📝 摘要
CO₂驱油与地质碳封存的联合过程被视为减少大气CO₂排放同时提高成熟油田产量的可行解决方案。然而，该联合过程的实用性取决于确定最优注入压力以最大化两种方法的应用效果。此外，这两个操作的成功还取决于边界断层的动态封闭能力，以实现烃类聚集和注入CO₂的圈闭。本研究旨在优化CO₂驱油与同步CO₂封存的联合实施，并研究断层再活化和CO₂运移的增强/减弱方面。研究分两个情景展开：第一，确定联合过程的最优注入压力，重点关注成熟油田的最大化采收率，结果显示在最优注入速率722 Scf/天（0.25孔隙体积）下实现了73,7090桶的累计采收率；第二，在此预定注入速率下研究注入诱发的断层再活化是否发生。模拟反映了断层再活化的特征，揭示了断层开启应力、再活化时间、水力裂缝渗透率、裂缝扩展长度和泄漏之间的关系。结论表明，CO₂驱油与封存联合过程的可行性取决于断层再活化的技术细节。在某些情况下，再活化增加了可及储存容量，而在其他情况下，则导致了注入CO₂的泄漏。
🖥️ CMG软件应用情况总结
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 所用软件 | • CMG IMEX：用于构建三维网格系统、黑油模拟、模型验证 • CMG STARS：用于热采模拟、模型验证、历史拟合 • CMG GEM：用于组分模拟、CO₂注入与封存研究、断层再活化模拟 • CMG WINPROP：用于生成组分流体模型 • CMG CMOST：用于历史拟合（文中提及使用CMOST进行历史拟合） • Petrel：用于地质建模（与CMG联合使用） • Didger 5：用于底图数字化 |
| 模型类型 | • 三维GEM组分模型（sector model）：用于优化CO₂注入速率和量化封存/泄漏 • 二维GEM双重介质块体模型（dual permeability model）：用于断层再活化的地质力学研究，结合Barton-Bandis裂缝渗透率模型 • 双重渗透率模型：基质系统与裂缝系统共存，实现地质力学与流体流动的耦合 |
| 模拟对象 | 特立尼达岛西南部Point Fortin/Cruse地区的成熟油藏（Cruse E’油田），上Cruse组储层，平均深度1800英尺，砂层厚度75英尺，孔隙度31%，渗透率265 mD |
| 三维Sector模型参数 | • 网格：基于Petrel构建，导入IMEX后转换为STARS，再转换为GEM • 横向范围：3619 ft × 1709 ft，厚度299 ft • 原油地质储量：7.545 MMBbls • 井数：42口（14口注入井，28口生产井） • 断层：2条（继承自全场模型） • 添加10英尺盖层和1英尺顶层砂层用于泄漏量化 • 注入速率优化范围：722 Scf/天（0.25 PV）至1444 Scf/天（0.5 PV），WAG策略（1:1和2:1） • 生产压差：5、10、15 psi |
| 二维双重介质块体模型参数 | • 网格：二维均质模型，横向1010 ft × 10 ft，厚度311.5 ft • 垂向：9个网格块（对应9个储层/盖层单元），4个砂岩单元，3个页岩隔层，顶部加10 ft页岩+2.5 ft砂层 • 断层：垂直贯穿整个储层厚度，初始封闭 • 注入井：位于最右侧网格块，距断层约760 ft • 生产井：位于断层顶部网格块，用于量化泄漏 • 双重渗透率网格系统+Barton-Bandis裂缝渗透率子模型 • 裂缝属性：初始裂缝开度6.5×10⁻⁵ ft，初始法向裂缝刚度2,999,921 psi/ft，断层开启应力100 psi（敏感性分析10-545 psi），水力裂缝渗透率500 md（敏感性分析10-1000 md） |
| 流体模型 | • WINPROP生成：基于Sobers等(2011)的组分数据（原油比重17.6°API） • 组分：CO₂、C1-C6、C14、C7+（表2） • 状态方程：Peng-Robinson • 转换路径：IMEX黑油 → STARS热采 → GEM组分 |
| 地质力学模型 | • Barton-Bandis裂缝渗透率模型：裂缝渗透率随有效法向应力变化（图3） • 有效法向应力关系：σ′ₙ = σ – Pₚ • 断层再活化判据：当有效法向应力 ≤ 断层开启应力时，裂缝突然张开，渗透率急剧增加 • 双重网格系统：所有地质力学计算仅耦合到基质块体，裂缝块体的开闭依赖于基质块体的应力状态 |
| 模型验证 | • 使用CMOST进行历史拟合，匹配油田历史生产数据（油产量、水产量、蒸汽注入量）（图6） • 验证路径：IMEX黑油模型 → STARS热采模型（温度验证）→ GEM组分模型 |
| 主要结论 | • 最优CO₂注入速率为722 Scf/天（0.25 PV），累计产油73,7090桶 • 封存CO₂体积为177.068 MMScf（注入总量的86%），88年监测期内无泄漏 • 断层开启应力与再活化时间呈负相关（开启应力越高，再活化越快） • 水力裂缝渗透率影响完全贯穿时间：渗透率越高，完全贯穿时间越短 • 部分断层再活化可增加储层储存能力 • 泄漏量与水力裂缝渗透率正相关（10 md时泄漏21 Scf，500 md时泄漏43.5 Scf） |
文中明确指出（Case111.pdf）：
“The goal of this research is to… capture the characteristics of fault reactivation and yield using simulation models constructed in the GEM suite of the commercial reservoir simulator CMG.” （第2页）
“This validated STARS field model was then converted to a GEM field model to facilitate the substantive investigation of carbon dioxide injection and storage. This conversion then prompted the creation of a WINPROP fluid submodel.” （第6页）
