CN115059437B - 含多元杂质的co2提高枯竭气藏采收率及其有效封存的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种含多元杂质的CO2提高枯竭气藏采收率及其有效封存的方法，包括(1)形成低、中、高杂质浓度的CO2气体；(2)使用SRK状态方程计算的含杂质的CO2气体的相包络线；(3)建立枯竭气藏模型，获取气藏的生产历史数据；(4)利用数值模拟技术对不同参数条件下对枯竭气藏注CO2封存性能的各因素进行模拟计算，(5)通过比较模拟计算结果，分别明确不同因素对枯竭气藏注CO2封存性能的影响，分析各因素对于提高枯竭气藏碳封存性能的影响程度；(6)根据分析结果，明确含杂质的CO2提高枯竭气藏采收率的措施和方向。本发明有助于降低CO2的分离提纯成本，还有助于提高气藏采收率，可显著提高二氧化碳利用与封存的综合效益。
Description
技术领域
本发明属于碳捕集技术领域，具体涉及一种含多元杂质的CO2提高枯竭气藏采收率及其有效封存的方法。
背景技术
枯竭气藏中的碳捕集、利用和封存(CCUS)是减少二氧化碳排放的重要策略，而缺乏经济激励限制了其大规模应用。考虑到碳捕集和气体分离过程在CCUS的总体成本中占主导地位，为了降低成本并获得潜在的经济利益，将含有杂质(N2、O2、H2O、Ar、H2、H2S、SO2)的CO2应用于提高气藏采收率(CSEGR)以及二氧化碳封存，可以加速CCUS的大规模运用。
因此，CO2与杂质气体的共同注入是一种具有成本效益的CO2封存策略，从烟气中捕集的CO2是注入气的主要来源，其成分N2、O2、H2O、Ar、H2、H2S、SO2是潜在的杂质，将与CO2共同注入地下。因此，将含杂质气体(N2、O2、H2O、Ar、H2、H2S、SO2)的CO2注入枯竭气藏提高采收率对于降低总体成本和加速CCUS的实施具有极其重要的意义。
发明内容
本发明提出将含杂质的CO2注入枯竭气藏驱气提高采收率，同时实现CO2地质封存。CCUS技术的商业化运行过程中，降低成本提高综合效益是关键，因此探究将非纯CO2注入枯竭气藏，一方面有助于降低CO2的分离提纯成本，另一方面有助于提高气藏采收率，可显著提高二氧化碳利用与封存的综合效益。
具体技术方案为：
含多元杂质的CO2提高枯竭气藏采收率及其有效封存的方法，包括如下步骤：
(1)选取含有不同浓度杂质气体的CO2，注入三种不同浓度杂质的气体混合物，形成低、中、高杂质浓度的CO2气体；
(2)使用SRK状态方程计算的含杂质的CO2气体的相包络线；
(3)建立枯竭气藏模型，获取气藏的生产历史数据；
(4)利用数值模拟技术对不同参数条件下对枯竭气藏注CO2封存性能的各因素进行模拟计算；参数包括注入速率、初始采收率、采出气中杂质气体临界浓度；竭气藏注CO2封存性能的各因素包括CO2封存量、气藏中气体摩尔分数、CO2封存工期；
(5)通过比较模拟计算结果，分别明确不同注入速率、初始采收率、采出气中杂质气体临界浓度对枯竭气藏注CO2封存性能的影响，分析各因素对于提高枯竭气藏碳封存性能的影响程度；
(6)根据分析结果，明确含杂质的CO2提高枯竭气藏采收率的措施和方向。
作为进一步优选技术方案，步骤(1)中低、中、高杂质浓度的CO2气体，按照体积比，组成分别为：
96％CO2+1％N2+1％Ar+1％H2+0.5％H2S+0.5％SO2；
85％CO2+10％N2+2％O2+1％Ar+1％H2+0.5％H2S+0.5％SO2；
75％CO2+15％N2+3％O2+4％H2O+1％Ar+1％H2+0.5％H2S+0.5％SO2。
作为进一步优选技术方案，步骤(3)中建立枯竭气藏模型包括，获取或计算气藏模型中的长度、宽度和高度，储层孔隙度、水平渗透率和垂直渗透率、束缚水饱和度、井网注采方式。
作为进一步优选技术方案，步骤(4)中注入含杂质的CO2之前，先注入体积为5％～20％杂质气体的纯CO2(浓度>99.99％)，如果封存96％CO2+1％N2+1％Ar+1％H2+0.5％H2S+0.5％SO2，则提前注入5％的纯CO2，如果封存85％CO2+10％N2+2％O2+1％Ar+1％H2+0.5％H2S+0.5％SO2，则提前注入12％的纯CO2,如果封存75％CO2+15％N2+3％O2+4％H2O+1％Ar+1％H2+0.5％H2S+0.5％SO2，则提前注入20％的纯CO2。
