Evaluation of Closed-Loop Geothermal Heat Extraction Concepts Using Reservoir Simulation

二氧化碳（CO₂）是导致温室效应的主要气体之一，其大气浓度已不容忽视。将CO₂直接封存在地下介质中是降低其浓度的可行方案之一，而枯竭气藏为此提供了重要的封存选择。

本研究以土耳其Kuzey Marmara（北马尔马拉）气田为研究对象，该气田于2002年停产，原计划用作天然气储库。研究利用CMG-GEM（广义方程状态多组分油藏模拟器）建立三维地质模型，结合Surfer软件制作的孔隙度和渗透率图，通过1998-2002年的生产数据进行历史拟合以验证模型准确性。

研究设计了四种不同开发情景，重点评估在产出剩余天然气的同时注入CO₂的可行性。结果表明：虽然CO₂注入可以有效提高该气田的天然气采收率（EGR），但该气田并不适合进行高浓度、大规模的CO₂封存。

CMG软件应用情况

应用环节 具体内容
核心模拟器 CMG-GEM（Generalized Equation of State Model Compositional Reservoir Simulator）
使用Peng-Robinson状态方程预测油气和气相平衡组成及密度
流体物性 WinProp（CMG多相平衡物性软件包）
用于流体表征、组分归并、相图构建及为GEM生成组分性质数据
地质建模 Surfer软件（Golden Software）
制作孔隙度和渗透率等值线图，与生产数据融合后导入GEM
模型规模 40列×50行×5层网格，共10,000个网格单元（其中5,315个为有效网格）
单网格尺寸：260×260×42.8英尺
模拟情景 设计4种注采方案（Scenario 1-4），考虑不同井位部署、注采速率（5-10 MMscfd）及生产策略
历史拟合 对KM1、KM3、KM4、KM5、KM6等井进行井口压力和累计产量拟合（1997-2002年）
采用均方根误差（RMSE）方法验证模型精度

结论

  1. 封存容量有限：Kuzey Marmara气田的地质条件（孔隙度、渗透率）适合CO₂储存，但容量不足。初始条件下CO₂封存容量估计为301.1亿磅（约136.5万吨），仅够容纳一座中型天然气发电厂约8.3年的排放量（若为燃煤电厂则仅2.8年）。
  2. 可提高天然气采收率：CO₂注入可以有效提高该气田的天然气采收率（EGR），四种情景中最高采收率可达82.49%（Scenario 4），累计产气515.85亿立方英尺。
  3. 不适合高浓度封存：尽管可以提高采收率，但该气田不适合作为高浓度CO₂排放的封存场所。要处理一座500MW天然气电厂的日排放（80 MMscf），需要8口注入井同时以10 MMscfd的速率注入；若为燃煤电厂则需要24口井，经济性和操作性均不可行。
  4. CO₂运移特征：注入的CO₂倾向于向储层下部网格层运移，在低孔隙度区域前缘推进速度更快；在高渗区域，CO₂容易快速突破至生产井。

作者单位

中东技术大学（Middle East Technical University, METU）

 

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