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,天然氣消費量和需求量逐年增加,季節(jié)性、區(qū)域性差異更加明顯,同時天然氣供需之間的矛盾加大,儲氣庫用于應急調(diào)峰和戰(zhàn)略儲備的意義也愈加凸顯。建設天然氣地下儲氣庫,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]。儲氣庫庫容量的25%～75%氣體被用作墊層氣,為儲氣庫開采工作氣提供壓力,并抑制地層水流動、防止水體侵入、保障儲氣庫穩(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氣庫墊層氣的合理選擇[9]。盡管CO2作天然氣地下儲氣庫墊層氣還沒有實際的工程實踐,但油氣田開發(fā)中已積累了大量CO2埋存經(jīng)驗,為CO2作墊層氣提供了一定的理論基礎。采用CO2作墊層氣不僅可以節(jié)省大量資金,而且可實現(xiàn)CO2地質(zhì)埋存、減輕溫室氣體效應[10-11]。所以,對CO2作天然氣地下儲氣庫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的混合機理以及CO2對儲層巖石的影響進行總結梳理,旨在為CO2作天然氣地下儲氣庫墊層氣的實施提供技術支持。

1 CO2作墊層氣的可行性

1.1 CO2與CH4的物性差異

墊層氣是初期建設天然氣地下儲氣庫極其重要的一部分。常用的墊層氣有氮氣(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氣庫內(nèi)不易被采出,無法進行售賣,從而造成直接經(jīng)濟損失。因此,作墊層氣的氣體不僅要經(jīng)濟廉價,同時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注入氣藏作為儲氣庫墊層氣的可能,研究指出當?shù)貙訙囟嚷愿哂贑O2臨界溫度時,CO2密度、黏度都比CH4大。CO2相對較大的黏度有利于CH4的遷移,降低了CH4與CO2相互混合的趨勢,使得CO2在運移中更傾向于驅(qū)替CH4,形成傾斜的混相過渡帶,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氣庫內(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。同時在重力梯度的作用下,CO2作墊層氣會集中在儲層底部,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空間和更強大的推動力,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。李國韜等[19]模擬研究表明,當溫度在40 ℃左右、壓力范圍為6～10 MPa,CO2的壓縮系數(shù)會發(fā)生大幅度變化,CO2作墊層氣將有利于增加工作氣的儲氣空間;當溫度超過40 ℃時,CO2的壓縮系數(shù)較大,CO2作墊層氣的優(yōu)勢就會降低。

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

1.2 CO2作墊層氣相關實驗研究

通過對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氣庫墊層氣。開展CO2作墊層氣的相關混氣實驗并同物性分析研究結果對比,有利于深入了解CO2和CH4的混合擴散機理,同時再次有力論證CO2作天然氣地下儲氣庫墊層氣的可行性。胡書勇等[20]混氣實驗表明,CO2相態(tài)對混氣現(xiàn)象的影響很大。在常溫常壓下,色譜檢測到8%的CO2,可推測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,氣體出口端僅檢測到微量的CO2,說明在該條件下,兩種氣體保持良好的分層狀態(tài)而非趨于混合。但該組實驗是在中間容器內(nèi)完成的,并沒有考慮CO2和CH4在實際巖石介質(zhì)中的混氣現(xiàn)象。為此,李勇凱[17]開展了長巖心驅(qū)替實驗,實驗結果表明,CO2驅(qū)替CH4過程具有活塞式驅(qū)替的部分特征,兩種氣體呈現(xiàn)出混合帶型,包括純CH4流動帶、CO2與CH4混合帶和純CO2流動帶,實驗探究結果與物性分析結果一致。再次論證有介質(zhì)存在時,在儲氣庫運行條件下,CO2作儲氣庫墊層氣的可行性。Zhang等[18]對CO2作墊層氣的整個注采工作氣過程進行實驗,通過測定中間容器上、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提供動力。當混氣區(qū)位于下層區(qū)域,CO2不僅可以被用作墊層氣,同時可實現(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

由于受到分子擴散、對流擴散以及儲氣庫運行條件等因素的影響,墊層氣勢必會與工作氣發(fā)生混合?；旌铣潭冗^大,會導致采出天然氣的熱焓值降低,影響正常使用,甚至使儲氣庫內(nèi)動力學特性發(fā)生改變,產(chǎn)生局部阻塞的危險。因此,有必要對影響CO2和CH4混合程度的因素深入研究,準確預測和調(diào)控混合帶的運移,為CO2作墊層氣的天然氣地下儲氣庫的運行提供參考。

