衰竭底水气藏注CO_(2)提高天然气采收率与碳封存机理

气藏注CO_(2)提高天然气采收率并实现碳封存有望成为大幅度提高天然气产量与碳减排协同的潜在关键技术。为了给底水气藏注CO_(2)高效开发提供指导,针对地层水盐度对CO_(2)-CH_(4)-H_(2)O-NaCl体系相平衡影响、气藏注气过程中压力变化对CO_(2)-CH_(4)-H_(2)O-NaCl体系相平衡影响、注采方案对注CO_(2)提高气藏采收率影响、盐度对注CO_(2)提产及封存影响等目前认识不清的问题开展了CO_(2)-CH_(4)-H_(2)O-NaCl体系相平衡规律及注CO_(2)提采与封存数值模拟研究。研究结果表明:①随着盐度增加,CO_(2)和CH_(4)在盐水中的溶解度降低,液相的密度和黏度增加,盐度对气相性质几乎没有影响;②随着压力增加,CO_(2)和CH_(4)在液相中的溶解度均增加,气相、液相密度和黏度均增加,液相偏差因子随压力增加而增加,气相偏差因子先减小后增加;③同注同采方案CH_(4)产量更稳定且产出的CO_(2)少,而先注后采方案则会加速CO_(2)与CH_(4)的混合,CO_(2)封存量低,前者更适合注CO_(2)提采及封存;④在不考虑盐析效应的前提下,盐度对CH_(4)采收率和CO_(2)封存量的影响几乎可以忽略不计,不同盐度的衰竭底水气藏中CH_(4)采收率均超过80%、CO_(2)封存率均超过99%,短期注CO_(2)过程中,CO_(2)主要以气态或超临界态的形式被封存,少部分CO_(2)溶解在液相中,100年后CO_(2)在液相中的溶解质量分数约为5%。结论认为,衰竭底水气藏注CO_(2)能增压补能、驱替置换残余天然气,提高采收率并实现碳封存。

含杂质CO_(2)混合体系的气液相平衡计算模型

对含杂质CO_(2)体系相平衡的准确表征是CCUS(碳捕集、利用与封存)应用中的关键。为探讨针对此类体系相平衡计算的最佳热力学模型,基于CO_(2)/N_(2)、CO_(2)/O_(2)与CO_(2)/H_(2)O等3种二元混合工质的气液相平衡数据,分别使用状态方程(PR、SRK、BWRS、CPA、GERG-2008)和活度系数模型(NRTL、UNIQUAC)进行了气液闪蒸计算。结果表明,针对含杂质CO_(2)二元混合体系,CPA方程具有最高的计算精度,其结果与实验值的平均偏差仅为4.75%。随后,采用CPA方程对CO_(2)/N_(2)、CO_(2)/N_(2)/O_(2)和CO_(2)/N_(2)/O_(2)/H_(2)O等混合物的相包络线进行了预测,其对泡点、露点压力的计算与NIST(美国国家标准与技术研究院)方法计算结果的平均偏差小于3.5%,表明了CPA方程可作为一种简单且准确的含杂质CO_(2)混合体系相平衡计算方法。

超临界CO_(2)管道瞬态输送工艺研究进展及方向

长距离超临界CO_(2)管道瞬态输送的核心技术还有待突破,相关模型和方法亟需工业规模示范工程的验证及修正。以成就型综述法,对超临界CO_(2)管道输送过程中停输、水击、泄漏和放空工况下形成的CO_(2)瞬态流加以描述、成果比较和综合评价。结果表明:超临界CO_(2)瞬态流的关键因素是温度、压力、相态变化、协同作用;超临界CO_(2)管道安全停输时间可定义为从停输开始至管内任一点流体即将进入气液共存区的时间;CO_(2)发生相变首先造成流速突变,进而是压力的突变,产生水击现象,引起新的瞬变流动;站场放空系统的设计目标是在放空过程不出现冰堵、材料冷脆、噪声污染、放空系统激振等问题的前提下,放空时间尽量短;埋地管道泄漏规律涉及到土壤渗流场、温度场、浓度场等多场耦合问题。研究结果可为超临界CO_(2)管道流动安全保障提供参考。