在注入含杂质CO2之前，注入一定纯CO2的目的在于形成一个纯CO2段塞，减缓含杂质CO2与天然气混合。
作为进一步优选技术方案，步骤(4)中考虑不同注入速率的影响，保持其他参数不变，设定一系列注入速率，分析枯竭气藏CO2注入速率的变化对枯竭气藏CO2封存性能的影响，明确注入速率对封存性能的影响程度。
作为进一步优选技术方案，步骤(4)中考虑初始采收率的影响，保持其他参数不变，设定一系列初始采收率，分析枯竭气藏初始采收率的变化对枯竭气藏CO2封存性能的影响，明确初始采收率对封存性能的影响程度。
作为进一步优选技术方案，步骤(4)中考虑采出气中杂质气体临界浓度的影响，保持其他参数不变，设定一系列杂质气体临界浓度，分析杂质气体临界浓度的变化对枯竭气藏CO2封存性能的影响，明确杂质气体临界浓度对封存性能的影响程度。
本发明的第一目的就是提供一种含杂质的CO2注入枯竭气藏提高采收率的开采方法。为了降低成本并获得潜在的经济利益，采用含有杂质(N2、O2、H2O、Ar、H2、H2S、SO2)的CO2气体可以大幅度降低气体分离提纯的成本，同时选取枯竭气藏作为CO2封存场所，可以将杂质气体应用于提高枯竭气藏的气藏采收率(CSEGR)，最终获得更多经济效益。
本发明的第二目的在于在注入含杂质(N2、O2、H2O、Ar、H2、H2S、SO2)的CO2进行驱气及封存之前，注入5％～20％的纯CO2，用以隔离含杂质的CO2与天然气。
本发明的第三目的在于定义了一个综合指标来比较各种枯竭气藏注CO2方案中的性能优劣，该指数定义为：
式中：CCO2为CO2驱气及封存作业之后，气藏中的CO2浓度；ΔR为CO2驱气提高的气藏采收率；T为项目周期。项目周期即为一个项目从开展CO2驱气到封存结束所花费的时间。通过一系列数值模拟研究，能够有效指导或明确枯竭气藏注含杂质CO2提高采收率的开采方式，进而有助于气藏现场工程师在现场实施CSEGR的生产方案。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明提供的注杂质气体提高枯竭气藏采收率方法，既可以实现提高枯竭气藏采收率，又可以实现碳封存。由于CO2的捕集和提纯成本在CCUS过程中占据主导，因此采用非纯CO2可以大幅度降低气体分离成本，将非纯CO2注入枯竭气藏，可以提高气藏采收率，获得更多经济效益。
2)本发明可以系统性地分析注入速率、初始采收率、采出气中杂质气体临界浓度对枯竭气藏注CO2封存方案综合指标的影响，明确注CO2提高枯竭气藏采收率的主要因素，对于该过程的影响因素提供了更好的认识，可以为枯竭气藏碳封存提供有利的技术支持。
3)本发明在注入含杂质CO2之前，注入一定纯CO2，可以形成一个纯CO2段塞，减缓含杂质CO2与天然气混合，提升驱气提高采收率效果，并且降低采出气中的杂质浓度，从而降低采出气的杂质分离成本，获得更多经济效益。
4)本发明提供的综合指标用于评价比较各种枯竭气藏注CO2封存方案中的性能优劣，综合指标考虑了CO2封存库的利用效率，可以更好地评价与枯竭气藏提高采收率相关的CO2封存综合性能。
附图说明
图1为实施例中不同注入速率下的CO2封存量；
图2为实施例中驱气及封存结束之后储层气体中的CO2摩尔分数；
图3为实施例中不同注入速率下驱气及封存所需时间及提高的采收率；
图4为实施例中不同注入速率下的综合评价指数。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体技术方案。
含杂质的CO2提高枯竭气藏采收率的方法，包括如下步骤：
(1)选取含有不同浓度杂质气体的CO2，注入三种不同浓度杂质的气体混合物，形成低、中、高杂质浓度的CO2气体；低、中、高杂质浓度的CO2气体，按照体积比，组成分别为：
96％CO2+1％N2+1％Ar+1％H2+0.5％H2S+0.5％SO2；
85％CO2+10％N2+2％O2+1％Ar+1％H2+0.5％H2S+0.5％SO2；
75％CO2+15％N2+3％O2+4％H2O+1％Ar+1％H2+0.5％H2S+0.5％SO2。
(2)使用SRK状态方程计算的含杂质的CO2气体的相包络线；
(3)建立枯竭气藏模型，获取气藏的生产历史数据；建立枯竭气藏模型包括，获取或计算气藏模型中的长度、宽度和高度，储层孔隙度、水平渗透率和垂直渗透率、束缚水饱和度、井网注采方式。
