📝 摘要
在深层天然裂缝性油藏（NFR）中，由于注入蒸汽时热损失过大，提高采收率（EOR）的替代方案十分有限。高温氧化条件下的空气注入（即原位燃烧）已被视为水基热采方法的替代方案。然而，由于这些油藏的强非均质性以及未消耗氧气到达生产井的安全风险，其应用存在严重局限，包括注入空气的平面波及效率差和燃烧效率低。

利用空气成本低且易获得的优点，一个选择是在低温氧化（LTO）条件下将空气用作NFR的增压剂。在此条件下会生成含氧化合物，导致原油粘度增加，降低流体流动性。为减少这一不利影响，可将空气注入与烃类溶剂结合使用。本论文的目标是评估在含重油的NFR中注入LTO空气以提高采收率的效果，阐明添加烃类溶剂对采油率和氧气消耗的影响，并为该方法的有效应用提出优化条件（温度、空气/溶剂比）和实施策略。

为实现这些目标，开展了全面的室内实验和数值模拟研究。通过将饱和重油的岩心浸泡在充满气体的反应器中（模拟基质/裂缝系统），进行了静态扩散实验（模拟循环注气-焖井-开采）。评估的主要参数是采油率和氧气消耗，考察的变量包括岩石类型、温度、裂缝体积、溶剂类型、基质尺寸、气体注入顺序和焖井时间。主要观察结果包括：(1) 气体注入顺序影响采油率；(2) 在空气循环中，岩心预先用丁烷浸泡比用丙烷浸泡的氧气消耗更高；(3) 将岩心浸泡在空气+丙烷混合物中比单独使用纯空气或溶剂更有利，即与交替注入空气和丙烷相比，产气中氧气浓度更低，溶剂用量更少，采油率更高且更快。

随后，建立了岩心尺度数值模拟模型，用于对实验进行历史拟合，并对空气/丙烷比和基质尺寸进行敏感性分析。结果表明，该过程对基质尺寸极为敏感，并且可以通过针对给定基质尺寸最小化烃类溶剂用量来实现空气注入的优化。此外，使用放大到包含米级基质块的现场尺度数值模型进行了敏感性分析。观察到，被填充气体的裂缝包围的基质块中的采油机制主要是气-油重力驱替、有效扩散以及气体对油的空隙置换。

最后，建立了一个假设NFR的数值模拟扇区模型，分析了多种空气-气体注入顺序。结论是，在现场尺度上，注入空气（LTO条件）和丙烷是NFR重油开采的一种替代方法，并且对于给定的气体注入顺序（气体类型和注入/焖井时长）、温度和基质尺寸，可以获得最佳的生产时间/焖井时间比。

🖥️ CMG软件应用情况总结

项目 内容
所用软件 CMG STARS（先进过程与热采模拟器）及 CMG WINPROP（相态模拟软件包）
模型类型 • WINPROP: 用于生成PVT模型，使用Peng-Robinson EOS
• STARS: 热采组分模拟器，用于模拟低温氧化（LTO）反应和组分传输
模拟对象 • 实验室尺度（第4章）：单基质岩心（Berea砂岩）在反应器中的静态扩散实验（空气、丙烷、空气/丙烷混合物注入）
• 现场尺度（第5章）：假设的NFR扇区模型（单基质块10 m立方体，或多基质块5 m立方体），模拟循环注气（huff-and-puff）过程
应用方式 • 实验室历史拟合：使用STARS模拟径向（r-z）网格模型，匹配实验的产油量和反应器压力，确定扩散系数和LTO反应动力学参数
• 敏感性分析：使用校准后的模型分析空气/丙烷混合物比例和基质尺寸对采油率的影响
• 放大研究：基于历史拟合参数，模拟更大尺寸的立方体基质块（100-1000 cm）
• 现场尺度模拟：使用STARS建立具有显式裂缝的3D笛卡尔网格模型，评估不同气体注入顺序、生产/焖井时间比和温度下的采油率与氧气消耗
模型描述（实验室历史拟合，第4.4.1节） • 网格：2D径向（r-z），13×26网格
• 基质：20层（z方向），10个最内层径向网格
• 裂缝（环形）：26层（z方向），3个最外层径向网格
• 基质性质：渗透率250 md（水平），150 md（垂直），孔隙度0.124
• 裂缝性质：渗透率50,000 md，孔隙度0.999
模型描述（现场尺度，第5.4.1节） • 网格：3D笛卡尔，显式裂缝
• 模型1：单基质块（10 m立方体），11×11×11网格
• 模型2：多基质块（8个5 m立方体），15×15×15网格
• 基质性质：渗透率320 md（kx, ky），192 md（kz），孔隙度0.1589
• 裂缝性质：渗透率50,000 md，孔隙度0.999
• 井网：一口垂直注入/生产井，在裂缝系统中完井
流体模型（PVT） • 使用WINPROP和Peng-Robinson EOS创建
• 组分：最多11个（重油、丙烷、N₂、O₂、CO、CO₂、醛类、醇类、酮类、焦炭、水）
• 粘度：Pedersen对应状态模型
• 扩散系数（历史拟合确定）：丙烷5×10⁻⁴ ft²/hr，氮气8×10⁻⁵ ft²/hr，氧气8×10⁻⁶ ft²/hr
LTO反应动力学 • 反应方案（基于Khansari et al., 2013）：
50-150°C：重油 + 6 O₂ → 3.96醛类 + 焦炭 + 水 + CO + CO₂
150-200°C：醛类 + 4.33 O₂ → 醇类 + 酮类 + 水
• 动力学参数：活化能（匹配值14500 BTU/lb-mol），频率因子（10.1 1/s），焓变（-31.75 BTU/lb-mol）
• 速率方程：-dCm/dt = k·(p_O2)^m·(Cm)^n
主要研究参数 气体类型（空气、N₂、丙烷、丁烷、混合物）、注入顺序（交替/共注）、温度（75, 150, 200°C）、裂缝体积（Vf/VT比）、溶剂类型（C₃, C₄）、基质尺寸、焖井时间、生产时间、空气/丙烷比
评价指标 采油率、氧气消耗量（N₂/O₂比、CO₂浓度）、油气组分（气相色谱）、油品性质（粘度、密度、沥青质含量、折射率）

