CN115983734A - 考虑co2作为垫气的枯竭气藏储气库库容评价模型及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑CO2作为垫气的枯竭气藏储气库库容评价模型及方法，所述方法包括以下步骤：S1：建立权利要求1所述的考虑CO2作为垫气的枯竭气藏储气库库容评价模型；S2：根据目标枯竭气藏的地质、测试以及生产资料，获取所述枯竭气藏储气库库容评价模型中的物性参数；S3：根据目标枯竭气藏的物性，对所述枯竭气藏储气库库容评价模型中的变量参数进行计算；S4：将步骤S2和步骤S3获得的参数代入步骤S1所述的考虑CO2作垫气的枯竭气藏储气库潜力评价模型中，并以此计算目标枯竭气藏改建为储气库的库容。本发明能够考虑在CO2作垫气以及水溶气的条件下对枯竭气藏储气库库容进行快速有效评价，为地下储气库设计和生产运行优化提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及油田开发技术领域，特别涉及一种考虑CO2作为垫气的枯竭气藏储气库库容评价模型及方法。
背景技术
地下储气库是集季节性调峰、应急供气、国家能源战略储备于一体的能源基础设施。随着天然气消费量的快速增长，储气能力不足与天然气安全稳定供应的矛盾进一步加剧，在设计地下储气库时，储气库的储气量是设计工程师们考虑的关键因素，库容量是衡量储气库性能的重要指标。实时核算地下储气库的存储容量并确定不同压力下的工作气量非常重要。
与发达国家相比，我国储气库的基础建设相对滞后，且储备能力不足，与目前我国对天然气消费需求的快速增长不匹配，制约着我国天然气安全稳定供应。枯竭气藏是国内建设地下储气库的最常用和最经济的形式，储气库仍然以原生的天然气作为垫气。以廉价的CO2代替宝贵的天然气垫气，不仅降低了天然气的损耗，也达到了碳封存的目的，建设CO2作垫气的储气库一方面实现了减碳，另一方面提高了低碳能源的利用率。与原生垫气、N2相比，CO2具有较强的压缩性，提高枯竭气藏CO2储存能力和增强天然气采出过程中的天然气采收率；CO2相较于原生垫气、N2在地层水中还具有较强的溶解能力，一方面实现大量碳封存，另一方面垫气溶解能够为储气库提供更多的库容，采出过程析出大量的CO2又能提供能量。在生产过程中，垫层气对保持合适的储层压力和稳定的生产作业至关重要。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种考虑CO2作为垫气的枯竭气藏储气库库容评价模型及方法，以快速有效地对CO2作储气库垫气的枯竭气藏进行储气库库容评价。
本发明的技术方案如下：
一方面，提供一种考虑CO2作为垫气的枯竭气藏储气库库容评价模型，所述模型用于对枯竭气藏储气库进行库容评价，且所述枯竭气藏储气库以CO2作为垫气，所述模型为：
式中：Vinj、Vi、Vw_p分别为标况条件下注入的天然气体积、地层原始含烃体积、累计产水量，m3；
p、pi、pdep、psc分别为地层压力、原始地层压力、枯竭地层压力、标况压力，MPa；
a为排除水侵部分的天然气占据含气孔隙空间的比例，无因次；
ceff为有效压缩系数，MPa-1；
Bw、Bw_dep、Bwi分别为注入过程中的地层水体积系数、枯竭气藏状态下地层水体积系数、原始地层状态下的地层水体积系数，无因次；
We、We_dep分别为注入过程中的水侵量、枯竭气藏状态下水侵量，m3；
ZH、Zdep、Zsc分别为现地层条件、枯竭地层条件、标况条件的天然气偏差因子，无因次；
T、Tdep、Tsc分别为地层温度、枯竭地层温度、标况温度，K；
RH、RH_dep分别为注入过程中的天然气溶解度、枯竭气藏状态下天然气溶解度，m3/m3。
另一方面，还提供一种考虑CO2作为垫气的枯竭气藏储气库库容评价方法，包括以下步骤：
S1：建立上述所述的考虑CO2作为垫气的枯竭气藏储气库库容评价模型；