超临界CO_(2)管道安全停输再启动过程和安全停输时间影响因素

超临界CO_(2)管道在停输和再启动等瞬态过程中,流体易发生相变,密度、比热容等物性参数会发生阶跃式变化,使得管内的CO_(2)流体体积发生剧烈波动,将对管道产生脉动冲击,危害管道安全。为了明确超临界CO_(2)管道安全停输时间的影响因素,从安全控制的角度出发,首先结合超临界CO_(2)物性、相图和准临界性质,确定了超临界CO_(2)管道安全停输时间的定义,从管道停输开始至管内任一点流体进入气液共存区的时间;然后依托新疆油田CO_(2)管输示范工程,分别采用商业软件和MATLAB编程的方式,建立超临界管输水力热力计算模型,探究了管道停输及再启动过程中管内温度、压力、密度及相态协同变化波动规律;最后采用因素轮换法研究了主要工艺参数和环境参数对管道安全停输时间的影响规律。结果表明:降低首站出站温度、提高管道运行压力、较高土壤环境温度、较低管土总传热系数有助于延长超临界CO_(2)管道的安全停输时间。研究结果可为超临界CO_(2)管道安全运行提供一定理论支持和技术保障。

不同相态下CO_(2)管道输送技术经济评价分析

目的为助力实现“双碳”目标,明确不同相态下CO_(2)管道输送的适应性和经济性。方法以中国石油西南油气田碳酸盐岩气藏CCUS-EGR关键技术研究为背景,优化建立了气相、液相以及超临界相3种相态的CO_(2)管道输送经济性估算模型,分析了流速、输送距离以及输送量对相对总成本的影响。结果①最低输送成本气相管道最高,液相管道次之,超临界相管道最低;②气相经济流速为3.0~4.0 m/s,液相经济流速为1.0~1.8 m/s,超临界相经济流速为2.0~2.4 m/s;③在不同输送距离下,相对总成本随着输送距离的增加而增大;④在不同输送量下,相对总成本随着输送量的增加而增大,DN200以上规格的管道输送成本随输送量变化增长较慢,DN100的管道输送成本随输送量变化很大。结论通过建立CO_(2)管道输送经济性估算模型,分析不同相态下的CO_(2)管道输送经济性,为CO_(2)管道输送工程建设提供充分的依据和参考。

CO_(2)地质封存诱发断层活化和流体泄漏模型及数值研究

地下注入二氧化碳(CO_(2))可能通过改变孔隙压力和地下应力而引发地震。深入了解流体注入导致的断层再活化的基本机理对于评估与地下流动过程相关的地震及流体泄漏风险具有重要意义。基于此问题,本文推导了地层和断层内CO_(2)与水两相渗流控制方程,建立了模拟CO_(2)注入诱发断层活化及泄漏的全过程数值模型,重点分析了不同的断层属性和CO_(2)注入工况对断层活化及流体泄漏的影响。数值结果表明,在断层活化后,其渗透率显著提升,最大增幅可达106倍,将断层滑移区从原本的阻碍渗透的屏障状态转变为主导渗流通道。不同的初始切向渗透率对断层活化时的力学特征有显著影响,初始切向渗透率越大,断层滑移量越大。具有较强的剪切刚度的断层对注入诱发的活化表现出更强的抵抗能力。此外,CO_(2)注入速率影响了断层活化的地震和CO_(2)泄漏。低注入速率在相同的注入量下引起的断层滑移量更小,但伴随着更多的CO_(2)泄漏;而高注入速率下,断层滑移量更大,但CO_(2)泄漏量较少。

