📝 摘要
非常规液 Rich 储层的特征是基质渗透率比常规油藏低几个数量级。多级水力压裂和水平钻井的结合通过增强井筒-基质连通性提高了这些致密油藏的整体经济性。然而，在一次采油下，采收率仍仅在5%至10%的范围内。考虑到如此大的资源基础，即使生产力的微小提高也能带来数十亿桶的额外石油。因此，开发一种可行的非常规油藏提高采收率技术的必要性是显而易见的。
本研究探讨了二氧化碳作为致密油藏提高采收率剂的技术可行性。在最小混相压力（MMP）以上，CO₂和油变得混相，导致毛管力降低，因此具有较高的局部驱替效率。CO₂的混相压力也显著低于其他气体所需的压力，这使得CO₂混相注入在广泛的储层压力范围内都可行。
岩心驱替实验从平均孔隙度为7.5%、渗透率为1.8 μD的Bakken岩心样品中回收了超过70%的原始原油。使用双能CT扫描作为辅助工具，在岩心尺度上可视化流体流动和分布。我们发现，在光电吸收成为主要X射线衰减机制的较低能级下，CO₂穿透的影响更易捕捉。另一个有趣的观察与预期不同：在生产的早期阶段，CT数的变化比后期更大。可能的解释包括：1）在生产早期可能尚未完全达到混相，2）较轻的烃类组分优先与CO₂一起产出，留下密度更大的较重组分。
为了揭示岩心驱替实验中的采油机理，构建了一个数值组分模型来重现实验室结果。轻烃组分汽化进入CO₂被证明是主要的采收机理。其他控制因素包括再增压、原油膨胀、粘度和界面张力降低。与实验室实验的历史拟合引入了额外的复杂性，例如岩石非均质性和促进垂直于岩心长度方向流动的裂缝的存在。为了精确匹配驱替过程，需要解决上述问题。
🖥️ CMG软件应用情况总结
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 所用软件 | CMG GEM（组分模拟器）及 CMG WinProp（相态模拟软件包） |
| 模型类型 | • WinProp: 用于Bakken原油的组分特征分析，使用Peng-Robinson EOS • GEM: 等温、三相（水相、油相、气相）组分模拟器 |
| 模拟对象 | Bakken致密油藏岩心（长2英寸，直径1英寸）的CO₂混相驱实验，模拟连续CO₂注入过程 |
| 应用方式 | • 流体表征：使用WinProp进行流体组分特征分析，将C₇₊劈分并重新合并为5个组分，最终得到12个伪组分的流体模型 • PVT拟合：通过回归调整最重组分性质，匹配实验泡点压力（误差<0.3%）和PVT数据（图5-2） • 相态模拟：计算MMP（方法：多接触混相），与实验值对比（误差<2%） • 岩心尺度模拟：使用GEM建立单孔隙度-渗透率Cartesian网格模型（14×7×7），模拟CO₂注入过程，进行历史拟合 |
| 网格与模型 | • 网格：3D Cartesian网格 14×7×7，网格尺寸0.0119 ft（模拟2英寸岩心） • 边界：圆柱形岩心外网格孔隙度设为0（不参与流动） • 岩心参数：孔隙度7.5%，渗透率1.8 μD • 井位：注入井和生产井位于岩心两端，所有网格块射孔 • 流动方向：使用SLIMTUBE关键字模拟线性流 |
| 流体模型 | • 组分：12个伪组分（CO₂, N₂-CH₄, C₂H₆, C₃H₈, iC₄-nC₄, iC₅-nC₅, C₆, C₇-C₁₀, C₁₁-C₁₃, C₁₄-C₁₇, C₁₈-C₂₁, C₂₂₊） • 状态方程：Peng-Robinson EOS，带体积修正 • 粘度模型：修正Pedersen对应状态模型 • 扩散模型：Sigmund相关性（1976）用于计算分子扩散系数 • 混相压力：实验值1200 psi @ 38°C |
| 岩石-流体系统 | • 相对渗透率：Brooks-Corey模型，参数来自Kurtoglu (2013)（表5-5） • 毛管压力：忽略 • 初始条件：全油饱和，无初始水 |
| 操作条件 | • 温度：38°C（100°F） • 压力：初始1300 psi，注入井BHP 1500 psi，生产井BHP 1300 psi（ΔP=200 psi） • CO₂注入：连续注入 |
| 历史拟合目标 | 累计采油量、采油率 |
| 模拟时长 | 10天 |
文中明确指出：
“Flow simulations are performed using CMG’s GEM.” （第5.2节）
“A good compositional analysis of the Bakken crude is a necessary input into the flow simulator and is introduced using CMG’s WinProp phase behavior and fluid properties tool.” （第5.2节）
🧪 模拟方案与主要结果
1. CO₂混相驱实验（第3-4章）
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 岩心尺寸 | 直径1英寸，长2英寸 |
| 孔隙度 | 7.5% |
| 渗透率 | 1.8 μD |
| 实验温度 | 38°C |
| MMP（实验） | 1200 psi |
| 注入压力 | 1300-1500 psi |
| CO₂注入量 | ~6 PV |
| 最终采收率 | >70% OOIP |
2. CT扫描双能成像分析（第4.2节）
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关键发现：在较低能级（80 keV，光电吸收主导）下，CO₂穿透的成像效果优于高能级（140 keV，康普顿散射主导）（图4-2 vs 图4-3）。
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反常现象：CT数随CO₂注入量增加先减小后增大（图B-1）。解释：轻烃优先被CO₂萃取产出，剩余油中重烃比例增加，密度增大。
