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CO2提高天然气采收率(CO2-EGR)技术因其同时实现天然气增产与CO2地质埋存的特性,近年来受到广泛关注。(CO2与天然气混合体系热力学性质及驱替弥散特性显著影响CO2运移规律,对CO2封存效果、天然气采收率意义重大。CO2-EGR过程中CO2-CH4混合体系热力学性质、驱替机理及弥散特性成为影响CO2运移及天然气采收的关键科学问题。围绕上述问题,本文利用实验和模型方法,研究CO2-CH4二元体系密度特性,利用CT可视化方法,分析多孔介质内CO2-CH4混相驱替行为特征,原位测量混相驱替过程的弥散系数,探究CO2-CH4横向及纵向驱替的表观弥散特性,分析重力效应及多种因素对混相驱替弥散的作用机理,模拟研究注入参数对天然气采收率的影响,阐明CO2运移与天然气采收率变化规律,为CO2-EGR实施提供了数据及理论支持。本文主要研究内容如下:搭建高精度磁悬浮天平气体密度测量系统,系统获得气藏温压条件尤其临界区条件下广泛CO2浓度范围的CO2-CH4体系密度,探究了不同温度、压力及CO2浓度条件下密度变化规律。提出了 CO2-CH4二元相互作用参数与CO2浓度的线性关系,改进PR方程和PC-SAFT模型,提高了密度预测精度,并评估了不同模型适用条件。基于微焦点X射线CT,开发了多孔介质内CO2-CH4驱替可视化及弥散原位测量方法,获取多种填砂岩心孔隙结构并定量描述了孔隙度分布规律,对填砂岩心内液态、超临界态CO2驱替CH4过程进行了原位可视化观测,证实该过程为混相驱替过程,并原位获取了混相驱替过程中的弥散系数,分析发现进出口效应会增大弥散系数14%～29%,探明了残余水溶解CO2而抑制弥散作用的影响机制。开展了填砂岩心内CO2横向及纵向驱替CH4实验研究,分析了表观弥散特性的变化规律,阐释了重力效应抑制纵向弥散并促进横向弥散的作用机理,探明了 CO2注入参数、多孔介质孔渗特性、天然气杂质气体、地层深度等多因素对弥散特性的影响机制,发现实验中弥散过程处于对流与扩散共同主导区域,解析了弥散特性与对流、扩散关系,获取了填砂岩心弥散度,探明了多孔介质内CO2-CH4混相驱替弥散特性的变化规律。构建了均质与纵向非均质气藏模型,改进TOUGH2中热物性计算模块,开展CO2-CH4混相驱替模拟研究,探究地质条件下气藏内CO2与天然气之间的混相驱替规律。气藏尺度验证了重力效应抑制纵向驱替弥散的作用机理,分析不同开采时期CO2注入效果,获得了最佳注入时机及压力,为CO2-EGR的实施提供指导。