CO2做低滲氣藏儲(chǔ)氣庫墊層的氣水邊界穩(wěn)定性分析

牛傳凱，譚羽非

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090)

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CO2做低滲氣藏儲(chǔ)氣庫墊層的氣水邊界穩(wěn)定性分析

牛傳凱，譚羽非

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090)

摘要:將低滲透枯竭氣藏改建為地下儲(chǔ)氣庫的關(guān)鍵問題之一是氣水界面的穩(wěn)定性.為分析以CO2做墊層氣的低滲透氣藏改建儲(chǔ)氣庫在擴(kuò)容建庫和季節(jié)調(diào)峰時(shí)氣水界面的穩(wěn)定運(yùn)移，根據(jù)枯竭氣藏儲(chǔ)層的特點(diǎn)，建立基于低滲透微裂縫儲(chǔ)層的雙重孔隙介質(zhì)模型.以中原油田文23改建儲(chǔ)氣庫的地下儲(chǔ)層為研究對(duì)象，討論擴(kuò)容建庫時(shí)CO2墊層氣的注入方式對(duì)氣水界面穩(wěn)定性的影響，以及儲(chǔ)氣庫季節(jié)調(diào)峰時(shí)氣水界面的運(yùn)移特性.研究表明：在擴(kuò)容建庫階段，CO2連續(xù)注氣驅(qū)水能快速擴(kuò)容，但降低了氣水界面和儲(chǔ)層內(nèi)壓力場(chǎng)穩(wěn)定性；間歇注氣擴(kuò)容方式在4個(gè)周期后擴(kuò)容速率降低了4.8%，但更好地保證氣水界面的穩(wěn)定運(yùn)移和儲(chǔ)層內(nèi)壓力場(chǎng)的穩(wěn)定；在季節(jié)調(diào)峰階段，溶解態(tài)和超臨界態(tài)CO2的相互轉(zhuǎn)換更好地保證氣水邊界和儲(chǔ)層內(nèi)壓力場(chǎng)的穩(wěn)定，同時(shí)提高儲(chǔ)層空間利用率.

關(guān)鍵詞:低滲透氣藏；枯竭氣藏儲(chǔ)氣庫；雙重孔隙介質(zhì)；多井?dāng)U容；CO2墊層氣；氣水界面控制

隨著地下儲(chǔ)氣庫調(diào)峰技術(shù)在全球天然氣調(diào)峰手段中所占比例逐漸增大，各國(guó)溫室氣體減排任務(wù)的逐年加重[1～2]，將CO2注入地下儲(chǔ)氣庫做墊層氣技術(shù)的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，得到許多國(guó)家的高度重視和大力推廣[3].目前，中國(guó)建成并投入使用的25座天然氣地下儲(chǔ)氣庫年工作氣量為30×108Nm3，總設(shè)計(jì)工作氣量為257×108Nm3[4].據(jù)中國(guó)“十三五”規(guī)劃[5]，到2020年，地下儲(chǔ)氣庫的總調(diào)峰工作氣量將達(dá)440×108Nm3，若按照1∶1的儲(chǔ)氣庫墊層氣與工作氣比例、且CO2墊層氣占總庫容的30 %計(jì)算[6～7]，將有264×108Nm3的溫室氣體深埋于地下，并替代出相應(yīng)的天然氣，將大大降低地下儲(chǔ)氣庫建設(shè)的初投資，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.

目前，中國(guó)已投入使用和正在建設(shè)的地下儲(chǔ)氣庫絕大部分為枯竭油氣藏改建而成[8]，然而，地下油氣藏在開采后期由于經(jīng)常采用加壓注水開采和加壓壓裂開采等氣田增產(chǎn)方式，導(dǎo)致氣藏儲(chǔ)層內(nèi)微裂縫數(shù)量大大增加，氣藏停產(chǎn)后經(jīng)常被水侵.因此，當(dāng)枯竭氣藏改建為儲(chǔ)氣庫時(shí)，如何保證氣水界面穩(wěn)定是儲(chǔ)氣庫建設(shè)和運(yùn)行的核心問題之一[9-10].如何保證儲(chǔ)氣庫在建庫擴(kuò)容階段注CO2墊層氣穩(wěn)定驅(qū)水?dāng)U容和在季節(jié)調(diào)峰階段氣水邊界的動(dòng)態(tài)平衡尤為重要.CO2做天然氣儲(chǔ)氣庫墊層氣是作者于2005年首次提出并實(shí)際論證的[11]，十多年來，在CO2做墊層氣的可行性、CO2與天然氣共存與混合、儲(chǔ)氣庫的多井優(yōu)化運(yùn)行等方面研究較多[7, 12～15]，隨著研究的深入和實(shí)際工程的探索應(yīng)用，在低滲水淹氣藏改建儲(chǔ)氣庫中CO2墊層氣與邊水之間的溶解與界面穩(wěn)定運(yùn)移等問題較為突出，亟待解決.

