多孔介质内超临界CO2驱替CH4相行为及渗流特性研究

The phase behavior and flow characteristics of CH4 displacement by supercritical CO2 in porous media are vital to CO2 enhanced natural gas recovery. This proposal will focus on the gas displacement characteristics and storage mechanism, research the X-ray CT image visualization analysis method to identify the pore distribution and fluid flow in porous media. The fractal model will be applied to precisely describe the pore distribution, connectivity, permeability and tortuosity, and its influence on displacement and storage process. Based on CO2 and CH4 density and interface changes in the process of diffusion, density distribution and interaction in the interface will be researched combined with the improved PC - SAFT model and density gradient theory. Study the dynamic distribution of each component in the displacement visually to ascertain the transition zone and miscibility rate characteristics and the phase behavior and variation trends of mixed system. Analysis of convection, diffusion, dispersion characteristics and the main control factors in each stage of the displacement process will clarify the mechanism of CO2 enhanced gas recovery and stable storage. The numerical simulation method about CO2 and CH4 phase characteristics description and transition zone tracking will be introduced to establish the CO2 displacement flow model in porous media, which will reveal CO2 displacement mechanism, seepage law and storage mechanism, and provide theoretical guidance for improving the gas recovery factor and CO2 storage.

多孔介质内超临界CO2驱替CH4相行为及渗流特性，对CO2强化天然气开采具有重要意义。本项目重点针对强化采气过程中的驱替特性及封存机理，研究有效识别多孔介质及其孔隙中流体分布的X-CT图像可视化分析方法，应用分形方法阐明孔隙分布、连通性、渗透率以及迂曲度等特性，及其对驱替、封存过程的影响；捕捉CO2、CH4扩散过程中的密度、界面变化，结合改进的PC-SAFT模型和密度梯度理论研究界面密度分布、界面作用；可视化分析驱替过程中各组分的动态分布，探明CO2、CH4过渡带、混溶速率变化特征，研究混合体系相行为及变化趋势，分析驱替过程中对流、扩散、弥散特性及各阶段的主控因素，阐明CO2强化采气以及稳定埋存的机理；研究CO2、CH4相态特征描述、过渡带跟踪数值模拟方法，建立多孔介质中CO2驱替CH4的流动模型，揭示CO2驱替机理、渗流规律以及封存机制，为提高天然气采收率以及CO2封存提供理论指导。

多孔介质内超临界CO2驱替CH4相行为及渗流特性，对CO2强化天然气开采具有重要意义。本项目基于磁悬浮天平搭建了高精度气体密度实验系统，对气藏地质条件下的CO2–CH4二元体系密度进行了系统性测量，获得了CO2–CH4二元体系的密度数据。在CO2浓度较高时，二元体系密度在临界区附近存在剧烈变化。改进了PR及PC-SAFT方程，提高了PR及PC-SAFT方程对CO2–CH4二元体系密度预测的精度。应用基于CT的多孔介质内CO2–CH4驱替可视化及弥散原位测量系统，获取了填砂岩心的孔隙结构及孔隙度分布，随着粒径减小，孔隙度沿轴向波动变小，更为均质。可视化描述了填砂岩心内液态及超临界态CO2驱替CH4弥散过程，证明了驱替过程无明显相界面，证实该过程为混相驱替过程，并原位获取了混相驱替过程中的弥散系数，分析发现进出口效应会增大弥散系数14%~29%，探明了残余水溶解CO2进而抑制弥散作用的影响机制。采用不同粒径填砂岩心，模拟气藏温压条件以及不同注入流速进行实验，研究温度、压力、流速对弥散的影响，发现重力效应会促进横向弥散，抑制纵向弥散。对于纵向弥散，在超临界之前压力促进弥散，在超临界状态下，压力抑制纵向弥散；流速越大，弥散作用越强；多孔介质非均质性会造成较大的弥散；天然气中含有CO2杂质时，密度及粘度趋于CO2，进而会增大弥散作用。构建了均质与非均质气藏模型，开展CO2–CH4混相驱替模拟研究，探明了地质条件下气藏内CO2与天然气之间的混相驱替规律。气藏尺度验证了重力效应抑制纵向驱替弥散的作用机理，分析了不同开采时期CO2注入效果，为CO2–EGR的实施提供了理论指导。