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作者：王庆鹏 耿丽慧
温室气体排放导致的气候变暖问题是目前急需解决的热点问题，CCS（Carbon Capture and Sequestration）是应对该问题的一种有效途径。PETEX公司的IPM系列软件PVTP（油气藏流体及CO2特征描述）、REVEAL（油气藏数值模拟）、PROSPER（井模拟）、GAP（注入管网模拟）、RESOLVE（系统一体化整合控制模拟）是科学描述、合理优化及预测CO2地下存储的有效解决途径。
本文援引SPE123788文献，向大家推介IPM在CCS领域的应用。
CCS模拟的主要技术问题体现在下述三个方面：
CO2存储模拟的主要技术问题在于CO2的相态变化。纯净CO2的相图如图1所示，其三相点压力为5.18bar，温度-56.6℃，其临界点压力为73.8bar，温度31.1℃，在现实油气藏条件下，可能存在液态、气态、超临界态三个不同的相态区域。从提高CO2地面传输效率、提高CO2注入能力，以及提升地下存储CO2容量方面考虑，保持CO2处于液态或超临界状态的较高密度相态是至关重要的。
图1 CO2相图
注气过程中的主要挑战在于废弃油气藏的较低的初始油气藏压力。假设已经定义好一个最大的注入速度限制条件，那么井口必须有一个井口压力控制阀控制足够低的回压，以满足注气条件限制，如图2所示注气系统图。但是较低的井口压力会使得井口流动条件下CO2呈气态。因此地面注气系统模型的目标是设计、监测以及控制注入系统，以避免在注入管线和井筒的流动过程中，压力和温度条件穿越相图汽化线，产生气体。因为如果流动条件穿越汽化线，CO2将会从液态变为气态，导致系统中的压力梯度发生改变，从而导致井的不稳定以及注入速度的极大降低，如图3所示。
图2 CO2注入系统
图3 有相变发生的注气速度及压力变化曲线
油气藏中存储CO2的挑战还在于注入CO2与油气藏间的热力以及化学反应。被注入的CO2温度相比油藏温度极低，会在注入井眼附近形成一个热力前缘。这个注入前缘会导致注入流体粘度改变，从而影响井的注入能力，同时井眼附近也会形成应力差异，同注入液体相关的井眼周围的热应力降低也会导致热力缝的形成，从而影响井的注入量以及油藏的完整性。油藏基质、原生水同CO2之间会产生化学反应，会导致例如油藏基质的部分溶解（取决于油藏的矿物质）。化学反应会弱化油藏结构，同井眼周围的流动相结合，会导致出砂、颗粒迁移以及油藏完整性问题。
上述问题都可以通过IPM系列软件得到模拟及优化预测。
应用案例简介
以SPE123788文章中提到的案例为例说明IPM软件在CCS方面的应用，该案例区块位于BP所属的UK北海南部某废弃气藏，向该气藏进行CO2注气项目。
该项目的主要目标是：1. 了解CO2注入能力以及存储潜力。2. 识别目前CO2地面处理设备的增加或改变需求。3. 测试维持稳定注入速度下的不同注入场景的传输方案。4. 了解什么样的操作问题会存在，特别是注入早期阶段。
模型中CO2的供应来自于电厂化石燃料的燃烧，CO2经过捕集、脱水、压缩，最后被运输到一个陆地上的泵房，最终的CO2压力大约为70-80bar，环境温度大约为0-20℃。在该条件下，CO2是稠密的液相。一个陆上的泵被用于传输CO2，穿过海下管线到达海上的注入设备。注入设备的气体被分配到好几口注入井（生产井转化而来的注入井），然后被注入到废弃气藏，废弃气藏的初始条件为27bar，90℃。模型假设的恒定CO2传输速度大约为200万吨/年（1亿立方英尺/天），项目指定周期为20年，于2013年开始注入。
该气藏由四个部分A、B、C、D组成，基于现有基础设施情况，注入先从A、B部分开始，其次是C、D部分。在C、D部分开井之前，管线中泵的交换压力必须为150bar，或者气藏中A、B部分的所有井的井底压力必须为初始气藏压力。
项目中的限制条件有以下几点。
1. 初始（气藏产气生产之前）气藏压力。
当气藏中的压力达到气藏各部分的初始气藏压力时，必须停止注气。该限制条件是为防止CO2存储压力大于周围压力而成为压力源，向气田四周潜在地质区域泄露CO2。该气田各部分的初始压力见下表表1。
表1 气藏各部分初始地层压力
2. 管线及泵的交换压力。
当CO2注入系统压力超过CO2初始捕集压力时，需要一个新泵或者下一级泵的升级，以获得整个气田的稳定注入速度—100万立方英尺/天。泵的交换压力定义为一个介于初始CO2捕获压力（80bar）和最大泵交换压力（150bar，该压力限额低于管线的最大操作压力）之间的变量。
3. CO2注入速度。
优化后可达到2亿吨/年（1亿立方英尺/天）的稳定注入速度。
达到上述限制条件的优化采用GAP、RESOLVE软件，GAP控制井口回压以满足气田最大注入速度条件，RESOLVE按条件优化各单井注入能力。优化方法可通过井的开关等方式实现。总体上，单井注入量的规划需满足两个条件，其一为井底压力要小于气藏平均压力，当注入井周围压力大于气藏初始压力时，自动关闭该井，转而打开其他井注入以维持稳定注入速度，其二为监测整个气田注入速度，随时间自动改变泵压以满足稳定注入速度，达到该目的的措施为根据数据安装新泵或升级泵排量。