在低滲透儲(chǔ)層擴(kuò)容建庫時(shí)，CO2逐漸驅(qū)邊水滲流，由于儲(chǔ)層滲透率差異、各注采井運(yùn)行參數(shù)不同等原因，氣水邊界會(huì)出現(xiàn)指進(jìn)、舌進(jìn)等現(xiàn)象，導(dǎo)致界面運(yùn)移不穩(wěn)定；當(dāng)儲(chǔ)氣庫進(jìn)行城市調(diào)峰時(shí)，由于儲(chǔ)層壓力降低，部分CO2會(huì)因溶解度下降而從邊水中析出，影響氣水邊界的穩(wěn)定性.為此，根據(jù)枯竭氣藏型雙重孔隙介質(zhì)儲(chǔ)層特性及三維兩相滲流理論和CO2的溶解特性，建立了CO2與邊水的氣水兩相滲流數(shù)值模型，利用相應(yīng)的離散和數(shù)值求解方法，得到儲(chǔ)層內(nèi)壓力和飽和度的控制方程、CO2在邊水中的溶解方程，求得儲(chǔ)層內(nèi)各點(diǎn)的瞬態(tài)壓力場(chǎng)和飽和度場(chǎng)，進(jìn)而計(jì)算得到相應(yīng)的氣水界面.分析CO2注入方式對(duì)擴(kuò)容建庫階段和季節(jié)調(diào)峰階段氣水界面運(yùn)移的影響，得到儲(chǔ)氣庫擴(kuò)容建庫和季節(jié)調(diào)峰時(shí)邊緣氣井的注采控制策略，為地下儲(chǔ)氣庫建庫擴(kuò)容和季節(jié)調(diào)峰運(yùn)行提供技術(shù)支撐.

1數(shù)學(xué)模型的建立與求解

在雙重孔隙介質(zhì)模型中，認(rèn)為基質(zhì)孔隙和裂縫孔隙均布于儲(chǔ)層內(nèi)且相互獨(dú)立，基質(zhì)為氣體的主要儲(chǔ)存空間，裂隙為滲流通道，兩者之間存在質(zhì)量交換.將實(shí)際裂縫性儲(chǔ)層中的裂隙、基質(zhì)和儲(chǔ)層骨架做如圖1所示的簡(jiǎn)化，并基于以下幾條基本假設(shè)建立相應(yīng)數(shù)值模型[16]：

圖1　雙重介質(zhì)儲(chǔ)層的模型簡(jiǎn)化示意圖

1)基質(zhì)網(wǎng)格塊之間不存在滲流流動(dòng)，且互不連通；2) 流體在低滲儲(chǔ)層中的滲流存在啟動(dòng)壓力梯度；3) 氣水邊界處只考慮CO2與水的氣水驅(qū)替過程，認(rèn)為天然氣不與邊、底水接觸；4) 儲(chǔ)層具有非均質(zhì)性和各向異性；5) 儲(chǔ)層基質(zhì)不可壓縮，而流體可壓縮；6) 儲(chǔ)層處于等溫狀態(tài)，不考慮溫度對(duì)氣體動(dòng)力黏度等參量的影響.

1.1控制方程組的建立

1)連續(xù)性方程

裂縫系統(tǒng)

(1)

(2)

基質(zhì)系統(tǒng)

(3)

(4)

2)運(yùn)動(dòng)方程

由于氣水兩相滲流流動(dòng)只存在于裂縫系統(tǒng)內(nèi)，且流體在低滲儲(chǔ)層內(nèi)的流動(dòng)存在啟動(dòng)壓力梯度，故考慮啟動(dòng)壓力梯度和重力作用影響的運(yùn)動(dòng)方程為

(5)

(6)

式中：μg、μw為氣、水相在儲(chǔ)層中的動(dòng)力黏度，Pa·s；K為儲(chǔ)層的絕對(duì)滲透率，μm2；Krg、Krw為氣相、水相的相對(duì)滲透率；λ為啟動(dòng)壓力梯度，MPa/m；γg、γw為氣體和水的容重，γ=ρg，N/m3；pg、pw為氣相、水相流體在地層中的滲流壓力，MPa；D為滲流基準(zhǔn)面以下的儲(chǔ)層深度，m.

