📝 摘要
过去十年中，水力压裂技术在非常规资源油气生产中发挥了重要作用，但此类储层产量递减快、采收率低，亟需新的 EOR 技术。本研究通过实验研究，考察了在裂缝存在条件下，使用氮气（N₂）和二氧化碳（CO₂）在 Berea 砂岩（BSS）和 Tuscaloosa 海相页岩（TMS）中实施 Gas-Assisted Gravity Drainage（GAGD）工艺的 EOR 效果。系统研究了注入方向、储层和操作条件对 BSS 岩心的影响，以及裂缝和裂缝构型对 EOR 的作用，并探讨了超低渗透率 TMS 岩心中的 EOR 机理。结果表明：N₂-GAGD 工艺可通过重力泄油和驱替机理有效提高非常规储层产能；CO₂-GAGD 通过重力、扩散、蒸发、降低油粘度、降低界面张力和毛管压力等机理展现出良好的 EOR 潜力。引入裂缝通常增大了刺激储层体积（SRV）。在 BSS 中，CO₂-GAGD 工艺最高可采出 82% 的原始油-in-place，而在极低渗透率 TMS 岩心中，该工艺可采出高达 7.63% 的 OOIP。研究表明，GAGD 工艺可有效提高裂缝性低渗和超低渗非常规页岩储层的采收率。
🖥️ CMG软件应用情况总结
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 所用软件 | • CMG Builder：用于构建储层地质模型（论文第72页，第2.6.2节）。 • CMG GEM：组分模拟器，用于非常规储层中气体注入 EOR 的数值模拟（论文第6页，缩略词表；第68页，第2.6.2节；第72页）。 • CMG WinProp：用于调整储层流体模型（论文第68页，第2.6.2节）。 • CMG CMOST：自动化历史拟合、敏感性分析和优化工具（论文第6页，缩略词表；第73页，第2.6.2节）。 |
| 主要用途 | 文献综述中提及 CMG 软件在非常规油气藏气体注入 EOR 模拟中的应用，包括： • 使用 CMG Builder 构建地质模型，CMG WinProp 调整流体模型，CMG GEM 模拟气体注入过程（Wang et al., 2010） • 使用 CMG GEM 进行组分模拟，研究 CO₂ 在页岩油储层中的 EOR 效果（Zhu et al., 2015; Yu et al., 2015; Sanchez-Rivera et al., 2015; Li et al., 2016; Zhang et al., 2017; Phi & Schechter, 2017; Lei et al., 2018） • 使用 CMG CMOST 进行参数优化和敏感性分析（Phi & Schechter, 2017; Lei et al., 2018） • 使用 CMG GEM 进行双重介质（双孔）建模（Phi & Schechter, 2017） |
| 应用领域 | 非常规油气藏（页岩油、致密油）中 CO₂、CH₄、N₂ 等气体的连续注入（CGI）、水气交替注入（WAG）和循环注入（Huff-n-Puff）EOR 过程的数值模拟。 |
| 文献中典型案例 | • Wang et al. (2010)：使用 CMG Builder 构建模型，WinProp 调整流体，GEM 模拟 CO₂ 在 Bakken 致密油藏中的连续注入，最佳方案采收率 36%。 • Yu et al. (2015)：使用 CMG GEM 模拟 Bakken 致密油藏中 CO₂ 循环注入（Huff-n-Puff），考虑分子扩散，30 年采收率 27%。 • Phi & Schechter (2017)：使用 CMG GEM 构建 Eagle Ford 双重介质模型，通过 CMOST 历史拟合，比较 CO₂ 循环注入、连续注入和 WAG 的 EOR 效果。 • Lei et al. (2018)：使用 CMG CMOST 对 Chang-7 致密油藏 CO₂ 循环注入进行敏感性分析和优化。 |
| 主要结论（文献综述） | • CO₂ 是最有效的注入气体，其次是烃类气体混合物（CH₄/C₂H₆），N₂ 效果最差。 • 循环注入（Huff-n-Puff）在非常规储层中通常比连续注入（CGI）和 WAG 更具优势。 • 分子扩散和毛细管压力是 CO₂ EOR 在页岩/致密油藏中的关键机理。 • CMG GEM 能够有效模拟非常规储层中气体注入的组分变化、扩散效应和双重介质流动。 |
| 本论文主要工作 | 本论文主要采用实验方法研究 GAGD 工艺在非常规资源中的 EOR 效果（33 组岩心驱替实验），未直接使用 CMG 软件进行数值模拟。论文中关于 CMG 软件的内容属于文献综述部分，总结了前人在非常规油气藏气体注入 EOR 数值模拟研究中应用 CMG 软件的工作。 |
文中明确指出（Case149.pdf）：
“A year later, researchers from Saskatchewan Research Council conducted a numerical simulation study… created the reservoir model using the CMG-builder module and tuned the reservoir fluid model by the CMG-WinProp module and used the CMG-GEM model to simulate the gas injection process…” （第68页，第2.6.2节）
