《Geoenergy Science and Engineering》：Synchronous cushion gas injection and brine discharge for the accelerated construction of aquifer gas storage facilities
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同步注氣排水技術可提升人工氣帽建設效率，通過數值模擬發現CO?緩沖氣體效果最佳但N?更經濟安全，1:1井群配置使效率提升2.69倍，壓降與注氣排水量呈正相關。
何玉婷|楊春和|陳家松|劉和娟|郭銀通|畢振輝
中國科學院巖石力學與土力學研究所巖土力學國家重點實驗室，中國武漢430071
摘要
含水層分布廣泛，可用于地下儲氣（UGS）、地下儲氫（UHS）和碳捕獲、利用與封存（CCUS）。然而，傳統的注氣過程耗時較長且存在較高的壓力積累風險。本研究提出了一種替代方法，通過同步注氣和排水來提高含水層儲氣效率，以滿足增加注氣速率和主動管理儲層壓力的需求。以中國東部的一個含水層為案例，通過數值模擬研究了同步注氣和排水提高含水層儲氣效率的可行性，并分析了不同類型緩沖氣體、排水井數量以及排水井參數的影響。主要研究結果如下：在相同時間和條件下，使用CO2作為緩沖氣體時，可以形成最大的人工氣頂體積；但從經濟性和安全性綜合考慮，目前N2被認為是最佳選擇。在本研究條件下，當注氣井與排水井的比例為1:1時，人工氣頂的建造效率可提高2.69倍。此外，每降低排水井的井底壓力1 MPa，緩沖氣體的累計注入量平均增加13.51%，排水量平均增加76.31%。在UGS和UHS中，排水井應優先設置在儲層邊緣和底部，以減少其對注氣井和氣體遷移的影響。
引言
中國天然氣消耗量巨大。根據國際平均水平，中國的天然氣調峰能力應達到480億立方米。目前，中國的地下儲氣（UGS）設施僅能提供180億立方米的調峰能力（張等人，2017年）。UGS主要有四種類型：枯竭型儲層、含水層型、鹽穴型和礦井型（例如喀斯特洞穴或廢棄礦山）（郭等人，2022年）。在美國，約有386個UGS設施在運行，其中大部分（約80%）利用枯竭的油氣田，12%為含水層儲氣，9%為鹽穴儲氣（Schultz等人，2020年）。然而在中國，現有的儲氣設施僅包括枯竭的油氣儲層型和鹽穴型（劉等人，2023年；馮等人，2025年；楊等人，2025年；謝等人，2023年；何等人，2024年）。經過20多年的發展，幾乎所有枯竭的油氣儲層都已被用于儲氣建設。由于各種限制（合適的鹽層有限、建設成本高、鉆井和浸出過程復雜），鹽穴儲氣建設進展緩慢，而礦井型儲氣風險較高。因此，含水層儲氣是中國提高儲氣能力的一個新可行途徑。
由于含水層分布廣泛且儲氣空間大，它們在UGS、UHS（地下儲氫）和CCUS（碳捕獲、利用與封存）等領域具有很高的價值。美國肯塔基州于1946年首次實現了含水層儲氣（Abhishek等人，2023年）。然而，在含水層儲氣設施的建設和運行過程中仍存在許多挑戰，如注氣和生產效率（Bi等人，2025年；賈等人，2025年）、緩沖氣體的影響（Sadeghi等人，2022年；Shoushtari等人，2023年）、工作氣體回收效率（Bi等人，2024年；Al等人，2025年）以及安全問題（Navarro等人，2024年）。關于注氣和生產效率，Maksim研究了儲層非均質性對井注氣-生產效率和井底壓力的影響（Pereira等人，2025年），指出注氣和生產效率受井底壓力顯著影響，而注氣過程中井底壓力的快速上升是由儲層非均質性引起的。Guillermo等人（2025年）指出，對于高度非均質的儲層，需要更多的緩沖氣體來確保工作氣體的注氣和生產效率。