郭肖，馮金，王鵬鯤，王作豪，陳祖?zhèn)?，李?/p>

0 引言

四川盆地天然氣資源儲(chǔ)量豐富，常規(guī)氣、非常規(guī)氣資源儲(chǔ)量分別占全國常規(guī)氣、非常規(guī)氣總儲(chǔ)量的23%和26%。通過加大開發(fā)力度，未來四川盆地天然氣年產(chǎn)量將占全國總產(chǎn)量的三分之一。其中，高含硫碳酸鹽巖氣藏天然氣資源儲(chǔ)量占該盆地常規(guī)氣總儲(chǔ)量的85%，近年來，其天然氣年產(chǎn)量占該盆地常規(guī)氣總產(chǎn)量的66%［1］。四川盆地高含硫碳酸鹽巖氣藏開采中后期及枯竭廢棄階段，儲(chǔ)層孔隙可為CO2埋存提供有利場(chǎng)所，CO2封存量高達(dá)70×108t，將CO2埋存于儲(chǔ)層中，有助于實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)；同時(shí)，儲(chǔ)層封存的CO2可形成 “墊氣” 阻止邊底水侵入，并且置換驅(qū)替天然氣向生產(chǎn)井流動(dòng)，從而提高天然氣采收率。

四川盆地高含硫碳酸鹽巖氣藏開采中后期注CO2埋存及提高天然氣采收率開采過程中，主要存在4 個(gè)方面問題：1）CO2多元混合體系-天然氣多組分共存體系的相態(tài)特征復(fù)雜；2）CO2多元混合體系在儲(chǔ)層中的滲流、運(yùn)移、封存規(guī)律尚不明確；3）儲(chǔ)層封存CO2形成“墊氣” 阻止邊底水侵入以及CO2置換驅(qū)替天然氣的機(jī)理認(rèn)識(shí)不清楚；4）不同地質(zhì)特征的非均質(zhì)氣藏CO2埋存潛力及提高采收率潛力評(píng)價(jià)體系尚未形成，難以開展大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與應(yīng)用。

四川盆地高含硫碳酸鹽巖氣藏開發(fā)中后期注CO2埋存與提高采收率機(jī)理尚不明確，相關(guān)基礎(chǔ)研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用技術(shù)尚處于探索階段，而現(xiàn)有理論和實(shí)驗(yàn)研究無法揭示該機(jī)理，亟需采用物理模擬和數(shù)學(xué)模擬相結(jié)合的方法開展攻關(guān)研究。為此，本文針對(duì)上述問題論述了前人研究進(jìn)展，并提出了未來發(fā)展方向。

1 含CO2 酸性氣體相平衡模型

天然氣混合物地下流動(dòng)會(huì)發(fā)生由抽提-溶解導(dǎo)致的相間傳質(zhì)、相態(tài)及（反）凝析、固體沉積等復(fù)雜物理化學(xué)變化。定量描述這一復(fù)雜變化過程的關(guān)鍵在于開展流體相態(tài)特征及相態(tài)變化規(guī)律研究，即主要應(yīng)用狀態(tài)方程（EOS）和經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式進(jìn)行相態(tài)特征、相平衡、泡（露）點(diǎn)壓力、密度、黏度、偏差因子等天然氣混合物常用物性參數(shù)的計(jì)算，以及模擬實(shí)驗(yàn)室等組成膨脹、定容衰竭、微分分離等過程的計(jì)算。

經(jīng)典的狀態(tài)方程主要有SHBWR 方程、SRK 方程、PR 方程、PT 方程、SW 方程及LHSS 方程，適應(yīng)范圍主要依賴于儲(chǔ)層條件及流體類型。對(duì)于含硫酸性氣藏，采用傳統(tǒng)經(jīng)典公式計(jì)算天然氣混合物物性參數(shù)會(huì)帶來較大偏差［2］。為此，Schmidt 等［3］提出了校正的酸性氣體混合物臨界參數(shù)計(jì)算方法。李光霽等［4］通過研究CO2在超高壓狀態(tài)下的密度、黏度等熱力學(xué)性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，在溫度和壓力遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)后，超臨界CO2密度變化量減小。郭肖等［2］通過分析評(píng)價(jià)多種酸性氣體物性參數(shù)計(jì)算模型得出，DPR 模型和DAK 模型結(jié)合WA 校正方法是2種最適合計(jì)算低壓酸性氣體偏差系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算方法。高含硫碳酸鹽巖氣藏流體組分基本熱力學(xué)物性參數(shù)如表1 所示。

