——以中国南方XC气藏为例

摘　要：在含CO2的天然气藏中实施CO2长期稳定埋存并提高天然气采收率，实现CO2的规模化综合利用，具有重大的现实意义。为此，以一个真实的含CO2浅层废弃气藏为埋存靶场，运用数值模拟方法，设计了纵向非均质气藏剖面模型，用于研究气藏储层在正韵律、反韵律以及复合韵律条件下气体运移对超临界CO2稳定埋存的影响，并重点研究了重力分异和地层非均质性条件下的流体运移规律。结果表明：不同韵律剖面模型在注超临界CO2埋存及开采剩余天然气过程中，作为反韵律的目标气藏注超临界CO2埋存过程在生产井突破最晚，吸入的超临界CO2量最大，天然气累计采出量最多，其超临界CO2埋存潜力相对最大；重力分异可引起超临界CO2与天然气之间产生非平衡态相的分离，天然气向气藏高部位运移，CO2最终趋向于形成“超临界CO2垫气”，可以很稳定地沉积在气藏下部形成“垫气”埋存。该成果为实现CO2减排、降低CO2：捕集与埋存技术(CCS)成本提供了技术支撑。

关键词：二氧化碳  埋存  提高天然气采收率  重力分异  非均质性  反韵律  超临界  垫气

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捕集与埋存技术(Carbon Dioxide Capture and Storage，简称CCS)是实现CO2减排的首选技术之一^[1]，但成本高昂^[1-2]。真正意义上获得全球公认的3例大型的工业CCS项目是：①将CO2埋存在油气层下部盐水层的Sleipner-Snjhvit项目；②与CO2-EOR相结合的Weybrn项目；③在含CO2的低丰度天然气层中埋存CO2的In Salah项目^[2-3]。它们均属于CO2地质埋存同时结合石油天然气开发的项目，其目的是通过规模化综合利用来降低CO2地质埋存的成本。其中In Salah项目在2009年成为CSLF(碳收集领导入论坛)赞助的全球30个CCS项目之一，是CSLF认证的全球3个CO2埋存检测示范点之一。In Salah气田储量2149×10⁸m³，产干气和少量轻质油，部分气藏产CO2，CO2含量5％～l0％。CO2埋存层位是Krechba气层，为石炭系低渗透砂岩边水、干气藏，且富含CO2。气层厚度20m，孔隙度10％～18％，平均渗透率10mD，CO2埋藏深度为地下1850～1950m。为了在采气的同时实施CO2埋存，项目总投资27亿美元。2004年—2011年，气田进行了大规模天然气开采和CO2地质埋存，回注CO2速度约100×10⁴t／a。图1给出2009年In Salah气田Krechba气层CO2埋存的运移卫星遥感图显示，经过5年大剂量的CO2注入后，Krechba气层的CO2扩散仍比较均匀，在生产井未见CO2突破。结合已经公开的成果可知，该项目到目前埋存是成功的^[2-7]。

由此实例可知，含CO2的天然气藏是最适合通过主动注入大量CO2实现CO2地下封存的靶场之一^[1-2，8-9]。而在气藏中实施CO2长期稳定埋存与提高天然气采收率(CO2 Sequestration with Enhanced Gas Recovery，简称CSEGR)相结合，就可实现CO2的规模化综合利用，降低CCS的成本^[10-11]。我国海上以及松辽平原已发现许多富含CO2的气田，这无疑具有很大的潜力。

笔者以一个真实的含CO2天然气藏为埋存靶场，运用数值模拟方法，研究了气藏超临界CO2埋存过程中气体运移与同时提高天然气采收率的机理，主要研究了地层韵律和重力分异对流体运移的影响。韵律和重力分异可引起超临界CO2与天然气之间产生非平衡态相的分离，为了分析在实际气藏超临界CO2驱气过程中，相的分离和重力分异作用对在气藏下部形成超临界CO2“垫气”的影响，以及纵向上超临界CO2和天然气之间过渡带的形成方式，设计和分析了不同韵律气藏剖面模型来研究气藏储层条件下超临界CO2的稳定埋存及驱气效果。

