CO2捕集、利用与封存技术(CCUS)是可有效减少人为CO2排放、助力实现“双碳”目标的重要技术路径[1-2]。CO2增强页岩气开采技术(CO2-ESGR)采用超临界CO2代替水作为压裂液和钻采流体，利用其物理化学特性，压裂并改造页岩储层，置换出页岩中的CH4，从而提高CH4采收率并实现CO2地质封存[3-4]。
近年来，国内外学者针对CO2-ESGR开展了大量的研究工作，研究表明页岩中CO2吸附量大于CH4，注入的CO2中有30%~55%(体积分数)以吸附态封存在页岩表面，且CO2与CH4分子之间存在相互作用有助于提高CH4采收率[5-7]。因此，通过注入CO2提高页岩气采收率是可行的，同时也可将CO2封存在储层中。有学者通过压裂、断层扫描和渗透率测试实验发现超临界CO2的注入会产生复杂的人工裂缝，并显著增加页岩的渗透率。其中，CO2注入引发的化学溶蚀效应有助于提高页岩人工裂缝的复杂程度并改善储层岩石物性[8-10]。孔祥伟等[11]研究了压裂技术对致密油藏的改造效果，并对裂缝参数进行了优化。Zhang等[12]对不同压裂液在不同应力差下的压裂和裂缝扩展机理进行了实验研究。裂缝作为页岩气流动的主要通道，其各项参数在提高低渗透页岩气藏采收率方面至关重要[13-14]。以往的研究主要集中于短期内压裂过程对CH4产量的影响，而针对于裂缝参数对CO2封存和CH4生产的长期影响研究较少。
以鄂尔多斯盆地延长组页岩为研究对象，基于超临界CO2驱替CH4相行为及渗流特性，建立了页岩基质-裂缝双孔双渗的三维均质模型，分析CO2-ESGR中人工裂缝参数对CO2封存和CH4开采的影响，以期为CO2-ESGR技术实现大规模、高效益开发提供参考。
鄂尔多斯盆地南部“定边—华池—富县”的“L”型区域是延长组页岩气的有利发育区[15]，广泛发育的天然孔隙和裂缝为页岩气聚集提供了空间，使其具有巨大的开采潜力，并且页岩层低孔低渗的特点使其有良好的自封能力，是CO2地质封存的理想场所。
以富县区块三叠系延长组页岩为研究对象，其主要裂缝类型为构造裂缝，且仅有少量的裂缝被石英、方解石等矿物填充[16]。延长组页岩气藏埋深度为800 ~1 400 m，储层厚度为10 ~50 m，地层压力一般在7 ~13 MPa，地层温度为30 ~40 ℃，孔隙度分布范围为1.0%~4.0%，均值为2.258%；渗透率分布范围为0.004 3×10-3 ~ 9.714 1×10-3 μm2，均值为0.413 4×10-3 μm2，属于低孔低渗型储层[17]。
利用CMG-GEM多维状态方程组分模拟器进行，模型整体遵循质量与能量守恒定律，扩展的Langmuir模型能很好地拟合CH4在不同页岩上的吸附数据，且能得出较准确的页岩气绝对吸附量[18]，Peng-Robinson状态方程可以预测页岩储层内达到相态平衡时的组成和密度[19]，在此基础上结合热力学方程，可得到气体组分在水相中的逸度，用亨利定律计算气体组分在储层水中的溶解量[20]，基于Land的相对渗透率方程，Larsen和Skauge提出了模拟中实现非润湿相迟滞模型的算法，可计算多孔介质中残余气体饱和度[21]，采用Palmer和Mansoori模型计算孔隙度与渗透率的变化量[22]，人工裂缝是相对独立的渗流系统，必须引入非线性项，用二项式非达西运动方程——Forchheimer方程表示[23]。表 1列举了模拟过程中涉及到的主控方程。
本研究以鄂尔多斯盆地富县地区三叠系延长组页岩作为目标储层，根据研究区地质资料[24]，建立页岩基质-裂缝双孔隙度双渗透率的三维均质模型，模型水平面大小为1 000 m×1 000 m，储层厚度为50 m，储层网格划分为25×25×10，表 2列出了模型孔隙度和渗透率等目标储层的基本参数。
