📝 摘要
在持续事件（如现有储量枯竭、油价下跌、制裁、全球变暖新法规）的背景下，油气行业面临各种挑战，需要开发能够实现极限采收率的新技术。由于热采方法在技术、商业开发程度以及开采重油方面的巨大潜力，本研究关注于热力提高采收率方法。主要目标是在特定对象实例上，通过全面的实验和数值模拟，为热力EOR选择开发方法。该方法基于对碳酸盐岩和非常规油藏的热水注入、超临界水注入、高压空气注入和原位燃烧技术的实验和数值模拟，以预测方法的可行性。随后的实验和数值模拟旨在深入了解动力学和热过程物理，确定最佳操作参数，并评估所考虑方法的适用性。这些测试使用来自目标油田的油样和岩心，在高压斜坡温度氧化、中压燃烧管和高压燃烧管设备上、在油藏条件下进行，以模拟真实过程。在热水注入模拟中首次引入了“水热裂解”反应，因为研究温度范围内存在化学反应产物。提出的动力学模型考虑了重油与热水的化学相互作用。此外，对超临界水的现场尺度模拟揭示了软件的一些局限性、动力学放大的特点以及优化方案。解决了模拟软件无法分离“键合”组分与可动油，以及无法在不同相态中设置沥青质的问题。确定了储层中有机质（OM）组分布置的详细说明对计算结果和热力EOR效率的显著影响。通过随后的实验室尺度HPRTO和MPCT实验、进一步的三维数值模拟以及实验结果验证，对HPAI方法进行了可行性研究。MPCT的数值模型采用了一个能够表示主要现象学效应的综合公式，考虑了介质属性、对流、燃烧延迟、热损失和二次反应支撑。数值模拟结果用于现场放大，并解决了低空气注入能力、收敛困难、平面非均质性和驱替效果等问题。通过一组独特的前向和反向燃烧HPCT实验，区分了影响ISC整体性能的重要因素，并首次在油藏条件下实验研究了反向燃烧过程。在HPAI模拟中验证的、结合实验室和数值研究的方法论方法成功应用于前向ISC过程的数值模拟。前向燃烧的数值模拟与实验结果显示出良好的相关性，可进一步用于现场尺度的模拟。

🖥️ 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，用于模拟热水注入、超临界水注入、高压空气注入、原位燃烧（前向/反向）及化学反应
模拟对象 • 热水注入（第4章）：深层碳酸盐岩重油油藏（Dome A, Dome B）的循环热水注入实验（HPRTO, MPCT）
• 超临界水注入（第5章）：非常规油藏（Bazhenov组）的热水/超临界水注入，模拟干酪根热解
• 高压空气注入（第6章）：Kirsanovsk油田的HPAI实验（HPRTO, MPCT）及现场尺度模拟
• 原位燃烧（第7章）：轻质碳酸盐岩油藏的前向和反向燃烧HPCT实验
应用方式 • 实验历史拟合：使用STARS模拟实验室设备（HPRTO, MPCT, HPCT, 高压釜），匹配温度、压力、产油/水产气数据，确定动力学参数和扩散系数
• 敏感性分析：分析温度、注入速率、活化能、有效渗透率温度依赖性等对采收率的影响
• 现场尺度模拟：使用STARS进行HDS扇区模型和全油田模型的数值模拟，评估不同开发方案
• 方法论改进：针对商业软件限制（无法分离键合烃与可动油、无法设置沥青质相变），提出了改进的模拟方法
热水注入模型（第4章） • HPRTO模型：3D径向网格（6×1×27），模拟水泥胶结的天然碳酸盐岩岩心（ϕ=11%, k=1.4 mD）
• MPCT模型：3D径向网格（5×1×26），模拟17个堆叠岩心（ϕ=14.7%）
• 首次引入“水热裂解”动力学（基于Kapadia et al., 2012），包含5个反应：HO → H₂, CH₄, CO₂, H₂S, HMWG
• 相对渗透率：通过历史拟合调整（图14, 图16）
超临界水注入模型（第5章） • HDS扇区模型：模拟超临界水（350°C, 25 MPa）注入
• 组分：9个伪组分（WATER, CO₂, CH₄, HCG, LO, HO, KER, BITUM, COKE）
• 动力学模型：4个热裂解反应（干酪根、沥青质、重油、轻油）
• 创新：提出将沥青质（Bit_liq）设置为液相组分以模拟其高温流动性
HPAI模型（第6章） • HPRTO模型：重现温度剖面和气体产物（O₂, N₂, CO, CO₂）
• MPCT模型：多层设计（11个径向层），模拟12个加热区，再现近绝热燃烧管现象
• 反应方案：基于Belgrave et al. (1993)，包含热裂解、LTO、HTO 4个反应
• 历史匹配：成功匹配温度峰、前缘速度、累计产油/水产气（误差<3%）
ISC模型（第7章） • HPCT模型：模拟100 mm直径高压燃烧管，压力27.2 MPa，空气通量40.4 m³(ST)/m²h
• 前向燃烧：成功历史匹配，采收率91.4%
• 反向燃烧：首次在油藏条件下实验研究，提供独特数据集，采收率43%
主要研究参数 注入温度、注入速率、活化能、频率因子、相对渗透率、扩散系数、有机质分布、有效渗透率温度依赖性
评价指标 温度剖面、采油率、累计产油/水产气、气体组分（O₂, CO₂, CO, H₂S, CH₄）、燃烧前缘速度、空气/燃料比

