使用富含二氧化碳的碳氢化合物气体混合物从非常规储层中回收可混溶石油的可行性和机制：来自相行为和成分模拟的见解

《Fuel》：Feasibility and mechanism of miscible oil recovery in unconventional reservoirs using CO 2-enriched hydrocarbon gas mixtures: Insights from phase behavior and compositional simulation

通过整合相态行为与组成模拟，研究了CO2-烃类混相驱在非常规储层中的EOR机理，发现调节CO2比例可提升混相性及碳利用效率，混相驱机制包括气体溶解、原油膨胀和组分提取，最终实现52.53%的CO2有效封存。

　　

唐勇|孙宇|何友伟|张竹欣|秦家政

中国西南石油大学油气水库地质与开发国家重点实验室，成都610500

摘要

富含二氧化碳（CO₂）的碳氢化合物气体混合物利用了CO₂的低互溶压力和碳氢化合物之间的组成相似性，从而实现了提高石油采收率（EOR）、减少CO₂排放，并缓解了碳源限制问题。然而，这些混合物在石油中的多组分质量传递的潜在原理仍不清楚。本文通过将相行为与组成模拟相结合，阐明了CO₂-碳氢化合物气体共注入非常规储层中的EOR性能和机制。在流体模型中研究了CO₂-碳氢化合物气体混合物的物理性质及其与石油的相行为。利用细管模拟研究了不同气体对油气互溶性的影响、气体前沿迁移和混合质量传递。基于组成模拟，探讨了CO₂-碳氢化合物气体共注入的EOR机制及其在碳源受限储层中的可行性。结果表明，调节气体混合物中的CO₂比例可以提高油气互溶性和碳利用效率。在互溶和不相溶状态下比较气体前沿迁移和石油组分分布后发现，CO₂-碳氢化合物气体互溶驱油可以增强CO₂溶解、促进质量传递并延缓气体突破。气体溶解、石油膨胀、组分提取、油气互溶性和能量补充是提升CO₂-碳氢化合物气体-EOR过程协同效应的关键机制。大约52.53%的CO₂可以被有效储存，其余部分在20年的EOR结束后产生。这种含有杂质的CO₂注入技术结合了丰富的伴生气体和有限的CO₂用于石油生产，为工程师提供了关于非常规储层中甲烷管理和碳减排的宝贵见解。

引言

全球能源需求的不断增加以及与化石燃料消耗相关的环境问题推动了碳利用和储存技术的显著进步[1]、[2]。目前碳源和碳汇之间的不平衡是实现碳中和目标的关键制约因素[3]、[4]、[5]。中国碳源最集中的地区是发达的城市聚居区，特别是珠江三角洲和长江三角洲[6]。相比之下，非常规储层主要分布在工业化程度较低的地区[7]、[8]。CO₂在提高石油采收率（CO₂-EOR）方面具有明显优势，包括低互溶压力[9]、强流动能力[10]、石油体积膨胀[11]和较小的地层损伤[12]。然而，其大规模应用常常受到储层附近碳源稀缺的限制[13]。在这种情况下，丰富的天然气成为一种非常有前景的EOR流体，这一点在涵盖机制、实验室实验、数值建模和现场测试的综述文章中有报道[14]。

裂缝水平井既产出碳氢化合物，也产出丰富的伴生气体[15]。由于地层的高异质性[16]、[17]、[18]，碳氢化合物气体再注入在经济可行性方面存在不足。然而，如图1所示，将富含CO₂的碳氢化合物气体混合物注入储层可以带来较高的经济效益和良好的环境效益[19]、[20]、[21]。与伴生气体不同，杂质CO₂通过降低油气界面张力（IFT）和改变相行为来实现互溶[22]。CO₂-CH₄的协同作用改善了石油性质并提高了流动能力[23]。与咸水含水层相比，EOR结束后的枯竭储层提供了更好的孔隙空间和更低的基础设施成本，适合地质碳储存（GCS）[24]。这种甲烷管理和碳减排的综合方法使CO₂-碳氢化合物气体共注入成为可持续开发非常规资源的有前景策略。

作为杂质CO₂的重要组成部分，CO₂有助于在低于最低互溶压力（MMP）的情况下从原油中提取C₂-C₆ [25]、[26]。当压力超过MMP时，储层流体从富集相转变为过渡相，最终变为单相[27]。CO₂-碳氢化合物混合物在原油中产生了复杂的超临界流体动力学特性，与纯CO₂的性质有很大差异[28]。当流体系统从单相转变为多相时，相行为变得更加复杂[29]、[30]。最近几十年也有关于通过注入CO₂-碳氢化合物混合物来利用和储存CO₂的进展报告[31]、[32]、[33]、[34]。