如图 1所示，基础模型中分别设置了有人工压裂裂缝的水平CO2注入井和CH4生产井，水平井长度均为600 m，井间距为400 m。每口井分别有一条垂直于井的人工裂缝，裂缝半长为140 m，裂缝宽度为1.5 mm，裂缝高度为50 m。段辉等[25]研究结果表明，富县区块延长组页岩能够形成较为复杂的网状裂缝，为更精确地刻画人工裂缝压裂区域中的流体流动和压降变化，对裂缝所处网格进行7×7×3的对数加密。Liu等[17]研究CO2以最大井底压力22 MPa注入30年后的封存情况，CH4以最小井底压力0.3 MPa持续生产100年，模拟时间设置为1 000年。本研究未对矿化封存展开讨论，因此设置CH4以2.0 MPa恒压生产50年，CO2以最大井底压力20.0 MPa向页岩储层持续注入50年，随后闭井，模拟过程共持续100年。
为了探究人工裂缝半长、裂缝间距和裂缝数量等参数对CO2封存量和CH4产量的影响，结合实际工程场地条件，设置了5×5组模拟场景，分别为HL(half-length)组、W(width)组、H(height)组、I(interval)组和N(number)组，模拟方案设置见表 3。
人工裂缝半长是气体渗流的主要通道，在一定程度上影响着储层改造的面积。如图 2所示，人工裂缝半长从20 m增加到180 m时，CH4累计产气量由1.0×107 m3增加至1.58×107 m3，增加58.56%；CO2封存总量由4.07×107 m3增加至6.62×107 m3，增加62.65%，吸附封存量、溶解封存量、残余封存量和构造封存量均有显著的提升。累计产气量和封存总量都有大幅提升，这是由于人工裂缝半长的增加能够促使有效沟通的储层内部天然孔隙和裂缝增加，使储层中气体流通范围扩大，形成高效的气体渗流通道，提高了CH4产气量和CO2封存量。党海龙等[26]通过低渗高温高压的实验也证明了裂缝的长度有利于储层产量的增加。
图 3为不同裂缝半长条件下CH4产气速率与吸附量。从图 3(a)可看出，裂缝半长增加，CH4产气速率增加。投产初期(0~0.5年)开采的页岩气主要为游离态CH4，日产气速率高；随着游离气减少，产气速率下降，储层中的吸附气逐渐解吸；而在关井后的50年，井内压力回升，页岩储层中被解吸出的CH4由于未被及时开采又转为吸附态，见图 3(b)。当裂缝半长为180 m时，CO2的泄漏量为1.41×105 m3，占CO2总注入量的0.2%。可能是因为裂缝半长过长导致相邻两口井的裂缝相连通，少量CO2沿裂缝通道从生产井中泄漏。
前人研究表明，富县延长组页岩形成的人工裂缝宽度主要在0.6 ~1.6 mm之间。本研究模拟裂缝宽度在0.5 ~2.5 mm时梯度增加对CO2封存量和CH4产量的影响。图 4为不同裂缝宽度下CO2封存量和CH4产量。从图 4可知：人工裂缝宽度从0.5 mm增加到2.5 mm时，CO2封存总量由3.85×107 m3增加至8.21×107 m3，增长了113.37%，吸附封存量、溶解封存量、残余封存量和构造封存量均有较大的提升；CH4累计产气量增长86.62%。Huerta等[27]的研究也显示，增加裂缝宽度可以提高CO2封存总量。但受客观条件限制，裂缝宽度不可能无限增大，为达到更好的CO2封存和CH4开采效果，在条件允许范围内选择最优裂缝宽度。
图 5为不同裂缝宽度条件下CO2注入速率。从图 5可知，当恒压注入CO2时，增加裂缝宽度可以显著增加气体储存空间，提高超临界CO2注入速率，使得构造封存量增加。注入的CO2在迁移过程中残余封存量也增加，同时加强了CO2与水的相互作用，使得溶解态CO2增加；但裂缝宽度的增加没有增大储层改造范围，因此吸附封存量受到的影响最小。