表1 高含硫碳酸鹽巖氣藏流體組分基本熱力學(xué)物性參數(shù)Table 1 Basic thermodynamic physical property parameters of fluid components in carbonate gas reservoir with high sulfur content

Carroll［5-6］分析了相平衡預(yù)測(cè)模型計(jì)算含CO2，H2S酸性氣體混合物的適應(yīng)性。Dubessy 等［7］建立了適用于CO2-NaCl 鹽溶液及H2S-NaCl 鹽溶液的相平衡計(jì)算模型。Mireault 等［8］基于PR 狀態(tài)方程對(duì)井筒中含CO2，H2S 酸性氣體相行為開展了相關(guān)研究及敏感性分析。王壽喜等［9］建立了考慮CO2-H2S 體系回注下的井筒流動(dòng)及相態(tài)分布模型。張師博［10］開展了含CO2，H2S 的天然氣與水共存體系的相態(tài)模擬研究，對(duì)壓力、溫度、含水量等因素進(jìn)行了敏感性分析。

超臨界CO2-地層水-高含硫氣體體系相態(tài)行為極其復(fù)雜，受溫度、壓力、組分、硫沉積、地層水礦化度等因素綜合影響，實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)難度大，缺乏考慮多孔介質(zhì)流體相平衡熱力學(xué)模型方面的研究。

2 CO2-地層水-巖石反應(yīng)機(jī)理實(shí)驗(yàn)

超臨界CO2流體-巖石相互作用能引起礦物溶解、沉淀、水解、擴(kuò)散等物理化學(xué)現(xiàn)象。通常采用鑄體薄片鑒定、環(huán)境掃描電鏡、X 射線衍射、核磁共振（NMR）、恒速壓汞和CT 掃描技術(shù)，研究物性參數(shù)變化、孔隙微觀結(jié)構(gòu)變化、礦物成分、巖石潤(rùn)濕性等。

國內(nèi)外學(xué)者通過一系列CO2巖心驅(qū)替的地層水-巖石反應(yīng)（簡(jiǎn)稱水-巖反應(yīng)，下同）實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，礦物溶解可導(dǎo)致巖心孔隙度增大，滲透率也有不同程度改善［11-12］。而對(duì)于含硫碳酸鹽巖氣藏，馬永生等［13-14］開展了CO2溶液、H2S 溶液與碳酸鹽巖反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：巖心樣品的孔隙度和滲透率都有不同程度增大；H2S 水溶液具有強(qiáng)溶蝕能力，證實(shí)了H2S 氣體對(duì)改善儲(chǔ)層物性起到關(guān)鍵作用。黃偉等［15］通過宏觀巖石力學(xué)性質(zhì)變化研究得出，由于受到化學(xué)蝕變作用、水化作用、水解作用、溶解作用、離子交換作用的影響，碳酸鹽巖的彈性及強(qiáng)度均有所減弱。鄒高峰等［16］利用X 射線衍射儀、多功能離子色譜儀、超低滲氣體滲透率測(cè)量?jī)x、環(huán)境掃描電鏡等開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：CO2-H2S-地層水-巖石反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致部分巖石礦物溶解，從而增大儲(chǔ)層孔隙度及滲透率；注入氣體中H2S 含量越高，溶解作用越明顯。王允騰等［17-18］通過理論模型推導(dǎo)和軟件模擬，開展了CO2-地層水-巖石反應(yīng)耦合動(dòng)力學(xué)研究，分析了水-巖反應(yīng)中流體溫度、pH、離子含量、CO2分壓等因素對(duì)礦物溶解作用。郭肖［19］建立了酸性氣體-地層水-巖石反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型及數(shù)值模擬模型，描述了水-巖反應(yīng)的相互作用機(jī)理及儲(chǔ)層物性變化規(guī)律，分析了水-巖反應(yīng)、硫沉積作用及其綜合作用下對(duì)儲(chǔ)層物性的影響。高含硫碳酸鹽巖氣藏水-巖反應(yīng)機(jī)理見圖1。

