在热力增强采油（Thermal EOR）实施过程中碳酸盐分解的作用：实验与数值分析的见解

《Geodesy and Geodynamics》：Role of Carbonate Decomposition during Thermal EOR Implementation: Experimental and Numerical Insights

碳酸盐岩石高温高压下分解动力学研究及原位燃烧模型优化。实验分析350-650℃、8MPa条件下载体矿物分解特征，结合XRD/XRF和SEM表征矿物相变及孔隙结构演化。数值模型验证显示碳酸分解产生CO2占比达30%以上，显著高于常规燃烧贡献。通过分离油氧化与矿物分解反应，建立普适性动力学模型，集成于基质-裂缝-孔隙洞三孔隙系统。研究揭示水/蒸汽加速分解作用，为碳酸盐油藏ISC工艺优化提供理论支撑。

　　在当今能源需求日益增长的背景下，碳酸盐岩储层作为全球油气资源的重要组成部分，其开发技术一直备受关注。特别是在传统油气资源逐渐枯竭的情况下，越来越多的研究转向更具挑战性的地质构造，尤其是那些富含重油和超重油的碳酸盐岩储层。为了提高这些储层的采收率，热强化采油（EOR）技术被广泛应用于现场燃烧（ISC）等方法中。然而，由于碳酸盐岩的特殊性质，包括其高度的地质和岩石物理异质性，以及对高温、高压环境的高度敏感性，使得这些技术在实际应用中面临诸多挑战。

碳酸盐岩储层的开发不仅涉及复杂的地质条件，还受到矿物组成和岩石结构的深刻影响。研究表明，碳酸盐岩在高温和高压条件下，特别是在有水或蒸汽存在的环境中，会发生显著的矿物分解反应。这些反应不仅改变了储层的物理特性，还可能对油气的流动性和采收率产生重要影响。因此，深入理解碳酸盐岩在高温条件下的分解机制，以及其对现场燃烧过程的影响，对于优化采油技术、提高经济效益具有重要意义。

为了应对这一挑战，本研究通过实验和数值模拟相结合的方式，系统地分析了碳酸盐岩在高温（350、500和650°C）和高压（8 MPa）条件下的分解过程。实验过程中，研究人员采用X射线荧光光谱（XRF）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等技术，对矿物组成和岩石结构的变化进行了详细评估。这些实验结果随后通过数值模型进行验证，以确保其准确性和可推广性。此外，研究还特别关注了碳酸盐分解反应对现场燃烧过程中气体组成和孔隙结构的影响，为开发更精确的模拟模型提供了理论支持。

实验结果显示，碳酸盐岩在高温下会发生显著的分解，其中钙镁碳酸盐（CaMg(CO?)?）和碳酸钙（CaCO?）的分解过程尤为明显。这些分解反应不仅影响了储层的矿物组成，还导致了二氧化碳（CO?）的大量释放。通过逐步升温实验，研究人员发现，碳酸盐的分解速率随着温度的升高而加快，且在特定温度范围内表现出明显的阶段性变化。例如，在第一阶段，碳酸钙的分解导致了约23.87%的质量损失，而在第二阶段，质量损失进一步增加至43.97%。类似地，钙镁碳酸盐的分解在700°C至750°C之间也表现出不同的反应路径。

在实验过程中，研究人员还观察到，碳酸盐岩的分解与现场燃烧过程中的气体组成密切相关。特别是在现场燃烧实验中，产生的气体中CO?的比例远高于预期，表明碳酸盐分解对气体组成产生了显著影响。这一现象在实验中得到了进一步的验证，例如通过稳定同位素分析和气相色谱（GC）结果的支持。这些数据不仅揭示了碳酸盐分解的反应路径，还为评估现场燃烧过程的效率和环境影响提供了重要依据。

此外，研究还发现，水的存在可能促进碳酸盐的分解过程，尤其是在较低温度下。例如，在约50°C时，碳酸盐的分解开始显现，随着温度的升高，反应速率逐渐加快。然而，这一过程在200–300°C时趋于稳定，表明水的作用在特定温度范围内具有一定的局限性。这一发现对于理解碳酸盐岩在高温和高压条件下的行为具有重要意义，尤其是在现场燃烧过程中，水的存在可能对碳酸盐分解产生积极或消极的影响。

在数值模拟方面，研究人员使用了商业模拟软件CMG STARS，构建了一个三维径向模型，以准确再现实验装置的几何结构。该模型包括4个水平单元、1个方位单元和32个垂直单元，确保了模拟的精度和可靠性。通过将实验数据与数值模拟结果进行对比，研究人员验证了碳酸盐分解的反应动力学参数，并进一步优化了模型的适用性。这些参数不仅能够用于现场燃烧过程的模拟，还可以为实验室实验和实际工程应用提供指导。

本研究的创新点在于，首次将碳酸盐分解反应纳入到一个复杂的三孔隙系统（基质-裂缝-溶洞）中，以更全面地评估其对现场燃烧过程的影响。这种综合建模方法不仅提高了模拟的准确性，还为未来的油气开发提供了新的思路和工具。通过将碳酸盐分解反应与现场燃烧过程进行整合，研究人员能够更精确地预测储层在高温条件下的行为，从而优化采油技术的设计和实施。

研究还特别强调了现场燃烧过程中气体组成的重要性。通过监测气体中的氢碳比（H/C），研究人员能够评估现场燃烧过程的温度氧化程度。例如，在Suplacu de Barcau油田的现场燃烧项目中，H/C比高于2.5表明温度氧化程度较低，这不利于燃烧过程；而H/C比在1–2之间则表明燃烧参数较为理想。因此，准确监测气体组成不仅有助于评估现场燃烧过程的效率，还能为优化采油技术提供重要依据。

在实际应用中，碳酸盐岩的分解可能对现场燃烧过程产生多方面的影响。一方面，碳酸盐分解可能导致二氧化碳的大量释放，这可能影响现场燃烧过程的气体组成和燃烧效率；另一方面，碳酸盐分解可能改变储层的孔隙结构，从而影响油气的流动性和采收率。因此，深入理解碳酸盐分解的反应机制及其对现场燃烧过程的影响，对于优化采油技术、提高经济效益具有重要意义。

本研究的成果表明，碳酸盐分解是影响现场燃烧过程效率的关键因素。通过实验和数值模拟的结合，研究人员不仅验证了碳酸盐分解的反应动力学参数，还进一步优化了模拟模型的适用性。这些成果为未来的油气开发提供了重要的理论支持和技术手段，尤其是在高温和高压条件下，碳酸盐岩的分解可能对现场燃烧过程产生深远影响。因此，研究人员建议在实际工程应用中，应充分考虑碳酸盐分解反应的影响，以确保现场燃烧过程的高效性和可持续性。

综上所述，本研究通过实验和数值模拟相结合的方式，系统地分析了碳酸盐岩在高温和高压条件下的分解过程，揭示了其对现场燃烧过程的影响机制。这些发现不仅为优化采油技术提供了理论支持，还为未来的油气开发提供了新的思路和工具。通过将碳酸盐分解反应纳入到复杂的三孔隙系统中，研究人员能够更全面地评估其对储层行为的影响，从而提高现场燃烧过程的效率和经济效益。这一研究对于推动可持续能源开发具有重要意义，尤其是在面对日益严峻的能源需求和环境挑战的情况下。