基于GERG状态方程的杂质组分对CO_(2)减压波平台影响研究

超临界CO_(2)特殊的热力学性质使其存在较长的减压波平台(饱和压力),导致裂纹尖端压力长时间维持在高水平,裂纹长程扩展,因此研究超临界CO_(2)的热力学性质变化规律具有重要意义。简述了目前常用的气体状态方程,并基于GERG-2008状态方程对N_(2)、Ar、H_(2)、CO、CH_(4)、O_(2)、H_(2)S与CO_(2)的混合物密度、气液平衡边界等性质进行计算,与试验数据进行对比以评估GERG-2008状态方程的适用性。分析了超临界CO_(2)流体主要杂质组分(摩尔比为0到10%)对超临界CO_(2)减压波平台压力的影响规律,并发现和纯CO_(2)相比,CO_(2)/N 2、CO_(2)/O_(2)、CO_(2)/CH 4、CO_(2)/Ar、CO_(2)/CO和CO_(2)/H_(2)使两相区向高压区移动,因此提高了气体减压过程的饱和压力,而H_(2)S和SO_(2)杂质降低CO_(2)的两相区的压力,从而降低饱和压力。研究表明通常情况下GERG-2008预测的减压波平台压力与试验结果具有较好的一致性,杂质气体对CO_(2)减压波的影响较大。研究结果可为超临界CO_(2)管道断裂控制设计和工程应用提供理论依据。

低渗砂岩油藏CO_(2)驱相态及组分变化规律

为了解低渗砂岩油藏W区块注气开发过程中的相态、油气组分变化和储层原油对注气的反应,利用质量守恒和状态方程等经典理论,以CO_(2)气体为注入介质,通过注气膨胀、气相色谱实验和PVT相平衡模拟软件进行原油组分变化特征研究。结果表明:CO_(2)注入量增至0.814 mol时,泡点压力升高了0.96倍,样品体积膨胀了2.09倍,流体中CO_(2)含量由背景值的0.6%逐渐升至81.0%,说明该区泡点压力主要受轻烃组分控制,原油组分因气体的溶解和分离发生明显改变。该研究可为东濮凹陷低渗砂岩油藏注气提高采收率、油气输运工艺设计、开发方案编制提供技术支持,对其开发具有重要的实际意义。

CCUS中CO_(2)运输环节的技术及经济性分析

在实现"碳达峰"和"碳中和"目标背景下,CO_(2)捕集、利用与封存(CCUS)技术大有可为。CO_(2)运输是CCUS技术运用中的一个重要环节,当前主要有管道、船舶、公路槽车和铁路槽车4种运输方式。公路槽车和铁路槽车运输因运输量小、成本较高等原因很难被大规模采用;船舶运输适合海上低容量远距离的CO_(2)运输;管道运输因运输量大、成本较低等原因已经被大规模采用,技术趋于成熟,可以通过提高规模经济、对现有油气管道改造、技术创新和数字化推广等方式降低管道运输成本。未来管道运输和船舶运输仍是陆上和海上最主要的CO_(2)运输方式。在管道运输中,超临界和密相管道运输的单位投资低、杂质影响小、有效运输距离长、长距离压降小,适合于远距离、大输量、人口稀少的情况;气相管道运输对管道材质、CO_(2)杂质和耐压等级等要求较低,安全性高,适合于短距离、低输量、人口稠密的情况。

液态CO_(2)管道输送注入端相变特性试验研究

液态CO_(2)输送过程具有不稳定性,尤其是管道注入端易受外界环境影响发生相变而造成管路堵塞。因此,研究注入端液态CO_(2)相变特性对非稳态输送具有重要意义。通过自主搭建的耐高压管道式CO_(2)相变特性测试系统研究了不同初始压力下注入端压力及温度的变化情况,分析了注入端相态变化及传热特性。结果表明:液态CO_(2)注入平均质量流量一定时输入管道后发生热交换,瞬时相变导致注入端压力先上升后逐渐降低,温度在短时间内保持不变后快速下降,最终压力和温度趋于稳定;不同平均质量流量下,注入端压力/温度变化趋势一致,平均质量流量越大,气化过程越缓慢,所需时间越长;管道初始压力为1 MPa时,注入端CO_(2)介质由气态变为气液两态最终变为过热液体,通过温度-压力特性曲线得出,注入端压力和温度变化较小,前后压力差为0.099 MPa;管道内预先充入一定量CO_(2)气体,可防止温度和压力大幅度变化而产生干冰堵塞管道。

CO_(2)埋存中的状态方程研究进展与展望

在废弃油气藏中进行CO_(2)埋存,能够减少温室气体在大气中的直接排放量,是减缓温室效应的有效途径之一。改进常规的气液相平衡理论,应用热力学状态方程研究CO_(2)-烃-地层水体系,对揭示CO_(2)地下埋存的溶解机理具有十分重要的意义。总结了热力学状态方程对CO_(2)-烃-地层水体系相平衡计算方面的国内外研究进展,指出其实际应用中的不足,分析了其发展趋势,包括:应进一步研究适用于非理想体系的状态方程和混合规则,准确预测该体系热力学性质变化规律;拓展研究体系的地层水离子差异,使之与真实CO_(2)埋存条件相符合;将CO_(2)中相态变化的物理过程与地层水中矿物溶解析出的化学过程耦合。