圖1 高含硫碳酸鹽巖氣藏水-巖反應(yīng)機(jī)理Fig.1 Water-rock reaction mechanism in carbonate gas reservoir with high sulfur content

超臨界CO2-巖石相互作用能引起礦物溶解、沉淀、水解、擴(kuò)散等物理化學(xué)現(xiàn)象，反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜。考慮硫沉積模擬地層高溫高壓條件下超臨界CO2-地層水-巖石反應(yīng)實(shí)驗(yàn)和耦合動(dòng)力學(xué)模型的研究未見報(bào)道。

3 CO2 溶解、擴(kuò)散、運(yùn)移及微觀滲流規(guī)律

CO2在地層水中的溶解作用有助于CO2埋存及氣藏采收率的提高。在CO2溶解度實(shí)驗(yàn)測(cè)試及理論模型方面，前人開展了許多研究；而對(duì)于高含硫氣藏，由于H2S 的劇毒性，僅有少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了考慮CO2，H2S 的多組分氣體溶解度實(shí)驗(yàn)測(cè)定［20-21］，其他學(xué)者多采用理論模型開展相關(guān)研究［22］。

常溫常壓下CO2在其他氣體間擴(kuò)散速度快，但在高溫高壓下，由于超臨界CO2與其他氣體間的性質(zhì)差異，擴(kuò)散速度可能會(huì)大幅降低，特別是CO2提高氣藏采收率和CO2在氣藏中的封存，均利用超臨界CO2在天然氣中擴(kuò)散系數(shù)低、兩者不易混合的性質(zhì)。Guo 等［23-24］通過開展碳酸鹽巖巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，分析了溫度、壓力、巖心物性、巖心非均質(zhì)性、黏土礦物含量、注入氣體組分、CO2驅(qū)替速度、CO2注入方向等因素對(duì)CO2擴(kuò)散系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)分子擴(kuò)散作用在低滲巖心、低速驅(qū)替、強(qiáng)非均質(zhì)性及水平注入時(shí)更為顯著。高含硫碳酸鹽巖氣藏絕大部分含有邊底水，Zecca 等［25-27］通過實(shí)驗(yàn)和流體力學(xué)耦合效應(yīng)分析，研究了CO2在地層水和多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散規(guī)律，以及束縛水飽和度和地層水礦化度對(duì)CO2擴(kuò)散的影響，但針對(duì)含H2S 的酸性氣體在地層水和多孔介質(zhì)中擴(kuò)散規(guī)律的研究較少。Basbug 等［28-30］采用CO2運(yùn)移理論模型及數(shù)值模擬方法研究了CO2在儲(chǔ)層中的運(yùn)移規(guī)律及影響因素，發(fā)現(xiàn)在含水層注入CO2之前預(yù)注水可減少注入損失，但溫度的改變對(duì)CO2注入能力有較大影響；同時(shí)碳酸鹽巖氣藏強(qiáng)非均質(zhì)性對(duì)儲(chǔ)層中CO2運(yùn)移的影響巨大。黃興等［31］利用鑄體薄片分析、掃描電鏡、高壓壓汞和核磁共振等實(shí)驗(yàn)，分析了CO2注入過程中其在孔隙及喉道內(nèi)的波及規(guī)律。Wang 等［32］建立了微觀非均質(zhì)多孔介質(zhì)中CO2多相流動(dòng)動(dòng)態(tài)的預(yù)測(cè)模型，研究了連續(xù)混相CO2驅(qū)替過程中喉道變化、擴(kuò)散-溶解耦合效應(yīng)和黏度-阻力降低引起的滲流阻力差異。Guo 等［33］發(fā)明了高溫高壓硫沉積微觀滲流可視化實(shí)驗(yàn)裝置，發(fā)現(xiàn)在高含硫碳酸鹽巖氣藏中硫沉積對(duì)含CO2，H2S 酸性氣體滲流的影響不容忽視。超臨界CO2在高礦化度地層水和混合氣體中會(huì)發(fā)生溶解、擴(kuò)散、置換驅(qū)替、抑制水侵等作用，由于受到高溫高壓、H2S 強(qiáng)腐蝕性及劇毒性、硫沉積等條件限制，國內(nèi)外尚未開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，相關(guān)數(shù)學(xué)模型研究鮮有報(bào)道。超臨界CO2在高含硫碳酸鹽巖氣藏中的溶解、擴(kuò)散、運(yùn)移、封存規(guī)律尚不明確。

