📝 摘要
通过注CO₂提高采收率已在实验室和油田中得到研究，但CO₂驱通常缺乏可接受的波及效率。为解决这一问题，人们提出了多种CO₂注入策略（如水气交替注入、同步水气交替注入）。CO₂用量可能是一个限制因素，尤其是在海上应用中。因此，碳酸水注入因其所需CO₂较少且能提高波及效率而受到关注。本研究对碳酸水注入提高采收率进行了实验、理论和数值模拟综合研究，重点考察了碳酸水注入在均质和非均质（裂缝性）多孔介质中重力作用下的垂向驱替效果。第一阶段利用玻璃微观模型在2.1 MPa和21°C下研究了碳酸水注入在均质和裂缝性微观模型中的孔隙尺度驱替现象。第二阶段在85°C和31 MPa的储层条件下进行了岩心驱替实验，对比了水驱、水气交替注入和碳酸水注入的效果。第三阶段利用CMG软件对实验结果进行了模拟预测。微观模型研究表明，碳酸水注入的垂向波及效率优于水驱，二次碳酸水注入比水驱提高采收率16.8%。岩心驱替实验表明，二次碳酸水注入获得最高采收率74.8%，高于水气交替注入（66.5%）和三次碳酸水注入（64.2%）。数值模拟通过调整端点相对渗透率成功匹配了实验结果。
关键词：碳酸水注入；提高采收率；CO₂；微观模型；岩心驱替；数值模拟；CMG-GEM；裂缝性油藏
🖥️ CMG软件应用情况总结
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 所用软件 | CMG WinProp（相态模拟）；CMG GEM（组分模拟器）；CMG Builder（模型构建） |
| 模型类型 | 组分模型（GEM），三维笛卡尔网格 |
| 模拟对象 | 砂岩岩心驱替实验（水驱、二次/三次碳酸水注入、CO₂-WAG） |
| 储层条件 | 85°C，31 MPa（4,500 psi） |
| 岩心参数 | 长度9.8-11.8 cm，直径3.8 cm，孔隙度19-22%，渗透率314-381 mD |
| 流体模型 | 7个拟组分（C6-C8至C27-C30+），Peng-Robinson状态方程 |
| CO₂溶解度 | 海水：0.0188 mol CO₂/mol水；油：0.448 mol CO₂/mol油（85°C/31 MPa） |
| Henry常数 | 通过WinProp内部模型（Harvey方法）计算 |
| 相对渗透率 | Corey模型，Stone II方法计算三相相对渗透率 |
| 历史拟合 | 通过调整端点相对渗透率（表6-8）匹配实验数据 |
| 主要输出 | 采收率、累积水油比、累积气油比、压力降 |
文中明确指出：使用CMG GEM进行组分模拟，CMG WinProp构建流体模型（第6.3节）。作者感谢CMG提供软件许可（致谢部分）。
📊 研究方法与关键参数
微观模型实验（第5章）：
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自制玻璃微观模型，耐压5 MPa（无围压）
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四种模型：均质、水平裂缝、垂直裂缝、无裂缝
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条件：21°C，2.1 MPa
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原油：29.8°API，粘度6.82 cP
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CO₂溶解度：水0.0128 mol CO₂/mol水，油0.096 mol CO₂/mol油
岩心驱替实验（第6章）：
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条件：85°C，31 MPa
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原油：29.8°API，粘度4.5 cP（储层条件）
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海水：大西洋海水，35,987 ppm
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注水流速：0.2 ml/min（~1 ft/天，N_Ca=3.5×10⁻⁶）
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CO₂-WAG：水-气比1 PV水 : 2 PV CO₂，2个周期
CO₂溶解度与物性（CMG-WinProp计算）：
| 条件 | 水相溶解度 | 油相溶解度 | 油粘度（cP） | 油膨胀因子 |
|---|---|---|---|---|
| 微观模型（21°C/2.1 MPa） | 0.0128 mol/mol | 0.096 mol/mol | 6.82→6.23 | 1.014 |
| 岩心驱替（85°C/31 MPa） | 0.0188 mol/mol | 0.448 mol/mol | 4.50→3.76 | 1.162 |
流体模型拟组分（表6-3）：
| 拟组分 | 摩尔% | 分子量（g/mol） |
|---|---|---|
| C6-C8 | 7.78 | 104.62 |
| C9-C11 | 23.55 | 133.33 |
| C12-C15 | 22.84 | 181.17 |
| C16-C18 | 10.78 | 235.63 |
| C19-C22 | 10.12 | 280.21 |
| C23-C26 | 6.70 | 329.21 |
| C27-C30+ | 18.21 | 584.23 |
🧪 主要实验结果
微观模型关键结果（第5章）：
| 微观模型类型 | 重力影响 | 水驱采收率（7 PV） | 二次CWI采收率（7 PV） | 增量 |
|---|---|---|---|---|
| 均质 | 有 | 36.2% | 53.0% | +16.8% |
| 均质 | 无 | 42.7% | 53.2% | +10.5% |
| 水平裂缝 | 有 | 36.3% | 42.3% | +6.0% |
| 垂直裂缝 | 有 | 38.8% | 48.9% | +10.1% |
重力稳定驱替（从底部注入，上部生产）：
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水驱突破：0.6 PV，RF=60.3%
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二次CWI突破：0.69 PV，RF=70.0%