1　目标气藏及剖面模型简化

该气藏储层为河流相沉积，以砂岩为主，地层温度35℃，平均地层压力10MPa。气藏主要含气集中在埋深约为1000m之处。气藏上下部均有渗透率孔隙度极低的致密盖层，气密性适宜作为CO2埋存靶场。气藏剖面模型为一背斜构造模型(图2)。X方向为3000m，划分为120个网格；2方向分为115m，划分为12层，其中最上两层为致密盖层，最下两层为致密隔层，中间的气层分为8个小层。该气藏为反韵律储层。储层束缚水饱和度为30％，注采井组设计是在提取的反韵律模型中，两端低部位分别设计1口CO2注气井，注气井均只打开产层的下1／4井段；在地层剖面模型的中间高点上设计l口采气井，只打开气层的上1／4井段采气。

注气方案分为两个阶段。第一阶段为注超临界CO2埋存同时提高天然气采收率的驱替阶段，当采气井井流物中CO2摩尔百分数达到l0％时，采气井关井停止天然气开采，同时注气井组停止超临界CO2注入。第二阶段为超临界CO2永久埋存阶段，即在气藏注气井和采气井关闭后，模拟气藏继续实施超临界CO2埋存100年以上。在实施整个方案的115年中，重点研究CO2的埋存状态，气藏剩余天然气的采出程度，CO2突破情况，以及超临界CO2天然气过渡带是否能保持相对稳定。

2　储层韵律对超临界CO2埋存稳定性及驱气效果的影响

为了了解反韵律目标气藏对超临界CO2稳定埋存及驱气效果的影响程度，首先设定和分析了正韵律地层、反韵律地层以及复合韵律地层3种气藏剖面模型计算得到的超临界CO2埋存及驱气效果。

2．1　地层平均压力随埋存时间变化程度对比

图3给出了在剖面模型两端底部注气，中间顶部采气的相同注采对应关系下，3种气藏剖面模型超临界CO2驱气及埋存整个过程(约115年)中地层平均压力随时间的变化对比曲线。预测结果显示，在相同关井条件下(生产井采出天然气中CO2摩尔百分含量达到l0％时关闭生产井)，正韵律地层可连续保持8年的超临界CO2注入和天然气的开采，反韵律地层可连续保持l0年的超临界CO2注入和天然气的开采，而复合韵律地层介于两者之间，保持在9年左右。由此可知，在剖面模型两端底部注气，中间顶部采气的相同注采对应关系下，反韵律地层超临界CO2在采气井突破后达到l0％的CO2含量的时间最晚，天然气采出程度最高，埋存潜力最大；而且反韵律地层在超临界CO2停止注入后持续封存过程中，地层压力的上升幅度最小。根据超临界CO2—天然气体系相态特征研究结果^[8-11]，相同地层条件下，等质量数的超临界CO2—天然气混合物其体积要比高密度的超临界CO2的大。可知反韵律地层中，剩余天然气扩散弥散引起的超临界CO2体积膨胀的程度相对最低，最有利于超临界CO2的稳定埋存。

2．2　注超临界CO2驱采出气中CO2摩尔百分含量对比

图4给出3种不同剖面模型超临界CO2驱天然气采出气中CO2摩尔百分含量变化的对比。由图4可知，正韵律地层注超临界CO2驱替天然气突破最早，这是由于正韵律地层下部气层的渗透率大，加之超临界CO2密度明显大于天然气密度，导致超临界CO2优先倾向于向地层底部运移，然后再沿纵向向上运移，从而导致超临界CO2较快在生产井突破的原因；而采气井近井地带的天然气倾向于向地层上部运移，地层中天然气的运移方向与超临界CO2相同。因此，虽然超临界CO2在地层中基本保持均匀推进，但由于天然气的采出，不可避免地产生了超临界CO2气锥。反韵律地层中，受超临界CO2与天然气密度差引起的重力分异作用影响，整体上超临界CO2倾向于向地层背斜底部运移，而天然气倾向于向地层背斜上部运移，超临界CO2前缘推进较为均匀，气体运移对超临界CO2天然气过渡带的扰动较小，在生产井底部不产生超临界CO2气锥，因此超临界CO2在生产井的突破最晚。复合韵律剖面中，超临界CO2带整体表现为非均质指进，超临界CO2主要优先沿高渗层窜流，但总体上超临界CO2倾向于向地层底部运移，超临界CO2在埋存同时向采气井运移推挤驱替天然气，除了采气井近井地带的天然气倾向于向地层上部运移外，地层中天然气的运移方向与超临界CO2相同，这会加剧超临界CO2与天然气的混合，对超临界CO2天然气过渡带的扰动较大。由于天然气的采出，也不可避免地产生超临界CO2气锥，但由于超临界CO2的气窜主要发生在高渗层，因此气藏底部产生的超临界CO2气锥比正韵律地层小。因此突破也略晚。

