CO2作垫层气的枯竭气藏型储气库混气机理及最优运行控制研究

Natural gas is a kind of national strategic resource, and underground gas storage is significant for the guarantee of national economic development and national energy security. There should be some cushion gas to ensure the normal operation of the gas storage, the volume of cushion gas generally accounted for 30% to 70% of the gas storage. In the world, the cushion gas mostly is natural gas. But when the gas storage is abandoned, a considerable number of cushion gas can not be mined which will lead to a large number of aggradations cost. It’s befitting to choose the CO2 as a kind of cushion gas. Injecting the CO2 into the gas or oil reservoir, it can not only save the aggradations cost, but also can alleviate the greenhouse effect. However, there is a little study for CO2 storage as cushion gas, especially the mixed mechanism between cushion gas and the CO2 movement laws during the running process of the gas storage. Based on experiment and numerical simulation, the main research content is as follows. Exploring the mixed mechanism between cushion gas and working gas, as well as adsorption, diffusion and percolation; Studying on the reaction mechanism of gas-liquid-solid and the change rule of the gas storage capacity, establishes the mathematical model which involved adsorption, diffusion and coupling; Optimization of gas storage operation scheme, to ensure the safe and efficient operation of the gas storage.

天然气是国家战略性资源，天然气地下储气库对于保证国民经济发展及国家能源安全具有重要的战略意义。储气库需要一定的垫层气保证气库正常运行，垫层气量一般占气库总量的30～70%。世界上储气库大多采用天然气作垫层气，但垫层气不能开采出来而白白浪费。CO2是理想的天然气地下储气库垫层气，将CO2直接注入到枯竭气藏中, 既可节省沉积资金，又可实现碳的隔离储存，缓解温室效应。然而，目前专门针对CO2埋存作为垫层气的研究较少，特别是气库运行过程中CO2与天然气混气机理、扩容机理等还缺乏深入研究。本项目基于实验和数值模拟的方法，旨在探索垫层气与工作气的混气机理，吸附、扩散渗流机理，气液、气气互驱渗流特征，研究气-液-固反应机理及库容变化规律，建立综合考虑吸附、扩散的气液固三相耦合的数学模型，并将最终成果应用于工程实践，实现气库的最优运行控制，保证气库安全高效运行。

利用CO2代替部分天然气作为储气库的垫层气，既可以实现碳的地质埋存，缓解温室效应，又可以节约大量的天然气，具有良好的环境效益和经济效益。在广泛调研国内外以CO2作垫层气的天然气地下储气库文献的基础上，为深入研究CO2与天然气混气机理，吸附、扩散渗流机理及储气库最优运行控制，本课题进行了如下方面的研究。.理论方面，通过对CO2及CH4热力学性质、临界态性质研究，由于储气库的运行压力基本都处于CO2临界压力附近，CO2的超临界特性使得不易与CH4混合。根据CO2作垫层气的渗流机理与扩散机理，建立了渗流扩散数学模型，并编制了数值模拟器。.实验方面，开展了CO2作垫层气的储罐模型混气实验、填砂容器混气实验及多次注采实验、CO2-水-岩石相互作用实验。实验表明，在CO2临界点附近，CO2和CH4呈现出上下分层的状态而非趋于混合。在储气库温度压力系统范围内，CO2和天然气性质差别较大，注入CO2作垫层气，在储气库内形成工作气、CO2-天然气混合带、垫层气CO2几个区带，且在运行过程中分布较为稳定；经过反复强注气-强采气过程，垫层气与天然气混气带厚度会有所增加，采出气中CO2含量有所上升，但能控制在合理的范围内。CO2-水对储气库岩石的溶蚀作用有助于气库的扩容。.物理模拟与数值模拟相结合，利用数值模拟软件对混气实验和多次注采实验、长岩心驱替实验进行拟合，研究了CO2驱替天然气的渗流和混气特征。建立机理模型，分析了储气库温压、物性、工作机制等因素对垫层气与天然气混合的影响。其中，最主要的影响因素为储气库的运行压力、建库时垫层气的注入方式和注入部位及储气库运行时的工作制度。.在工程应用方面，应用刘庄储气库地质模型，根据城镇燃气月度负荷的特点，研究不同生产运行参数对产气纯度、混合带厚度的影响，最终制定合理的工作制度。研究表明实际储气库优化运行能将工作气与垫层气的混合带控制在合理的范围，可以满足城镇的燃气调峰需要，同时地下工作气与垫层气的混合带控制在合理的范围。