S2：根据目标枯竭气藏的地质、测试以及生产资料，获取所述枯竭气藏储气库库容评价模型中的物性参数；
S3：根据目标枯竭气藏的物性，对所述枯竭气藏储气库库容评价模型中的变量参数进行计算；
S4：将步骤S2和步骤S3获得的参数代入步骤S1所述的考虑CO2作垫气的枯竭气藏储气库潜力评价模型中，并以此计算目标枯竭气藏改建为储气库的库容。
作为优选，步骤S2中，所述物性参数包括原始地质储量、含水饱和度、水体大小、枯竭地层温度、枯竭地层压力、枯竭状态下的地层水侵量、累计产水量、气体组成成分以及地层水矿化度。
作为优选，步骤S3中，所述变量参数包括地层水体积系数、天然气偏差因子、CO2偏差因子、天然气溶解度、CO2溶解度。
作为优选，所述地层水体积系数通过下式进行计算：
式中：ΔVwp、ΔVwT分别为地层水体积系数压力修正项、地层水体积系数温度修正项，无因次。
作为优选，所述天然气偏差因子通过下式进行计算：
式中：Z为偏差因子，无因次；Tpr、ppr分别为视对比温度、视对比压力，无因次；ρpr为特别定义的对比密度，无因次；ppc为视临界压力，MPa；Tpc为视临界温度，K。
作为优选，计算所述CO2偏差因子时，需要对CO2视临界温度和视临界压力进行修正，修正的具体方法为：
式中：T'pc为修正后的视临界温度，K；yCO2为CO2摩尔分数，无因次；p'pc为修正后的视临界压力，MPa。
作为优选，所述天然气溶解度通过下式进行计算：
式中：T为温度，℃；m为地层水矿化度，g/L。
作为优选，所述CO2溶解度通过下式进行计算：
式中：RCO2为CO2溶解度，m3/m3。
本发明的有益效果是：
本发明能够在考虑CO2作垫气以及水溶气的条件下对枯竭气藏储气库库容进行快速有效评价，为地下储气库设计和生产运行优化提供技术支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为CO2作垫气的储气库CO2注入阶段以及天然气注入阶段示意图；
图2为注入过程中气体分布示意图；
图3为一个具体实施例CO2垫气量为15000×104m3条件下的天然气注入量以及地层压力变化示意图；
图4为一个具体实施例CO2垫气量为20000×104m3条件下的天然气注入量以及地层压力变化示意图；
图5为一个具体实施例CO2垫气量为25000×104m3条件下的天然气注入量以及地层压力变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
一方面，本发明提供一种考虑CO2作为垫气的枯竭气藏储气库库容评价模型，所述模型用于对枯竭气藏储气库进行库容评价，且所述枯竭气藏储气库以CO2作为垫气，所述模型为：
式中：Vinj、Vi、Vw_p分别为标况条件下注入的天然气体积、地层原始含烃体积、累计产水量，m3；
p、pi、pdep、psc分别为地层压力、原始地层压力、枯竭地层压力、标况压力，MPa；
a为排除水侵部分的天然气占据含气孔隙空间的比例，无因次；
ceff为有效压缩系数，MPa-1；
Bw、Bw_dep、Bwi分别为注入过程中的地层水体积系数、枯竭气藏状态下地层水体积系数、原始地层状态下的地层水体积系数，无因次；
We、We_dep分别为注入过程中的水侵量、枯竭气藏状态下水侵量，m3；
ZH、Zdep、Zsc分别为现地层条件、枯竭地层条件、标况条件的天然气偏差因子，无因次；
T、Tdep、Tsc分别为地层温度、枯竭地层温度、标况温度，K；
RH、RH_dep分别为注入过程中的天然气溶解度、枯竭气藏状态下天然气溶解度，m3/m3。
以CO2作垫气的储气库CO2注入阶段以及天然气注入阶段及注入阶段气体分布如图1-2所示，根据注入过程中气体的分布，通过以下步骤建立获得本发明所述模型：
根据摩尔量守恒在有水体的枯竭气藏基础上建立考虑水溶气的物质平衡方程；
在考虑水溶气存在的情况下，摩尔守恒关系为：注入天然气摩尔量＝现地层中天然气摩尔量(包含溶解量)-枯竭地层天然气摩尔量(包含溶解量)，即：
