二氧化碳羽流地热能（CPG）技术应用于提高采收率（EOR）之后的应用

《Geodesy and Geodynamics》：CO 2-Plume Geothermal (CPG) after enhanced oil recovery (EOR)

CO2-EOR与CPG耦合在成熟油藏中通过数值模拟，发现启动CPG后利用已建立CO2原生，热功率达13-23 MW/km2，总能源恢复率提升20%-50%，CO2封存量增加80%-280%，储层异质性影响较小。

　　全球能源转型正在推动我们寻找新的碳利用方式，以实现低碳能源生产的集成与优化。近年来，将基于二氧化碳（CO?）的增强型油藏驱油（CO?-EOR）与二氧化碳地热能提取（CO?-Plume Geothermal, CPG）相结合，被认为是提升资源利用效率和碳封存能力的一种有前景的方法。尽管这一概念已被提出，但其在实际应用中的潜力和影响仍需深入探讨。本文通过数值模拟对概念性异质油藏模型进行研究，评估CO?-EOR与CPG在能源生产和CO?封存方面的相互作用，并探讨这种结合的地质技术意义。

CO?-EOR是一种常见的提高石油采收率的技术，通过将CO?注入油藏，使其溶解在原油中，从而降低原油粘度，增强其在油藏中的流动性。同时，轻质的碳氢化合物也会溶解到CO?富集的流体中，从而提高采收率。当注入压力超过最低混相压力（MMP）时，形成单相的油/CO?混合物，进一步提高驱油效率。这种技术不仅能够提高石油产量，还能够实现CO?的长期封存，因此在碳捕集与封存（CCS）中具有双重价值。

另一方面，CPG技术通过将CO?作为地热能提取的工质，结合地热能生产与CO?封存，成为一种新兴的碳利用方式。在CPG系统中，CO?被注入到天然多孔和渗透的沉积岩层，如深部盐水层或油藏中，以提取地热能。在热交换器或涡轮中释放热量后，CO?被重新注入到封存层中，从而实现CO?的捕集、利用和封存（CCUS）。这种技术的优势在于，超临界CO?在油藏深度（2-5 km）下具有显著较低的运动粘度，因此在油藏中流动时，摩擦损失较小，从而提高了热能提取效率。此外，由于CO?的热膨胀性高于水，其密度对温度变化更为敏感，这有助于形成显著的浮力驱动热对流，从而减少或消除对昂贵泵送设备的需求。

目前，CPG系统在深部盐水层中的研究较为广泛，但其在油藏中的应用仍处于初步探索阶段。尽管一些研究已经评估了CPG在油藏中的地热资源潜力，包括将油井转换为地热井、利用共产热盐水发电等，但关于在CO?-EOR之后实施CPG系统的研究仍较为有限。本文旨在填补这一知识空白，通过构建具有渗透性异质性的油藏模型，模拟CO?在典型油藏条件下的流动行为，并评估其对CPG系统性能的影响。

为了更准确地评估系统性能，本文采用了多相、全物理的流体模拟方法，考虑了成分和热效应，同时整合了油藏的操作历史，如水驱。这种集成建模方法对于理解系统在不同阶段的表现至关重要。在模拟过程中，每个操作阶段的初始条件依赖于前一阶段的最终状态，而这些状态受到地质条件和操作因素的共同影响。通过这种模拟方式，我们能够更好地评估CO?-EOR与CPG在不同油藏条件下的协同效应。

模拟结果表明，CO?-EOR与CPG的结合能够显著提高总能量回收率，相比仅通过CO?-EOR获得的能量，总能量回收率提高了20%至50%。此外，CPG的热能输出范围在13至23 MWth/km2之间。在CPG运行过程中持续注入CO?，还能够使总CO?封存量提高80%至280%，这主要归因于对之前未被充分开采的油藏体积的体积扫掠效率提高，以及由于油藏冷却导致的CO?密度增加。然而，尽管油藏异质性对CO?-EOR阶段的石油采收率有显著影响，但对CPG阶段的热能输出影响较小，因为油藏中的天然流体（如油和盐水）在CO?-EOR阶段已经被大部分驱替，同时CO?的分布也随着时间逐渐稳定。