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層內(nèi)部運移擴散的空間條件?？紫抖仍酱?氣體分子之間的擴散越快,兩種氣體的混合擴散能力越強,但氣體在儲層中的運移速度會減慢,CO2和CH4混合帶的發(fā)展緩慢。胡書勇[20]、Sadeghi等[21]模擬結果表明,孔隙度越大,采出工作氣中混有CO2含量越低,但從整體來看孔隙度對CO2和CH4的混合影響不大。王玉潔[22]在對枯竭型儲氣庫CO2作墊層氣的模擬研究中指出,當孔隙度為0.1時,采出氣中CO2摩爾含量明顯高于其它孔隙度,并隨著時間的推移,采出程度接近于某一定值?？赡艿脑蚴强紫抖忍?供氣體活動的空間變小,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,當儲氣庫的孔隙度較低時,應相對減少CO2墊層氣比例。

2.1.2 絕對滲透率 一般來說,儲層物性越好,流體流動性越好。地下儲氣庫的注氣能力和產(chǎn)能受到巖石物性的制約,主要是絕對滲透率的制約。絕對滲透率越大,氣體之間擴散越容易,導致氣體的混合程度增大。但從儲氣庫注采能力和庫容量角度來分析,絕對滲透率越大越好。李勇凱[17]研究表明,從采氣質(zhì)量和混氣角度來分析,儲層的絕對滲透率應越小越好。但注采井的注采能力變差,注采井周圍儲層平均壓力變化幅度大,對于提高儲氣庫庫容來說是不利的。胡書勇等[20]模擬結果認為,如果從經(jīng)濟化的角度出發(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。同時兩位研究者都指出,在實際工程實踐中,要根據(jù)實際的工程參數(shù),從經(jīng)濟角度和混氣程度兩個方面綜合分析,選取適合的滲透率儲層,對天然氣地下儲氣庫的運行優(yōu)化具有重要意義。

2.2 動態(tài)因素

2.2.1 壓力 壓力對氣體混合的影響主要有以下幾個方面:①壓力主導著氣體的流動,壓力改變直接影響儲氣庫的運行;②壓力變化會影響兩種氣體的分子擴散系數(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]對比在未注入CO2墊層氣時儲氣庫壓力對回采氣中CO2摩爾含量的影響時認為,只要壓力設定在8 MPa以上,壓力對CO2和CH4混合及運行的影響較小。CO2的超臨界壓力為7.38 MPa,當?shù)陀谂R界壓力時,CO2是以氣態(tài)形式進入儲氣庫內(nèi),氣體分子之間擴散加劇,CO2和CH4之間的混合程度較大;當高于CO2臨界壓力時,CO2以超臨界流體進入儲層,能充分發(fā)揮CO2的物性,CO2和CH4混合程度降低。王玉潔[20]的模擬結果指出,在實際生產(chǎn)中,無論是邊緣或是底部注入CO2墊層氣,儲氣庫的初始壓力均不能過低,同時也要控制儲氣庫工作氣和總儲量的比例。這可能的原因是,工作氣量占比過高,在采氣時壓力下降過快,儲氣庫內(nèi)壓力變化速率過大,導致CO2和CH4混合加劇。因此,在生產(chǎn)過程中應監(jiān)測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CO2和CH4混合程度影響不大。

2.2.2 溫度 通過對CO2作墊層氣可行性分析知曉,儲層溫度影響CO2和CH4的物性參數(shù)。此外,溫度越高,氣體分子擴散系數(shù)越大,進而影響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CO2墊層氣和CH4混合程度的影響,研究結果都表明:隨著儲氣庫溫度的升高,采氣中CO2摩爾含量增大,說明兩種氣體混合程度越高。但對比不同溫度,采出氣中CO2摩爾含量變化較小,溫度對儲氣庫混氣影響相對較弱。Ma等[23]通過建立多組分滲流模型模擬結果認為,隨著溫度升高,混合區(qū)有減小的趨勢,但變化趨勢并不明顯。在天然氣地下儲氣庫建設初期,盡量避免采用溫度過高的儲氣庫建庫,雖然在儲氣庫運行過程中,儲氣庫內(nèi)溫度會發(fā)生變化,但對于CO2和CH4混合影響不明顯。

2.2.3 CO2墊層氣比例 儲氣庫中CO2墊層氣比例,是指在天然氣地下儲氣庫最小運行壓力下,儲氣庫內(nèi)處于超臨界狀態(tài)的CO2含量占儲氣庫總含氣量的比值。CO2墊層氣比例對儲氣庫的產(chǎn)氣質(zhì)量和穩(wěn)定運行至關重要。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含量會顯著增加,導致天然氣可能達不到熱值標準。但CO2墊層氣占比越高,儲氣庫能維持的壓力越高,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,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,天然氣采出程度也相對較高,與墊層氣比例為10%的混氣程度相差不到3%。從運行狀況、資金投入以及混氣方面綜合來看,CO2墊層氣比例為20%時效果更好。對于裂縫型天然氣地下儲氣庫來說,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大幅上升。牛傳凱[22]根據(jù)模擬的計算結果分析,在裂縫型枯竭氣藏儲氣庫中,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的混合對儲氣庫運行調(diào)峰過程不會產(chǎn)生影響。