在超临界CO2总注入速度和天然气总开采速度相同的条件下，生产井超临界CO2驱替天然气阶段的收效时间长短决定了地层天然气累计采出程度的高低。图5给出的天然气累计采出程度曲线也证明了上述观点。因此所选取的反韵律目标气藏实施超临界CO2埋存的同时降压驱替天然气的效果是相对最好的。

3　目标气藏注超临界CO2驱气及埋存过程的模拟

由于CO2永久埋存必须考虑CO2是否会大量运移至地层上部而产生泄露的风险，故须研究所选反韵律目标气藏超临界CO2驱气及埋存全过程中天然气和CO2的运移规律。

3．1　第一阶段：注超临界CO2驱天然气开采阶段

图6给出了目标气藏剖面模型超临界CO2埋存及驱替天然气初期，CO2摩尔百分含量及地层流体渗流的流线分布。图中流线方向显示，反韵律地层中，超临界CO2从2口注气井下部注入后，受渗透率反韵律影响，先是沿近井区地层向上部流动，然后在密度流和重力分异作用下，沿水平和下倾方向向气藏中部和下部运移，而天然气被驱向气藏中部和上部。超临界CO2前缘推进较为均匀，气体对流扩散运移对超临界CO2  天然气过渡带的扰动较小，而储层非均质影响较大，上部高渗层中超临界CO2弥散和渗流快，重力舌进现象较强，过渡带宽度大于下部低渗层。

3．2　第二阶段：超临界CO2永久埋存阶段

图7给出了目标气藏剖面模型超临界CO2停止注入并关井约l05年后反韵律地层中，超临界CO2与天然气运移分布情况。剩余天然气主要集中在地层中部，超临界CO2则集中在气藏两侧的边翼部。流线方向显示，超临界CO2趋于向气藏下部运移，而天然气趋于向上部运移，但在超临界CO2与天然气的接触前缘，超临界CO2和天然气的自发扩散和对流很弱。此运移行为类似于使用CO2作为“垫气”的天然气储气库，地层中的天然气和“CO2垫气”都能维持足够的稳定性^[12-14]。在105年时序中，超临界CO2带与天然气带之间，受纵向上重力分异对流扩散的影响，超临界CO2运移到地层的下部重新形成连续的垫气带，天然气则运移到气藏的上部形成气顶，中上部则形成一定厚度的过渡带。由此可以看出，在气藏满足超临界CO2的温度和压力条件下，反韵律气藏中超临界CO2最终沉积在储层下部，地层上部CO2含量少，泄露风险较低。

4　结论

基于真实气藏模型的数值模拟结果显示，利用浅层废弃天然气藏实施超临界CO2稳定埋存技术上可行。

不同韵律剖而模型在注超临界CO2埋存及开采剩余天然气过程中，对于反韵律的目标气藏，CO2在生产井中突破最晚，储层吸入的超临界CO2量最大，剩余天然气累计采出量最多，超临界CO2埋存潜力相对最大。

在重力分异作用下，总体上超临界CO2向气藏下部聚集，而天然气向气藏高部位运移，最终趋向于形成“超临界CO2垫气”。在超临界CO2长时间封存阶段，当重力分异作用使超临界CO2垫气带达到稳定状态后，过渡带中对流扩散相对减弱，超临界CO2可以较“安静”地沉积在气藏下部作为“垫气”而处于相对稳定的埋存状态。

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本文作者：孙扬  崔飞飞  孙雷  杜志敏  汤勇

作者单位：西南石油大学

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