3)控制方程

將雙重孔隙介質(zhì)內(nèi)氣水兩相滲流的運(yùn)動(dòng)方程(5)、(6)代入裂縫系統(tǒng)的連續(xù)性方程(1)、(2)中，得到描述氣體在低滲透儲(chǔ)層裂縫系統(tǒng)中滲流的微分方程：

(7)

(8)

4)補(bǔ)充方程

低滲透儲(chǔ)層雙重介質(zhì)模型中的流體交換量主要由基質(zhì)與裂縫系統(tǒng)之間的壓差產(chǎn)生，其計(jì)算公式為

(9)

(10)

式中σ為單位體積中裂縫和基巖接觸面積的形狀因子(m-2)，采用Kazemi[17]的計(jì)算方法求取，即

(11)

式中：pgs、pws為氣相、水相流體在基質(zhì)介質(zhì)中的滲流壓力，MPa；Lx、Ly、Lz為基質(zhì)塊在x、y、z方向上的尺寸，m.

飽和度分布的平衡方程表示為

(12)

(13)

毛管壓力約束方程

(14)

(15)

CO2在做儲(chǔ)氣庫墊層氣的地下儲(chǔ)存時(shí)一般處于超臨界狀態(tài)，且在水中的飽和度隨儲(chǔ)層壓力的變化呈正相關(guān)性.CO2在水中的溶解度采用Henry定律[18]求解.

(16)

式中：xc為水中CO2的摩爾分?jǐn)?shù)，即CO2在水中的溶解度；Hc為Henry系數(shù)；fc為CO2的逸度系數(shù)，其計(jì)算方法利用PR-HV模型[19]根據(jù)相關(guān)儲(chǔ)層的實(shí)際測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算.

上述方程(3)、(4)、(7)、(8)構(gòu)成地下儲(chǔ)氣庫氣水兩相滲流的耦合控制方程組，利用輔助方程(9)～(15)，將方程組中的關(guān)聯(lián)變量消去，則方程組中含有4個(gè)獨(dú)立未知量，本方程組采用pg、pgs、Sw、Sws.結(jié)合儲(chǔ)氣庫地下儲(chǔ)層的初始條件和邊界條件，就構(gòu)成了在低滲透氣藏改建儲(chǔ)氣庫中基于雙重孔隙介質(zhì)模型的描述氣水兩相流體滲流過程的控制方程組.方程中物性參數(shù)Bw、μw、γw、R等系數(shù)，由于受CO2在水中溶解度的影響，計(jì)算過程非常復(fù)雜，故文中計(jì)算時(shí)，當(dāng)?shù)貙铀柡蜁r(shí)，水相系數(shù)僅考慮為儲(chǔ)層壓力的函數(shù)；當(dāng)?shù)貙铀伙柡蜁r(shí)，水相系數(shù)考慮為儲(chǔ)層壓力和飽和壓力的二元函數(shù)，使用飽和壓力ps代替水相飽和度.

在低滲透儲(chǔ)層中，初始時(shí)刻的壓力和飽和度為一已知函數(shù)，則初始條件為

(17)

(18)

儲(chǔ)氣庫地下儲(chǔ)層內(nèi)的壓力梯度為

dp/dh=const.

(19)

在低滲儲(chǔ)層的氣水邊界處為第一類邊界條件

(20)

而在儲(chǔ)氣庫的注采井井口處為第二類邊界條件

(21)

其中n表示法線方向.

1.2控制方程組求解

采用有線差分法對(duì)上述控制方程進(jìn)行離散，并采用油氣藏工程中常用的半隱式半顯式IMPES方法[20～21]進(jìn)行線性化，即壓力隱式、飽和度顯式的線性化方法.得到描述低滲氣藏儲(chǔ)層氣水兩相滲流過程的裂縫和基質(zhì)孔隙系統(tǒng)中壓力和飽和度的線性控制方程組.

