📝 摘要

brine 依赖型采收过程（即智能水驱/低矿化度水驱）通过调整注入水的离子组成和强度来改善原油采收率。尽管该技术在实验室和现场试验中已显示出巨大潜力，但其基本原理机制仍存在争议，且缺乏可靠的预测模型。本研究基于实验观察，构建了耦合多组分输运和地球化学反应（包括扩散/弥散、对流、瞬时平衡反应及非平衡速率控制反应）的数值模型。同时，应用DLVO表面力理论，定量评估了电位决定离子相互作用及各作用力对油- brine-岩石系统润湿性改变和采收率提高的贡献。模型成功应用于解释碳酸盐岩中 brine 依赖型采收的不同实验方法，并进行了二维大规模驱替模拟。研究定量确定了注入周期（4:2，即4个月水+2个月气）和注入顺序（先气后水，IWAG）对提高采收率的关键作用。结果表明， brine-CO₂ 复合驱具有更高的相对注入能力。CMG软件套件（GEM™）是本研究中反应传输模型开发与数值模拟的核心工具。

🖥️ CMG软件应用情况总结

项目 内容
所用软件 • CMG GEM™：组分模拟器，用于开发多相多组分反应传输模型，模拟 brine 依赖型及 brine-CO₂ 采收过程中的地球化学反应、多组分输运和流体流动（论文第5页 Preface、第72页、第107页等）。
• CMG WINPROP™：用于CO₂溶解度计算和最小混相压力(MMP)预测（论文第175页，图6.1）。
• CMG Builder：用于构建油藏物理模型（作为前处理工具隐含使用）。
模型类型 三维多相多组分反应传输模型，包括一维(1D)岩心驱替模型和二维(2D)五点井网模型（均质及非均质）。
模拟对象 碳酸盐岩（白垩、石灰岩、白云岩）油藏，模拟离子交换、表面吸附、表面络合、矿物溶解/沉淀等地球化学反应及其对润湿性改变和采收率的影响。
应用方式 • 表面反应模型开发与验证：在CMG GEM™框架下，开发并验证了表面吸附模型(SSM)和表面络合模型(SCM)，用以模拟电位决定离子(Ca²⁺, Mg²⁺, SO₄²⁻)在岩石表面的竞争与交换。
• 热力学参数优化：利用模型拟合不同温度下的zeta电位实验和单相驱替突破曲线，反演并优化了关键的热力学平衡常数（如离子交换系数、络合常数）。
• 实验室岩心驱替模拟：模拟了水稀释、离子组成改变等多种 brine 依赖型采收实验，定量预测了产出离子浓度、pH值、压力差和原油采收率，并与实验数据进行了匹配。
• 二维现场尺度模拟：将优化的参数应用于二维五点井网模型，模拟了智能水驱在不同注入策略（一次、二次、三次采油）下的采收率提高效果。
• brine-CO₂复合驱模拟：模拟了低矿化度水-CO₂ (LSWCO₂)、碳化水驱(CWI)、低矿化度水气交替(LSWAG)等复合驱工艺，评估了其提高采收率和改善注入能力的潜力。
油藏模型参数（实验室尺度） • 模型尺寸：1D，200×1×1 网格（第132页）
• 岩心类型：白垩、石灰岩、白云岩
• 孔隙度：18% – 47%
• 渗透率：1.2 – 39.6 mD
• 温度：23°C – 130°C
• 矿物组成：方解石、白云石、硬石膏等
油藏模型参数（现场尺度） • 井网：1/4五点井网（183 m × 183 m × 10 m）
• 网格：40×40×1（第167页）
• 平均孔隙度：0.197
• 平均渗透率：180 mD
• 非均质性：各向异性，含高渗通道
• 温度：110°C
模拟方案 研究了几十种不同情景，包括：
– 不同注入水组成（海水、稀释海水、富SO₄²⁻海水、NaCl耗尽海水等）
– 不同注入顺序（先气后水IWAG vs. 先水后气WAG）
– 不同注入周期（注水/注气月数比：1:5, 2:4, 3:3, 4:2, 5:1）
– 不同注入方式（非混相WAG、连续WAG、连续选择性WAG）
– 不同矿物组成（方解石、白云石、硬石膏含量变化）
– 不同开发方式（自然生产、连续注水、连续注气、WAG、CWI、LSWAG）
主要结论 • 最优WAG周期：4:2（4个月水+2个月气）采收率最高（52.11%），且注气周期长于注水周期时产能更高。
• 最优注入顺序：对于亲水岩石，先注气后注水(IWAG)产量更高，先注水会堵塞油。
• 最优WAG方式：非混相WAG > 连续WAG > 连续选择性WAG。
• 电位决定离子(PDIs)作用：注入含PDIs、贫NaCl的 brine 在高温下更有效；PDI浓度比矿化度降低更重要。
• 润湿性改变机制：润湿性改变是 brine 依赖型采收的结果，而表面电荷改变和矿物溶蚀是其根本原因。
• brine-CO₂协同效应：低矿化度水增加CO₂溶解度，增强溶蚀和扩散，降低原油粘度和密度，显著提高注入能力。

