含水層型地下儲(chǔ)氫庫(kù)墊層氣類型優(yōu)選及注采參數(shù)優(yōu)化

郝永卯，任 侃，崔傳智，吳忠維

（1中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

增加風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源的利用能夠減少二氧化碳排放和緩解氣候變化，從化石燃料向可再生能源的過(guò)渡被認(rèn)為是解決氣候問(wèn)題的最重要措施之一，風(fēng)能被認(rèn)為是化石燃料最可行的替代方案之一，也是電力的主要來(lái)源[1]。然而，風(fēng)能的季節(jié)性、地理限制以及每年變化的能源需求，導(dǎo)致可再生能源的過(guò)剩或短缺[2]，因此需要將儲(chǔ)能技術(shù)與電網(wǎng)系統(tǒng)相結(jié)合，把剩余能源通過(guò)電解水轉(zhuǎn)化為氫氣儲(chǔ)存在地下，以達(dá)到平衡能源缺口的目的。考慮到通過(guò)這個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的氫氣，需要非常大的介質(zhì)進(jìn)行儲(chǔ)存，一般選擇鹽穴[3]、枯竭油氣藏和含水層等進(jìn)行儲(chǔ)存，具體如圖1 所示[4]，其中，廣泛分布的含水層為安全、高效的長(zhǎng)期儲(chǔ)氫提供了可能性[5]，已有學(xué)者論證其儲(chǔ)存氫氣的可行性[6-9]。

圖1 地下儲(chǔ)氫的能源系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of an energy system for underground hydrogen storage

在儲(chǔ)氫庫(kù)周期注采實(shí)際操作中，為了維持一定的地層壓力、抑制地層水的流動(dòng)[10]，需要在注氣前注入一定量的墊層氣(如氮?dú)?、二氧化碳、甲烷?。Zamehrian 等[11]通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)氮?dú)?、甲烷和二氧化碳分別作為枯竭氣藏型儲(chǔ)氫庫(kù)墊層氣進(jìn)行比較，得出注入氮?dú)庾鳛閴|層氣能夠較高增加地層壓力，進(jìn)而提高氫氣的采出程度。Heinemann等[12]通過(guò)數(shù)值模擬得到，墊層氣與工作氣的比值主要取決于包括儲(chǔ)層深度、圈閉形狀和儲(chǔ)層滲透率等地質(zhì)參數(shù)。Sadeghi 等[13]采用機(jī)理模型數(shù)值模擬，研究了分子擴(kuò)散、儲(chǔ)層巖石物性對(duì)常規(guī)儲(chǔ)層中墊層氣與工作氣的混合影響，結(jié)果表明隨著儲(chǔ)層巖石縱向滲透率和壓縮性的增加，墊層氣與工作氣的混合量增加。Sadeghi 等[14]利用油藏?cái)?shù)值模擬軟件Eclipse E300 構(gòu)建裂縫儲(chǔ)層模型，對(duì)裂縫儲(chǔ)層墊層氣與工作氣之間的混合效應(yīng)進(jìn)行研究，得出在生產(chǎn)初期分子擴(kuò)散使得墊層氣擴(kuò)散到裂縫儲(chǔ)層的遠(yuǎn)端，提高早期生產(chǎn)時(shí)工作氣的純度；但在生產(chǎn)后期分子擴(kuò)散活躍，墊層氣很快到達(dá)井筒周圍，導(dǎo)致產(chǎn)生與早期截然不同的效果。

目前，關(guān)于含水層型儲(chǔ)氫庫(kù)墊層氣的研究基本為定性研究且研究頗少，本工作在數(shù)值模擬方法的基礎(chǔ)上，對(duì)墊層氣不同注入種類、不同組合、注入量、注入速度因素對(duì)氫氣采出程度的影響進(jìn)行分析，為含水層型儲(chǔ)氫庫(kù)墊層氣的優(yōu)選及注采參數(shù)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 含水層型儲(chǔ)氫庫(kù)模型建立

