📝 摘要
页岩中的CO₂地质封存是缓解温室气体排放导致全球变暖的一种有前景的方法，同时能在一定程度上提高天然气采收率，有效解决与能源需求和气候变化相关的问题。利用美国伊利诺伊盆地New Albany页岩的数据，应用CMG-GEM模拟器建立数值模型，评估页岩气藏中CO₂封存与潜在提高天然气采收率（EGR）的可行性。为表征页岩气藏中的基质、天然裂缝和水力裂缝，开发了多重连续介质多孔介质模型。达西和Forchheimer模型以及带有混合规则的吸附-解吸模型被纳入多重连续介质数值模型，以描述三阶段流动机制，包括裂缝中的对流通气、大孔隙中的弥散气体传输以及微孔隙中的CH₄-CO₂竞争吸附现象。利用建立的页岩储层模型，研究了页岩气藏中CO₂封存的不同CO₂注入方案（连续注入与脉冲注入）。同时，对生产井和注入井水力裂缝之间的储层渗透率进行了敏感性分析，以量化其对储层性能的影响。渗透率乘数分别取10、100和1000。结果表明，CO₂可以有效地封存在页岩储层中。但两种注入方案的EGR效果均不如预期。在现场应用中，需要考虑补充能源利用效率、CO₂封存率以及注入CO₂对产出甲烷纯度的影响，以设计最优执行方案。渗透率乘数为1000的案例同时满足CO₂封存和EGR的需求，表明需要在注入井和生产井的主要水力裂缝之间形成一个适度的二次增产带，以促进井间有效能量传递，同时防止CO₂窜流。为满足页岩气藏中CO₂封存与EGR的需求，先进有效的压裂至关重要。
🖥️ CMG软件应用情况总结
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 所用软件 | CMG GEM（2015版本）：通用状态方程组分模拟器，用于页岩气藏CO₂注入和封存的数值模拟 |
| 模型类型 | • 三维多重连续介质多孔介质模型（表征基质、天然裂缝和水力裂缝） • 双渗透率模型（天然裂缝作为基质的边界） • 对数间距局部网格加密（LS-LR-DK方法） • 水平井+多级水力压裂（每口井4个压裂段） |
| 模拟对象 | 美国伊利诺伊盆地New Albany页岩气藏，评估CO₂封存与提高天然气采收率（EGR）的可行性 |
| 应用方式 | • 多重连续介质建模：开发了表征基质、天然裂缝和水力裂缝的数值模型 • 双渗透率模型：使用双渗透率模型考虑天然裂缝在三个方向上对基质块的作用 • 对数间距局部网格加密：精细模拟水力裂缝周围的瞬态气体流动 • 竞争吸附建模：使用扩展Langmuir等温线（式3）模拟CH₄-CO₂竞争吸附-解吸 • 非达西流动：使用Forchheimer模型（式4）模拟水力裂缝中的湍流气体流动（惯性效应） • 状态方程：Peng-Robinson EOS确定各相组分组成和压缩因子 |
| 储层模型参数（表1） | • 深度：420 m，厚度：30.5 m • 基质孔隙度：3.4%，裂缝孔隙度：0.1% • 基质渗透率：0.00015 mD，裂缝渗透率：0.004 mD • 岩石密度：2.4 g/cm³ • CH₄最大吸附量：3.3 m³/ton，Langmuir吸附常数：0.00016 1/Pa • CO₂最大吸附量：14.3 m³/ton，Langmuir吸附常数：0.00013 1/Pa • 水平井长度：1537.4 m • 水力裂缝导流能力：6100 mD·m，半长：137.2 m |
| 子模型参数 | • 尺寸：164.6 m × 914.4 m × 30.5 m • 每口井1个压裂段（从全模型中提取以节省计算时间） • 生产井与注入井水力裂缝间距：55 m • 模拟周期：30年 • 前5年衰竭开发，第5-10年注入CO₂ |
| 注入方案（3种） | • 方案1：衰竭开发（无CO₂注入），30年产CH₄ 9.52×10⁶ m³ • 方案2：连续注入（第5-10年），注入CO₂ 2.07×10⁶ m³ → 产CH₄ 9.31×10⁶ m³，CO₂封存率87.9% • 方案3：脉冲注入（第5-10年，注入1个月/关井1个月），注入CO₂ 1.04×10⁶ m³ → 产CH₄ 9.33×10⁶ m³，CO₂封存率80.8% |
| 敏感性分析 | • 渗透率乘数：10倍、100倍、1000倍（基于方案2） • 生产井与注入井之间区域储层渗透率 • 分析压力分布、累计产气量、CH₄产量、CO₂产量、CO₂封存率 |
| 主要结论 | • CO₂封存在页岩气藏中技术可行，但EGR效果有限 • 注入井与生产井之间的致密未增产基质严重制约能量传递效率 • 渗透率乘数1000时，总产气量提高7.21%，CH₄产量提高4.73%，但CO₂封存率降至75.8% • 最优设计需平衡能量利用效率、CO₂封存率和产出气纯度 |
文中明确指出（Case126.pdf）：
“With the data from the New Albany Shale, the CMG-GEM simulator is implemented to establish a reservoir model.” （第2.2节，第2页）
“The governing equations employed in the CMG’s general EOS compositional simulator (GEM) … are expressed by the continuity equations below.” （第2.2节，第2页）
“To meet the needs of thermodynamic equilibrium, the Peng-Robinson equation of state is generally applied in the GEM to determine the component composition and compressibility factor for each phase.” （第2.2节，第4页）
“A dual-permeability model is employed to take natural fractures acting as boundaries to matrix elements in three directions into consideration.” （第2.2节，第5页）
参考文献[25]：CMG, GEM User’s Guide, Computer Modelling Group Ltd, 2015.