nH_inj＝nH+nH_dis-ndis-ndis_dep(7)
所述物质平衡方程即为：
式中：R为理想气体常数，0.00831451J·mol-1·k-1；V为不同压力地层条件下地层中的含烃体积，m3；VH、VH_dis、Vdep、Vdep_dis分别为地层中天然气体积、地层中溶解的天然气体积、枯竭气藏地层中天然气体积、枯竭气藏地层中溶解的天然气体积，m3。
地层实时的含气(天然气与CO2)孔隙空间为：
V＝Vi[1-ceff(pi-p)]+Vw_pBw-We(9)
原始地层含烃孔隙体积Vi为：
式中，Gi为原始地层储量，m3；Bi为原始地层条件下天然气体积系数，无因次；Zi为原始地层天然气偏差因子，无因次；Ti为原始地层温度，K。
地层中含有天然气的孔隙体积为：
VH＝aV(11)
地层中溶解的天然气体积为：
在储气库初始状态，即枯竭气藏地层中天然气体积为：
Vdep＝Vi[1-ceff(pi-pdep)]+Vw_pBw_dep-We_dep(13)
枯竭气藏地层中溶解的天然气体积为：
式中：M为水体倍数，无因次。
有效压缩系数表示为：
式中：cf、cw分别为岩石压缩系数、地层水压缩系数，MPa-1；sw为地层平均含水饱和度，无因次；
地层水(包括水体与束缚水等)：
计算排除水侵体积天然气占据含气孔隙空间的比例a的值。由注入的CO2的摩尔量物质平衡得到：
式中：VCO2_inj、VCO2、VCO2_dis分别为注入CO2体积、地层孔隙中CO2体积、溶解的CO2体积，m3。
地层孔隙中CO2体积为：
VCO2＝(1-a)V(18)
地层中溶解的CO2体积为：
式中：RCO2为CO2溶解度，m3/m3。
通过整理式(17)-式(19)，得到式(20)，通过牛顿迭代方法可以计算出a的值。
得到a的取值后，整理式(7)-(16)即可获得式(1)所示的一种考虑CO2作为垫气的枯竭气藏储气库库容评价模型。采用本发明的所述考虑水溶气的枯竭气藏储气库库容评价模型，能够快速有效地评价以CO2作为垫气的储气库库容。
另一方面，本发明还提供一种考虑CO2作为垫气的枯竭气藏储气库库容评价方法，包括以下步骤：
S1：建立上述所述的考虑CO2作为垫气的枯竭气藏储气库库容评价模型。
S2：根据目标枯竭气藏的地质、测试以及生产资料，获取所述枯竭气藏储气库库容评价模型中的物性参数；所述物性参数包括原始地质储量、含水饱和度、水体大小、枯竭地层温度、枯竭地层压力、枯竭状态下的地层水侵量、累计产水量、气体组成成分以及地层水矿化度。
S3：根据目标枯竭气藏的物性，对所述枯竭气藏储气库库容评价模型中的变量参数进行计算；所述变量参数包括地层水体积系数、天然气偏差因子、CO2偏差因子、天然气溶解度、CO2溶解度。
在一个具体的实施例中，所述地层水体积系数通过下式进行计算：
式中：ΔVwp、ΔVwT分别为地层水体积系数压力修正项、地层水体积系数温度修正项，无因次。
所述天然气偏差因子通过下式进行计算：
式中：Z为偏差因子，无因次；Tpr、ppr分别为视对比温度、视对比压力，无因次；ρpr为特别定义的对比密度，无因次；ppc为视临界压力，MPa；Tpc为视临界温度，K。
计算所述CO2偏差因子时，需要对CO2视临界温度和压力进行修正，修正的具体方法为：
式中：T'pc为修正后的视临界温度，K；yCO2为CO2摩尔分数，无因次；p'pc为修正后的视临界压力，MPa。
所述天然气溶解度通过下式进行计算：
式中：T为温度，℃；m为地层水矿化度，g/L。
所述CO2溶解度通过下式进行计算：
式中：RCO2为CO2溶解度，m3/m3。