(4)利用数值模拟技术对不同参数条件下对枯竭气藏注CO2封存性能的各因素进行模拟计算；参数包括注入速率、初始采收率、采出气中杂质气体临界浓度；竭气藏注CO2封存性能的各因素包括CO2封存量、气藏中气体摩尔分数、CO2封存工期；
具体的：
考虑不同注入速率的影响，保持其他参数不变，设定一系列注入速率，分析枯竭气藏CO2注入速率的变化对枯竭气藏CO2封存性能的影响，明确注入速率对封存性能的影响程度。
考虑初始采收率的影响，保持其他参数不变，设定一系列初始采收率，分析枯竭气藏初始采收率的变化对枯竭气藏CO2封存性能的影响，明确初始采收率对封存性能的影响程度。
考虑采出气中杂质气体临界浓度的影响，保持其他参数不变，设定一系列杂质气体临界浓度，分析杂质气体临界浓度的变化对枯竭气藏CO2封存性能的影响，明确杂质气体临界浓度对封存性能的影响程度。
(5)通过比较模拟计算结果，分别明确不同注入速率、初始采收率、采出气中杂质气体临界浓度对枯竭气藏注CO2封存性能的影响，分析各因素对于提高枯竭气藏碳封存性能的影响程度；
(6)根据分析结果，明确含杂质的CO2提高枯竭气藏采收率的措施和方向。
下面将以注入速率为例，对影响枯竭气藏注CO2封存性能的因素进行分析，通过比较CO2封存量、储层气体摩尔分数、注入工程工期和综合指标，给出注入速率的影响程度。
实施例：[注入速率的设计]
对于具有一定初始采收率(80％)的枯竭气藏。图1为不同注入速率下CSEGR的CO2封存量，由图1可以看出随着四种注入气体注入速率的增加，在EGR期间CO2封存量增加，在CCS期间CO2封存量减少。注入速率为4kg/s时，EGR过程中纯CO2、96％CO2、85％CO2、75％CO2这四种气体对应的CO2封存量分别为1.15、1.11、0.97和0.88Mt，驱气结束后实施CO2封存期间的封存量分别为1.91、1.83、1.59和1.35Mt，说明对于一定注入速率，EGR过程中CO2封存量随着杂质浓度增加而降低。
对于纯CO2而言，注入速率2kg/s、4kg/s、8kg/s对应的封存量分别为3.08Mt、3.06Mt、3.03Mt；
对于96％CO2+1％N2+1％Ar+1％H2+0.5％H2S+0.5％SO2而言，注入速率2kg/s、4kg/s、8kg/s对应的封存量分别为2.96Mt、2.94Mt、2.92Mt；
对于85％CO2+10％N2+2％O2+1％Ar+1％H2+0.5％H2S+0.5％SO2而言，注入速率2kg/s、4kg/s、8kg/s对应的封存量分别为2.58Mt、2.56Mt、2.55Mt；
对于75％CO2+15％N2+3％O2+4％H2O+1％Ar+1％H2+0.5％H2S+0.5％SO2而言，注入速率2kg/s、4kg/s、8kg/s对应的封存量分别为2.22Mt、2.23Mt、2.51Mt。可以看出，无论注入气体的成分如何，随着注入速率升高，总的封存量仅有略微降低。
图2为不同注入速率下CSEGR的储层气体中CO2的摩尔分数，由图2可以看出注入速率对储层中不同组分气体摩尔分数的影响很小。需要指出的是，储层气体中CO2的摩尔分数低于注入气体中CO2的浓度，这是由于储层中含有天然气，使得气相中CO2的浓度有所降低。
对于纯CO2而言，注入速率2kg/s、4kg/s、8kg/s对应气藏在驱气及封存之后，气藏气相中CO2摩尔分数分别为0.901、0.898、0.893；
对于96％CO2+1％N2+1％Ar+1％H2+0.5％H2S+0.5％SO2而言，注入速率2kg/s、4kg/s、8kg/s对应的气藏气相中CO2摩尔分数分别0.840、0.837、0.832；
对于85％CO2+10％N2+2％O2+1％Ar+1％H2+0.5％H2S+0.5％SO2而言，注入速率2kg/s、4kg/s、8kg/s对应的气藏气相中CO2摩尔分数分别为0.764、0.760、0.757；
对于75％CO2+15％N2+3％O2+4％H2O+1％Ar+1％H2+0.5％H2S+0.5％SO2而言，注入速率2kg/s、4kg/s、8kg/s对应的气藏气相中CO2摩尔分数分别为0.673、0.668、0.665。
可以看出，对于一定浓度的CO2而言，注入速率对于驱气及封存之后气藏中CO2的摩尔分数影响不大。