文中明确指出（Case134.pdf）：

“Many of the numerical model development was carried out in CMG’s compositional simulator GEM™.” （第5页，Preface部分）

“The development of this numerical model was carried out in CMG GEM™.” （第107页，第4.3节）

“CO₂ solubility in different brine salinity brine … using Li and Nghiem [287] solubility model in CMG WINPROP™” （第175页，图6.1标题）

🧪 模拟方案与主要结果

1. 表面模型验证与热力学参数优化（第4.5-4.6节，图4.2-4.17）

模型参数：1D岩心模型，200×1×1网格，温度23-130°C。

验证内容 实验数据来源 关键结果
离子交换(SSM) Strand et al. (石灰岩/白垩) 拟合Ca²⁺/Mg²⁺突破曲线，得到温度相关的交换系数。低温Ca²⁺吸附强，高温(>100°C)Mg²⁺吸附并取代Ca²⁺（图4.2-4.5）。
SO₄²⁻吸附(SSM) Strand et al. (白垩) SO₄²⁻吸附随温度升高而增强，且Ca²⁺被共吸附。拟合得到等温线系数（图4.6, 4.8）。
有油存在下的竞争 Fathi et al. (白垩) 有油存在时，SO₄²⁻突破提前，吸附面积减小（图4.9）。
表面络合(SCM) Austad et al. / Alroudhan et al. 优化了表面络合反应平衡常数(Kc1-Kc5)，成功拟合了粉状白垩和完整石灰岩的zeta电位数据（图4.10-4.12）。
单相驱替(SCM) Strand et al. / Zhang et al. 优化的平衡常数成功预测了不同岩性、不同温度下的离子突破曲线（图4.13-4.17）。

2. brine 稀释（低矿化度水驱）模拟（第5.2节，图5.3-5.13）

模型参数：1D岩心模型（方解石+白云石/硬石膏），温度100-120°C。

研究对象 注入序列 关键结论
Chandrasekhar (方解石+白云石) SW → SW/2 表面吸附(Sim A)成功拟合了离子突破和采收率；矿物溶解/沉淀(Sim B)无法解释额外采收率。SO₄²⁻吸附增强Ca²⁺/Mg²⁺交换，降低自由阴离子位点，改变润湿性（图5.3-5.5）。
Austad et al. (方解石+硬石膏) FW → FW/100 无SO₄²⁻注入时，硬石膏溶解原位生成SO₄²⁻；SO₄²⁻吸附是润湿性改变的关键。表面吸附模型(Sim A)比溶解模型(Sim B)更好地匹配了采收率和压力差（图5.6-5.7）。
Yousef et al. (方解石+白云石+硬石膏) SW → SW/2 → SW/10 两种模型均匹配较好，但Sim A更优。随 brine 稀释，双电层厚度增加，PDI反应性增强，表面电荷降低，润湿性改变（图5.8-5.9）。
二维五点井网（现场尺度） 不同矿物组成 矿物组成对采收率有显著影响；含硬石膏时SO₄²⁻吸附更多，采收率更高。二次采油模式优于三次采油模式（图5.11-5.13, 5.20-5.23）。

3. 组成改变（智能水驱）模拟（第5.3节，图5.15-5.18）

模型参数：1D岩心模型，温度110-120°C。

研究对象 注入序列 关键结论
单相驱替 SW → SW with 4×SO₄²⁻ SO₄²⁻吸附延迟其突破，且高浓度SO₄²⁻导致更多PDI阳离子共吸附（图5.15-5.16）。
两相驱替 (S#42) FW → SW → SW with 4×SO₄²⁻ 增加SO₄²⁻浓度增加了SO₄²⁻吸附，减少了自由阴离子位点，通过润湿性改变获得额外采收率（图5.17）。
两相驱替 (S#9) FW → SW → SW with 0.5×SO₄²⁻ 降低SO₄²⁻浓度减少了SO₄²⁻吸附，自由位点增加，无额外采收率（图5.18）。

4. brine-CO₂复合驱模拟（第6.2节，图6.4-6.8）

模型参数：1D岩心模型（方解石+白云石），温度90.5°C，压力2500 psi（高于MMP 2450 psi）。

注入序列 关键结果
SW → SW/2 → SW/4 → SW/50 → 连续CO₂ 模型成功匹配了 brine 稀释和CO₂注入的采收率及压力差（图6.4）。CO₂注入阶段，原油粘度和密度降低（图6.6）。
不同注入方式对比（二维） • 低矿化度水+碳化水(CWI) > 海水+CWI > 低矿化度水 > 海水（图6.7）
• 低矿化度水气交替(LSWAG) > 海水WAG > 常规水驱（图6.8）
• LSWAG注入能力显著高于常规WAG，因为更多CO₂饱和 brine 暴露于岩石表面（图6.8）。