Pan等人（2023年）指出，巖石潤濕性影響孔隙尺度上的氣-液兩相流動特性，從而影響儲層尺度上的注氣和生產效率。Wang等人（2022年）研究了砂巖的速率依賴性行為對注氣和生產效率的影響，發現注氣和生產效率隨地層應變速率的增加而顯著提高。Zamehrian等人（2024年）提出，在儲層邊緣注入水/CO2可以提高氣體產率和回收率。此外，我們認為在儲層邊緣排水可以增加緩沖氣體的注入速率并縮短人工氣頂的建造時間。另一方面，向地下注入大量流體可能引發地質力學問題（Bai等人，2022年）。注氣引起的儲層壓力增加會影響蓋層的密封性能和完整性（Dilshan等人，2024年；Song等人，2025年）。Buscheck等人（2021年）提出通過同步注氣和排水來緩解壓力積累并提高CO2地質儲氣過程中的注入速率。Bergmo等人（2011年）指出，即使在沒有排水的情況下，儲層遠端也會出現壓力增加。
中國計劃到2030年建造兩個儲氣能力超過10億立方米的含水層儲氣設施，但含水層儲氣的建造時間通常較長。傳統方法無法滿足加速建造的需求（Safar等人，2023年；Deng等人，2025年）。盡管儲層非均質性、潤濕性和應變速率等參數的影響很重要，但這些因素無法避免。如何安全地加速人工氣頂的建造仍是一個未解決的研究課題。
本研究以中國東部的一個實際含水層為研究對象，使用CMG-GEM軟件模擬了在不同緩沖氣體類型、排水井數量、排水井完井參數和邊界條件下的人工氣頂建造過程。在壓力邊界條件的約束下，分析了不同參數對注氣速率的影響，為含水層儲氣中人工氣頂的加速和安全建造提供了重要參考。此外，本研究對類似儲氣設施（如UGS、UHS和CCUS）的建造也有啟示。
數值模型
本研究使用Computer Modeling Group（CMG）開發的組分模擬器（CMG-GEM）來研究含水層儲氣建造過程中的注氣和排水過程。該組分模型主要包括三個關鍵控制方程：質量守恒方程、動量方程和狀態方程（EOS）。在本研究中，該組分模型用于模擬多孔介質中的氣-液兩相流動。
緩沖氣體比較
在建造人工氣頂的過程中，需要提前注入一定量的緩沖氣體（通常與工作氣體相同）以提供工作氣體生產的壓力支持。這些緩沖氣體不會被抽出，而是留在地下地層中（Wang等人，2022年）。本節使用CH4（案例1）、N2（案例2）和CO2（案例3）作為緩沖氣體，模擬人工氣頂注入過程的不同情況。三年后（1095天）
結論
本研究分析了通過同步注氣和排水加速含水層人工氣頂建造的可行性，并探討了緩沖氣體類型、排水井數量、井底壓力和完井參數對人工氣頂建造過程的影響。數值模擬結果的深入分析得出以下主要結論：
(1)在相同的人工氣頂建造條件下，使用
作者貢獻聲明
何玉婷：撰寫——初稿，概念構思。楊春和：資源協調，項目管理。陳家松：資金籌集，數據整理。劉和娟：撰寫——審閱與編輯，形式分析。郭銀通：資源準備，方法論。畢振輝：方法論，概念構思
未引用參考文獻
Al Ahmad和Jia，2025年；Bai和Tahmasebi，2022年；Buscheck等人，2012年；Chen，2007年；Giacomi等人，2025年；He等人，2024年；He等人，2025a；He等人，2025b；He等人，2024年；Jia等人，2025年；Qiu等人，2021年；Sadeghi和Sedaee，2022年；Safari等人，2023年；Schultz和Evans，2020年；Wang等人，2022年。
利益沖突聲明
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致謝
本研究得到了國家科技重大項目（2025ZD1011108）、國家自然科學基金（U22A20166和U24B2035）、CPSF博士后獎學金計劃（GZC20241889和2024M753456）以及湖北省自然科學基金（2024AFD374）的財政支持。