🧪 模拟方案与主要结果
1. 储层模型与参数（第2.3节，表1，图2-3）
全模型（图2）：
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尺寸：1445 m × 914 m × 30 m
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两口水平井，每口4个压裂段
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对数间距局部网格加密显式模拟水力裂缝
子模型（图3）：
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尺寸：164.6 m × 914.4 m × 30.5 m
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每口井1个压裂段（提取自全模型以节省计算时间）
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生产井与注入井水力裂缝间距：55 m
关键参数（表1）：
| 参数 | 值 | 参数 | 值 |
|---|---|---|---|
| 深度 | 420 m | 基质渗透率 | 0.00015 mD |
| 厚度 | 30.5 m | 裂缝渗透率 | 0.004 mD |
| 基质孔隙度 | 3.4% | 裂缝孔隙度 | 0.1% |
| CH₄最大吸附量 | 3.3 m³/ton | CH₄ Langmuir常数 | 0.00016 1/Pa |
| CO₂最大吸附量 | 14.3 m³/ton | CO₂ Langmuir常数 | 0.00013 1/Pa |
| 水平井长度 | 1537.4 m | 压裂段数/井 | 4 |
| 水力裂缝导流能力 | 6100 mD·m | 水力裂缝半长 | 137.2 m |
2. 三种注入方案对比（第2.4节，表2，图4-7）
| 方案 | CO₂注入量(10⁶ m³) | CH₄产量(10⁶ m³) | CO₂产量(10⁶ m³) | CO₂封存率 | 总产气量(10⁶ m³) |
|---|---|---|---|---|---|
| 方案1（衰竭） | — | 9.52 | — | — | 9.52 |
| 方案2（连续） | 2.07 | 9.31 | 0.25 | 87.9% | 9.56 |
| 方案3（脉冲） | 1.04 | 9.33 | 0.20 | 80.8% | 9.53 |
关键观察（图5-7）：
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方案2与方案3的总产气量差异仅0.03×10⁶ m³（图7a）
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补充能量主要困在注入井周围（图6a-6b），致密未增产基质严重阻碍压力传递
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CO₂有效封存（>80%），但EGR效果不显著
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脉冲注入注入量减半，但产气量基本相同
3. 渗透率敏感性分析（第2.5节，表3，图8-11）
基于方案2，增加注入井与生产井之间区域渗透率
| 方案 | 渗透率乘数 | CH₄产量(10⁶ m³) | 较方案2增量 | CO₂产量(10⁶ m³) | CO₂封存率 |
|---|---|---|---|---|---|
| 方案2.1 | 10 | 9.33 | +0.21% | 0.25 | 87.9% |
| 方案2.2 | 100 | 9.42 | +1.18% | 0.29 | 86.0% |
| 方案2.3 | 1000 | 9.75 | +4.73% | 0.50 | 75.8% |
压力演化（图11）：
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渗透率越大，平均储层压力下降越快（能量传递效率越高）
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注入井与生产井之间建立有效压力驱动系统
关键发现：
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渗透率乘数1000时：总产气量10.25×10⁶ m³（+7.21%），CH₄产量9.75×10⁶ m³（+4.73%）
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但CO₂产量增加100.56%，封存率降至75.8%
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“双刃剑”效应：增产带促进能量传递（提高EGR），但增加CO₂窜流风险（降低封存率）
✅ 主要结论
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CO₂封存技术可行但EGR有限：页岩气藏中CO₂封存在技术上是可行的，但由于致密未增产基质严重阻碍注入井与生产井之间的压力传递，补充能量利用效率低，EGR效果不如预期。
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连续注入 vs 脉冲注入：连续注入（2.07×10⁶ m³）与脉冲注入（1.04×10⁶ m³）的总产气量差异极小（9.56 vs 9.53×10⁶ m³），表明大部分补充能量未能有效利用。脉冲注入以一半注入量达到相近产量，经济性更优。