由于目前世界上沒(méi)有關(guān)于含水層中儲(chǔ)存純氫的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，僅有少數(shù)天然氣與氫氣混合儲(chǔ)存的現(xiàn)場(chǎng)案例[4-5]。因此本工作利用數(shù)值模擬技術(shù)研究了機(jī)理模型中墊層氣對(duì)于含水層型儲(chǔ)氫庫(kù)的影響。

1.1 模型描述

機(jī)理模型如圖2 所示，模型的網(wǎng)格設(shè)置為51×51×10，平面網(wǎng)格步長(zhǎng)為20 m，縱向網(wǎng)格步長(zhǎng)為5 m，總厚度為50 m，根據(jù)國(guó)外研究總結(jié)[15]和應(yīng)用分析[16]，設(shè)置模型頂深為800 m，此外，根據(jù)式(1)可求得地層壓力為8 MPa，模型中心設(shè)置一口注采井。根據(jù)國(guó)外對(duì)于含水層型儲(chǔ)氫庫(kù)的一般標(biāo)準(zhǔn)和要求[17]，設(shè)置模型的水平滲透率為100 × 10-3μm2，垂直滲透率為水平滲透率的0.3倍，孔隙度為0.20?；A(chǔ)模型數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 基礎(chǔ)模型參數(shù)Table 1 Base model parameter

圖2 機(jī)理模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of mechanism model

式中，Pp為地層壓力，MPa；Ph為靜液壓力，MPa，當(dāng)為正常地層壓力時(shí)，Pp=Ph；ρ為液體密度，kg/m3；g為重力加速度，取10 m/s2；h為液柱的垂直高度，m。

氣體的臨界壓力、臨界溫度、偏心因子、分子量、壓縮因子、臨界體積如表2 所示[18]，Peng-Robinson 狀態(tài)方程適用于氣液兩相平衡計(jì)算且在臨界狀態(tài)能夠得到較高的精度[19]，因此選用Peng-Robinson 狀態(tài)方程進(jìn)行模擬。根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局?jǐn)?shù)據(jù)[20]，得到在25 ℃的純水中，氫氣的擴(kuò)散系數(shù)為0.984×10-9m2/s。

表2 各氣體物理性質(zhì)對(duì)比Table 2 Comparison of physical properties of each gas

Peng-Robinson狀態(tài)方程計(jì)算公式：

式中，P為壓力，Pa；R為氣體常數(shù)，取8.314 J/(mol·K)；T為溫度，K；Vm為氣相的摩爾體積，m3/mol；a、b、c為方程參數(shù)；Tc為臨界溫度，K；Pc為臨界壓力，Pa；ω為偏心因子，無(wú)量綱；Tr為對(duì)應(yīng)溫度，無(wú)量綱。

同時(shí)，相滲數(shù)據(jù)可通過(guò)廣義Corey相對(duì)滲透率模型計(jì)算得出[21]，氣相相對(duì)滲透率和水相相對(duì)滲透率計(jì)算公式分別為氣相相對(duì)滲透率

水相相對(duì)滲透率

式中，krg為氣相相對(duì)滲透率；krw為水相相對(duì)滲透率；krgcw為束縛水對(duì)應(yīng)的氣相相對(duì)滲透率；krwgc為殘余氣對(duì)應(yīng)的水相相對(duì)滲透率；Sw為含水飽和度；Sgc為殘余氣飽和度，考慮氫氣殘余，取值0.2；Swc為束縛水飽和度，取值0.2；ng為計(jì)算氣相相對(duì)滲透率的參數(shù)，取值3；nw為計(jì)算水相相對(duì)滲透率的參數(shù)，取值2.5。

依據(jù)廣義Corey 相對(duì)滲透率模型，繪制的氣-水相對(duì)滲透率如圖3所示。

圖3 歸一化相對(duì)滲透率曲線Fig.3 Normalized relative permeability curve

1.2 儲(chǔ)氫庫(kù)運(yùn)行方案設(shè)計(jì)