4 注CO2 提高天然氣采收率機(jī)理

儲(chǔ)層條件下CO2主要處于超臨界狀態(tài)，CO2密度和黏度可超過CH4一個(gè)數(shù)量級(jí)，這有利于CO2置換驅(qū)替CH4，進(jìn)而提高氣藏采收率。

注CO2形成 “墊氣” 提高采收率機(jī)理（見圖2）［34］為：1）補(bǔ)充氣藏能量；2）重力分異作用；3）流體物性差異形成有利于驅(qū)替的流度比；4）CO2競(jìng)爭(zhēng)吸附、置換驅(qū)替CH4；5）CO2“墊氣” 層抑制減緩水侵速度。Sidiq等［35-36］開展了CO2長(zhǎng)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，研究氣體組成、CO2注入速率、孔隙壓力、CO2含量、巖心含水量等影響因素下CO2驅(qū)對(duì)提高天然氣采收率的影響。Carchini等［37］通過分子模擬研究了不同氣體在碳酸鹽巖中的吸附能力，并發(fā)現(xiàn)吸附能力大小依次為H2S，CO2，CH4。Carchini 等［38］研究發(fā)現(xiàn)，碳酸鹽巖中CO2在低摩爾濃度條件下可提高CH4解吸效果。Eliebid 等［39］開展了碳酸鹽巖中CH4-CO2體系吸附-解吸實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為CH4-CO2體系的競(jìng)爭(zhēng)吸附機(jī)制可使碳酸鹽巖氣藏提高采收率。Jikich 等［40-42］基于實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用數(shù)值模擬模型開展注CO2提高氣藏采收率機(jī)理研究，提出將超臨界CO2作為 “墊氣” 埋存，可抑制底水突破并驅(qū)替天然氣向氣藏高部位運(yùn)移，還可保持地層能量，提高氣藏采收率。

圖2 注CO2 形成 “墊氣” 提高采收率機(jī)理Fig.2 Mechanism diagram of CO2 injection to form "cushion gas" to enhance gas recovery

加拿大Alberta 項(xiàng)目將采氣井轉(zhuǎn)換為酸氣回注井，向氣藏注入98%CO2+2%H2S 的酸氣混合氣，注入3 a后酸氣突破，停止注入。結(jié)果表明，CO2，H2S 在水中溶解度的差異導(dǎo)致CO2早于H2S 突破。由此提出，將CO2，N2混合注入地層并利用色譜分離現(xiàn)象監(jiān)測(cè)N2突破作為CO2突破的信號(hào)。澳大利亞Otway 項(xiàng)目以6.5×104m3/d 的注入速度將混合氣體（98%CO2+2%H2S）注入Naylor 氣藏，利用儲(chǔ)層三面均為泥巖，將CO2的運(yùn)移限制在0.5 km2的范圍內(nèi)，并通過地震圖像和流體采樣證實(shí)了枯竭氣藏CO2封存的安全性，為我國類似氣藏注CO2提高天然氣采收率（CO2-EGR）提供了技術(shù)參考。荷蘭K12-B 項(xiàng)目首次將采出氣中的CO2分離出來并注入至原地層，采用溫度壓力梯度測(cè)試、采出氣水分析、測(cè)井、示蹤劑、電磁成像等方法監(jiān)測(cè)CO2的影響，證實(shí)了枯竭氣藏注CO2的適應(yīng)性及安全性［34］。目前，高含硫碳酸鹽巖有水氣藏開發(fā)中后期注CO2埋存及提高采收率機(jī)制認(rèn)識(shí)不清，亟需開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并且建立考慮超臨界CO2擴(kuò)散、運(yùn)移、水-巖反應(yīng)的高含硫碳酸鹽巖氣藏綜合滲流數(shù)學(xué)模型。