需要说明的是，上述实施例的地层水体积系数、天然气偏差因子、天然气溶解度、CO2溶解度的计算公式仅为本发明优选的计算方法，其能够获得更准确的地层水体积系数、天然气偏差因子、天然气溶解度。现有技术中其他计算该对应参数的计算方法也可适用于本发明，例如，计算地层水体积系数的方法，有McCain公式和Hewlett公式；计算天然气偏差因子的方法，通过回归分析总结得到的有Beggs、Gopal、Kumar、Azizi、Salarabadi、Heidaryan和Moghadasi等提出的表达式，针对CO2偏差因子修正方法有CKB模型、WAJ模型、郭绪强模型等，而隐式关系式则一般源于状态方程，有VanderWaals方程、RK方程、SRK方程、PR方程等状态方程；计算天然气溶解度的方法，有γ(活度系数)
(逸度系数)模型、
模型以及利用气体间隙填充溶解机理对溶解度进行计算。
S4：将步骤S2和步骤S3获得的参数代入步骤S1所述的考虑CO2作垫气的枯竭气藏储气库潜力评价模型中，并以此计算目标枯竭气藏改建为储气库的库容。
在一个具体的实施例中，使用本发明所述考虑CO2作垫气的枯竭气藏储气库库容评价方法对目标储气库进行库容评价。所述目标储气库的基础参数如表1所示：
表1目标储气库的基础参数
| 参数 | 值 | 参数 | 值 |
| 气藏组分 | <![CDATA[100％CH<sub>4</sub>]]> | 注入组分 | <![CDATA[100％CH<sub>4</sub>]]> |
| <![CDATA[G<sub>i</sub>]]> | <![CDATA[37000×10<sup>4</sup>[m<sup>3</sup>]]]> | <![CDATA[p<sub>dep</sub>]]> | 6[MPa] |
| <![CDATA[p<sub>i</sub>]]> | 37[MPa] | <![CDATA[V<sub>w_p</sub>]]> | <![CDATA[12000[m<sup>3</sup>]<!-- 7 -->]]> |
| M | 10 | <![CDATA[T<sub>i</sub>]]> | 353.15[K] |
| T | 353.15[K] | <![CDATA[T<sub>dep</sub>]]> | 353.15[K] |
| <![CDATA[c<sub>f</sub>]]> | <![CDATA[0.00092[Mpa<sup>-1</sup>]]]> | <![CDATA[p<sub>sc</sub>]]> | 0.101325[Mpa] |
| <![CDATA[c<sub>w</sub>]]> | <![CDATA[0.000455[Mpa<sup>-1</sup>]]]> | <![CDATA[T<sub>sc</sub>]]> | 293.15[K] |
| <![CDATA[s<sub>w</sub>]]> | 0.45 | <![CDATA[Z<sub>sc</sub>]]> | 1 |
| m | 10[g/L] | <![CDATA[W<sub>e_dep</sub>]]> | <![CDATA[200000[m<sup>3</sup>]]]> |
| R | <![CDATA[0.00831451[J·mol<sup>-1</sup>·k<sup>-1</sup>]]]> | <![CDATA[V<sub>CO2_inj</sub>]]> | <![CDATA[15000/20000/25000×10<sup>4</sup>[m<sup>3</sup>]]]> |
如图3-5所示，利用已有数据对CO2垫气量下的储气库进行库容评价，CO2垫气量分别为15000×104m3、15000×104m3、15000×104m3，地层压力达到原始压力时，天然气注入量分别为26921.4104m3、22389.9104m3、17858.3104m3。按一棵树年吸收18.3公斤CO2来计算，15000×104m3的CO2作储气库垫气相当于约1595万棵树一年的吸收量，对实现碳减意义重大。