在基礎(chǔ)模型中，考慮了5 年的注采周期循環(huán)，其中每個(gè)注采周期分別為注氣6個(gè)月，關(guān)井3個(gè)月，采氣3個(gè)月。設(shè)置注入氫氣速度為20000 m3/d，根據(jù)調(diào)峰和儲(chǔ)氫庫(kù)運(yùn)行管理要求，設(shè)定氣體采出量等于氣體注入量，因此采氣速度設(shè)置為40000 m3/d，此外，根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置儲(chǔ)氫庫(kù)的最小壓力限制為1.5 MPa。在考慮注入墊層氣方案中，先向儲(chǔ)庫(kù)中注入墊層氣6個(gè)月，注氣速度為20000 m3/d，接著關(guān)井8個(gè)月，待儲(chǔ)庫(kù)穩(wěn)定后開(kāi)始注采周期生產(chǎn)。

2 含水層型儲(chǔ)氫庫(kù)墊層氣優(yōu)選研究

在本部分，本文作者給出了基礎(chǔ)模型(無(wú)墊層氣注入)和不同墊層氣注氣方案的模擬結(jié)果，通過(guò)對(duì)比基礎(chǔ)模型和不同墊層氣注氣方案的計(jì)算結(jié)果，研究了注入墊層氣和墊層氣種類對(duì)含水層型地下儲(chǔ)氫庫(kù)的影響，進(jìn)而優(yōu)選出適合含水層型儲(chǔ)氫庫(kù)的墊層氣類型。

2.1 注入墊層氣對(duì)氫氣采出程度的影響

將基礎(chǔ)模型與不同墊層氣注氣方案進(jìn)行對(duì)比，可以認(rèn)識(shí)到墊層氣對(duì)于儲(chǔ)氫庫(kù)的重要性，同時(shí)可以對(duì)比不同類型的墊層氣對(duì)儲(chǔ)氫庫(kù)生產(chǎn)性能的影響，圖4為不同方案下地層平均壓力和注氣速度隨時(shí)間的變化情況，圖5為不同方案下采氣速度隨時(shí)間的變化情況。地層中注入墊層氣會(huì)導(dǎo)致地層氣體體積增加，由于模型為封閉邊界，因此地層氣體體積增加會(huì)導(dǎo)致地層壓力增加。從圖4 和圖5 可以看出，在氫氣注采周期中，地層平均壓力隨著氫氣的注入而增加，隨著氫氣的采出而降低。同時(shí)，和基礎(chǔ)模型(無(wú)墊層氣注入)相比，注入三種不同的墊層氣都能相應(yīng)提高地層平均壓力，進(jìn)而提高穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)間，在第一個(gè)注采周期結(jié)束后，有墊層氣注入的方案的穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)間相比于基礎(chǔ)模型提高了88%。由于氮?dú)夂图淄樵趦?chǔ)層熱力學(xué)條件下具有較高的氣體壓縮系數(shù)，因此使得地層平均壓力的變化大于二氧化碳作墊層氣的注入方案，在第一個(gè)注采周期尤為明顯。此外，墊層氣的注入也會(huì)抑制地層水的流動(dòng)，擴(kuò)大井筒周圍低含水飽和度區(qū)域(圖6)。

圖4 注入墊層氣對(duì)地層平均壓力和注氣速度的影響Fig.4 Effect of gas injection on formation average pressure and gas injection rate

圖5 注入墊層氣對(duì)采氣速度的影響Fig.5 Effect of injection cushion gas on gas withdrawal rate

圖6 第一周期注氣結(jié)束時(shí)含水飽和度對(duì)比(左：基礎(chǔ)模型，右：N2作墊層氣)Fig.6 Comparison of water saturation at the end of the first cycle gas injection (left: basic model; right:N2 as cushion gas)