5 CO2 埋存潛力與安全監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)

CO2注入過程中的壓力聚集效應(yīng)對(duì)地質(zhì)埋存能力和注入性方面存在較大影響。Zulqarnain 等［43］建立了油氣藏CO2埋存潛力評(píng)價(jià)理論模型。金旸鈞等［44］采用數(shù)值模擬開展了封存體物性參數(shù)對(duì)埋存潛力影響研究。Bachu 等［45］對(duì)CO2埋存項(xiàng)目區(qū)塊進(jìn)行了回顧分析，由加拿大酸氣埋存項(xiàng)目實(shí)施結(jié)果可知，注CO2可有效提高油氣藏采收率。王敬霞等［46］對(duì)全國地層埋深800～5 000 m 范圍內(nèi)各地質(zhì)時(shí)代形成的碳酸鹽巖儲(chǔ)層進(jìn)行了CO2埋存能力評(píng)估，并剔除不適宜CO2地質(zhì)埋存的沉積盆地，選出適宜的可進(jìn)行下一步研究的沉積盆地。

CO2地質(zhì)封存的泄漏將對(duì)土壤、地表水、地下水、大氣、生態(tài)系統(tǒng)甚至人體健康等產(chǎn)生影響。國外俄亥俄河谷CO2監(jiān)測(cè)和封存項(xiàng)目、加拿大Weyburn 項(xiàng)目［47］、國內(nèi)延長(zhǎng)石油集團(tuán)靖邊CCS 項(xiàng)目等通過風(fēng)險(xiǎn)量化、FEP 等評(píng)價(jià)方法，以及四維地震、垂直地震監(jiān)測(cè)、非紅外色散CO2在線監(jiān)測(cè)儀器等監(jiān)測(cè)手段對(duì)可能發(fā)生的CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，形成一套涵蓋大氣、土壤、水體及植物生態(tài)的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)體系。蘇鏢等［48］通過對(duì)管柱結(jié)構(gòu)及腐蝕機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，高含硫氣藏現(xiàn)有管柱可以有效抗含CO2，H2S 酸性氣體的腐蝕，能夠直接應(yīng)用于高含硫碳酸鹽巖氣藏注CO2過程中，但仍需進(jìn)一步研究注CO2過程中管柱可能產(chǎn)生形變所導(dǎo)致的安全隱患。由表2［49］可知，在建和運(yùn)行中的商業(yè)化碳捕集、利用與封存（CCUS）項(xiàng)目仍以地質(zhì)封存和提高采收率為主，極少見CO2-EGR 項(xiàng)目。CO2泄漏的風(fēng)險(xiǎn)性和對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響不容忽視，目前國內(nèi)外尚無可借鑒的高含硫碳酸鹽巖有水氣藏CO2埋存潛力分析和安全監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)規(guī)范，亟需開展相關(guān)研究。

表2 國內(nèi)外CO2 封存項(xiàng)目實(shí)例Table 2 Examples of CO2 storage projects at home and abroad

6 注CO2 研究方向與展望

目前高含硫碳酸鹽巖氣藏注CO2相關(guān)理論與技術(shù)發(fā)展尚不完善，CO2-EGR 過程中存在多組分共存體系相態(tài)特征復(fù)雜，CO2在儲(chǔ)層中的滲流、運(yùn)移、封存規(guī)律不明確，地下封存CO2形成 “墊氣” 提高天然氣采收率機(jī)理認(rèn)識(shí)不清等問題。針對(duì)高含硫碳酸鹽巖氣藏注CO2埋存和提高天然氣采收率開采過程中存在的主要問題，本研究采用物理模擬與數(shù)學(xué)模擬、宏觀與微觀相結(jié)合的方法，建議主要開展5 個(gè)方面研究［50-51］。

