二氧化碳作为地下储气库垫底气的注采机理及运行策略

崔梓贤1，杨金辉2,3，章妍2，鞠斌山3，马婕2，郑司建4，徐振华5，郑凯津3（1.中国石化集团新星石油公司，2.国家石油天然气管网集团有限公司，3.中国地质大学（北京）能源学院，4.中国矿业大学碳中和研究院，5.北京低碳清洁能源研究院）

摘要：枯竭气藏型地下储气库是天然气调峰的重要设施，但传统采用CH4作为垫底气的方式会产生高昂的沉没成本，不利于资源优化与碳减排目标的实现。为此，以CO2替代CH4作为垫底气，通过构建储层力学- 多组分渗流-非稳态扩散动态耦合数值模型，模拟分析了周期注采条件下CO2-CH4混合体系的渗流-扩散-压力演化规律，从工程机制与运行策略层面论证了CO2作为垫底气的可行性与优越性。研究结果表明：①CO2在储层中以超临界态存在，其高密度、低黏度与高可压缩性有助于形成稳定垫气层，使可利用库容提升约26%，显著缓解因储层孔渗衰减导致的CH4可采量下降；② CO2与CH4的混合扩散过程会影响天然气回采纯度，对注采节奏与频率提出了更高要求；③垫底气占比为50%～70% 时封存效率提升最快，减少注采转换频次可提高CH4产量1.7%～4.1%，但会小幅增加CO2采出量。结论认为，构建的动态耦合模型可量化垫底气比例、运行压力与注采强度对储层性能的影响，形成的可协同提升储能效率与碳封存能力的运行策略，为储气库低碳运行提供了理论依据。

关键词：枯竭气藏；地下储气库；CO2垫底气；碳封存；多物理场耦合；数值模拟；注采优化