图3为不同注入速率下CSEGR的工程工期，由图3可以看出随着注入速率的增加，工程工期明显缩短，其中主要影响的是CO2的EGR时间，缩短工期从12.5年到5.3年不等。低注入速率(2kg/s)下四种气体对应的工程工期分别为19.6、18.4、16.8和14.0年，高注入速率(8kg/s)分别为7.0、9.5、8.1和5.6年。可以发现，采用高注入速率(8kg/s)进行CO2驱气及封存可以显著缩短工期。
图4为不同注入速率下CSEGR的综合指标，由图4可以看出通过比较，对于含有不同杂质浓度的CO2，注入速率为8kg/s的方案均具有最大的综合指数值，说明枯竭气藏注CO2方案中采用高注入速率的优越性。因此，建议对枯竭气藏注CO2使用更高的注入速率(8kg/s)。
Claims (6)
1.含多元杂质的CO2提高枯竭气藏采收率及其有效封存的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选取含有一定浓度杂质气体的CO2，杂质气体浓度分为高、低、中三个浓度；
步骤(1)中低、中、高杂质浓度的CO2气体，按照体积比，组成分别为：
96％CO2+1％N2+1％Ar+1％H2+0.5％H2S+0.5％SO2；
85％CO2+10％N2+2％O2+1％Ar+1％H2+0.5％H2S+0.5％SO2；
75％CO2+15％N2+3％O2+4％H2O+1％Ar+1％H2+0.5％H2S+0.5％SO2
(2)使用SRK状态方程计算含多元杂质的CO2气体的相包络线，明确其相态变化特征；
式中：P为体系压力，Pa；R为理想气体常数，8.314J/(mol·K)；T为体系温度，K；V为体系摩尔体积，m3/mol；a和b为状态方程系数；
(3)建立枯竭气藏模型，获取气藏的生产历史数据；
(4)利用数值模拟技术对不同参数条件下枯竭气藏注CO2封存性能的各因素进行模拟计算；枯竭气藏注CO2封存性能的各因素包括CO2封存量、气藏中气体摩尔分数、CO2封存工期；
步骤(4)中注入含杂质的CO2之前，先注入体积为5％～20％杂质气体的纯CO2，如果封存低杂质浓度的CO2气体，则提前注入5％的纯CO2，如果封存中杂质浓度的CO2气体，则提前注入12％的纯CO2，如果封存高杂质浓度的CO2气体，则提前注入20％的纯CO2；
(5)通过比较模拟计算结果，分别明确不同参数对枯竭气藏注CO2封存性能的影响，分析各因素对于提高枯竭气藏碳封存性能的影响程度；
(6)根据分析结果，明确含多元杂质的CO2提高枯竭气藏采收率的措施和方向；
通过一个指数来比较枯竭气藏注CO2方案的性能优劣，该指数定义为
式中，为CO2驱气及封存作业之后，气藏中的CO2浓度；ΔR为CO2驱气提高的气藏采收率；T为项目周期，即为一个项目从开展CO2驱气到封存结束所花费的时间。
2.根据权利要求1所述的含多元杂质的CO2提高枯竭气藏采收率及其有效封存的方法，其特征在于，步骤(3)中建立枯竭气藏模型包括，获取或计算气藏模型中的长度、宽度和高度，储层孔隙度、水平渗透率和垂直渗透率、束缚水饱和度、井网注采方式。
3.根据权利要求1所述的含多元杂质的CO2提高枯竭气藏采收率及其有效封存的方法，其特征在于，步骤(4)中所述的参数包括注入速率、初始采收率、采出气中杂质气体临界浓度。
4.根据权利要求3所述的含多元杂质的CO2提高枯竭气藏采收率及其有效封存的方法，其特征在于，步骤(4)中考虑不同注入速率的影响，保持其他参数不变，设定一系列注入速率，分析枯竭气藏CO2注入速率的变化对枯竭气藏CO2封存性能的影响，明确注入速率对封存性能的影响程度。
5.根据权利要求3所述的含多元杂质的CO2提高枯竭气藏采收率及其有效封存的方法，其特征在于，步骤(4)中考虑初始采收率的影响，保持其他参数不变，设定一系列初始采收率，分析枯竭气藏初始采收率的变化对枯竭气藏CO2封存性能的影响，明确初始采收率对封存性能的影响程度。
6.根据权利要求3所述的含多元杂质的CO2提高枯竭气藏采收率及其有效封存的方法，其特征在于，步骤(4)中考虑采出气中杂质气体临界浓度的影响，保持其他参数不变，设定一系列杂质气体临界浓度，分析杂质气体临界浓度的变化对枯竭气藏CO2封存性能的影响，明确杂质气体临界浓度对封存性能的影响程度。
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