“In 2015, a compositional reservoir modeling was built via CMG GEM and performed to investigate the effectiveness of injecting CO₂ as a miscible gas injection…” （第69页，第2.6.2节）
“Yu et al. (2015) studied the enhanced oil recovery by CO₂ as a cyclic gas injection process through modeling a sector from Bakken tight oil reservoirs by CMG GEM processor.” （第70页，第2.6.2节）
“Phi and Schechter (2017) developed a full-field, dual-porosity, and structured grid model… The 50 ft. × 50 ft. grid model built via CMG GEM… history matched the model through a CMG CMOSTTM…” （第73页，第2.6.2节）
“Lei et al. (2018) built a compositional reservoir simulation model… performed a series of sensitivity studies via CMG CMOST simulator…” （第74页，第2.6.2节）
🧪 模拟方案与主要结果（文献综述总结）
下表总结了本论文文献综述中提及的 CMG 软件在非常规储层气体注入 EOR 模拟中的典型应用：
| 作者（年份） | 储层 | 模拟软件 | EOR 方法 | 关键参数 | 采收率 |
|---|---|---|---|---|---|
| Wang et al. (2010) | Bakken（致密） | CMG Builder, WinProp, GEM | CO₂ 连续注入（CGI） | 注入井网、溶剂类型 | 最佳方案 36% |
| Zhu et al. (2015) | 页岩油 | CMG GEM | 裂缝-裂缝 CO₂ 注入 | 注入压力、压裂间距、分散性 | 15.7% OOIP |
| Yu et al. (2015) | Bakken（致密） | CMG GEM | CO₂ 循环注入（Huff-n-Puff） | 分子扩散、裂缝半长、渗透率、非均质性 | 27% |
| Sanchez-Rivera et al. (2015) | Bakken 页岩 | CMG GEM | CO₂/烃类混合物循环注入 | 注入时间、浸泡时间、生产时间、分子扩散 | 62% 增量 |
| Li et al. (2016) | Wolfcamp 页岩 | CMG GEM | CH₄ 循环注入 | 注入速率、生产速率、浸泡时间 | 31.5% |
| Zhang et al. (2017) | Bakken 致密油 | CMG GEM | CO₂ 循环注入 | 纳米孔限域效应、分子扩散、毛细管压力 | 18% OOIP |
| Phi & Schechter (2017) | Eagle Ford 页岩 | CMG GEM, CMOST | CO₂ 循环注入、CGI、WAG | 双重介质、历史拟合 | 未定量 |
| Lei et al. (2018) | Chang-7 致密油 | CMG CMOST | CO₂ 循环注入 | 注入速率、注入时间、浸泡时间、循环次数 | 8.3% 增量 |
文献综述的关键结论：
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CO₂ 是最有效的注入气体，其次是 CH₄/C₂H₆ 混合物，N₂ 效果最差
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循环注入（Huff-n-Puff）在非常规储层中通常优于连续注入（CGI）和 WAG
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分子扩散和毛细管压力是 CO₂ EOR 在页岩/致密油藏中的关键机理
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CMG GEM 能够有效模拟非常规储层中气体注入的组分变化、扩散效应和双重介质流动
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CMG CMOST 可用于 EOR 参数的自动化化
✅ 主要结论（本论文实验研究）
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GAGD 工艺的有效性：在低渗透 Berea 砂岩（~23-24 μD）中，N₂-GAGD 工艺比常规连续注入（CGI）提高了 4-6% 的采收率，得益于重力辅助的稳定驱替前缘和更均匀的层间波及。
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注入气体选择：CO₂ 比 N₂ 更有效。在 Berea 砂岩中，CO₂-GAGD 工艺在最佳注入压力（2,000 psi）下实现了高达 78.6% 的采收率，而在参考条件（1,000 psi）下，N₂-GAGD 仅达到约 51%。CO₂ 可通过降低油粘度、界面张力和毛细管压力以及蒸发轻烃组分来提高效率。