综上所述，本发明能够对以CO2作为储气库垫气的储气库进行库容评价，且评价过程中考虑了水溶气对库容的影响，使得库容评价结果更为精确。与现有技术相比，本发明具有显著的进步。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种考虑CO2作为垫气的枯竭气藏储气库库容评价模型，其特征在于，所述模型用于对枯竭气藏储气库进行库容评价，且所述枯竭气藏储气库以CO2作为垫气，所述模型为：
式中：Vinj、Vi、Vw_p分别为标况条件下注入的天然气体积、地层原始含烃体积、累计产水量，m3；
p、pi、pdep、psc分别为地层压力、原始地层压力、枯竭地层压力、标况压力，MPa；
a为排除水侵部分的天然气占据含气孔隙空间的比例，无因次；
ceff为有效压缩系数，MPa-1；
Bw、Bw_dep、Bwi分别为注入过程中的地层水体积系数、枯竭气藏状态下地层水体积系数、原始地层状态下的地层水体积系数，无因次；
We、We_dep分别为注入过程中的水侵量、枯竭气藏状态下水侵量，m3；
ZH、Zdep、Zsc分别为现地层条件、枯竭地层条件、标况条件的天然气偏差因子，无因次；
T、Tdep、Tsc分别为地层温度、枯竭地层温度、标况温度，K；
RH、RH_dep分别为注入过程中的天然气溶解度、枯竭气藏状态下天然气溶解度，m3/m3。
2.一种考虑CO2作为垫气的枯竭气藏储气库库容评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立权利要求1所述的考虑CO2作为垫气的枯竭气藏储气库库容评价模型；
S2：根据目标枯竭气藏的地质、测试以及生产资料，获取所述枯竭气藏储气库库容评价模型中的物性参数；
S3：根据目标枯竭气藏的物性，对所述枯竭气藏储气库库容评价模型中的变量参数进行计算；
S4：将步骤S2和步骤S3获得的参数代入步骤S1所述的考虑CO2作垫气的枯竭气藏储气库潜力评价模型中，并以此计算目标枯竭气藏改建为储气库的库容。
3.根据权利要求2所述的考虑CO2作为垫气的枯竭气藏储气库库容评价方法，其特征在于，步骤S2中，所述物性参数包括原始地质储量、含水饱和度、水体大小、枯竭地层温度、枯竭地层压力、枯竭状态下的地层水侵量、累计产水量、气体组成成分以及地层水矿化度。
4.根据权利要求2所述的考虑CO2作为垫气的枯竭气藏储气库库容评价方法，其特征在于，步骤S3中，所述变量参数包括地层水体积系数、天然气偏差因子、CO2偏差因子、天然气溶解度、CO2溶解度。
5.根据权利要求4所述的考虑CO2作为垫气的枯竭气藏储气库库容评价方法，其特征在于，所述地层水体积系数通过下式进行计算：
式中：ΔVwp、ΔVwT分别为地层水体积系数压力修正项、地层水体积系数温度修正项，无因次。
6.根据权利要求4所述的考虑CO2作为垫气的枯竭气藏储气库库容评价方法，其特征在于，所述天然气偏差因子通过下式进行计算：
式中：Z为偏差因子，无因次；Tpr、ppr分别为视对比温度、视对比压力，无因次；ρpr为特别定义的对比密度，无因次；ppc为视临界压力，MPa；Tpc为视临界温度，K。
7.根据权利要求6所述的考虑CO2作为垫气的枯竭气藏储气库库容评价方法，其特征在于，计算所述CO2偏差因子时，需要对CO2视临界温度和视临界压力进行修正，修正的具体方法为：
式中：T'pc为修正后的视临界温度，K；yCO2为CO2摩尔分数，无因次；p'pc为修正后的视临界压力，MPa。
8.根据权利要求4所述的考虑CO2作为垫气的枯竭气藏储气库库容评价方法，其特征在于，所述天然气溶解度通过下式进行计算：
式中：T为温度，℃；m为地层水矿化度，g/L。
9.根据权利要求4所述的考虑CO2作为垫气的枯竭气藏储气库库容评价方法，其特征在于，所述CO2溶解度通过下式进行计算：
式中：RCO2为CO2溶解度，m3/m3；m为地层水矿化度，g/L。
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