On the Significance of Hydrate Formation/Dissociation during CO2 Injection in Depleted Gas Reservoirs
本研究旨在定量评估在枯竭气藏中储存二氧化碳时，水合物在多孔介质内形成的风险及其对注入能力的影响，特别考虑了由焦耳-汤姆逊（JT）效应引起的低温和水合物动力学。研究了哪些机制可以减轻或防止水合物的形成，包括水的干涸、与周围岩石的热交换以及毛细管压力。使用了组分热储层模拟器来模拟二氧化碳通过最初由卤水和甲烷组成的储层的流体和热流。该模拟器能够利用动力学反应来模拟甲烷和二氧化碳水合物的形成和解离，这种方法的优势在于可以计算沉积的水合物量，并估计其对孔隙度和渗透率变化的影响。还进行了敏感性分析，以研究不同参数和机制对水合物沉积以及二氧化碳注入性能的影响。简化模型的模拟结果通过与文献中的结果进行了验证。
主要成果：
（1）焦耳-汤姆逊效应强烈依赖于储层渗透率和初始压力，即使注入的二氧化碳温度高于水合物平衡温度，也可能导致多孔介质内水合物的形成；
（2）来自上下盘岩层的热量获取可以防止晚期形成的水合物；
（3）渗透率降低由于JT冷却的增加，导致水合物的形成增加；
（4）井筒附近水的干涸并未能防止水合物的形成。最后，毛细管压力的作用相当复杂，在某些情况下减少了水合物的形成，而在其他情况下则增加了水合物的形成。用热流和水合物反应来模拟这一过程也被证明存在严重的数值问题。选择收敛标准和线性系统容差以避免大的物料平衡和数值误差至关重要。
CMG软件应用情况：
本研究使用了CMG-STARS（2023.30版）来模拟焦耳-汤姆逊冷却效应和枯竭低压储层中的水合物形成。CMG-STARS模拟器能够模拟二氧化碳和甲烷水合物的形成和解离，采用基于Kim等人（1987）提出的水合物动力学模型，该模型最初是为水合物解离提出的，并在此处进行了改写以预测水合物的形成和估计形成的水合物量以及对注入能力的后续影响。模拟器还考虑了气体和水相的平衡，以及严重的数值问题，例如在相变过程中，通过考虑二氧化碳气体和水相来避免这些问题。
结论：（1）水的干涸区并不足以深入储层以防止水合物的形成，因为冷却前缘的移动速度更快。（2）冷却前缘的移动速度远慢于二氧化碳前缘。（3）与上下盘岩石的热交换防止了多层情况下的水合物形成，使最低温度趋于稳定。然而，对于一维情况，水合物仍然形成。（4）初始储层压力的影响较为复杂。压力的增加在早期导致较少的焦耳-汤姆逊冷却，但在后期导致更多的水合物形成和更低的温度。相反，当初始储层压力降低时，观察到相反的情况。（5）储层中的最低温度对垂直与水平渗透率的比值不敏感。（6）初始水饱和度对储层后期的最低温度有影响。较高的水饱和度导致更多的水合物和更多的焦耳-汤姆逊冷却。（7）渗透率降低放大了焦耳-汤姆逊冷却效应，并增加了形成的水合物量。然而，在所展示的任何情况下，都没有观察到由水合物或冰造成的堵塞。（8）注入率对焦耳-汤姆逊冷却和水合物的形成影响最大。正如预期的那样，增加注入率需要更高的井底压力，这进一步增加了焦耳-汤姆逊冷却效应。
作者单位：V. Indina和M. Delshad：美国德克萨斯州奥斯汀市德克萨斯大学石油工程系