-
二次CWI最终采收率（5 PV）：79.1%
岩心驱替关键结果（表6-2、表6-9）：
| 方案 | 突破（PV） | 突破RF | 1 PV RF | 2 PV RF | 4 PV RF | 8 PV RF |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 海水驱 | 0.39 | 47.1% | 59.4% | 59.7% | 59.7% | 59.7% |
| 二次CWI | 0.45 | 50.4% | 68.1% | 71.5% | 74.3% | 74.8% |
| 三次CWI | 0.39 | 45.5% | 60.0% | 61.7% | 64.2% | 64.2% |
| CO₂-WAG | 0.40 | 46.1% | 60.0% | 60.0% | 63.2% | 66.4% |
岩心驱替累积产量（8 PV）：
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海水驱：累积产水~17.0 ml，产油9.9 ml
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二次CWI：累积产水~15.2 ml，产油12.7 ml
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三次CWI：累积产水~170 ml，产油11.3 ml
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CO₂-WAG：累积产水~25.8 ml，产油11.2 ml
CO₂-WAG周期表现：
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预水驱（1.4 PV）：RF≈60.0%
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第1周期：CO₂注入2 PV → 增量0.8%
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第1周期水注入1 PV → 增量3.0%（至63.8%）
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第2周期CO₂注入2 PV → 增量2.6%（至66.4%）
历史拟合结果：
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通过调整Corey指数（n_w=3.2，n_ow=2.5，n_og=3，n_g=2.9）和端点相对渗透率
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模拟结果与实验数据吻合良好（图6-13至6-20）
扩散系数（计算值）：
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微观模型条件：D_CO₂,oil=9.43×10⁻¹⁰ m²/s，D_CO₂,water=1.78×10⁻⁹ m²/s
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岩心驱替条件：D_CO₂,oil=2.10×10⁻⁹ m²/s，D_CO₂,brine=3.10×10⁻⁹ m²/s
✅ 主要结论
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重力作用在微观模型中影响水驱和CWI的垂向驱替效率，但CWI的垂向波及效率优于水驱。
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垂直裂缝有助于CWI改善垂向波及效率，在垂直裂缝微观模型中二次CWI比水驱提高采收率10.1%。
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重力稳定驱替（从底部注入）可显著提高CWI效果，突破采收率达70.0%，最终采收率79.1%。
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二次CWI在岩心驱替中获得最高采收率74.8%，优于CO₂-WAG（66.4%）和三次CWI（64.2%）。
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CO₂从碳酸水向油相的传质导致油粘度降低和油膨胀，这是CWI提高采收率的主要机理。
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裂纹（裂缝）作为高渗透通道优先输送碳酸水，然后通过基质-裂缝相互作用驱替基质中的油。
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CMG组分模拟通过调整端点相对渗透率成功匹配了实验数据，为后续现场尺度模拟提供了校准模型。
🏛️ 作者及单位信息
| 作者 | 单位 |
|---|---|
| Sedigheh Mahdavi | 纽芬兰纪念大学（Memorial University of Newfoundland），工程与应用科学学院 |
导师：Dr. Lesley A. James
学位：博士（工程与应用科学）
时间：2019年1月
地点：St. John’s, Newfoundland and Labrador
致谢：
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感谢CMG提供软件许可
补充说明：本论文的主要创新点在于系统研究了重力作用下碳酸水注入在均质和裂缝性多孔介质中的孔隙尺度行为，并结合高温高压岩心驱替实验和组分模拟进行了多尺度评估。论文包含三部分已发表/投稿内容：
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SCA 2016：碳酸水注入的重力效应研究
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SCA 2017：裂缝性多孔介质中的水驱与CWI
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投稿ACS期刊：碳酸水注入的岩心尺度研究
如需提取论文中的特定图表（如微观模型图像、相对渗透率曲线、历史拟合对比图、CO₂溶解度计算等）或翻译全文/特定章节，可以继续为您处理。