裂縫系統(tǒng)

(22)

(23)

(24)

2注CO2驅(qū)水的氣水邊界控制

在儲(chǔ)層邊緣處選取5口注采井(如圖3所示)，模擬采用不同注氣方式在邊緣井注CO2驅(qū)水?dāng)U容時(shí)儲(chǔ)層內(nèi)壓力場(chǎng)和氣水界面運(yùn)移情況，單井注氣量為50×104m3/d，模擬區(qū)域注氣區(qū)域面積為1.0km×0.6km，儲(chǔ)層的具體計(jì)算網(wǎng)格步長(zhǎng)為Δx=Δy=20m、Δz=5m；注采井附近的加密網(wǎng)格步長(zhǎng)為Δx=Δy=5m、Δz=2m.5口注采井不同位置處的地層參數(shù)如表2所示.

圖2　文23氣藏改建儲(chǔ)氣庫的儲(chǔ)層縱向剖面圖

Fig.2VerticalsectionofWen-23reconstructedgasstoragebygasreserve

圖儲(chǔ)層的含氣構(gòu)造與部分井位布置

表1　儲(chǔ)層的物性參數(shù)值

表2文23氣藏改建儲(chǔ)氣庫不同氣井處的儲(chǔ)層參數(shù)

Tab.2ReservoirparameteratdifferentgaswellofWen-23reconstructedgasstoragebygasreserve

注采井編號(hào)儲(chǔ)層深度/m儲(chǔ)層厚度/m孔隙度/%滲透率/(×10-3μm2)井12735.7541.149.155.642750.8240.269.244.88井22692.4642.3510.484.062712.4843.1510.893.53井32751.1538.7412.546.832770.4239.1811.896.03井42790.1536.4813.422.762812.5637.4512.873.38井52805.2435.628.923.232828.1535.819.572.38

2.1連續(xù)注氣擴(kuò)容的氣水邊界

連續(xù)注氣驅(qū)水?dāng)U容是指在地下儲(chǔ)氣庫擴(kuò)容建設(shè)的注氣階段采用連續(xù)性注氣，向外驅(qū)邊水?dāng)U容的方式.圖4為儲(chǔ)氣庫擴(kuò)容建庫過程中，在邊緣氣井連續(xù)注入CO2時(shí)，井底流壓隨時(shí)間的變化.可以看出，在注氣初期，井底流壓的增速較大，隨著注氣的進(jìn)行，井底流壓的增速逐漸降低；連續(xù)注氣700d后，井5附近的井底流壓最大，為12.62MPa，而井3附近的井底流壓最小，僅為10.49MPa.這是由于不同氣井處儲(chǔ)層的滲透率不同造成的.結(jié)合表2分析，由于井5附近儲(chǔ)層的平均滲透率最小，附近儲(chǔ)層的滲流速度也最慢，CO2在注氣井附近集聚時(shí)間較長(zhǎng).而井3附近儲(chǔ)層的滲透率較大且更加靠近氣水邊界，注入的CO2能夠快速向外驅(qū)邊水滲流，達(dá)到儲(chǔ)氣庫快速擴(kuò)容的目的.

圖4　連續(xù)注氣時(shí)井底流壓隨時(shí)間變化

Fig.4Curvesofflowingbottomholepressure(FBHP)overtimewhencontinuouslygasinjection

圖5為連續(xù)注氣結(jié)束后計(jì)算區(qū)域內(nèi)儲(chǔ)層的壓力分布.可以看出，連續(xù)注氣700d后，儲(chǔ)層內(nèi)的壓力變化較大且分布不均.儲(chǔ)層內(nèi)壓力極大值出現(xiàn)在各注氣井附近，且計(jì)算區(qū)域最大儲(chǔ)層壓力在井5處為12.62MPa，最小儲(chǔ)層壓力在井3附近的氣水邊界處，僅為8.13MPa，區(qū)域儲(chǔ)層內(nèi)壓差為4.49MPa.結(jié)合圖4可知，離氣水邊界更近的注氣井附近的儲(chǔ)層壓力增速較小，這也正符合儲(chǔ)氣庫穩(wěn)定和氣水邊界穩(wěn)定運(yùn)移的特性.

