📝 摘要
巴肯页岩等致密油藏原地石油储量高达数千亿桶，但一次采收率通常低于10%。因此，致密油藏可能是CO₂强化采油的有利候选对象。然而，CO₂在致密油藏中的多相流体行为和流动特性受孔喉尺寸控制，纳米级孔隙中的流体性质与宏观孔隙中差异显著。因此，理解纳米、微米和宏观尺度孔隙及裂缝网络的性质和分布至关重要。本项目采用先进表征方法（CT扫描、SEM、FESEM、FIBSEM等）研究控制CO₂和原油在致密油藏中流动能力的岩石物理和地质力学因素；通过实验室实验测定CO₂在巴肯页岩和储层岩石中的渗透速率和原油萃取率；将表征数据和实验数据集成到地质模型和动态模拟中，预测巴肯致密油藏的CO₂封存资源和EOR潜力。结果表明，页岩中大部分连通孔隙与有机质相关；储层岩石中的微裂缝虽常被粘土充填，但粘土内部的孔喉仍具连通性，可作为流体流动通道。CO₂能够渗透并萃取页岩和储层岩石中的原油。模拟结果表明，北达科他州巴肯的CO₂封存资源估计为1.69亿至15亿吨，可增加原油采收18亿至160亿桶。
🔍 关键词
致密油藏；CO₂提高采收率；CO₂封存；巴肯组；高级表征；FESEM；FIBSEM；数值模拟
🖥️ CMG软件应用情况总结
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 所用软件 | CMG GEM（组分模拟器）；CMOST（优化分析工具） |
| 网格类型 | 径向网格（岩心塞尺度）；结构化网格（井尺度） |
| 模拟对象 | 巴肯页岩（上、下页岩段）和非页岩储层岩石（中巴肯段多个岩相） |
| 模拟尺度 | 岩心塞尺度（历史拟合实验）、井尺度（CO₂吞吐模拟） |
| 历史拟合对象 | CO₂渗透和烃类萃取实验数据（24小时原油采收率曲线） |
| 敏感性分析参数 | 孔隙度、渗透率、TOC、孔喉半径、含水饱和度、CO₂扩散系数、最大吸附量 |
| 主要输出 | 原油采收率、CO₂注入量、CO₂封存量、增量采收率 |
报告中明确指出：CMG GEM被用于组分模拟，CMOST用于不确定性分析和优化。模拟工作包括岩心塞尺度（图54、61-64、69、71）和井尺度（图72-75）的CO₂吞吐过程模拟。
📊 项目主要工作流程
| 阶段 | 内容 |
|---|---|
| 表征阶段 | XRD/XRF矿物分析、光学岩相、常规SEM、高压压汞、CT、micro-CT、FESEM、FIBSEM |
| 实验阶段 | CO₂渗透和烃类萃取实验（110°C，34.5 MPa，24小时）、CO₂吸附等温线测定 |
| 模拟阶段 | 岩心塞尺度历史拟合 → 页岩吸附参数敏感性 → 井尺度CO₂吞吐模拟（注3周+焖1周+采1年） |
| 评价指标 | 采收率、增量原油、CO₂利用率、CO₂封存量 |
岩心塞实验设置：直径11.2 mm、长约4 cm的岩心柱，置于1.5 cm直径萃取釜中，CO₂流速1.5 mL/min，以烃类回收率作为CO₂渗透能力的替代指标。
🧪 主要表征与实验结论
| 岩相 | 孔隙度 | TOC | 平均孔喉半径 | 24h CO₂采收率 |
|---|---|---|---|---|
| 上巴肯页岩 | 0.35-0.75% | ~12 wt% | ~3.2 nm | 40% |
| 下巴肯页岩 | 0.35-0.75% | ~12 wt% | ~3.3 nm | 43% |
| 中巴肯MB3（层状） | 5.0% | <0.5 wt% | ~17 nm | ~100% |
| 中巴肯MB2（生物扰动） | 5.3% | <0.5 wt% | ~11 nm | ~100% |
| 中巴肯其他岩相 | 4.4-5.4% | <0.5 wt% | – | 94-100% |
关键发现：
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CO₂渗透在中巴肯储层岩石中很快（5小时内采收55-95%），但在页岩中较慢（24小时采收12-67%），但延长接触时间仍可显著提高采收率
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FIBSEM显示页岩中有机质内部存在连通的纳米级孔隙网络，为CO₂渗透提供了通道
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粘土填充微裂缝内仍存在连通纳米孔隙，表明其仍可作为流体通道