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裂缝的影响：引入裂缝增加了刺激储层体积（SRV），提高了气-油接触面积。在 Berea 砂岩中，双侧裂缝的 CO₂-GAGD 实验实现了最高的采收率（81.54%），比无裂缝 GAGD 提高约 4%。
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岩心方向（层理）的影响：水平切割岩心（平行层理）比正交切割岩心（垂直层理）的 EOR 效果更好（约 4-7%），因为气体在平行层理中能更有效地逐层驱替。
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岩心尺寸的影响：小尺寸岩心插头（1 PV）比大尺寸岩心样品（20 PV）表现出更高的 EOR 效率（约 9%），但大尺寸样品更真实地反映了重力分异现象。
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注入压力的影响：存在最佳注入压力（Berea 砂岩中 CO₂ 为 2,000 psi），低于该压力时采收率随压力增加而增加，高于该压力时由于气体突破和指进，采收率不再提高甚至下降。
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回压的影响：500 psi 的回压使 CO₂-CGI 和 CO₂-GAGD 的采收率分别降低了 11% 和 7%，回压施加了与流动方向相反的力。
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超低渗透率页岩（TMS）中的 EOR：在渗透率仅 1.7 μD 的 TMS 页岩岩心中，CO₂-GAGD 工艺实现了 7.63% 的采收率，比 CO₂-CGI（2.98%）提高了 4.65 个百分点，表明该工艺在页岩储层中具有应用潜力。
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CMG 软件的适用性（文献综述）：CMG 软件套件（Builder, WinProp, GEM, CMOST）能够有效支持非常规储层气体注入 EOR 的完整工作流：从地质建模、流体 PVT 表征、组分模拟到参数优化和历史拟合，是该领域数值模拟的有力工具。
🏛️ 论文主要信息
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 论文标题 | Application of Gas-Assisted Gravity Drainage (GAGD) Process for Enhancing Recovery from Unconventional Resources |
| 作者 | Muzher Al Musabeh |
| 学位 | 哲学博士（Doctor of Philosophy） |
| 授予单位 | 路易斯安那州立大学（Louisiana State University） |
| 毕业年份 | 2021 年 12 月 |
| 所属院系 | Craft & Hawkins 石油工程系 |
| 研究领域 | 提高采收率（EOR）、Gas-Assisted Gravity Drainage（GAGD）、非常规资源、页岩油、致密油、CO₂ 驱 |
💡 补充说明
该博士论文是一项关于 GAGD 工艺在非常规资源中应用的系统性实验研究，核心创新点在于：
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创新的 GAGD 工艺应用：首次系统研究了 GAGD 工艺（而非传统的 Huff-n-Puff 或 CGI）在非常规资源（致密砂岩和页岩）中的 EOR 潜力，并通过实验验证了其有效性。
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系统的实验方案：设计了 33 组岩心驱替实验，覆盖了多种变量：两种注入气体（N₂ 和 CO₂）、两种岩性（Berea 砂岩和 TMS 页岩）、不同岩心尺寸和切割方向、不同注入压力和回压、不同裂缝构型（无裂缝、单侧裂缝、双侧裂缝）。
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裂缝构型的详细研究：首次系统比较了不同裂缝构型（上侧裂缝、下侧裂缝、双侧裂缝）对 GAGD 工艺 EOR 效果的影响，发现双侧裂缝配置可获得最高采收率（81.54%）。
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从常规到非常规的延伸：将 Rao 团队此前在常规储层中开发的 GAGD 工艺首次系统应用于非常规储层（致密砂岩和页岩），并验证了其可行性。
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CO₂ 封存与 EOR 的协同：使用 CO₂ 作为注入气体，既提高了采收率，又可能实现 CO₂ 的地质封存。
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CMG 软件的文献综述：虽然本论文主要工作是实验研究，但提供了非常全面和系统的文献综述，总结了 CMG 软件（Builder、WinProp、GEM、CMOST）在非常规油气藏气体注入 EOR 数值模拟中的应用，包括连续注入、循环注入、WAG 等多种工艺，以及分子扩散、毛细管压力、双重介质等关键机理的模拟方法。
该研究对从事提高采收率（EOR）、CO₂ 驱、GAGD 工艺、非常规资源开发、页岩油/致密油开采以及油藏数值模拟的工程师和科研人员具有重要的参考价值。