圖5　連續(xù)注氣700 d后氣水邊界附近的儲(chǔ)層壓力場(chǎng)

Fig.5Reservoirpressurefieldnearthegaswaterboundaryaftercontinuouslygasinjection700days

2.2間歇注氣擴(kuò)容的氣水邊界

間歇注氣驅(qū)水?dāng)U容是指在地下儲(chǔ)氣庫擴(kuò)容建設(shè)的注氣階段采用間斷性注氣方式向外驅(qū)水?dāng)U容.圖6為儲(chǔ)氣庫間歇注CO2擴(kuò)容時(shí)，井底流壓隨時(shí)間的變化.圖7為儲(chǔ)氣庫間歇注氣結(jié)束后計(jì)算區(qū)域儲(chǔ)層的壓力分布.分析兩圖可知，采用間歇注氣的方式進(jìn)行儲(chǔ)氣庫擴(kuò)容，井底流壓升高較慢，累計(jì)注氣700d后(總工作時(shí)間為730d)，井5附近的井底流壓最大為11.42MPa，井3附近的井底流壓最小為9.43MPa，與連續(xù)注氣擴(kuò)容方式相比，其壓力降幅分別為9.5 %和10.1 %.間歇注氣結(jié)束后，儲(chǔ)層壓力分布更為平穩(wěn)均勻，區(qū)域最大儲(chǔ)層壓力在井5處為11.42MPa；而最小儲(chǔ)層壓力在井3附近的氣水邊界處為8.44MPa，儲(chǔ)層壓差僅為2.98MPa.由此可知，為了保證儲(chǔ)氣庫的擴(kuò)容速度，在無法大幅度降低注氣速率的條件下，間歇性注氣擴(kuò)容方式能很好地抑制儲(chǔ)層內(nèi)壓力增加過快、改善儲(chǔ)層內(nèi)壓力分布不均現(xiàn)象，有利于儲(chǔ)氣庫氣水界面的安全穩(wěn)定運(yùn)移，保證儲(chǔ)氣庫的快速擴(kuò)容.

地下儲(chǔ)氣庫的擴(kuò)容建庫過程是伴隨著城市調(diào)峰相繼進(jìn)行的，即在未達(dá)到設(shè)計(jì)庫容時(shí)，以擴(kuò)容為主要目的，調(diào)峰時(shí)采用多注少采的方式進(jìn)行.圖8和圖9分別為在儲(chǔ)氣庫擴(kuò)容的注氣階段，連續(xù)注氣和間歇注氣時(shí)的氣水邊界運(yùn)移情況.每個(gè)注采擴(kuò)容周期中，注氣階段260d，采氣階段90d，注采氣結(jié)束后分別關(guān)井5d.其中間歇注CO2墊層氣的方式采用注氣50d關(guān)邊緣井2d的方式.分析兩圖可知：隨著擴(kuò)容周期的增多，間歇注氣擴(kuò)容的氣水邊界運(yùn)移更加穩(wěn)定.4個(gè)擴(kuò)容注氣結(jié)束后，連續(xù)注氣擴(kuò)容的含氣區(qū)域面積為0.499km2，間歇注氣擴(kuò)容的含氣區(qū)域面積也達(dá)0.475km2，擴(kuò)容速度僅降低4.8 %.然而，連續(xù)注氣擴(kuò)容的氣水邊界注氣井3附近有一定的突進(jìn)現(xiàn)象，間歇注氣擴(kuò)容的氣水邊界更平穩(wěn)，增大了地下儲(chǔ)層擴(kuò)容的安全性.

圖6　間歇注氣時(shí)井底流壓隨時(shí)間變化

Fig.6CurvesofFBHPovertimewhengasinjectionatintervals

圖7間歇注氣累積700d后氣水邊界附近儲(chǔ)層的壓力場(chǎng)

Fig.7Reservoirpressurefieldnearthegaswaterboundaryaftergasinjectionatintervalsupto700days