✅ 主要结论

  1. brine 依赖型采收机制：润湿性改变是其结果，而表面电荷改变和矿物溶蚀是其根本原因。两者应协同考虑。

  2. 电位决定离子(PDIs)的关键作用：注入含PDIs、贫NaCl的 brine 在高温下改善采收率更有效。PDI浓度比矿化度降低更重要。

  3. WAG工艺优化：

    • 最优周期：4:2（4个月水+2个月气）采收率最高（52.11%），且注气周期长于注水周期时产能更高。

    • 最优注入顺序：对于亲水岩石，先注气后注水(IWAG)产量更高。

    • 最优方式：非混相WAG > 连续WAG > 连续选择性WAG。

  4. 表面模型的热力学参数：通过拟合zeta电位和单相驱替实验，获得了适用于白垩和石灰岩的统一热力学参数（交换系数、络合常数、等温线系数）。尽管两者比表面积和反应性不同，但可用相同的热力学参数模拟。

  5. 矿物溶蚀的必要性：在 brine 稀释过程中，矿物溶解/沉淀是重建平衡的必要过程，在模拟不同矿物组成的碳酸盐岩时不应忽略。

  6. ** brine-CO₂协同效应**：低矿化度水增加了CO₂溶解度，增强了岩石溶蚀和CO₂在油相中的扩散，降低了原油粘度和密度。 brine-CO₂复合驱（尤其是LSWAG）显著提高了相对注入能力。

  7. CMG软件的适用性：CMG GEM™组分模拟器能够有效支持从地球化学反应建模、热力学参数优化到实验室岩心驱替和现场尺度模拟的完整工作流，是 brine 依赖型及 brine-CO₂复合驱工艺研究和方案对比的有力工具。

🏛️ 论文主要信息

项目 内容
论文标题 Geochemical Modeling of Oil-Brine-Rock Interactions during Brine-Dependent and Brine-CO2 Recovery Technique in Carbonate Petroleum Reservoirs
作者 Adedapo Noah Awolayo
学位 哲学博士（Doctor of Philosophy）
授予单位 卡尔加里大学（University of Calgary）
答辩/毕业年份 2019年4月
所属院系 化学与石油工程系（Graduate Program in Chemical and Petroleum Engineering）
研究领域 提高采收率(EOR)、智能水驱、低矿化度水驱、CO₂驱、地球化学模拟、润湿性改变

💡 补充说明

该博士论文是一项关于碳酸盐岩油藏 brine 依赖型采收（智能水驱/低矿化度水驱）及 brine-CO₂复合驱的系统性、综合性地球化学模拟研究。核心创新点在于：

  • 地球化学模型的系统构建：在CMG GEM™框架下，分别构建并验证了表面吸附模型(SSM)和表面络合模型(SCM)，系统模拟了多离子交换、表面络合、矿物溶解/沉淀等复杂地球化学反应。

  • 热力学参数的优化与统一：通过拟合大量实验数据（zeta电位、单相驱替突破曲线），反演获得了适用于不同碳酸盐岩岩性（白垩、石灰岩）的温度相关热力学参数（离子交换系数、表面络合常数），解决了文献中参数不统一的问题。

  • WAG工艺的全面优化：系统比较了五种不同的注水/注气周期（1:5, 2:4, 3:3, 4:2, 5:1），定量确定了4:2为最优周期（10年采收率52.11%），并首次在同一模型中验证了“先注气后注水(IWAG)优于先注水后注气”的规律。

  • brine 依赖型采收两种路线的定量对比：定量对比了“ brine 稀释”（低矿化度）和“组成改变”（智能水）两种技术路线在不同矿物组成、不同温度下的效果，揭示了电位决定离子浓度比矿化度降低更重要的规律。

  • brine-CO₂复合驱的创新模拟：首次在CMG GEM™中系统模拟了低矿化度水-CO₂ (LSWCO₂)、碳化水驱(CWI)、低矿化度水气交替(LSWAG)等多种复合驱工艺，并定量评估了其提高采收率和改善注入能力的潜力。

  • 多尺度模拟能力：从一维岩心尺度（参数优化、机理研究）到二维现场尺度（工艺效果评估），展示了CMG GEM™在提高采收率研究中的多尺度模拟能力。

该研究对从事提高采收率（EOR）、智能水驱、低矿化度水驱、CO₂驱、地球化学模拟、油藏数值模拟以及注水/注气开发方案优化的工程师和科研人员具有重要的参考价值。

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