📝 摘要

全球工业的持续增长导致人为排放量不断上升，造成温室效应，使大气升温并改变全球气候。另一方面，向油藏注入CO₂以提高采收率已在商业上使用了近50年。由于CO₂的采购成本，石油行业的作业方式通常是在最小化CO₂注入量的同时最大化采出油量。为了克服EOR过程中CO₂封存的经济限制，有必要采用工程方法同时最大化经济采油量和注入油藏的CO₂体积。这一过程称为协同优化。为此，针对不同方案进行了多次模拟，以找到可储存的最大CO₂量、可采出的最大油量以及同时最大化两者的最优点。

结果表明：使用反五点井网和实施水气交替注入对协同优化有显著贡献，而井网面积和注入速率等参数需要结合经济因素逐案评估。

关键词：气候变化；CO₂；储存；封存；提高采收率；协同优化

🖥️ CMG软件应用情况总结

 
 
项目 内容
所用软件 CMG IMEX（黑油模拟器）+ Builder（建模）+ Results（结果分析）
物理模型 拟混相模型（Todd & Longstaff，1972）
模型尺寸 118 × 21 × 20 = 49,560个网格块
模型尺寸（ft） 55,774 ft × 9,843 ft × 420 ft
网格块尺寸 473 ft × 469 ft × 21 ft
储层类型 裂缝性碳酸盐岩重油油藏（以土耳其Bati Raman油田为参考）
原油性质 API重度9-15°，粘度450-1000 cP
原始地质储量 18.5亿桶
模拟时长 50年
注气速率 10-1000 MMscf/天

文中明确指出：CMG IMEX被用于模拟重油油藏中CO₂封存与EOR的协同优化。

🔧 拟混相模型（Pseudo-Miscible Model）简介

由于CO₂注入Bati Raman油田为非混相驱，研究采用了CMG IMEX中的拟混相模型（基于Todd & Longstaff，1972）。该模型通过混合参数（ω）在完全混相和非混相之间进行插值：

  • ω = 0：完全非混相（本研究使用，因储层压力远低于最小混相压力）

  • ω = 1：完全混相

主要修改的方程包括：有效相对渗透率、有效粘度、有效密度和毛细管压力。

📊 五组模拟方案及结果

方案1：井网类型优化

 
 
井网类型 采收率 最大CO₂封存量（scf）
周边注入 1.55 1.72×10¹¹
直线注入 0.87 2.76×10¹¹
五点法 1.09 3.97×10¹¹
九点法 0.94 2.59×10¹¹
反五点 2.10 2.78×10¹¹
反七点 3.56 1.67×10¹¹
反九点 3.75 1.04×10¹¹

结论：反五点在采收率和CO₂封存量两方面均高于平均水平，是协同优化的最佳选择。

方案2：井网面积优化

 
 
面积（英亩） 采收率 最大CO₂封存量（scf）
75 9.66 9.88×10¹⁰
100 6.59 1.48×10¹¹
200 5.38 1.86×10¹¹
215 5.22 1.91×10¹¹
250 4.31 2.00×10¹¹
600 1.76 2.50×10¹¹

结论：面积越小，采收率越高（井数更多），但CO₂突破更早，封存量更低。需结合经济因素权衡。

方案3：注入速率优化

 
 
注入速率（MMscf/天） 采收率 最大CO₂封存量（scf） 突破时间（年）
10 8.62 4.01×10¹⁰ ~25
30 9.66 9.88×10¹⁰ ~11
50 10.11 1.38×10¹¹ ~8
100 10.71 2.02×10¹¹ ~5
500 12.45 3.77×10¹¹ ~3
1000 13.25 4.52×10¹¹ ~2

结论：注入速率越高，采收率和CO₂封存量越高，但突破更早，采收率增加速率递减。

方案4：注入层位优化

 
 
注入层位 采收率 最大CO₂封存量（scf） 50年末CO₂封存量（scf）
油层 5.76 3.80×10¹¹ 2.43×10¹¹
水层 5.63 4.24×10¹¹ 2.60×10¹¹
油水同注 5.64 4.24×10¹¹ 2.61×10¹¹

结论：采收率差异可忽略；CO₂封存量方面，注入水层更稳定。

方案5：水气交替注入优化

 
 
WAG周期（水:气） 采收率增量 CO₂封存量变化
1:1（3个月） +33.9% +10%
1:2（3:6个月） +29.6% -1.7%
2:1（6:3个月） +37.8% +12%
1:1（6个月） +33.9% +10%

结论：WAG可显著提高采收率（最高+38%），同时小水量注入可降低CO₂流动性，延缓突破，稳定封存量。

💰 经济考虑

利润公式：利润 = 产油收入 + CO₂封存补贴 − CO₂采购成本 − 作业成本

 
 
市场情景 最优策略
高油价 + 高CO₂成本 侧重EOR（反九点、小井距、最小化CO₂用量）
低油价 + CO₂补贴/负成本 侧重封存（五点法、大井距、高注入速率、注入油层）
高油价 + CO₂补贴 反五点 + 最大注入速率 + 注入油层 + WAG

WAG在所有情景下均有益

✅ 主要结论

  1. 井网类型：反五点井网在采收率和CO₂封存量两方面均高于平均水平，是协同优化的最佳选择。

  2. 井网面积：面积越小，采收率越高（井数更多），但CO₂突破更早，封存量更低。需结合经济因素权衡。

  3. 注入速率：注入速率越高，采收率和CO₂封存量越高，但突破更早，采收率增加速率递减。

  4. 注入层位：采收率差异可忽略；CO₂封存量方面，注入水层更稳定。

  5. 水气交替注入：WAG可显著提高采收率（最高+38%），同时小水量注入可降低CO₂流动性，延缓突破，稳定封存量。

  6. 协同优化可行性：通过IEAGHG Weyburn-Midale项目已证明，EOR和CO₂封存可以协同优化，实现CO₂的永久封存。

🏛️ 作者及单位信息

 
 
项目 内容
作者 Nuri Akhundov
学位 理学硕士（石油与天然气工程）
授予单位 中东技术大学（土耳其）
论文提交日期 2021年9月
导师 Assoc. Prof. Dr. Çağlar Sınayuç
资助 TUBITAK（土耳其科学技术研究理事会）研究生研究奖学金
 

 

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