CO_(2)管道输送技术研究

在油田三次开采和碳捕集、利用与封存(CCUS)技术发展的背景下,将CO_(2)注入地层可以有效提高原油采收率,同时减少碳排放,缓解温室效应。CO_(2)输送是CCUS工程建设的重要环节之一,其中管道输送以输送量大、距离远、经济性好等优点一直备受关注。根据纯CO_(2)相态图,阐明了不同相态下CO_(2)温度压力范围,对4种相态下管道输送工艺流程进行分析,得出对于短距离CO_(2)管道,选择气相和液相输送较为合理;对于长距离CO_(2)管道,选择密相和超临界相输送较为合理。从管道输送工艺和经济性评价2个方面,探讨了国内外CO_(2)管道输送技术研究进展,并结合国内外已建CO_(2)管道案例,对国内CO_(2)管道输送技术研究提出建议。

多元杂质对CO_(2)相态特性影响研究

在CCUS技术中,CO_(2)输送作为纽带将整个系统连接起来。CO_(2)输送的几种方式中,管道输送从长期来看是最经济的输送方式。CO_(2)由于特殊的物性特点,使其在管道输送条件下很容易发生相变,为管道安全输送带来风险。而捕集到的CO_(2)会掺杂一些气体杂质,这些气体杂质会影响CO_(2)的临界点和气液两相区,从而影响发生相变的温压条件。因此,对常见的气体杂质与CO_(2)的混合气进行相态特性分析,得到气体杂质类型及含量对CO_(2)相态的影响规律,并研究二元杂质对CO_(2)的综合影响情况,为CO_(2)管道输送条件的选择提供数据支撑。

超临界-密相CO_(2)管道输送工艺仿真及优化

选用OLGA模拟软件针对超临界-密相CO_(2)管道输送工艺进行仿真,分析管道敷设和保温形式、起始压力、起始温度、环境温度和管道直径等不同运行和环境参数对管道输送特性的影响,根据仿真结果确定最优设计工况。结果表明,密相状态的CO_(2)介质其单位阻力损失比超临界状态要小;在保障管道不发生气化的前提下,管道起始压力越低越好;更高的起始温度或环境温度,其介质更难从超临界相转变为密相状态;宜选用经济流速下的管道直径。

碳达峰、碳中和目标下抗CO_(2)双相混合导体透氧膜研究进展

双相混合导体透氧膜在高温条件下是一种兼具氧离子和电子导电性的无机陶瓷材料,可以从含氧气源中高效分离氧气,在富氧燃烧、纯氧制备、固体燃料电池等高温需氧行业备受关注。其中,将双相混合导体透氧膜与富氧燃烧耦合有助于捕捉CO_(2),减少CO_(2)排放,是实现国家“碳达峰、碳中和”目标的有效方式之一。在实际应用环境中,CO_(2)可能导致双相混合导体透氧膜结构破坏和透氧性能下降,所以要求其具备优良的抗CO_(2)性能。介绍了双相混合导体透氧膜工作原理和抗CO_(2)性能的影响因素,以及近年来单相、双相抗CO_(2)混合导体透氧膜材料的研究进展。同时,阐述了双相混合导体透氧膜材料在水分解产氢耦合和甲烷部分氧化等领域的应用进展,证明该材料可以有效提高能源利用效率,并利于CO_(2)减排和再利用。最后,总结并展望了抗CO_(2)双相混合导体透氧膜材料研究现状及发展趋势。