考慮到地下儲(chǔ)氫庫(kù)的運(yùn)行成本，每個(gè)注采周期結(jié)束時(shí)的氫氣采出程度(累計(jì)采出量與累計(jì)注入量的比值)和累計(jì)采出氫氣的量是非常重要的。表3為不同方案下氫氣累計(jì)注入量及采出量對(duì)比。從表3可以看出，在第一周期循環(huán)結(jié)束后，墊層氣的注入提高了氫氣的采出量，并且甲烷和氮?dú)庾鳛閴|層氣方案時(shí)提高氫氣采出程度的效果更為明顯，同時(shí)甲烷方案略高于氮?dú)夥桨?。但是，在第五注采周期循環(huán)結(jié)束后，二氧化碳作為墊層氣方案的氫氣采出量較低，甚至低于基礎(chǔ)模型方案。結(jié)合捷克共和國(guó)Lobodice地區(qū)儲(chǔ)存煤氣的經(jīng)驗(yàn)[22]，分析得出二氧化碳注入后與氫氣發(fā)生甲烷化反應(yīng)，減少了儲(chǔ)氫庫(kù)中氫氣的含量。因此在實(shí)際工程實(shí)踐中，需要結(jié)合實(shí)際工程參數(shù)提前進(jìn)行諸多數(shù)值模擬研究，以期達(dá)到理想的生產(chǎn)狀況。

表3 不同方案下氫氣累計(jì)注入量及采出量對(duì)比Table 3 Comparison of cumulative hydrogen injection and withdrawal under different schemes

圖7為不同方案下每個(gè)注采周期結(jié)束時(shí)氫氣的采出程度，隨著注采周期的增加，不同方案的氫氣采出程度都有所提高。由于第一注采周期地層平均壓力較低，導(dǎo)致第一注采周期氫氣采出程度普遍較低。與氮?dú)夂投趸枷啾龋淄樽鳛閴|層氣方案時(shí)氫氣的采出程度和累計(jì)采出量都獲得了更為理想的結(jié)果。盡管氮?dú)庾鳛閴|層氣比甲烷作為墊層氣時(shí)地層平均壓力更高(圖4)，但是氫氣的采收程度卻低于甲烷作為墊層氣的方案，說(shuō)明墊層氣分子量對(duì)氫氣采出程度的影響程度大于壓力的影響。

圖7 每個(gè)周期不同方案的氫氣采出程度對(duì)比Fig.7 Comparison of hydrogen recovery of different schemes in each cycle

2.2 不同墊層氣組合優(yōu)選研究

在大多數(shù)情況下，非烴類氣體的混合物被用作儲(chǔ)氣庫(kù)或儲(chǔ)氫庫(kù)的墊層氣。本部分考慮三種氣體的組合，設(shè)計(jì)甲烷(50%)+二氧化碳(50%)、甲烷(50%)+氮?dú)?50%)和二氧化碳(50%)+氮?dú)?50%)共3 種對(duì)比模型。不同墊層氣組合對(duì)氫氣采出程度的影響見(jiàn)圖8。從三種純氣體作為墊層氣和三種混合氣體作為墊層氣結(jié)果來(lái)看，氫氣采出程度較好的依次是甲烷、甲烷+氮?dú)?、氮?dú)猓@與國(guó)外研究結(jié)果[23]認(rèn)為的儲(chǔ)氫庫(kù)氫氣的采出程度隨墊層氣分子量的增加而降低是一致的。

圖8 不同墊層氣組合對(duì)氫氣采出程度的影響Fig.8 Effect of different cushion gas combinations on hydrogen recovery

3 含水層型儲(chǔ)氫庫(kù)墊層氣注入量、注入速度優(yōu)化研究

含水層型儲(chǔ)氫庫(kù)的墊層氣需求一般大于枯竭油氣藏型儲(chǔ)氫庫(kù)，其需求甚至高達(dá)整個(gè)儲(chǔ)庫(kù)容積的80%[24]，因此為了提高氫氣采出程度、節(jié)約資本，有必要對(duì)墊層氣的注入量和注入速度進(jìn)行優(yōu)化研究。

