天然氣地下儲氣庫CO2作墊層氣研究現狀

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)

隨著近年來我國經濟的高速發展,天然氣消費量和需求量逐年增加,季節性、區域性差異更加明顯,同時天然氣供需之間的矛盾加大,儲氣庫用于應急調峰和戰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,調節供求不均衡性[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、保障儲氣庫穩定性[5-8]。CO2在超臨界狀態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,但油氣田開發中已積累了大量CO2埋存經驗,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省大量資金,而且可實現CO2地質埋存、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易與天然氣發生混合,導致采出工作氣雜質增多,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不易被采出,無法進行售賣,從而造成直接經濟損失。因此,作墊層氣的氣體不僅要經濟廉價,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,研究指出當地層溫度略高于CO2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替CH4,形成傾斜的混相過渡帶,而不是發生大面積的混合。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的溫度、壓力使得CO2剛好處在超臨界區間內,能充分發揮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在超臨界區間內溫度和壓力越大越能發揮其物理特性。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的壓縮系數會發生大幅度變化,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的壓縮系數較大,CO2作墊層氣的優勢就會降低。

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相態對混氣現象的影響很大。在常溫常壓下,色譜檢測到8%的CO2,可推測CO2和CH4在中間容器內發生了明顯的混氣現象;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而非趨于混合。但該組實驗是在中間容器內完成的,并沒有考慮CO2和CH4在實際巖石介質中的混氣現象。為此,李勇凱[17]開展了長巖心驅替實驗,實驗結果表明,CO2驅替CH4過程具有活塞式驅替的部分特征,兩種氣體呈現出混合帶型,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;在采氣階段,中間層CO2摩爾百分比增大,混氣區上移,但大部分CO2集中在下層為CH4提供動力。當混氣區位于下層區域,CO2不僅可以被用作墊層氣,同時可實現CO2地質埋存,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,甚至使儲氣庫內動力學特性發生改變,產生局部阻塞的危險。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,如果從經濟化的角度出發,只要混氣帶在合理的控制范圍內,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,要根據實際的工程參數,從經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化具有重要意義。

2.2 動態因素

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,從而影響氣體混合;③壓力影響著氣體的物理性質,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,當低于臨界壓力時,CO2是以氣態形式進入儲氣庫內,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,儲氣庫內壓力變化速率過大,導致CO2和CH4混合加劇。因此,在生產過程中應監測壓力變化幅度在合理范圍內,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。此外,溫度越高,氣體分子擴散系數越大,進而影響CO2與CH4的混合。王玉潔[22]、李勇凱[17]采用數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,儲氣庫內溫度會發生變化,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,儲氣庫內處于超臨界狀態的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氣質量和穩定運行至關重要。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峰過程不會產生影響。

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混合更容易發生?？刂苹旌蠋Оl展是保障工作氣質量的前提。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,中期可適當的加大注氣速度,注氣末期平穩減小注氣速度,能很好的保證混氣帶的平穩推進,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中最重要也是最受關注的參數之一。采氣速度越快,儲氣庫內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生不利影響。李勇凱[17]、Sadeghi等[21]以定產量的生產方式,通過控制回采天數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,混合帶發展也越快。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峰和用戶需求。因此,最佳采氣速度應是在能保證用氣調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的分布區域逐漸呈現出倒錐形狀。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部可以保持正常流動狀態的前提下,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定,混合帶的發展也會隨之改變。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,在經歷4個注采周期后,儲氣庫內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,混合帶逐漸向生產井靠近。為能滿足調峰的要求,需要通過合理調配注采井的工作制度,來安排注采周期調配方案。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的擾動加劇,混合帶波及的范圍隨之增加。盡管儲氣庫內擾動增加,但整體仍按照分層的形式發展。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,再從含氣中心區域注入天然氣,利用天然氣逐漸向外驅替CO2,形成中心區域為天然氣的模式;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,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?？偠灾?最佳CO2墊層氣注入方式就是最大限度發揮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定性的影響

趙明國等[26]模擬油藏條件下,CO2驅天然巖心的室內實驗,實驗結果表明:驅替后的巖石,孔隙度、滲透率以及潤濕性都逐漸增大。這是因為CO2溶于水,流體環境酸化,與巖石孔隙表面礦物發生地球化學反應,使得巖石的孔隙結構和潤濕性發生改變。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蚴窃隍屘孢^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,鉀長石在酸性環境下會轉化為高嶺石。趙仁保等[28]巖心驅替實驗也證明了CO2在注入過程中孔隙結構發生了明顯變化,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封存是要經過數千年的時間,“氣-水-巖”之間長期的地球化學反應實驗方法是很難實現的。賈祎軻[29]、Zhang等[30]的數值模擬方法結果表明,CO2地質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。數值模擬研究CO2地質封存“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地質封存的穩定性。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。

4 結論

(1)CO2與CH4的物性對比可以發現,CO2在儲氣庫條件下呈現超臨界狀態,其密度、粘度以及壓縮系數都遠大于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”,維持儲層內部壓力,防止地下水入侵。CO2作墊層氣相關實驗的分層現象,進一步說明CO2是作天然氣地下儲氣庫墊層氣的一個優質的選擇。

(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定性的影響十分明顯。CO2部分溶于水,使水體環境呈酸性,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,儲層穩定性降低,而儲層底部的滲透率變化不明顯,對儲層底部穩定性影響不大。