2.2.4 注采速度 天然氣地下儲氣庫的運行特點是高強度的注采過程,這將導致CO2和CH4混合更容易發(fā)生?？刂苹旌蠋Оl(fā)展是保障工作氣質(zhì)量的前提。在天然氣地下儲氣庫的注氣階段,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,在儲氣庫注氣初期,應采用較小的速度注入工作氣,中期可適當?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,降低注氣速度對CO2和CH4混合的擾動。采氣速度是儲氣庫生產(chǎn)中最重要也是最受關注的參數(shù)之一。采氣速度越快,儲氣庫內(nèi)的地層壓力下降越快,并且較早地達到儲氣庫下限壓力,對儲氣庫的高效運行產(chǎn)生不利影響。李勇凱[17]、Sadeghi等[21]以定產(chǎn)量的生產(chǎn)方式,通過控制回采天數(shù)來探究不同采氣速度對混氣的影響。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。由此來看,天然氣地下儲氣庫采氣速度越小越有利,但速度太小又無法滿足用氣調(diào)峰和用戶需求。因此,最佳采氣速度應是在能保證用氣調(diào)峰和用戶需求前提下的最小采氣速度。

2.2.5 儲層厚度 一些學者指出,N2作墊層氣時,儲層越厚,地層平均壓力及井點壓力上升的趨勢越緩慢,從儲氣量角度來說,儲層厚度越大對注氣量的提高越有利;但從混氣的角度來說,儲層厚度越大,氣體混合程度越高。因此,采用N2作墊層氣時,儲層厚度應該越薄越好[24-25]。N2的物性與CH4物性相差不多,而CO2的密度遠大于CH4密度,因此在討論CO2作墊層氣儲層厚度對氣體混合的影響時,應當考慮重力作用。Ma等[23]模擬儲層厚度分別為22,50,100 m條件下,CO2和CH4的混合程度。模擬結果顯示,在重力作用下,隨著儲層厚度的增加,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。李國韜等[17]也指出,在采氣時,CO2是錐形推進的,較厚的儲層,CO2的突進現(xiàn)象緩慢,采出的甲烷氣體較純凈。對于儲層厚度相對較薄的儲層,由于氣體流動的主要方向是水平流動,重力突進以及CO2和CH4的接觸界面較大,導致混相界面面積變大,增加了兩者的混合程度。因此,對于很薄的儲層來說,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 注采過程中,在保證CO2和CH4混合程度不會過大且儲氣庫內(nèi)部可以保持正常流動狀態(tài)的前提下,注采周期越長,對混合的控制是越有利的。而實際的用氣需求無法始終保持注采周期的穩(wěn)定,混合帶的發(fā)展也會隨之改變。由此看來,探究注采周期對混氣帶的影響十分必要。王玉潔[22]、李勇凱[17]的模擬結果表明,無論是從儲氣庫的邊部還是底部注入CO2墊層氣,在經(jīng)歷4個注采周期后,儲氣庫內(nèi)平均地層壓力逐漸下降,第4個周期結束后CO2含量是第1個周期的50倍左右,并且CO2出現(xiàn)的時間也隨著注采周期的增大越來越早。這是由于,隨著注采制度的進行,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,需要通過合理調(diào)配注采井的工作制度,來安排注采周期調(diào)配方案。牛傳凱[22]同樣采用兩種注氣方式對裂縫型天然氣地下儲氣庫CO2作墊層氣多周期注采進行模擬,該研究結果也表明多周期注采使得氣體在儲氣庫內(nèi)的擾動加劇,混合帶波及的范圍隨之增加。盡管儲氣庫內(nèi)擾動增加,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果。為了降低注采周期對混合程度的影響,在每個注采階段結束后,關井一段時間在進行下一個周期的注采,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,儲氣庫在經(jīng)歷多周期注采后,CO2和CH4的混合程度也會受到很大的影響。CO2墊層氣注入到儲氣庫主要有兩種方式:一是先注入CO2墊層氣充滿整個儲氣庫,再從含氣中心區(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)域為天然氣的模式;二是在天然氣地下儲氣庫的邊緣井注入CO2墊層氣,中心井位置注入天然氣的模式。牛傳凱[24]對比以上兩種方式,分析得出,第1種方式在最初時刻,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,有效避免流體劇烈流動導致CO2和天然氣的混合。因此,CO2作墊層氣時從儲氣庫邊緣注入的方式更有利于儲氣庫高效運行。王玉潔[22]對比CO2墊層氣從外側注入和底部注入兩種不同方式,對比模擬結果,進一步證明了CO2墊層氣從儲氣庫的外側注入,在很大程度上降低了CO2和天然氣混合的影響。但并不是所有儲氣庫都滿足從邊緣注入墊層氣的條件,特別是對于含水層型儲氣庫和枯竭油藏型儲氣庫來說,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,墊層氣在儲氣庫內(nèi)也存在一定的消耗,比如CO2在水中的溶解。因此,還需要及時補充墊層氣,維持儲氣庫壓力。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,還能保障儲氣庫的正常運行,從而降低不同墊層氣注入方式對CO2和天然氣混合帶來的影響。