凝析油对降低CO_(2)驱油最小混相压力的影响

采用静态高压相平衡装置,373.15 K下,在CO_(2)原油体系中加入质量分数为1%、5%、10%、15%的凝析油时,测定气液相平衡数据。将原油视为一元假组分,采用由折光率(n)、相对密度(d)和摩尔质量(M)组成的n-d-M法结合线性规划(LP)的n-d-M-LP法与C-G法预测CO_(2)-原油体系的结构性质和临界参数;通过YSL四次状态方程对实验数据进行关联,得到不同体系的二元相互作用参数kij,然后计算得到CO_(2)原油体系的相平衡数据。结果表明:随着凝析油加入量的增加,CO_(2)原油体系的最小混相压力逐渐降低;通过四次状态方程拟合得到的计算值与实验值吻合良好,说明该热力学模型能够准确计算CO_(2)原油复杂体系的相行为。

超临界CO_(2)干气密封流动场数值计算与试验验证

超临界CO_(2)特定的介质物性对干气密封的开发设计有着显著影响。以超临界CO_(2)干气密封为研究对象,讨论了气体实际效应下的雷诺方程和能量控制方程,利用有限差分法进行耦合求解,并编制了超临界CO_(2)干气密封流动场的数值计算程序。通过搭建试验台,测试验证了计算程序的有效性。结果表明,在参数控制合理的情况下,超临界CO_(2)干气密封端面泄漏过程中,相态由超临界态逐渐转变为气态,有利于干气密封的运行。

CO_(2)含量对天然气高压物性及烃-水相平衡的影响

以实验测试为基础进行富含CO_(2)天然气藏的高压物性特征分析,同时按照中国石油行业标准“SY/T 6434-2000天然气藏流体物性分析方法”,建立适用于含CO_(2)天然气高压物性的测试方法,运用室内物理模拟方法给出在天然气藏中不同含量的CO_(2)对天然气物性的影响效果评价,并进行相态分析研究;通过对不考虑地层水和考虑地层水的含CO_(2)天然气进行PVT相态分析(单次闪蒸、等组成膨胀等)实验测试,全面地分析了含CO_(2)天然气藏地层流体相态变化特征,获得含CO_(2)天然气的偏差系数、体积系数、密度和压缩系数等物性参数变化规律,结果表明:CO_(2)-烃-水体系的相态特征很大程度上受到CO_(2)含量的影响;另外文章对在不同状态方程模型下,富含CO_(2)天然气偏差因子的计算精确度进行对比分析表明:PR状态方程精确度高,相对平均误差不超过1%,适应性好。

管输CO_(2)水合物生成特性研究与分析

在实际的管输CO_(2)过程中,受温度、压力、流量变化的影响,不可避免地会生成水合物。为降低水合物造成的管道堵塞及腐蚀问题,以某管输流量30×10^(4) t/a的超临界CO_(2)管道为例,通过OLGA软件和CSMHyK动力学模型,考察了稳定工况、停输工况及再启动工况条件下的基础参数变化情况,并对水合物的生成条件、生成区域和生成量进行了定量描述,得出了水合物的生成特性。研究结果表明,杂质的加入使CO_(2)相平衡中形成了气液两相区,相平衡曲线向右移动,不利于管道的安全平稳运行;稳态运行工况下12 km以后的区域生成水合物,但生成量较小;停输工况下水合物生成区域向管段前方移动,从1 km处开始有水合物生成,最大水合物浓度为23.36 kg/m^(3);再启动初始阶段水合物生成区域和生成量有所增加,随后水合物生成区域后移至稳态时的12 km处。此项研究结果可为CCUS技术的推广和应用提供实际参考。

基于CCUS技术的含杂质CO_(2)物性变化规律及管输特性研究

管输CO_(2)是CO_(2)的捕集、利用和封存(CCUS)技术顺利推广的关键环节之一,但常规捕集的CO_(2)通常含有杂质,会对流动保障造成影响。为解决此问题,利用HYSYS软件,以PR状态方程为计算依据,考察了以CH_(4)、N_(2)、O_(2)、H_(2)、He等非极性分子和H_(2)S、CO等极性分子作用下的CO_(2)物性,并分析了影响次序和规律。结果表明,杂质对泡点线的影响较大,对露点线的影响较小,杂质促使CO_(2)流形成气液两相区,He和H_(2)对相图的影响最大;随着压力的增加,混合介质的密度值和黏度值均先快速上升,后缓慢增加,He对密度突变的影响最大;在实际管输过程中,杂质会使温度、压力发生改变,因此应尽量避免杂质中含有H_(2)。该研究结果可为管输CO_(2)的安全平稳运行提供实际参考。