圖8　連續(xù)注氣時(shí)氣水邊界運(yùn)移

Fig.8Migrationofgas-waterboundarywhencontinuouslygasinjection

2.3城市調(diào)峰的氣水邊界

儲(chǔ)氣庫在擴(kuò)容建庫過程結(jié)束后進(jìn)入季節(jié)性的城市調(diào)峰階段.在儲(chǔ)氣庫城市調(diào)峰階段，CO2作為墊層氣穩(wěn)定地儲(chǔ)存在儲(chǔ)層外圍區(qū)域.圖10為儲(chǔ)氣庫在穩(wěn)定運(yùn)行50a的季節(jié)性城市調(diào)峰運(yùn)行階段，儲(chǔ)層內(nèi)CO2儲(chǔ)量隨時(shí)間的變化.可以看出，CO2在儲(chǔ)氣庫內(nèi)主要以超臨界態(tài)和溶解態(tài)兩種形式存在.CO2在水中溶解度隨儲(chǔ)層壓力增大而增大，在儲(chǔ)氣庫進(jìn)行調(diào)峰采氣階段，由于儲(chǔ)層壓力降低引起的溶解度降低導(dǎo)致部分溶解態(tài)CO2釋放為超臨界態(tài)，更好地維持了儲(chǔ)層內(nèi)的壓力；在調(diào)峰注氣儲(chǔ)存階段，部分CO2溶于邊水釋放一定的儲(chǔ)層空間用來存儲(chǔ)更多的天然氣，增大了儲(chǔ)層空間的有效利用率.同時(shí)，CO2在水中的這一溶解特性在儲(chǔ)氣庫的氣水邊界處起到了良好的調(diào)節(jié)作用，很好地穩(wěn)定了儲(chǔ)氣庫的工作區(qū)域.

分析圖10可知，在城市調(diào)峰的多周期注采過程中，超臨界態(tài)CO2有一定幅度減少，溶解態(tài)CO2則逐漸增多，CO2總量也小幅度減少，主要因?yàn)椴糠諧O2在水中鈣化沉積，另外，少量CO2墊層氣會(huì)沿蓋層裂縫、斷層或邊緣氣井等方式逃逸或滲流流失.因此，在儲(chǔ)氣庫的擴(kuò)容建庫和季節(jié)性城市調(diào)峰的穩(wěn)定運(yùn)行階段均應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)含氣區(qū)域儲(chǔ)層的工作狀態(tài)，以防氣體逃逸或者邊水侵入.

圖9　間歇注氣時(shí)氣水邊界運(yùn)移

Fig.9Migrationofgas-waterboundarywhengasinjectionatintervals

圖10　儲(chǔ)氣庫穩(wěn)定運(yùn)行50 a期間CO2儲(chǔ)量變化

Fig.10CurvesofCO2reservesovertimeduringstableoperation50aofUSG

圖11為儲(chǔ)氣庫穩(wěn)定調(diào)峰運(yùn)行50a后，儲(chǔ)氣庫某一采氣調(diào)峰階段結(jié)束后氣水邊界附近儲(chǔ)層內(nèi)的壓力分布.可以看出，儲(chǔ)氣庫經(jīng)過多周期的城市調(diào)峰和穩(wěn)定儲(chǔ)存后，計(jì)算區(qū)域內(nèi)儲(chǔ)層壓力分布逐漸平緩，儲(chǔ)層內(nèi)壓力的極大值出現(xiàn)在邊緣觀察井附近，此時(shí)計(jì)算區(qū)域內(nèi)儲(chǔ)層的最大壓差僅為1.69MPa，比建庫擴(kuò)容階段計(jì)算區(qū)域內(nèi)的儲(chǔ)層壓差明顯降低，這樣更加有利于儲(chǔ)氣庫進(jìn)行穩(wěn)定的城市調(diào)峰.

圖11　儲(chǔ)氣庫穩(wěn)定運(yùn)行50 a后氣水邊界附近儲(chǔ)層的壓力場(chǎng)

Fig.11Reservoirpressurefieldnearthegaswaterboundaryafterstableoperation50aofUGS

圖12為儲(chǔ)氣庫季節(jié)調(diào)峰周期內(nèi)某一采氣階段結(jié)束后氣水邊界附近墊層氣區(qū)CO2的濃度分布.可以看出，墊層氣區(qū)域內(nèi)CO2濃度峰值出現(xiàn)在井2附近，這是由于此處儲(chǔ)層厚度較大且井深較淺，形成小范圍內(nèi)CO2集聚氣頂，而在其余墊層氣區(qū)域，CO2均能夠穩(wěn)定地儲(chǔ)存在含氣儲(chǔ)層的邊緣，起到儲(chǔ)氣庫墊層與隔離邊水的作用.