“The model was validated via a CMOST history match against field history data, which can be observed in Fig. 6.” （第6页）
“For the Geomechanical study of fault reactivation, a simple two-dimensional block model was constructed in the GEM suite of the commercial reservoir simulator—CMG.” （第11页）
“To allow for increases in hydraulic fracture permeability, the 2D model was constructed as a Dual Permeability grid submodel coupled with the ‘Barton-Bandis’ fracture permeability submodel.” （第12页）
“The reservoir simulator CMG was used for fluid flow simulation.” （摘要/关键词）
🧪 模拟方案与主要结果
1. 三维Sector模型：CO₂注入速率优化（第4.1节）
模型构建流程（图8）：
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底图数字化（Didger 5）→ 2. Petrel地质建模（网格、断层、属性插值）→ 3. RESCUE模型导出 → 4. IMEX导入（黑油模拟）→ 5. CMOST历史拟合 → 6. STARS转换（热采验证）→ 7. GEM转换（组分模拟）→ 8. WINPROP流体模型生成 → 9. Sector模型提取
注入策略（表4）：
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0.25 PV注入：722 Scf/天/井
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0.50 PV注入：1444 Scf/天/井
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WAG 1:1：30天水 + 30天CO₂交替
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WAG 2:1：60天水 + 30天CO₂交替
累计产油结果（图9，表5）：
| 注入策略 | 生产压差 | 累计产油 (Mbbls) |
|---|---|---|
| 0.25 PV (722 Scf/天) | 5 psi | 59.28 |
| 0.25 PV (722 Scf/天) | 10 psi | 72.17 |
| 0.25 PV (722 Scf/天) | 15 psi | 73.71 |
| 0.50 PV (1444 Scf/天) | 10 psi | 72.45 |
| 0.50 PV (1444 Scf/天) | 15 psi | 73.90 |
| WAG 1:1 | 15 psi | 73.96 |
| WAG 2:1 | 15 psi | 74.24 |
选择依据：0.25 PV @15 psi产油量接近最大值，但注入气量仅为0.50 PV的一半，经济性更优。
2. 三维Sector模型：CO₂封存量量化（第4.2节）
注入方案：
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注入速率：722 Scf/天，持续53年（占据1 PV）
-
生产井：在产油速率下降后依次关井
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注入井：53年后全部关井
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监测期：额外运行88年
残留气饱和度计算（Holt公式）：
S_grm = -0.96960×S_gas + 0.5473 = -0.96960×0.27 + 0.5473 = 0.2855
封存结果（表6，图10）：
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总注入CO₂：2.28394×10⁷ lb → 197.4 MMScf
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生产产出CO₂：2.27352×10⁶ lb → 19.6 MMScf
-
净封存CO₂：2.05655×10⁷ lb → 177.068 MMScf
各圈闭机制封存量（图11，表7）：
| 圈闭类型 | 封存量 (lb) | 封存量 (MMScf) | 占比 |
|---|---|---|---|
| 超临界相（构造圈闭） | 1.8367×10⁷ | 158.14 | 89.3% |
| 溶解态（水相） | 1.1614×10⁷ | 99.99 | 56.5% |
| 水相离子 | 1.7841×10⁷ | 153.61 | 86.8% |
| 滞后圈闭 | 6.1406×10⁶ | 52.87 | 29.9% |
| 矿物沉淀 | 1.5778×10⁶ | 13.58 | 7.7% |
关键发现：超临界相圈闭（构造圈闭）是主要的封存机制。顶层砂层生产井在88年监测期内未检测到气体产出，证明无泄漏。
3. 二维双重介质模型：断层再活化特征（第4.3节）
Barton-Bandis模型原理（图3）：
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初始状态：有效法向应力 > 断层开启应力 → 裂缝渗透率最小（路径AB）
-
注入增压 → 有效法向应力降低 → 当σ′ₙ ≤ FOS时，裂缝突然张开，渗透率跃升至水力裂缝渗透率（路径BC）
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保持张开状态（路径DE）
