1. 西南石油大學(xué)·“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610500;2. 中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司蘇里格項(xiàng)目經(jīng)理部, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000;3. 中國(guó)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(guó)家的戰(zhàn)略性資源,在當(dāng)今世界國(guó)際石油供應(yīng)緊張、油價(jià)動(dòng)蕩起伏的國(guó)際背景下,天然氣在國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(jì)效益和污染小等優(yōu)點(diǎn),天然氣作為清潔能源,其開(kāi)發(fā)對(duì)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(wèn)題等起著巨大的作用[2]。由于天然氣生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用過(guò)程中,存在著用氣需求的波動(dòng)性和儲(chǔ)存的特殊性,隨著季節(jié)、時(shí)段的不同,會(huì)出現(xiàn)用氣高峰與低谷。地下儲(chǔ)氣庫(kù)已成為全球天然氣生產(chǎn)調(diào)峰和戰(zhàn)略儲(chǔ)備的最佳選擇[3-7]。

建立儲(chǔ)氣庫(kù)涉及到墊層氣的選擇與優(yōu)化問(wèn)題。用天然氣作墊層氣時(shí),當(dāng)儲(chǔ)氣庫(kù)廢棄后,相當(dāng)數(shù)量的墊層氣不能被開(kāi)采出來(lái),導(dǎo)致大量“死資金”沉積。因此,研究人員試圖采用其他廉價(jià)氣體如惰性氣體作為墊層氣[8-11],李國(guó)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(chǔ)氣庫(kù)墊層氣既可實(shí)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(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行后多次循環(huán)注采,儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層壓力、流體飽和度等會(huì)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(wèn)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(chǔ)氣庫(kù)最優(yōu)運(yùn)行控制。

1 CO2與天然氣的混氣問(wèn)題

研究者們對(duì)CO2與天然氣的混氣問(wèn)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(chǔ)層物性的影響,主要包含儲(chǔ)層孔隙度及滲透率。二是儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行條件的影響,主要包含儲(chǔ)氣庫(kù)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(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)論證過(guò)程中必不可少的手段。通過(guò)數(shù)值模擬研究,對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)的庫(kù)容量、調(diào)峰能力和應(yīng)急能力作出正確的評(píng)價(jià),為儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)和最優(yōu)運(yùn)行控制提供科學(xué)依據(jù)[16]。本文以枯竭油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)為例,利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)各敏感性參數(shù)進(jìn)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(duì)混氣的影響。由于目前世界上還沒(méi)有CO2作儲(chǔ)氣庫(kù)墊層氣的工程實(shí)踐,因此采用機(jī)理模型對(duì)影響混氣的主要因素進(jìn)行分析。

機(jī)理模型見(jiàn)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(gè)網(wǎng)格,每個(gè)網(wǎng)格長(zhǎng)10 m,z方向分為20層,每層0.3 m?；A(chǔ)模型參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 機(jī)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(chǔ)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?jí)毫?MPa108,9,10,11,12溫度/℃4035,40,45,50CO2占儲(chǔ)氣庫(kù)總氣量的百分比/()010,15,20,30,40

機(jī)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(rèn)計(jì)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(jì)算得出。氣體擴(kuò)散系數(shù)采用Hirschbelder等提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)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(yàn)公式計(jì)算[20],計(jì)算繪制相滲曲線見(jiàn)圖2。

圖2 相對(duì)滲透率曲線

3 敏感性參數(shù)分析

3.1 CO2墊層氣氣量對(duì)混氣的影響

圖3 不同墊層氣量氣庫(kù)采出氣中CO2含量

圖4 不同墊層氣量氣庫(kù)天然氣采出程度

3.2 絕對(duì)滲透率對(duì)混氣的影響

對(duì)于一般氣藏而言,儲(chǔ)層絕對(duì)滲透率越大,地層的傳導(dǎo)性越好,氣井的采氣能力越強(qiáng),往往滲透率越大越有助于開(kāi)采。但對(duì)于儲(chǔ)氣庫(kù)而言,絕對(duì)滲透率越大,CO2與天然氣的擴(kuò)散越容易,氣體的混合程度也越大,從經(jīng)濟(jì)化角度出發(fā)反而不利于儲(chǔ)氣庫(kù)的開(kāi)發(fā)。因此,從采出氣的質(zhì)量及氣體的混合角度來(lái)講,滲透率越小越好;從注采能力及儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)容角度來(lái)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(jiàn)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(zhǎng)幅度逐漸降低,但采出氣中CO2的含量仍呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)現(xiàn)象。此模型結(jié)果認(rèn)為,從經(jīng)濟(jì)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(kāi)始明顯降低的滲透率為最佳值。在實(shí)際工程實(shí)踐中,需要結(jié)合實(shí)際工程參數(shù)同時(shí)考慮兩方面選擇合適滲透率的儲(chǔ)層作為儲(chǔ)氣庫(kù)。

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(duì)混氣的影響

儲(chǔ)氣庫(kù)孔隙度是定量描述儲(chǔ)氣庫(kù)墊層氣與天然氣運(yùn)移空間的一個(gè)指標(biāo)。對(duì)于儲(chǔ)氣庫(kù)而言,孔隙度也是一個(gè)影響指標(biāo)。一方面,孔隙度越大,墊層氣與天然氣的運(yùn)移及擴(kuò)散空間越大,有利于氣體間的擴(kuò)散與混合；另一方面,孔隙度越大,氣體在儲(chǔ)層中的運(yùn)移速度會(huì)變慢,墊層氣與天然氣混氣速度也會(huì)變慢,有利于儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行。圖7為模擬得到的不同孔隙度條件下儲(chǔ)氣庫(kù)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(lái)孔隙度對(duì)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(duì)混氣的影響

表2對(duì)比模型運(yùn)行參數(shù)

壓力/MPa天然氣庫(kù)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(jiàn)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(shì)。隨著回采的進(jìn)行,儲(chǔ)氣庫(kù)壓力不斷下降,當(dāng)下降到臨界壓力以下時(shí),CO2會(huì)從超臨界態(tài)變?yōu)槌Ｒ?guī)氣態(tài),流體密度、黏度、擴(kuò)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(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散,這時(shí)采出氣中CO2含量上升的趨勢(shì)會(huì)被打破。此模型結(jié)果認(rèn)為,在壓力設(shè)置在 8 MPa 以上時(shí),幾個(gè)對(duì)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(duì)混氣及運(yùn)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(duì)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(cè)到CO2氣體的時(shí)間越早,壓力等變化越劇烈,混氣速度越快,儲(chǔ)氣庫(kù)平均地層壓力下降越快,較早達(dá)到下限壓力,這對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行將產(chǎn)生不利影響。因此,天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)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(shí)際工程實(shí)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(rèn)識(shí)

1)采用CO2作儲(chǔ)氣庫(kù)墊層氣時(shí),影響CO2墊層氣與天然氣混合的因素主要有儲(chǔ)層物性、儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)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(shì),當(dāng)壓力下降到臨界壓力以下時(shí)趨勢(shì)會(huì)被打破,只要保持壓力不低于8 MPa,其對(duì)混氣及運(yùn)行的影響便較小。

4)注采運(yùn)行階段應(yīng)該確定合理的注采速度和運(yùn)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(kāi)始時(shí)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(shí)的擾動(dòng)。