天然气是国家的战略性资源,它的开发利用具有较高的经济效益和社会效益。在世界石油供应紧张、油价动荡起伏的国际背景下,天然气在国民经济发展中的战略地位日渐显著。天然气在其生产、运输和使用过程中,存在着用气需求的波动性和储存的特殊性,随着时段、季节的不同,会出现用气高峰与低峰。采用建设与长输管线、用户市场相配套的天然气地下储气库可保障经济、安全、高效地供气。天然气地下储气库需要用垫层气来保持储层压力、防止水体侵入和保证储气库工作的稳定性,垫层气量一般占储气库库容量的30%～70%。CO2是最主要的温室气体,处置CO2最有效的方式就是地质埋存,埋存地点主要选择枯竭油气藏、深部盐水储层、不能开采的煤层,以及深海。其中,枯竭气藏是CO2最理想也是最经济的地下埋存场所。将CO2直接注入其中,既可实现CO2的地质埋存,又可提高油气采收率,减少储气库“死资金”的形成,达到双赢的目的。本文在对CO2作垫层气的原理及可行性分析、垫层气与工作气扩散实验研究的基础上,对CO2作枯竭气藏型储气库垫层气的混气现象和敏感性参数进行了分析,对LZ储气库进行了注采方案设计与对比。这些研究对今后我国CO2作储气库垫层气的工程实践提供了理论依据,有着重要的实用价值。取得的主要成果如下:(1)概述了国内外天然气地下储气库的建设现状,运行现状,混气机理及数值模拟技术研究现状。(2)论述了 CO2作储气库垫层气的优势;论述了枯竭气藏型储气库相对于其它储气库的优势;论述了 CO2作储气库垫层气的运行机理。(3)从CO2及天然气热力学角度出发,论证了CO2作枯竭气藏型储气库垫层气的可行性及优势。(4)开展了 CO2与天然气的混气实验,分析了垫层气与工作气的混气现象,证明了垫层气与工作气呈现出纯CO2—窄小混合带—纯天然气三个区域。(5)由于储气库运行过程中采用的是强注强采方式,因此进一步结合工程实际,对CO2垫层气及天然气的混气现象进行了分析,对影响混气的参数(储气库渗透率、孔隙度、注采气速度、注入方式、垫层气气量等)进行了分析,并对混气在建库及运行阶段的控制方式给出了建议,为工程实践提供了理论依据。(6)以敏感性参数分析结果及混合带合理控制方式为理论依据对LZ储气库进行了调峰方案设计与对比。方案模拟结果可知:采用CO2作储气库垫层气既可节约资金、储能,又能实现CO2地质埋存、提高气体采收率。