圖12　儲(chǔ)氣庫穩(wěn)定運(yùn)行50 a后CO2縱向的飽和度分布

Fig.12LongitudinalsaturationdistributionsofCO2afterstableoperation50aofUGS

3結(jié)論

1)基于低滲透地下儲(chǔ)層中注CO2驅(qū)水的氣水運(yùn)移特性，建立了低滲透儲(chǔ)層孔隙-裂縫的雙重孔隙介質(zhì)模型，并以中原油田文23氣藏改建儲(chǔ)氣庫的地下儲(chǔ)層為研究對(duì)象，討論擴(kuò)容建庫時(shí)CO2墊層氣的注入方式對(duì)儲(chǔ)氣庫擴(kuò)容速率和氣水邊界的影響和季節(jié)調(diào)峰時(shí)氣水界面的運(yùn)移規(guī)律.

2) 擴(kuò)容建庫階段，連續(xù)性注CO2驅(qū)水?dāng)U容能快速地?cái)U(kuò)容、增大含氣區(qū)域面積，同時(shí)造成氣水邊界附近儲(chǔ)層壓力梯度較大，氣水界面運(yùn)移的穩(wěn)定性較差；間歇性注CO2驅(qū)水?dāng)U容雖然在一定程度上減緩了儲(chǔ)氣庫的擴(kuò)容速度，卻能有效地降低氣水邊界附近的儲(chǔ)層壓力梯度，大大提高氣水界面運(yùn)移的穩(wěn)定性.故在儲(chǔ)氣庫注氣驅(qū)水?dāng)U容建庫時(shí)，應(yīng)更多地采用間歇性注CO2驅(qū)水?dāng)U容的建庫方式.

3)季節(jié)調(diào)峰階段，注氣時(shí)部分超臨界態(tài)CO2溶于邊水，釋放出更多的儲(chǔ)層空間存儲(chǔ)天然氣，增大儲(chǔ)層空間的利用率；采氣時(shí)由于壓力降低，部分溶解態(tài)CO2釋放為超臨界狀態(tài)而增大墊層氣量，維持儲(chǔ)層工作壓力，很好地保持氣水邊界的穩(wěn)定.地下儲(chǔ)氣庫經(jīng)過多周期的季節(jié)性注采調(diào)峰后，墊層氣區(qū)儲(chǔ)層壓力場(chǎng)更加穩(wěn)定，飽和度分布也更加平穩(wěn)，大大增加了儲(chǔ)氣庫調(diào)峰運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性.

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(編輯　劉　彤)

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.08.026

收稿日期:2015-12-15

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51276048)

作者簡(jiǎn)介:牛傳凱(1985—)，男，博士研究生； 譚羽非(1962—)，女，教授，博士生導(dǎo)師

通信作者:牛傳凱，niuchuankai1228@163.com

中圖分類號(hào):TE822

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0367-6234(2016)08-0154-07

Stabilityanalysisofgas-waterinterfaceusingcarbondioxideascushiongasforgasstorageinlowpermeabilitygasreservoir

NIUChuankai，TANYufei

(SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150090，China)

Abstract:One of the key technique problems of reconstructing underground gas storage (UGS) using low permeability depleted gas reservoir is the stability of gas-water interface (GWC). To analyze the stable migration of GWC in gas storage reconstructed from low permeability gas reservoir using CO2 as part of the cushion gas during capacity expansion by gas injection and seasonal peak shaving of UGS, a dual-porosity numerical model was established based on the characteristics of low permeability micro fractured reservoir. Taking the reservoirs of Wen-23 gas storage reconstructed, the Zhongyuan Oilfield, as research objects, the effects of CO2 injection method on capacity expansion of UGS and migration behavior of GWC when peak shaving were simulated and discussed. The results showed that the method of continuously CO2 injection increased capacity expansion speed but reduced the stability of GWC and reservoir pressure field during capacity expansion. The method of CO2 injection at intervals reduced the rate of capacity expansion by 4.8% after 4 cycles, but could ensure stable migration of GWC and the stable of reservoir pressure field. Besides, the stability of GWC and reservoir pressure field were better ensured by the transformation between dissolved state and supercritical CO2 during seasonal peak shaving of USG, and the utilization of reservoir space were increased, simultaneously.

Keywords:low permeability gas reservoirs; UGS from depleted gas reservoirs; dual porosity media; multi well capacity expansion; CO2 cushion gas; gas-water interface control