3.1 墊層氣注入量對(duì)氫氣采出程度的影響

基于前文研究結(jié)果，本節(jié)工作選擇甲烷作為墊層氣進(jìn)行相關(guān)數(shù)值模擬研究。在最初甲烷作為墊層氣方案中，到第一個(gè)周期注氣結(jié)束時(shí)，所有注入到地層的氣體中甲烷的比例占50%。為了研究墊層氣注入量對(duì)氫氣采出程度的影響，本部分設(shè)計(jì)注入墊層氣時(shí)間分別為3 個(gè)月(注入量為1.8×106m3)和9 個(gè)月(注入量為5.4×106m3)兩種方案。不同墊層氣注入量對(duì)氫氣采出程度的影響見(jiàn)圖9。由圖9 可知，氫氣的采出程度隨墊層氣注入量的增加而增加，注入墊層氣時(shí)間為9個(gè)月方案中，增加墊層氣注入量將提高地層平均壓力，并將注采井周圍的地層水驅(qū)向更遠(yuǎn)，這兩個(gè)因素共同作用擴(kuò)大了水-氣界面范圍(圖10)，使得高含氣飽和度區(qū)域增加，即降低了儲(chǔ)氫庫(kù)中氫氣的重力偏析影響，從而提高氫氣的采出程度。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，可以結(jié)合經(jīng)濟(jì)情況適當(dāng)提高墊層氣的注入量，以期達(dá)到最佳的氫氣采出程度。

圖9 墊層氣注入量對(duì)氫氣采收程度的影響Fig.9 Effect of cushion gas injection volume on hydrogen recovery

圖10 不同墊層氣注入量注氣結(jié)束時(shí)含水飽和度剖面圖對(duì)比(左：注墊層氣3個(gè)月，右：注墊層氣9個(gè)月)Fig.10 Comparison of water saturation profiles at the end of cushion gas injection with different cushion gas volume (left: 3 months of cushion gas injection, right: 9 months of cushion gas injection)

3.2 墊層氣注入速度對(duì)氫氣采出程度的影響

為了研究墊層氣注入速度對(duì)氫氣采出程度的影響，本節(jié)工作利用甲烷含量為50%的原有機(jī)理模型，設(shè)計(jì)2 個(gè)月、4 個(gè)月、6 個(gè)月(原始方案)、8 個(gè)月、10個(gè)月內(nèi)注入相同量(改變墊層氣的注入速度)的甲烷總共5種方案。不同墊層氣注入速度對(duì)氫氣采出程度的影響如圖11 所示。由圖11 可知，氫氣采出程度與墊層氣的注入速度并非是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，在每一個(gè)周期中，注入墊層氣為4個(gè)月時(shí)氫氣采出程度最低；注入墊層氣為10 個(gè)月時(shí)氫氣采出程度最高。但是，更長(zhǎng)的墊層氣注入時(shí)間也就意味著更高的資金投入，因此在實(shí)際生產(chǎn)中可以結(jié)合經(jīng)濟(jì)情況與礦場(chǎng)數(shù)據(jù)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整墊層氣的注入速度，以期提高氫氣的采出程度。

圖11 不同墊層氣注入速度對(duì)氫氣采出程度的影響Fig.11 Effect of different cushion gas injection rates on hydrogen recovery

4 結(jié) 論

（1）在儲(chǔ)氫庫(kù)注采周期前注入墊層氣可以提高地層壓力、抑制地層水的流動(dòng)，二者共同作用降低重力偏析的影響，進(jìn)而提高氫氣的采出程度。

（2）隨著墊層氣分子量的增加，氫氣的采出程度逐漸降低。相較于氮?dú)夂投趸迹淄榫哂懈玫膲|層氣性能，明顯提高氫氣采出程度。

（3）隨著墊層氣注入量的增加，氫氣的采出程度也隨之增加。在實(shí)際生產(chǎn)中可結(jié)合經(jīng)濟(jì)情況，適當(dāng)?shù)靥岣邏|層氣的注入量。

（4）氫氣的采出程度與墊層氣的注入速度并非是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)結(jié)合經(jīng)濟(jì)情況和礦場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)注入速度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。