文中明确指出：

“A commercial thermal simulator (CMG STARS) was used to analyze and understand the mechanisms involved in the oil recovery…” （第4.4.1节）
“The software used for numerical simulations was CMG STARS.” （第5.4.3节）
“CMG WINPROP and CMG STARS software packages are used for the generation of PVT and numerical simulation models, respectively.” （第1.4节）
致谢：感谢CMG为本研究提供软件。

🧪 实验与模拟方案及主要结果

1. 静态扩散实验（第2-3章）

  • 关键参数：岩石类型、温度、裂缝体积、溶剂类型、基质尺寸、注入顺序、焖井时间。

  • 主要发现：

    • 空气+丙烷混合物共注是最优策略：比纯空气采油率高，比纯丙烷溶剂用量少，氧气消耗更高（更安全），沥青质生成减少（图3-10, 3-11）。

    • 温度效应：75°C时丙烷是必要的（降粘），氧气几乎不消耗，空气仅作增压剂；150°C时氧气消耗显著增加，采油率更高，且丙烷可减少增粘效应。

    • 岩石类型：砂岩（高渗）采油率高于石灰岩（低渗）。

    • 基质尺寸：面积/体积比（A/V）是关键，高A/V比基质扩散更快，但氧气穿透更深，生成更多含氧化合物（图3-8, 3-9）。

2. 实验室尺度数值模拟与放大（第4章）

  • 历史拟合：成功匹配了10个实验的压力和采油率（图4-3, 4-4, 4-8）。

  • 敏感性分析：

    • 空气/丙烷比：纯丙烷采油率最高，纯空气最低，混合物介于之间。存在最优混合比以平衡成本和效果（图4-6）。

    • 基质尺寸：采油率对基质垂向长度极为敏感（图4-7）。

  • 放大研究：建立了时间(t)与基质尺寸(L)的对数关系（图4-12至4-14）：

    • 75°C：空气~ L¹⁰⁹，丙烷~ L¹³²

    • 150°C：空气~ L⁻¹⁷⁴，丙烷~ L⁻⁰⁶⁸，空气/丙烷混合物~ L⁻⁰⁶¹

3. 现场尺度数值模拟（第5章）

  • 模型：单基质块（10 m）和多基质块（8×5 m）的显式裂缝模型（图5-2）。

  • 注入方案：循环注气（huff-and-puff），比较了Air/Air/Air, Air/C₃/Air, C₃/Air/C₃, C₃/C₃/C₃四种序列，及不同生产/焖井时间比（1/1, 2/2, 1/2等）。

  • 主要结果：

    • 采油率（RF）：C₃/C₃/C₃最高，Air/Air/Air最低（图5-4, 5-5, 5-10, 5-11）。

    • 氧气消耗：150°C时氧气浓度可降至安全水平（<5 mol%）（表5-4）。空气+丙烷序列（如Air/C₃/Air）能有效降低后续空气循环中的氧气浓度。

    • 最优生产/焖井比：对于给定条件，存在最优比（通常≤1），并非越长越好。

    • 机制：气-油重力驱替、有效扩散、气体对油的空隙置换是主要采油机制（图5-6, 5-7）。

✅ 主要结论

  1. 方法可行性：LTO空气+溶剂（丙烷/丁烷）注入是深层裂缝性重油油藏EOR的可行替代方案。

  2. 共注优于交替注入：将空气与丙烷混合共注比交替注入更有效，能实现更快的采油速率、更高的采油率、更低的氧气残留和更少的溶剂用量。

  3. 温度是关键控制因素：75°C时溶剂是必需的（降粘），150°C时氧气消耗显著，可提高安全性，且溶剂需求降低。

  4. 基质尺寸敏感性：采油率对基质尺寸（尤其是垂向长度）和面积/体积比极为敏感。放大研究提供了时间-尺寸的幂律关系。

  5. 最优操作参数：存在最优的空气/丙烷混合比、生产时间/焖井时间比以及气体注入顺序，需根据具体油藏条件（温度、基质尺寸）优化。

  6. CMG STARS的适用性：CMG STARS能够成功模拟LTO条件下的化学反应、组分传输以及裂缝-基质间的复杂相互作用，是评估此类非常规EOR方法的有效工具。

🏛️ 作者及单位信息

  • 作者: Jose Ramon Mayorquin-Ruiz

  • 单位: 阿尔伯塔大学（University of Alberta），土木与环境工程系

  • 导师: Tayfun Babadagli 博士

  • 学位: 哲学博士 (Doctor of Philosophy)

  • 提交年份: 未明确标注（根据参考文献推测为2015年）

致谢：

  • 感谢导师Tayfun Babadagli的指导。

  • 感谢CMG（Computer Modelling Group） 为本研究提供软件。

  • 感谢墨西哥国家石油公司（PEMEX）和CONACYT-Sener-Hidrocarburos基金提供财务支持。

 
case96

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