文中明确指出：

“The numerical simulation of the experiment was carried out with CMG STARS commercial software” （第4.3.2节）
“The fluid model was built using WinProp.” （第4.3.2节）
“The modeling and optimization process was carried out in the thermal hydrodynamic simulator CMG STARS widely used for thermal recovery processes.” （第7.2节）

🧪 模拟方案与主要结果

1. 热水注入（HWI）— 深层碳酸盐岩重油（第4章）

  • 实验发现：270-280°C热水注入显著降低原油粘度，提高采收率。但高温导致方解石分解，地层水碱化（pH 6.3→9.5），引起渗透率下降。

  • 水热裂解：首次在HWI模拟中引入水热裂解动力学。在200-270°C区间检测到H₂S, H₂, CH₄, CO₂，证实了“水热裂解窗口”的存在（图23）。

  • 历史拟合：成功匹配温度剖面、累计产油/产水（误差~2%）和气体产物（误差<6%）（表7, 9, 10）。

2. 超临界水注入 — 非常规油藏（Bazhenov组）（第5章）

  • 关键发现：有机质（OM）的初始分布对热采预测结果有显著影响（图32）。若将干酪根和沥青质合并为单一组分，累积产油量可相差~600 m³。

  • 软件限制与改进：

    • 限制：CMG STARS无法将“键合”烃（BHC）与可动油分离，沥青质只能设为固相，无法模拟其高温流动性。

    • 改进方法：提出将沥青质（Bit_liq）设置为液相组分（分布于水相），赋予其高低温粘度差异，以模拟其热激活流动性（图37-39）。

  • 敏感性分析：活化能（Ea）±10%导致产油量变化±37 m³；EPT（有效渗透率温度依赖性）±30%导致产油量变化±31 m³（图30）。

3. 高压空气注入（HPAI）— Kirsanovsk油田（第6章）

  • 实验室模拟：成功历史匹配MPCT实验（图46-47），采油率0.89，氧化前缘速度18.1 cm/h，最佳空气流量220 st.m³/m³。模拟与实验的油、水、空气消耗量误差<3%（表18）。

  • 现场尺度模拟：

    • 在Subsection 1，空气注入（+4%）和水+空气共注（+10%）优于水驱。

    • 在Subsections 2, 3, 4，由于空气注入能力不足，3-4年内氧气突破生产井（2%限值），导致长期效果差。

    • 优化：通过调整井网（一口注入井改为生产井，一口生产井改为注入井，并钻一口新井），Subsection 3在空气突破前采油量增加16%（图50）。

4. 前向与反向原位燃烧（ISC）— 碳酸盐岩轻油（第7章）

  • 前向燃烧：

    • 采收率91.4%（剩余油2.4%），峰值温度626°C（图55, 表22）。

    • 成功历史匹配温度剖面和累计产油/水（误差<3.6%）（图62-63, 表22）。

  • 反向燃烧（独特实验）：

    • 采收率43%（剩余油50%），峰值温度仅288°C（图59）。

    • 两个稳定燃烧阶段，前缘速度0.145 → 0.348 m/h（表21）。

    • 适用条件：API 5-20°重油、低有效渗透率油藏，或作为蒸汽驱前的预热方法。

✅ 主要结论

  1. 水热裂解动力学的重要性：在>200°C的热水注入中，必须考虑水热裂解反应（生成H₂S, H₂, CH₄, CO₂）。提出的动力学模型可在CMG STARS中实现并历史拟合。

  2. 有机质（OM）表征的关键性：在非常规油藏热采模拟中，准确区分干酪根、沥青质和可动油至关重要。CMG STARS当前存在无法模拟沥青质相变和分离键合烃的限制，论文提出的液相沥青质方法是一种有效的工程改进。

  3. HPAI的适用性与挑战：HPAI在碳酸盐岩轻油油藏技术上可行，但空气注入能力是主要限制因素。优化井网可改善效果，但氧气突破仍是长期风险。

  4. ISC方法对比：前向燃烧采收率（91.4%）远高于反向燃烧（43%）。反向燃烧适用于特定条件（极重油、低渗、预热），本研究首次提供了油藏条件下的反向燃烧实验数据。

  5. CMG STARS的适用性：CMG STARS能够有效模拟热水注入、HPAI和ISC等复杂热采过程，包括多组分化学反应、相变和热-流-固耦合。但对非常规油藏（如沥青质相变）的模拟需要创新性的工程处理方法。

🏛️ 作者及单位信息

  • 作者: Aysylu Askarova

  • 单位: 斯科尔科沃科技学院

 
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