——以中國南方XC氣藏為例

摘　要：在含CO2的天然氣藏中實施CO2長期穩定埋存并提高天然氣采收率，實現CO2的規模化綜合利用，具有重大的現實意義。為此，以一個真實的含CO2淺層廢棄氣藏為埋存靶場，運用數值模擬方法，設計了縱向非均質氣藏剖面模型，用于研究氣藏儲層在正韻律、反韻律以及復合韻律條件下氣體運移對超臨界CO2穩定埋存的影響，并重點研究了重力分異和地層非均質性條件下的流體運移規律。結果表明：不同韻律剖面模型在注超臨界CO2埋存及開采剩余天然氣過程中，作為反韻律的目標氣藏注超臨界CO2埋存過程在生產井突破最晚，吸入的超臨界CO2量最大，天然氣累計采出量最多，其超臨界CO2埋存潛力相對最大；重力分異可引起超臨界CO2與天然氣之間產生非平衡態相的分離，天然氣向氣藏高部位運移，CO2最終趨向于形成“超臨界CO2墊氣”，可以很穩定地沉積在氣藏下部形成“墊氣”埋存。該成果為實現CO2減排、降低CO2：捕集與埋存技術(CCS)成本提供了技術支撐。

關鍵詞：二氧化碳  埋存  提高天然氣采收率  重力分異  非均質性  反韻律  超臨界  墊氣

Influence of gravity differential ion and heterogeneity Oil CO2 sequestration in gas reservoirs：A case of the XC Gas Reservoir in South China

Abstract：It is no doubt of great practical significance to implement the long term stable CO2 sequestration in natural gas reservoirs containing CO2，enhance gas recovery，and achieve large-scale utilization of CO2．In this paper，a real deserted shallow gas reservoir containing CO2 of XC in South China was taken as a case of study．Numerical simulation was first employed to design a model of longitudinal heterogeneous gas reservoir profile to study the influence of gas migrati-on under positive rhythm，reverse and composite rhythm conditions on the stability of supercritical CO2 sequestration．With focus on the fluid migration rules under gravity differentiation and formation heterogeneity，we concluded the following results．(1)Among different rhythm profile models in gas injection in supercritical CO2 sequestration and the exploitation of remaining natural gas，the target reservoir of reverse rhythm was the last one among which the supercritical CO2 sequestration was broken through in producing wells；the absorbed volume of supercritical CO2 was the largest，and the cumulative gas production was the maximum，indicating that the potential supercritical CO2 storage volume might be the highest in that reservoir．(2)The gravity differentiation could cause the phases separation between supercritical CO2 and natural gas because of the non-equilibrium phase behavior，the natural gas moved towards the upper area of a gas reservoir，and the supercritical CO2 eventually tended to form a“cushion”and was deposited steadily on the bottom of the reservoir．This study provides a technical support for the minimization of CO2 emission and carbon capture and storage(CCS)cost．

Keywords：CO2 sequestration，enhanced gas recovery，gravity differentiation，heterogeneity，reverse rhythm，supercritical，cushion gas

CO2捕集與埋存技術(Carbon Dioxide Capture and Storage，簡稱CCS)是實現CO2減排的首選技術之一^[1]，但成本高昂^[1-2]。真正意義上獲得全球公認的3例大型的工業CCS項目是：①將CO2埋存在油氣層下部鹽水層的Sleipner-Snjhvit項目；②與CO2-EOR相結合的Weybrn項目；③在含CO2的低豐度天然氣層中埋存CO2的In Salah項目^[2-3]。它們均屬于CO2地質埋存同時結合石油天然氣開發的項目，其目的是通過規模化綜合利用來降低CO2地質埋存的成本。其中In Salah項目在2009年成為CSLF(碳收集領導入論壇)贊助的全球30個CCS項目之一，是CSLF認證的全球3個CO2埋存檢測示范點之一。In Salah氣田儲量2149×10⁸m³，產干氣和少量輕質油，部分氣藏產CO2，CO2含量5％～l0％。CO2埋存層位是Krechba氣層，為石炭系低滲透砂巖邊水、干氣藏，且富含CO2。氣層厚度20m，孔隙度10％～18％，平均滲透率10mD，CO2埋藏深度為地下1850～1950m。為了在采氣的同時實施CO2埋存，項目總投資27億美元。2004年—2011年，氣田進行了大規模天然氣開采和CO2地質埋存，回注CO2速度約100×10⁴t／a。圖1給出2009年In Salah氣田Krechba氣層CO2埋存的運移衛星遙感圖顯示，經過5年大劑量的CO2注入后，Krechba氣層的CO2擴散仍比較均勻，在生產井未見CO2突破。結合已經公開的成果可知，該項目到目前埋存是成功的^[2-7]。

由此實例可知，含CO2的天然氣藏是最適合通過主動注入大量CO2實現CO2地下封存的靶場之一^[1-2，8-9]。而在氣藏中實施CO2長期穩定埋存與提高天然氣采收率(CO2 Sequestration with Enhanced Gas Recovery，簡稱CSEGR)相結合，就可實現CO2的規模化綜合利用，降低CCS的成本^[10-11]。我國海上以及松遼平原已發現許多富含CO2的氣田，這無疑具有很大的潛力。