3 CO2作墊層氣對儲氣庫庫容及穩(wěn)定性的影響

趙明國等[26]模擬油藏條件下,CO2驅(qū)天然巖心的室內(nèi)實驗,實驗結果表明:驅(qū)替后的巖石,孔隙度、滲透率以及潤濕性都逐漸增大。這是因為CO2溶于水,流體環(huán)境酸化,與巖石孔隙表面礦物發(fā)生地球化學反應,使得巖石的孔隙結構和潤濕性發(fā)生改變。谷麗冰等[27]在CO2與巖石和流體的相互作用實驗中指出,儲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?？赡艿脑蚴窃隍?qū)替過程中,CO2從上端注入與巖石和流體最先反應生成部分沉淀和微粒向下運移,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,膠結物溶解的同時,鉀長石在酸性環(huán)境下會轉化為高嶺石。趙仁保等[28]巖心驅(qū)替實驗也證明了CO2在注入過程中孔隙結構發(fā)生了明顯變化,同時三軸巖石實驗還表明巖石的力學強度明顯下降,這是由于巖石抗拉強度與膠結強度有關,CO2溶蝕作用使得巖石膠結物被破壞,巖心變得松散,甚至產(chǎn)生微裂縫,導致巖石力學強度明顯下降,CO2溶蝕的影響非常明顯,最終導致巖石穩(wěn)定性降低。對于CO2作墊層氣來說,作為墊層氣的氣體是不被采出的,當天然氣地下儲氣庫廢棄時,CO2直接深埋于地下進行封存。上述實驗“氣-水-巖”之間的地球化學反應周期較短,而CO2封存是要經(jīng)過數(shù)千年的時間,“氣-水-巖”之間長期的地球化學反應實驗方法是很難實現(xiàn)的。賈祎軻[29]、Zhang等[30]的數(shù)值模擬方法結果表明,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,在長期的地球化學反應作用下,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”之間的地球化學反應機理是非常有意義的,同時也有利于預測CO2地質(zhì)封存的穩(wěn)定性。對于CO2埋存作天然氣地下儲氣庫墊層氣的具體研究案例非常少,盡管上述研究是針對CO2地質(zhì)埋存對地層的影響,但也為CO2作墊層氣對儲層的影響研究提供理論基礎和科學依據(jù)。

4 結論

(1)CO2與CH4的物性對比可以發(fā)現(xiàn),CO2在儲氣庫條件下呈現(xiàn)超臨界狀態(tài),其密度、粘度以及壓縮系數(shù)都遠大于CH4。CO2作墊層氣在注氣時,不僅可以存儲更多工作氣,同時在重力作用下,CO2沉積在儲層底部,較大的粘度使其遷移程度降低。在采氣時,CO2為工作氣提供“推動力”,維持儲層內(nèi)部壓力,防止地下水入侵。CO2作墊層氣相關實驗的分層現(xiàn)象,進一步說明CO2是作天然氣地下儲氣庫墊層氣的一個優(yōu)質(zhì)的選擇。

(2)CO2作墊層氣與工作氣混合除受分子擴散和對流擴散的影響外,絕對滲透率、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。對于低孔高滲的儲氣庫來說,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。盡管研究表明CO2墊層氣的最佳比例為20%,但在實際建庫前要進行主因素分析才能最終確定CO2最佳比例。

(3)“氣-水-巖”相互作用對儲層結構和穩(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,在長時間的作用下,生成碳酸鹽沉淀,堵塞孔隙吼道與溶蝕作用下孔隙結構增大相互抵消。在CO2注入井附近儲層滲透率增大,儲層穩(wěn)定性降低,而儲層底部的滲透率變化不明顯,對儲層底部穩(wěn)定性影響不大。