-
压力下降后，裂缝闭合，渗透率跳回闭合渗透率（路径EF）
断层开启应力对再活化时间的影响（图14-15）：
| 断层开启应力 (psi) | 底部再活化时间（天） | 顶部再活化时间（天） | 完全贯穿时间（年） |
|---|---|---|---|
| 10 | 不再活化 | — | — |
| 25 | ~4000天 | — | 部分再活化 |
| 300 | ~1400天 | — | 部分再活化 |
| 510 | ~1100天 | — | 部分再活化 |
| 540 | 1904天 | 13880天 | 32.8年 |
| 545 | 1380天 | 7851天 | 17.7年 |
关键发现：
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断层开启应力越高，再活化越快（负相关关系）
-
当FOS ≤ 510 psi时，断层仅发生部分再活化（未贯穿至顶部）
-
部分再活化可增加储存容量而不破坏顶部密封完整性（图17）
4. 水力裂缝渗透率对再活化和泄漏的影响（第4.4-4.5节）
对再活化时间的影响（图18-19，表9）：
-
底部再活化时间：与水力裂缝渗透率无关（均约1380天）
-
顶部再活化时间：与水力裂缝渗透率负相关
| 水力裂缝渗透率 (md) | 顶部再活化时间 | 注入井关井日期 |
|---|---|---|
| 10 | 2032-9-17 | 最晚 |
| 50 | 2027-3-30 | 较早 |
| 100-1000 | 2025-1-30至2025-8-18 | 最早（基本一致） |
对泄漏量的影响（图21，表10）：
| 水力裂缝渗透率 (md) | CO₂泄漏量 (Scf) |
|---|---|
| 10 | 21.0 |
| 50 | 35.1 |
| 100 | 39.4 |
| 200 | 41.3 |
| 300 | 42.4 |
| 400 | 42.9 |
| 500 | 43.5 |
| 1000 | 42.2 |
关键发现：
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泄漏量随水力裂缝渗透率增加而增加，但增幅递减
-
渗透率≥100 md后，泄漏量趋于稳定（~42-43 Scf）
✅ 主要结论
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最优注入策略：在成熟油藏中，CO₂驱油与封存联合过程的最优注入速率为0.25 PV/年（722 Scf/天/井），累计产油73,7090桶。WAG策略对采收率的提升有限（WAG 2:1仅提高~0.5%）。
-
封存能力与安全性：在88年监测期内，共封存CO₂ 177.068 MMScf（注入总量的86%），无泄漏发生。构造圈闭（超临界相）是主要的封存机制。
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断层再活化的控制因素：
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断层开启应力与再活化时间呈负相关（开启应力越高，再活化越快）
-
当断层开启应力低于阈值（本研究中为510 psi）时，仅发生部分再活化，可增加储存容量而不破坏密封完整性
-
当断层开启应力高于阈值时，发生完全贯穿，可能导致泄漏
-
-
水力裂缝渗透率的影响：
-
影响顶部再活化时间（渗透率越高，贯穿越快）
-
影响泄漏量（渗透率越高，泄漏越大），但渗透率≥100 md后泄漏趋于稳定
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CMG软件适用性：CMG软件套件（IMEX→STARS→GEM→WINPROP→CMOST）能够有效支持从历史拟合到组分模拟、从热采到地质力学耦合的完整工作流，是CO₂-EOR与封存联合过程模拟的有力工具。
🏛️ 作者及单位信息
| 作者 | 单位 |
|---|---|
| Shawn Pulchan | 特立尼达和多巴哥 |
| David Alexander | 特立尼达和多巴哥 |
| Donnie Boodla | 特立尼达和多巴哥 |
期刊：Journal of Petroleum Exploration and Production Technology (Springer)
收稿日期：2019年12月13日
录用日期：2020年5月5日
发表日期：2020年5月23日
许可证：Creative Commons Attribution 4.0 International License
💡 补充说明
该论文是CO₂驱油与封存联合过程中断层再活化研究的典型应用案例，核心创新点在于：
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完整的多软件工作流：从地质建模（Petrel）→ 底图数字化（Didger）→ 黑油模拟（IMEX）→ 历史拟合（CMOST）→ 热采验证（STARS）→ 组分模拟（GEM）→ 流体建模（WINPROP），形成了完整的技术链条。
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双重介质+Barton-Bandis耦合方法：创新性地将CMG GEM的双重渗透率模型与Barton-Bandis裂缝渗透率模型耦合，实现了断层再活化的动态模拟，裂缝渗透率随有效法向应力自动变化。
-
再活化时间的定量表征：通过敏感性分析，定量建立了断层开启应力、水力裂缝渗透率与再活化时间、泄漏量之间的关系，为断层封闭性评估提供了数值依据。
-
部分再活化的积极意义：揭示了“部分再活化”（未贯穿至顶部）可增加储存容量而不破坏密封完整性的重要现象，为优化注入压力提供了新思路。
-
经济性与技术性的结合：在选择最优注入速率时，不仅考虑了最大采收率，还考虑了注入气量对经济性的影响（0.25 PV方案与0.50 PV方案产油量相近，但注入量减半）。
该研究对从事CO₂-EOR、CO₂地质封存、断层封闭性评估、以及地质力学与流体流动耦合模拟的工程师和科研人员具有重要的参考价值。