超临界CO2石油增采和油田封存过程的微观机理和定量规律及注采方案优化研究

CO2-EOR combined with geological sequestration of CO2 in oil reservoirs represents an important approach to remit the contradiction of our energy supply and demand, meanwhile to mitigate greenhouse gas emission into the atmosphere.This study mainly forcuses on the fluid flowing laws of the three phases including CO2, brine and oil in porous media when processing supercritical CO2 flooding. Systematic researches in this study will be conducted by comprehensive methods such as data investigation, theory analysis, microscale displacement experiment and numerical simulation. The quantitative influences of injection technology, injection velocity or reservoir heterogeneous property on CO2 displacement efficiency and storage effect will be obtained by the visual flooding experiments with micromodel. The procedures of CO2 displacing brine or oil will be simulated by the numerical simulation program which is developed on the basis of two-phase microscale flooding theory in porous media.Then the micromechanisms and quantitative laws occur in the procedure of supercritical CO2-EOR combined with CO2 reservoir storage will be revealed. Furthermore, the key impact factors within the quantitative influences will be summarized.And the optimized injection at microscale to realize the most efficiency of EOR and CO2 sequestration in reservoirs will be proposed to direct the CO2-EOR exploitation.The outcomes of this study will prepare tasks ahead for microscale CO2-EOR theory, will put the technology of CO2-EOR combined with CO2 storage in reservoirs into pratice, and will promote the theory discussion of this comprehensive technology into realistic reservoir design.

利用CO2驱提高石油采收率并实现CO2在油田中有效封存具有缓解我国能源供需矛盾、有效降低温室气体排放等多重意义。本项目重点研究超临界CO2驱替过程中CO2、水和油三相流体在孔隙结构中的流动规律，拟采用资料调研、理论分析、微观模型试验和数值模拟手段开展系统研究。采用可视化微观模型驱替试验定量研究不同注入方式、注入速率和储层非均质性对驱替效率和封存效果的影响；基于两相微观孔隙结构驱替数值模拟软件模拟CO2驱替油和咸水过程；揭示超临界CO2在储层非均质条件下提高石油采收率和油田封存的微观机理及定量规律，总结CO2增采与封存开发过程中关键影响因素及规律，提出孔隙尺度上实现增采与封存的优化注采方案设计思路，为增采和封存工程设计提供理论指导。本项目成果，将为孔隙尺度研究CO2提高采收率理论奠定基础，同时为提高CO2石油增采和油田封存技术提供理论及实践依据，也将该领域技术从理论研究推向实际工程设计。

将CO2注入到油气藏中进行地质埋存减少碳排放量，同时进行三次增采该油气藏中的剩余油气资源，是已被证明的行之有效的碳减排和提高油气产量的双重利好的技术之一。本研究即在此大背景下尝试将CO2注入到多孔介质（2D光刻硅玻模型）中进行混相驱和非混相驱试验，模拟储层条件下埋存CO2过程中CO2驱替储层流体（油、气、咸水）的多相流动过程。采用目前世界上最先进的微观可视化渗流模拟实验技术，从微观尺度着手探讨CO2在微观多孔介质玻璃模型中的混相驱和非混相驱的流动规律、驱替机理和多相接触前缘的流动特征。在此过程中，发现了与岩心及宏观尺度截然不同的驱替机理，同时发现了因CO2本身的萃取特性而产生的CO2驱替过程中特有的干化效应。认为在储层中CO2驱替咸水的非混相驱受毛管数影响表现出3种不同的运移现象，较低毛管数条件下（即远井前缘）由毛管指进控制两相接触前缘的流动，形成较高CO2驱替饱和度和波及效率；较高毛管数条件下（即近井前缘）由黏性指进主导过渡带的流动，亦形成较高CO2驱替饱和度；但在中等毛管数条件下（即中间地段）出现由毛管指进向黏性指进变化的现象，抑制了两相接触前缘的流动，降低了波及效率从而降低了CO2驱替饱和度。另一方面，认为采用干气CO2（即低渗致密储层近井段）驱替会产生明显干化现象，导致毛管指进阶段进一步提高CO2饱和度，而湿气CO2（即远井段）驱替会大大削弱毛管指进的波及面。此外，采用目前世界上最先进的多场耦合岩石力学试验机，还研究了将CO2注入到页岩气田中对页岩强度及对页岩气吸附解吸性能的影响，认为页岩岩石与CO2充分接触会大大降低页岩强度，有利于页岩本身压裂缝网的形成，同时CO2在页岩基质上的吸附性能强于CH4，有利于页岩气从页岩基质上解吸扩散并随CO2混相驱替。由此给开发工程的启发需要设计合适的注入速率和段塞比例，以实现提高波及效率和采收率，同时将大部分CO2储存在油气田中，实现温室气体有效减排。