筆者以一個真實的含CO2天然氣藏為埋存靶場，運用數值模擬方法，研究了氣藏超臨界CO2埋存過程中氣體運移與同時提高天然氣采收率的機理，主要研究了地層韻律和重力分異對流體運移的影響。韻律和重力分異可引起超臨界CO2與天然氣之間產生非平衡態相的分離，為了分析在實際氣藏超臨界CO2驅氣過程中，相的分離和重力分異作用對在氣藏下部形成超臨界CO2“墊氣”的影響，以及縱向上超臨界CO2和天然氣之間過渡帶的形成方式，設計和分析了不同韻律氣藏剖面模型來研究氣藏儲層條件下超臨界CO2的穩定埋存及驅氣效果。

1　目標氣藏及剖面模型簡化

該氣藏儲層為河流相沉積，以砂巖為主，地層溫度35℃，平均地層壓力10MPa。氣藏主要含氣集中在埋深約為1000m之處。氣藏上下部均有滲透率孔隙度極低的致密蓋層，氣密性適宜作為CO2埋存靶場。氣藏剖面模型為一背斜構造模型(圖2)。X方向為3000m，劃分為120個網格；2方向分為115m，劃分為12層，其中最上兩層為致密蓋層，最下兩層為致密隔層，中間的氣層分為8個小層。該氣藏為反韻律儲層。儲層束縛水飽和度為30％，注采井組設計是在提取的反韻律模型中，兩端低部位分別設計1口CO2注氣井，注氣井均只打開產層的下1／4井段；在地層剖面模型的中間高點上設計l口采氣井，只打開氣層的上1／4井段采氣。

注氣方案分為兩個階段。第一階段為注超臨界CO2埋存同時提高天然氣采收率的驅替階段，當采氣井井流物中CO2摩爾百分數達到l0％時，采氣井關井停止天然氣開采，同時注氣井組停止超臨界CO2注入。第二階段為超臨界CO2永久埋存階段，即在氣藏注氣井和采氣井關閉后，模擬氣藏繼續實施超臨界CO2埋存100年以上。在實施整個方案的115年中，重點研究CO2的埋存狀態，氣藏剩余天然氣的采出程度，CO2突破情況，以及超臨界CO2天然氣過渡帶是否能保持相對穩定。

2　儲層韻律對超臨界CO2埋存穩定性及驅氣效果的影響

為了了解反韻律目標氣藏對超臨界CO2穩定埋存及驅氣效果的影響程度，首先設定和分析了正韻律地層、反韻律地層以及復合韻律地層3種氣藏剖面模型計算得到的超臨界CO2埋存及驅氣效果。

2．1　地層平均壓力隨埋存時間變化程度對比

圖3給出了在剖面模型兩端底部注氣，中間頂部采氣的相同注采對應關系下，3種氣藏剖面模型超臨界CO2驅氣及埋存整個過程(約115年)中地層平均壓力隨時間的變化對比曲線。預測結果顯示，在相同關井條件下(生產井采出天然氣中CO2摩爾百分含量達到l0％時關閉生產井)，正韻律地層可連續保持8年的超臨界CO2注入和天然氣的開采，反韻律地層可連續保持l0年的超臨界CO2注入和天然氣的開采，而復合韻律地層介于兩者之間，保持在9年左右。由此可知，在剖面模型兩端底部注氣，中間頂部采氣的相同注采對應關系下，反韻律地層超臨界CO2在采氣井突破后達到l0％的CO2含量的時間最晚，天然氣采出程度最高，埋存潛力最大；而且反韻律地層在超臨界CO2停止注入后持續封存過程中，地層壓力的上升幅度最小。根據超臨界CO2—天然氣體系相態特征研究結果^[8-11]，相同地層條件下，等質量數的超臨界CO2—天然氣混合物其體積要比高密度的超臨界CO2的大。可知反韻律地層中，剩余天然氣擴散彌散引起的超臨界CO2體積膨脹的程度相對最低，最有利于超臨界CO2的穩定埋存。