1）高含硫碳酸鹽巖有水氣藏CO2埋存封閉性安全評(píng)價(jià)與埋存條件研究。選取典型高含硫碳酸鹽巖氣藏蓋層巖樣，采用X 射線熒光光譜儀、三軸力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)等裝置測(cè)試蓋層巖石礦物組成及力學(xué)參數(shù)，獲取蓋層彈性模量和泊松比，結(jié)合CO2注入過程中蓋層水-巖反應(yīng)研究成果，綜合評(píng)價(jià)CO2埋存蓋層封閉安全性。采用體積法與動(dòng)態(tài)容積法計(jì)算CO2在高含硫氣藏和有水氣藏中的埋存量，并運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析不同溫度、壓力、孔隙度、滲透率、地下水鹽度、注入速度等因素對(duì)CO2埋存的影響，評(píng)價(jià)四川盆地高含硫碳酸鹽巖有水氣藏CO2埋存潛力。

2）超臨界CO2-地層水-高含硫氣體體系相態(tài)行為研究。開展不同溫度、壓力、氣體組分、單質(zhì)硫含量條件下的超臨界CO2-地層水-高含硫氣體共存體系閃蒸實(shí)驗(yàn)與恒組分膨脹實(shí)驗(yàn)，獲得多組分復(fù)雜體系偏差因子、黏度等關(guān)鍵熱物性參數(shù)，繪制超臨界CO2-地層水-高含硫氣體多相共存體系PVT 相圖?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，建立超臨界CO2-地層水-高含硫氣體多相共存體系相平衡熱力學(xué)模型，分析儲(chǔ)層條件下超臨界CO2-地層水-高含硫氣體體系的復(fù)雜相態(tài)行為變化規(guī)律，形成超臨界CO2-地層水-高含硫氣體體系相態(tài)分析方法。

3）超臨界CO2在地層水和高含硫氣體中溶解、擴(kuò)散、運(yùn)移、滲流規(guī)律研究。開展考慮溫度、壓力、地層水礦化度等因素影響下的超臨界CO2溶解度測(cè)定，建立CO2，CH4，H2S 及其混合物在純水、地層水中的溶解度計(jì)算模型。采用CT 掃描和核磁共振技術(shù)，測(cè)定CO2在含地層水多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)，通過驅(qū)替實(shí)驗(yàn)分析溫度、壓力、CO2注入速度等因素對(duì)CO2擴(kuò)散系數(shù)的影響，并且應(yīng)用分子模擬技術(shù)模擬CO2在不同介質(zhì)中的擴(kuò)散規(guī)律。采用四川盆地高含硫碳酸鹽巖氣藏實(shí)際巖樣制成的巖心鑄體薄片，開展不同注入速度及注入方式超臨界CO2二維平板微觀滲流驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。分析不同CO2注入速度下微觀孔隙模型初始狀態(tài)和不同驅(qū)替過程中天然氣、水、CO2分布特征，并定量分析巖心含氣飽和度及含水飽和度變化，評(píng)價(jià)CO2驅(qū)替效率。

4）高含硫碳酸鹽巖有水氣藏注CO2提高采收率作用機(jī)制研究。開展不同溫度、壓力、含硫氣體組分、水體倍數(shù)條件下注CO2長(zhǎng)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，定量分析注CO2對(duì)于置換吸附天然氣、驅(qū)替游離氣、水中溶解埋存所起到的作用。開展高含硫碳酸鹽巖氣藏二維平板實(shí)驗(yàn)，采用頂部開采、其他部位（邊部水層、底部水層及中部氣水共存層）注超臨界CO2的方式，開展超臨界CO2“墊氣” 阻止邊底水侵入物理實(shí)驗(yàn)。分析不同注入部位及注入方式下CO2“墊氣層” 擴(kuò)張速度、擴(kuò)張方式、擴(kuò)張形態(tài)，以及 “墊氣層” 穩(wěn)定性等縱向空間展布特征，揭示超臨界CO2注入對(duì)抑制邊底水侵入、提高氣藏采收率的內(nèi)在機(jī)理。建立考慮超臨界CO2擴(kuò)散、運(yùn)移、水-巖反應(yīng)的高含硫碳酸鹽巖氣藏耦合滲流數(shù)學(xué)模型，分析初始孔隙度、滲透率、含水飽和度、地層水礦化度、儲(chǔ)層有效厚度、注入速度、注入量、注入溫度、注入壓力等對(duì)高含硫碳酸鹽巖氣藏注CO2埋存量及提高天然氣采收率的影響，揭示CO2置換驅(qū)替CH4、抑制邊底水侵入、提高地層壓力、改變儲(chǔ)層滲流能力等注CO2提高天然氣采收率作用機(jī)制。