此外，研究还发现，当在CO?-EOR之后启动CPG操作时，能够充分利用已形成的CO?羽流，从而实现立即且高效的地热能提取。这种结合不仅有助于提高能源利用效率，还能够增强CO?的封存能力，为可持续的地下资源管理和减缓气候变化提供新的思路。同时，这种结合还可能降低CO?-EOR和CPG的总体成本，提高其经济可行性，从而促进更广泛的应用。

在模拟过程中，我们首先构建了具有不同渗透性异质性的油藏模型，以模拟CO?羽流在典型油藏条件下的流动行为。这些模型考虑了关键过程，如CO?在高渗透性区域的通道效应，这是CO?-EOR过程中常见的问题，可能会影响油藏的采收率。我们还评估了这些通道效应对CPG系统性能的影响，以更好地理解其在不同油藏条件下的表现。

随后，我们将概念性油藏模型的CO?-EOR性能与公开数据进行验证，以确保模型的代表性。在验证过程中，我们发现模拟得到的石油采收率和CO?利用效率与实际的现场观测结果非常接近。这表明，所构建的模型能够准确反映真实油藏的复杂性，并为后续的CPG系统评估提供了可靠的基准。

在评估CPG系统性能时，我们主要关注其在不同油藏条件下的热能产出率，并将其与CO?-EOR阶段的能量产出进行比较。通过这种比较，我们能够更好地理解CO?-EOR与CPG在不同操作阶段的协同效应，并评估其在实际应用中的可行性。此外，我们还分析了CO?的利用效率，包括在两个阶段的CO?封存率，并计算了每单位CO?封存所获得的能量产出，以进一步量化这种结合的附加效益。

研究还发现，CO?-EOR与CPG的结合不仅能够提高能源回收率，还能够延长CO?在油藏中的停留时间，从而提高其封存效率。在油藏中，CO?的封存主要通过溶解、毛细力和结构封存等方式实现，而这些封存机制在CO?-EOR和CPG的共同作用下可能更加有效。因此，这种结合不仅有助于提高能源利用效率，还能够增强CO?的封存能力，为可持续的地下资源管理和减缓气候变化提供新的思路。

此外，本文还探讨了CPG在不同油藏条件下的可行性，包括在高渗透性和低渗透性区域的适用性。通过构建和分析具有不同渗透性特征的油藏模型，我们能够更好地理解CPG在不同油藏条件下的表现，并为实际应用提供参考。同时，我们还评估了CPG系统在不同操作阶段的热能产出率，以及其对CO?封存的影响，以进一步量化这种结合的附加效益。

研究还发现，CO?-EOR与CPG的结合能够显著提高能源回收率，同时降低CO?的封存成本。这主要归因于在CO?-EOR过程中，CO?已经被注入到油藏中，并在油藏中形成了稳定的CO?羽流。这种羽流在CPG运行过程中可以被直接利用，从而提高热能提取效率。此外，由于CO?的密度对温度变化更为敏感，其在油藏中的分布也会随着温度的变化而变化，从而提高封存效率。

因此，本文的研究不仅揭示了CO?-EOR与CPG在不同油藏条件下的协同效应，还为实际应用提供了重要的参考。通过这种结合，我们能够更好地实现碳捕集与封存的目标，同时提高能源利用效率，为可持续的地下资源管理和减缓气候变化提供新的思路。此外，这种结合还可能降低CO?-EOR和CPG的总体成本，提高其经济可行性，从而促进更广泛的应用。

最后，本文还强调了这种结合在政策制定和实际应用中的重要性。通过提高能源利用效率和碳封存能力，这种结合不仅能够促进更广泛的CO?捕集与封存项目，还能够为可持续的地下资源管理提供新的思路。此外，这种结合还可能促进更多高效和经济可行的CCUS操作，从而为全球碳减排目标的实现做出贡献。