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塔里木盆地油气藏开发过程中产生大量含硫化氢(H2S)、二氧化碳(CO2)的酸气，采用酸气回注技术，将含CO2和H2S的酸气注入地层，能够实现碳硫零排放，而且有利于调节硫磺供需矛盾，降低酸雨发生频次，目前已经成为酸气处理的最有效技术之一。酸气注入地层后，气体在多孔介质中扩散，驱替地层水，占据流体区域的越来越大的部分，并通过物理和化学过程将其永久封存在地层中。封存机制主要包括构造封存、残余封存、溶解封存和矿物封存。就结构和构造封存而言，为保证封存的安全性，盖层应为低渗透岩层。这是因为盖层下面的酸气可能通过废弃的井或盖层裂缝泄漏。矿物封存被认为是一种永久性的封存机制，酸气将以矿物的形式封存而不会泄漏到地表。溶解封存和残余封存可通过工程设计来促进，是安全的短期封存机制。
为了促进酸气的溶解封存和残余封存，增强酸气的短期封存效益，中国科学院武汉岩土力学研究所二氧化碳地质封存研究团队利用油藏组分模拟器，基于塔河油田奥陶系鹰山组碳酸盐岩储层的地质条件，对比了三种不同的酸气注入方案，即连续注入、间歇注入和水气交替注入，对酸气溶解封存和残余封存的影响，提出了优化的酸气注入方案。结果表明，酸气注入速率较大的连续注入方案可略微增大酸气的溶解封存和残余封存。与基准算例相比，连续注入（连注方案1）使得自由酸气比率减小1.82%，并将残余封存率提高1.25%。间歇注入方案难以提高酸气的溶解封存和残余封存。水气交替注入促进酸气的溶解，减小酸气羽流的运移距离，尤其是水气交替注入（交注方案3）效果最明显。与基准算例相比，水气交替注入（交注方案3）使得自由酸气比率减小13.66%，溶解封存率增大23.95%。因此水气交替注入方案能够提高酸气溶解封存和储存效率，有利于酸气封存，且水气交替注入（交注方案3）为优选的注入方案。
本研究成果得到国家自然科学基金（41872210，41274111和51809220）和岩土力学与岩土工程国家重点实验室开放基金（Z018002和Z018004）的共同资助。
图1 塔河油田碳酸盐岩储层酸气回注概念模型
图2 九种优化注入场景示意图
图3 水气交替注入（交注方案1）中酸气注入（a）5年、（b）10年、（c）15年、（d）20年、（e）25年和（f）100年后气相饱和度分布
图4 水气交替注入（交注方案2）中酸气注入（a）5年、（b）10年、（c）15年、（d）20年、（e）25年和（f）100年后气相饱和度分布
图5 水气交替注入（交注方案3）中酸气注入（a）5年、（b）10年、（c）15年、（d）20年、（e）25年和（f）100年后气相饱和度分布