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CO₂吸附等温线表明巴肯页岩具有显著的CO₂吸附能力（最大约17 mg/g岩石），有机质可增强CO₂封存
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页岩中最影响原油采收的参数是TOC和孔喉半径；储层岩石中是孔喉半径和含水饱和度
📈 数值模拟主要结论
| 模拟尺度 | 主要结论 |
|---|---|
| 页岩岩心塞历史拟合 | 模拟可重现实验趋势，但最终采收率略低估；可能与模型无法完全表征连通孔隙网络有关 |
| 页岩敏感性分析 | 高TOC页岩中CO₂可吸收进入干酪根，意味着高TOC可转化为更高的CO₂封存能力 |
| CH₄吸附影响 | 纳入CH₄吸附后模拟结果更接近实验值 |
| 中巴肯岩心塞模拟 | 模拟采收率~98%，但未能完全达到实验值；低TOC意味着吸附能力显著低于页岩 |
| 井尺度CO₂吞吐 | 9个吞吐周期后，增量采收率可达5.4%；CO₂利用率6.1-8.9 Mscf/桶增量油 |
井尺度模型关键参数：388英亩井距单元，15个模拟层，两口水平井间距490 ft，水力裂缝半长200 ft、缝高94 ft，裂缝渗透率1 Darcy。初始压力8400 psi，注水井最大BHP 3000 psi，生产井最小BHP 1000 psi。
CO₂封存和增量油预测：
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基于北达科他州巴肯OOIP为3000亿桶的估计
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增量油：18亿至160亿桶（OOIP的0.6-5.4%）
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CO₂封存资源：1.69亿至15亿吨
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计算依据：1吨CO₂ = 19.25 Mscf（标准条件）
✅ 主要结论
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CO₂能够渗透巴肯页岩和储层岩石并萃取原油，页岩中较慢但可通过延长接触时间提高采收率。
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页岩中有机质内部存在连通的纳米级孔隙网络，是CO₂渗透的关键通道；粘土填充微裂缝内仍具连通性，仍可作为流动通道。
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页岩具有显著的CO₂吸附能力，有机质可增强CO₂封存，有机质丰富的页岩可能是CO₂的有效圈闭。
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模拟表明CO₂吞吐可提高巴肯致密油藏采收率，增量约5.4%，同时实现CO₂地质封存。
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致密油藏表征和模拟的最佳实践包括：结合传统与先进表征技术、理解Rock Eval的局限性、谨慎处理相对渗透率和润湿性等参数。
🏛️ 完成单位及主要人员
| 姓名 | 单位 |
|---|---|
| James A. Sorensen（项目负责人） | 北达科他大学能源与环境研究中心（EERC） |
| Steven A. Smith | EERC |
| Bethany A. Kurz | EERC |
| Steven B. Hawthorne | EERC |
| Lu Jin | EERC |
| Nicholas W. Bosshart | EERC |
| José A. Torres | EERC |
| Carolyn M. Nyberg | EERC |
| Loreal V. Heebink | EERC |
| John P. Hurley | EERC |
项目周期：2014年11月1日至2017年10月31日
合作协议号：DE-FE0024454
资助单位：美国能源部国家能源技术实验室（DOE NETL）、北达科他州工业委员会（NDIC）