考虑毛管压力和吸附影响的CO2-原油非平衡扩散理论及分子动力学研究

CO2 huff-puff, pulse injection and advance injection have become important development modes for low permeability tight oil reservoirs. CO2 non-equilibrium diffusion is a fundamental science problem which has an impact on the CO2-crude oil interphase mass transfer and the effects of CO2 displacement. The porous medium of tight oil reservoirs has the characteristics of high specific area, high adsorption amount, small pores and throats, and high capillary pressure. Currently, gas-liquid diffusion coefficients are mainly determined according to Fick's law based on equilibrium diffusion. Due to lack of CO2-crude oil non-equilibrium diffusion theoretical model which takes into account the effects of adsorption and capillary pressure in porous medium, it is difficult to predict gas injection performance accurately. This study combines theories and experiments, and the study is carried out in both macroscopic and microscopic view. Based on CO2-crude oil non-equilibrium diffusion experiments in tight porous medium, on the one hand, by taking into account the effects of adsorption on capillary radius and shape of gas-liquid interface in macroscopic scale, theoretical model considering capillary pressure and adsorption in porous medium is established, to study the law of CO2-crude oil non-equilibrium diffusion in porous medium; on the other hand, molecular dynamics method is used to study the process of CO2-crude oil non-equilibrium diffusion, to analyze the mechanism of CO2-crude oil non-equilibrium diffusion in microscopic scale.

采用吞吐、脉冲和超前注CO2开发低渗致密油藏已成为重要的开发方式，CO2非平衡扩散是影响CO2-原油相间传质、CO2驱油效果的基础科学问题。这类储层介质具有比面大、吸附量大、孔喉小、毛管压力大的特点，目前确定气-液扩散系数主要采用基于平衡扩散假设的Fick扩散方程，缺乏考虑储层介质吸附和毛管压力影响的CO2-原油非平衡扩散理论模型，因此无法准确预测注气动态。本研究采用理论和实验相结合，从宏观和微观两个方面开展研究，在低渗致密储层多孔介质CO2-原油非平衡扩散实验基础上，一方面从宏观上考虑吸附对毛管半径和气液界面形状的影响，建立考虑多孔介质毛管压力和吸附影响的理论模型，研究多孔介质中CO2-原油非平衡扩散规律；另一方面应用分子动力学方法研究多孔介质中CO2-原油扩散过程，从微观角度分析CO2-原油非平衡扩散机理。

我国低渗致密油藏占储量的40%以上，由于这类储层多孔介质具有比面大、吸附量大、孔吼小、毛管压力大的特点，导致低渗、低产、注不进采不出，常规开发方式效益差或不能有效开发，国内外研究和实践表明注CO2 是开发低渗致密油藏的有效方式之一，由于现有理论模型假设油气扩散和相平衡瞬时完成，未考虑多孔介质中油气非平衡扩散过程，无法准确预测注气动态。目前确定气-液扩散系数主要采用基于平衡扩散理论假设的Fick扩散方程，缺乏考虑储层介质吸附和毛管压力影响的CO2-原油非平衡扩散理论模型，因此无法准确预测注气动态。本研究采用理论和实验相结合，一方面从宏观上建立考虑多孔介质毛管压力和吸附影响的理论模型；另一方面应用分子动力学方法从微观角度分析。研究结果表明：多孔介质中CO2-原油系统扩散的平衡时间明显比PVT筒中的要长，而且最终平衡时的压力与初始时相比，多孔介质中的扩散要比PVT筒中的下降幅度大很多；在相同的温度压力条件下，即使是同一组分在不同的体系中其扩散系数的大小是不一样的；对于同一体系，相同的组分在不同相中扩散系数大小不一样，在气相中扩散系数高于液相中扩散系数；各组分的摩尔浓度在气液界面处均存在一个 “阶跃”。从油相到气相方向，气相CO2的摩尔浓度是逐渐增加的，越靠近上部其值越大，其余液相组分的摩尔浓度变化相反；基于界面平衡的假设，只要扩散的时间足够长，最终油气体系可以达到近似的“完全混相”状态；设计4因素3水平（L（43））的正交实验，分析结果表明，多孔介质的润湿性是影响扩散系数的主要因素，多孔介质的分形维数、渗透率和孔隙度是影响扩散的次要因素。