5）高含硫碳酸鹽巖有水氣藏CO2埋存腐蝕性和安全監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)研究。應(yīng)用掛片分析法，物理模擬測(cè)試不同CO2比例、分壓、溫度、含水率、礦化度條件下管材的腐蝕速率，評(píng)價(jià)現(xiàn)有管柱和設(shè)備條件注CO2的適應(yīng)性，并采用溫度壓力梯度測(cè)試、采出氣水分析、測(cè)井、示蹤劑、電磁成像等方法監(jiān)測(cè)CO2埋存對(duì)環(huán)境的影響，提出CO2埋存安全監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)方案。四川盆地碳酸鹽巖地層分布面積廣、厚度大、孔隙度大，天然氣資源儲(chǔ)量達(dá)14.33×1012m3，天然氣探明儲(chǔ)量約為2.5×1012m3。目前其天然氣采收率不到40%，注CO2可以提高天然氣采收率10～35 百分點(diǎn)［34］，為我國增產(chǎn)上百億立方米天然氣，并帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。此外，四川盆地碳酸鹽巖氣藏儲(chǔ)層埋深小于5 000 m，分布面積約為334 460 km2，厚度約為440 m，平均孔隙度為6.29%，具有巨大的CO2埋存潛力，CO2理論埋存量可達(dá)66 458.30×108t，有效埋存量為1 595.00×108t［46］；同時(shí)還具有儲(chǔ)（蓋）層完善、泄露風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)勢(shì)。因此，CO2埋存和注氣提高天然氣采收率應(yīng)用前景十分廣泛。開展高含硫碳酸鹽巖氣藏注CO2埋存和提高采收率機(jī)理研究并形成一套CO2注入-提高采收率-安全監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)體系，可為四川盆地乃至全國提高碳酸鹽巖氣藏采收率和實(shí)現(xiàn)“雙碳” 目標(biāo)提供理論及技術(shù)支撐。

7 結(jié)論

1）超臨界CO2-地層水-高含硫氣體體系相態(tài)變化復(fù)雜且難以精準(zhǔn)定量表征，建議開展復(fù)雜流體體系PVT 實(shí)驗(yàn)，結(jié)合理論模型研究地層條件下的流體復(fù)雜相態(tài)行為變化規(guī)律?？紤]硫沉積影響下的高溫高壓超臨界CO2-地層水-巖石反應(yīng)機(jī)理不明確，需結(jié)合水-巖反應(yīng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值反演研究，定量表征超臨界CO2-地層水-巖石間的物理-化學(xué)耦合作用。

2）對(duì)超臨界CO2在高含硫碳酸鹽巖氣藏中的流動(dòng)運(yùn)移規(guī)律認(rèn)識(shí)不明確，可借助熱力學(xué)理論與分子模擬等方法研究CO2，CH4，H2S 及混合流體的溶解、擴(kuò)散、運(yùn)移規(guī)律。注CO2可形成 “墊氣” 阻止水侵并提高采收率，但其作用機(jī)理復(fù)雜，目前對(duì)采收率影響規(guī)律認(rèn)識(shí)不清，需開展物理模擬實(shí)驗(yàn)，分析超臨界CO2注入形成 “墊氣” 提高氣藏采收率的內(nèi)在機(jī)理及影響規(guī)律。

3）國內(nèi)外尚無可借鑒的高含硫碳酸鹽巖氣藏CO2埋存潛力分析和安全監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)規(guī)范，需評(píng)價(jià)現(xiàn)有管材和設(shè)備實(shí)施注CO2的適應(yīng)性，并采用多種分析方法監(jiān)測(cè)CO2埋存對(duì)環(huán)境的影響，提出CO2埋存安全監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)方案。