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实验 vs 理论对比：理论计算预测CT数随采收率增加线性减小；实验观察相反（图B-4）。这证实了轻烃优先萃取是主要机理。
3. 数值模拟历史拟合（第5章）
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流体模型验证：
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泡点压力：模拟1991.5 psi vs 实验1986 psi（误差<0.3%）（表5-2）
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MMP：模拟1175.5 psi vs 实验1200 psi（方法：多混合池）（表5-4）
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历史拟合结果：模拟与实验的总采油量吻合较好，但早期生产过程未完全匹配（图5-5）。
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可能原因：
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模型忽略了岩石非均质性（单孔隙度-渗透率模型）。
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未模拟岩心中存在的“人工”裂缝，该裂缝促进了垂直于岩心长度方向的流动。
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相对渗透率数据来自其他岩心，不是本实验岩心。
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4. 模拟揭示的采收机理（第5.5节）
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主要机理：轻烃组分汽化进入CO₂相并被优先产出（反映在油摩尔密度随CO₂注入而增加，图5-11）。
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辅助机理：再增压（图5-6）、原油膨胀（CO₂溶解导致粘度降低，图5-10）、界面张力降低。
✅ 主要结论
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技术可行性：实验证实，在致密Bakken岩心（k~1.8 μD）中，混相CO₂注入可有效采收>70%的原始原油，是一种技术上可行的EOR方法。
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采收机理：轻烃组分被CO₂汽化萃取是主要采收机理；再增压、原油膨胀和降粘起辅助作用。
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CT成像策略：在低能级（80 keV）下，由于光电吸收效应，CO₂穿透的成像效果更佳。
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历史拟合挑战：由于岩石非均质性和微裂缝的存在，精确匹配致密岩心驱替实验的早期动态具有挑战性。
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CMG软件适用性：CMG WinProp和GEM能够有效表征Bakken原油的复杂相态行为（包括MMP计算），并可用于致密油藏CO₂驱的数值模拟研究。
🏛️ 作者及单位信息
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作者: Ke Zhang
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单位: 斯坦福大学（Stanford University），能源资源工程系
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导师: Prof. Anthony R. Kovscek（首席导师）
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学位: 理学硕士 (Master of Science)
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提交日期: 2016年6月
💡 补充说明
该论文是致密油藏CO₂混相驱领域的典型应用研究。研究的核心创新点在于：
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跨尺度研究：从CT扫描可视化实验到组分模型历史拟合，形成了完整的实验-数值模拟闭环研究体系。
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双能CT成像：创新性地使用低能级（80 keV） 扫描来增强CO₂与油之间的成像对比度，捕捉CO₂在致密基质中的穿透特征。
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轻烃萃取机理验证：通过CT数变化趋势与理论计算的对比，首次在实验上间接证实了“轻烃优先被CO₂萃取”是致密油藏CO₂驱的主要机理。
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致密岩心模拟方法：提供了在CMG GEM中使用SLIMTUBE关键字模拟实验室岩心驱替的完整输入文件模板，对类似研究具有重要参考价值。
该研究对从事致密油/页岩油提高采收率、CO₂驱数值模拟以及非常规油藏开发的工程师和研究人员具有重要的参考价值。