通常认为，互溶油回收是一种具有经济效益的气体注入方法。Adekunle和Hoffman[35]确定，Bakken储层中注入气体的MMP对于进行稳健的技术经济评估至关重要。Ding等人的气体注入置换实验[36]表明，与不相溶驱油相比，互溶驱油使石油采收率提高了8.6%～14.1%。降低注入气体与原油之间的MMP可以使更多类型的储层受益于互溶驱油技术[37]。Belhaj等人[38]引入了首次接触互溶性和多次接触互溶性，利用N₂和碳氢化合物气体在CO₂注入场景中预测目标石油的MMP。Mohammed等人[39]发现，CO₂和N₂的气体混合物的MMP过高，使得在储层条件下难以实现互溶。尽管N₂可用且成本效益高，但其高MMP和较差的置换效率限制了其适用于互溶驱油[40]、[41]。

为了评估CO₂在降低CH₄的MMP方面的有效性，Ungar等人[42]使用微流控芯片装置分别确定了CO₂、4% CO₂-76% CH₄和0.4% CO₂-72% CH₄的MMP分别为16 MPa、28 MPa和31 MPa。Jia等人[43]使用CO₂-CH₄混合物进行了岩心置换实验，并通过实验室规模的数值模型验证了结果。在CO₂-CH₄比例为1:1时，置换效率达到峰值，同时实现了原油组分的同步提取和储层流体粘度及密度的降低。Rui等人[44]利用分子动力学模拟研究了储层流体在CO₂-CH₄混合物中的扩散行为。结果表明，CO₂-碳氢化合物气体共注入可以增加石油产量。

然而，目前的计算主要集中在杂质CO₂驱油的石油回收性能上，往往忽略了富含CO₂的气体相迁移对多孔介质中质量传递和相行为的影响。清晰理解CO₂-碳氢化合物气体共注入EOR的关键特征、过程和机制对于储层方案设计至关重要。同时，分析杂质CO₂与原油之间的互溶模式和空间分布可以为混合物互溶性的增强提供系统解释。

因此，本研究建立了一个综合框架，包括三个模型部分：一个通过实验数据校准的流体模型、一个通过MMP数据验证的细管模型，以及一个与储量估算相匹配的井组模型。流体和模型参数取自中国准噶尔盆地的M区块。首先，研究了CO₂、碳氢化合物气体及其混合物在各种温度和压力下的物理性质。其次，分析了它们与石油的相行为，包括溶解、膨胀和互溶性能。第三，探讨了在不相溶和互溶状态下的气体前沿迁移和混合质量传递。最后，研究了CO₂-碳氢化合物气体共注入的EOR机制及其实现互溶油回收的潜力。本研究为工程师提供了关于在非常规储层中应用CO₂-碳氢化合物气体互溶驱油的宝贵见解，并为设计多孔介质中的CO₂-EOR-GCS方案提供了参考。

章节片段

CO₂-碳氢化合物气体-EOR框架

首先构建了一个储层流体模型，以表征CO₂、碳氢化合物气体及其混合物的物理性质和相行为。然后，通过细管模拟研究了不同气体的互溶性能，并确定了最佳气体混合物比例。随后，在不相溶和互溶条件下研究了气体前沿迁移和质量传递动态。最后，探讨了CO₂

气体混合物的物理性质

随着压力从5 MPa增加到15 MPa，不同介质的Z因子迅速减小，然后缓慢上升（图7a和7b）。碳氢化合物气体和CO₂的混合物Z因子较高，其中CH₄的Z因子最高。在34.66 MPa的储层压力下，所有注入介质的Z因子都小于1。由于流体可压缩性，混合物的密度随压力增加而增加（图7c和7d）。气体密度在20 MPa时发生变化。随着压力的继续升高，温度

结论

本研究通过一系列组成模拟讨论了CO₂-碳氢化合物气体共注入的EOR性能和机制。开发了一个细管模型，以精确预测CO₂、碳氢化合物气体及其混合物的MMP。进一步研究了油气互溶和不相溶状态下的混合质量传递。可以得出以下结论：

(1)

与碳氢化合物气体相比，CO₂的添加显著改善了气体混合物的性质和相行为。

CRediT作者贡献声明

唐勇：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。孙宇：撰写 – 原始草稿、软件开发、数据整理。何友伟：撰写 – 审稿与编辑、概念构思。张竹欣：验证、项目管理。秦家政：监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（51974268）的财政支持。