裂缝高度变化会影响气井压裂改造后的产能[28]，本研究设置5个算例，模拟人工裂缝高度在10 ~30 m范围内梯度增加对CO2封存量和CH4产量的影响。图 6为不同裂缝高度条件下CO2封存量和CH4产量。由图 6可知：人工裂缝高度从10 m增加到30 m时，CO2封存总量由4.85×107 m3增加至6.52×107 m3，提高34.34%，吸附封存量、溶解封存量、残余封存量以及构造封存量均有显著的提升；CH4累计产量增加32.92%。
这是由于人工裂缝高度的增加可以连通垂直方向上的天然孔隙和微裂缝，增加了裂缝和储层的接触面积，并降低注入井垂向的压力聚集(见图 7)，从而加快了CO2注入和CH4开采速度。陈桂华等[29]也认为，较高的裂缝高度可以更好地从垂向上沟通储层的上下部分，增加页岩气的动用体积和可采储量。然而，聚集压力的减小也使得CO2与CH4的竞争吸附能力减弱，因此吸附封存增加量较少。应控制人工裂缝高度不超过储层厚度，防止由于裂缝高度失控而导致压裂效果降低。
图 8为不同裂缝间距条件下CO2封存量和CH4产量。从图 8可知：人工裂缝间距从40 m增加到200 m时，CO2封存总量由1.34×108 m3增加至1.62×108 m3，提高20.22%，吸附封存量、溶解封存量、残余封存量和构造封存量均有显著的提升；CH4产量增加26.07%。
图 9描绘了储层中吸附态CH4总量随时间的变化情况。在开采初期，裂缝间距越小，CH4解吸速率越快，随着页岩气的开采，CH4解吸速率变慢。但前期生产的CH4大部分来自储层中游离态的页岩气，减小裂缝间距并不能使CH4产量大幅提升。Nguyen等[30]通过预测Montney地层的页岩产气量，证明了裂缝间距对页岩气产量有很大影响。这可能是因为当裂缝间距较小时，主裂缝之间应力相互干扰，导致裂缝扩展不充分，沟通或激活的天然裂缝较少，限制了储层中CH4的解吸。但是过大的裂缝间距会导致储层改造不充分，使储层中的CH4采出率少。找出裂缝间距与数量之间合理的匹配关系，有利于更高效地开采页岩气。
为研究裂缝数量对CO2-ESGR的影响，设置5个人工裂缝数量梯度增加的算例，裂缝间距固定为80 m。图 10为不同裂缝数量条件下CO2封存量和CH4产量。从图 10可知：裂缝数量从2条增加至6条时，CO2封存总量由1.07×108 m3增加至2.69×108 m3，提高151.40%，吸附封存量、溶解封存量、残余封存量和构造封存量均有显著的提升；CH4产量增加137.10%，与致密油藏中提高裂缝数量可以提高原油采收率类似[31]。裂缝数量对CO2封存和CH4开采都有积极作用，这是因为裂缝数量的增加可以扩大储层改造范围，提高CH4产量和CO2注入量，使不同封存机制的CO2封存量均有增加。
对比分析图 8与图 10，显然裂缝数量增加对CO2封存总量和CH4产量的影响大于裂缝间距，这表明当水平井长度一定时，提高裂缝数量的收益大于增加裂缝间距的收益。
1) 裂缝半长、裂缝宽度和裂缝高度的增加都会使CO2封存量和CH4产量增加，其中裂缝宽度影响最大，裂缝宽度在0.5 ~2.5 mm范围内增加时，不同封存机制的CO2封存量都会增加，CO2封存总量最大增加113.37%，CH4产量增加86.62%。
2) 裂缝间距和裂缝数量都可以提高CO2封存量和CH4产量，但需要找出裂缝间距与数量之间合理的匹配关系，更高效地开采出储层中的页岩气。当水平段长度相同时，裂缝数量的提高效果远大于裂缝间距。
3) 基于数值模拟的人工裂缝参数对CO2封存量和CH4产量的影响分析，在合理范围内增加人工裂缝半长、高度、宽度和数量，可以增加CO2封存量和CH4产量。
2024, Vol. 53 Issue (2): 94-100 2024, Vol. 53 Issue (2): 94-100