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能量传递效率是关键：致密未增产基质是“双刃剑”——既阻碍能量传递（不利于EGR），又防止CO₂窜流（有利于封存）。成功的关键在于平衡两者。
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最优渗透率乘数：渗透率乘数1000的案例（方案2.3）同时满足EGR和CO₂封存需求，CH₄产量提高4.73%，CO₂封存率75.8%。表明需要在注入井与生产井的主要水力裂缝之间形成适度的二次增产带。
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多目标优化：现场应用中需综合考虑补充能源利用效率、CO₂封存率以及注入CO₂对产出甲烷纯度的影响，设计最优执行方案。
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CMG GEM的适用性：CMG GEM能够有效模拟页岩气藏中的多尺度流动机制（达西+Forchheimer）、多重连续介质（基质+天然裂缝+水力裂缝）、竞争吸附（扩展Langmuir）以及非达西流动，是CO₂-EGR和地质封存模拟的有力工具。
🏛️ 作者及单位信息
| 作者 | 单位 |
|---|---|
| Jie Zhan（詹杰） | 西安石油大学石油工程学院；西部低渗-特低渗油藏开发与治理教育部工程研究中心 |
| Zhihao Niu | 西安石油大学石油工程学院；西部低渗-特低渗油藏开发与治理教育部工程研究中心 |
| Mengmeng Li | 西安石油大学石油工程学院；西部低渗-特低渗油藏开发与治理教育部工程研究中心 |
| Ying Zhang | 西安长庆科技工程有限公司天然气工程设计部 |
| Xianlin Ma | 西安石油大学石油工程学院；西部低渗-特低渗油藏开发与治理教育部工程研究中心 |
| Chao Fan | 西安石油大学石油工程学院；西部低渗-特低渗油藏开发与治理教育部工程研究中心 |
| Ruifei Wang | 西安石油大学石油工程学院；西部低渗-特低渗油藏开发与治理教育部工程研究中心 |
通讯作者：Jie Zhan (zhanjie@xsyu.edu.cn)
期刊：Geofluids（Hindawi）
学术编辑：Sohrab Zendehboudi
收稿日期：2021年3月4日
录用日期：2021年7月19日
发表日期：2021年8月4日
基金资助：
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国家自然科学基金面上项目（51974253）
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国家自然科学基金青年项目（52004219）
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陕西省教育厅科研计划项目（20JS117）
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陕西省自然科学基金（2020JQ-781, 221717005）
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页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室开放基金（G5800-20-ZS-KFGY018）
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油气藏地质及开发工程国家重点实验室（西南石油大学）开放基金（PLN2021-12）
💡 补充说明
该论文是页岩气藏CO₂封存与提高采收率耦合研究领域的典型数值模拟应用，核心创新点在于：
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多重连续介质模型的建立：成功开发了表征基质、天然裂缝和水力裂缝的三重连续介质模型，结合双渗透率模型和对数间距局部网格加密（LS-LR-DK方法），精确模拟页岩气藏的多尺度流动特性。
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三阶段流动机制的表征：将达西定律（裂缝中）、Forchheimer模型（水力裂缝中，考虑惯性效应）和扩展Langmuir竞争吸附（微孔隙中）集成到统一数值框架中，完整刻画了页岩气藏的复杂流动机制。
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连续注入与脉冲注入的系统对比：首次在同一页岩气藏模型上系统对比了连续注入和脉冲注入对CO₂封存率和EGR效果的影响，发现脉冲注入以一半注入量达到相近产量，为现场经济优化提供了依据。
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“双刃剑”效应的揭示：首次定量揭示了致密未增产基质在CO₂-EGR中的双重作用——既阻碍能量传递（不利于EGR），又防止CO₂窜流（有利于封存），为压裂设计提供了理论指导。
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渗透率敏感性的系统分析：对注入井与生产井之间区域渗透率进行了10、100、1000倍乘数的敏感性分析，确定了渗透率乘数1000为最优平衡点（CH₄产量提高4.73%，CO₂封存率75.8%）。
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工程实践指导意义：提出了“适度二次增产带”的概念，即需要在注入井和生产井的主要水力裂缝之间形成适度的增产带，以促进井间有效能量传递，同时防止CO₂窜流。
该研究对从事页岩气/致密气开发、CO₂地质封存、CO₂-EGR、以及非常规油气藏数值模拟的工程师和科研人员具有重要的参考价值。