2．2　注超臨界CO2驅采出氣中CO2摩爾百分含量對比

圖4給出3種不同剖面模型超臨界CO2驅天然氣采出氣中CO2摩爾百分含量變化的對比。由圖4可知，正韻律地層注超臨界CO2驅替天然氣突破最早，這是由于正韻律地層下部氣層的滲透率大，加之超臨界CO2密度明顯大于天然氣密度，導致超臨界CO2優先傾向于向地層底部運移，然后再沿縱向向上運移，從而導致超臨界CO2較快在生產井突破的原因；而采氣井近井地帶的天然氣傾向于向地層上部運移，地層中天然氣的運移方向與超臨界CO2相同。因此，雖然超臨界CO2在地層中基本保持均勻推進，但由于天然氣的采出，不可避免地產生了超臨界CO2氣錐。反韻律地層中，受超臨界CO2與天然氣密度差引起的重力分異作用影響，整體上超臨界CO2傾向于向地層背斜底部運移，而天然氣傾向于向地層背斜上部運移，超臨界CO2前緣推進較為均勻，氣體運移對超臨界CO2天然氣過渡帶的擾動較小，在生產井底部不產生超臨界CO2氣錐，因此超臨界CO2在生產井的突破最晚。復合韻律剖面中，超臨界CO2帶整體表現為非均質指進，超臨界CO2主要優先沿高滲層竄流，但總體上超臨界CO2傾向于向地層底部運移，超臨界CO2在埋存同時向采氣井運移推擠驅替天然氣，除了采氣井近井地帶的天然氣傾向于向地層上部運移外，地層中天然氣的運移方向與超臨界CO2相同，這會加劇超臨界CO2與天然氣的混合，對超臨界CO2天然氣過渡帶的擾動較大。由于天然氣的采出，也不可避免地產生超臨界CO2氣錐，但由于超臨界CO2的氣竄主要發生在高滲層，因此氣藏底部產生的超臨界CO2氣錐比正韻律地層小。因此突破也略晚。

在超臨界CO2總注入速度和天然氣總開采速度相同的條件下，生產井超臨界CO2驅替天然氣階段的收效時間長短決定了地層天然氣累計采出程度的高低。圖5給出的天然氣累計采出程度曲線也證明了上述觀點。因此所選取的反韻律目標氣藏實施超臨界CO2埋存的同時降壓驅替天然氣的效果是相對最好的。

3　目標氣藏注超臨界CO2驅氣及埋存過程的模擬

由于CO2永久埋存必須考慮CO2是否會大量運移至地層上部而產生泄露的風險，故須研究所選反韻律目標氣藏超臨界CO2驅氣及埋存全過程中天然氣和CO2的運移規律。

3．1　第一階段：注超臨界CO2驅天然氣開采階段

圖6給出了目標氣藏剖面模型超臨界CO2埋存及驅替天然氣初期，CO2摩爾百分含量及地層流體滲流的流線分布。圖中流線方向顯示，反韻律地層中，超臨界CO2從2口注氣井下部注入后，受滲透率反韻律影響，先是沿近井區地層向上部流動，然后在密度流和重力分異作用下，沿水平和下傾方向向氣藏中部和下部運移，而天然氣被驅向氣藏中部和上部。超臨界CO2前緣推進較為均勻，氣體對流擴散運移對超臨界CO2  天然氣過渡帶的擾動較小，而儲層非均質影響較大，上部高滲層中超臨界CO2彌散和滲流快，重力舌進現象較強，過渡帶寬度大于下部低滲層。

3．2　第二階段：超臨界CO2永久埋存階段

圖7給出了目標氣藏剖面模型超臨界CO2停止注入并關井約l05年后反韻律地層中，超臨界CO2與天然氣運移分布情況。剩余天然氣主要集中在地層中部，超臨界CO2則集中在氣藏兩側的邊翼部。流線方向顯示，超臨界CO2趨于向氣藏下部運移，而天然氣趨于向上部運移，但在超臨界CO2與天然氣的接觸前緣，超臨界CO2和天然氣的自發擴散和對流很弱。此運移行為類似于使用CO2作為“墊氣”的天然氣儲氣庫，地層中的天然氣和“CO2墊氣”都能維持足夠的穩定性^[12-14]。在105年時序中，超臨界CO2帶與天然氣帶之間，受縱向上重力分異對流擴散的影響，超臨界CO2運移到地層的下部重新形成連續的墊氣帶，天然氣則運移到氣藏的上部形成氣頂，中上部則形成一定厚度的過渡帶。由此可以看出，在氣藏滿足超臨界CO2的溫度和壓力條件下，反韻律氣藏中超臨界CO2最終沉積在儲層下部，地層上部CO2含量少，泄露風險較低。

4　結論

基于真實氣藏模型的數值模擬結果顯示，利用淺層廢棄天然氣藏實施超臨界CO2穩定埋存技術上可行。

不同韻律剖而模型在注超臨界CO2埋存及開采剩余天然氣過程中，對于反韻律的目標氣藏，CO2在生產井中突破最晚，儲層吸入的超臨界CO2量最大，剩余天然氣累計采出量最多，超臨界CO2埋存潛力相對最大。

在重力分異作用下，總體上超臨界CO2向氣藏下部聚集，而天然氣向氣藏高部位運移，最終趨向于形成“超臨界CO2墊氣”。在超臨界CO2長時間封存階段，當重力分異作用使超臨界CO2墊氣帶達到穩定狀態后，過渡帶中對流擴散相對減弱，超臨界CO2可以較“安靜”地沉積在氣藏下部作為“墊氣”而處于相對穩定的埋存狀態。

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本文作者：孫揚  崔飛飛  孫雷  杜志敏  湯勇

作者單位：西南石油大學

  中國石油南方石油勘探開發有限責任公司