泡沫辅助注入中气体依赖性流度控制：非均质储层中CO2与N2的对比分析

《Gas Science and Engineering》：Gas-dependent mobility control in foam-assisted injection: Comparative analysis of CO2 and N2 in heterogeneous reservoirs

　　

泡沫辅助注入中的流度控制受气体类型调控：基于混合混合有限元与高阶有限体积框架，研究人员对非均质储层中CO₂与N₂泡沫驱替进行了对比模拟研究。该框架考虑了非牛顿泡沫流变学与局部平衡泡沫质地（foam texture，n_D）建模。岩心驱替标定结果表明，N₂泡沫的表观黏度约为CO₂泡沫的3.5倍。在固定压力条件下，N₂泡沫改善了波及效率与流度控制，但降低了注入能力；相比之下，CO₂泡沫在流度控制与注入能力之间取得了平衡，适用于CO₂封存及提高采收率（EOR）应用。

**论文解读：非均质储层中CO₂与N₂泡沫辅助注入的气体依赖性流度控制对比研究**

**一、研究背景与问题**

气体注入技术在地下储层应用中扮演着关键角色，涵盖地下水气储存与油气开采等领域。然而，气体固有的高流度、低密度与低黏度特性，常引发重力超覆、黏性指进等不利现象。在非均质储层中，高渗通道的存在加剧了气体窜流，严重削弱了波及效率。泡沫辅助气体注入被证实为缓解气体流度问题的有效策略，通过表面活性剂降低气-液界面张力，生成由液膜（lamellae）分隔的泡沫结构，显著降低气体流度。在众多注入气体中，CO₂与N₂因可获得性与物理性质差异而备受关注。以往实验表明，N₂泡沫较CO₂泡沫具有更高的压降与流阻，展现更强的稳定性与流度降低能力。然而，两种气体泡沫在非均质储层中的流度控制与注入性之间的权衡机制尚缺乏系统性数值评估。为此，研究人员构建了考虑气体可压缩性的两相流数学模型，并开发了高精度数值模拟框架，系统对比CO₂与N₂泡沫在非均质介质中的流动特征，为泡沫注入方案设计与气体选型提供定量依据。

**二、研究方法概述**

该研究采用一种杂化数值框架，将局部守恒的混合混合有限元法与高阶有限体积法相结合，对泡沫驱替的控制方程进行离散求解。其中，流速与压力场采用Raviart–Thomas（RT_k）混合有限元方法并结合静态凝聚技术求解，输运方程（含水饱和度与表面活性剂浓度）则采用Kurganov–Noelle–Petrova（KNP）中心迎风有限体积格式配合变阶Backward Differentiation Formula（BDF）时间积分。泡沫流变学采用Kovscek–Radke局部平衡模型与Hirasaki–Lawson黏度方程，通过三次方程的解析根显式计算泡沫黏度μ_gf，避免了耦合迭代的数值困难。CO₂与N₂的相对渗透率与毛管压力曲线基于Reynolds和Krevor（2015）及Jackson等（2018）的非稳态驱替实验数据，采用改性Corey型与Leverett J函数形式进行非线性最小二乘拟合；泡沫流变模型中的拟合参数α则通过匹配Farajzadeh等（2009）的岩心驱替实验中的含水饱和度剖面确定。

**三、模拟结果与分析**

**1. 气体数据建模与参数标定**

通过对文献实验数据的拟合，研究人员获取了CO₂与N₂的相对渗透率与毛管压力曲线参数。拟合结果显示，N₂的泡沫黏度拟合参数α（2.0×10^?15 Pa·s^2/3·m^1/3）显著高于CO₂（5.7×10^?16 Pa·s^2/3·m^1/3），表明N₂泡沫具有更强的表观黏度，约为CO₂的3.5倍。模拟的含水饱和度剖面与实验数据在波前位置与形状上吻合良好，验证了模型的有效性。

**2. 固定注入速率条件下的SAG模拟**

在固定气体注入速率的表面活性剂交替气体（SAG）注入模拟中，采用10th SPE项目基准第1层的非均质渗透率场。模拟结果显示，N₂泡沫在推进波前后方呈现更低的含水饱和度，表明其驱水效率与波及效率更优。泡沫质地（n_D）分布显示，N₂泡沫优先在高渗通道中生成，而CO₂泡沫在更大范围内生成。尽管CO₂泡沫的生成区域更广，但N₂泡沫展现出更高的气泡密度（S_g·n_D）与表观黏度，导致更大的压降与流度降低效果。与无泡沫的水气交替（WAG）注入相比，两种泡沫均显著增加了累计产水量，其中N₂泡沫产水量更高，进一步验证了其对气体窜流的抑制效果。

**3. 固定压力条件下的SAG模拟**

在固定压力差条件下，CO₂泡沫的突破时间早于N₂，表明N₂泡沫因更强的流度降低作用而延缓了前缘推进。N₂泡沫在注入端附近形成高压区域，显著限制了注入量，而CO₂泡沫则展现出更高的注入能力。两种泡沫均导致注入速率的显著下降，其中N₂泡沫的注入能力损失更为严重。累计产水量的对比显示，N₂泡沫略高于CO₂泡沫，但二者的产水速率均低于无泡沫情形，反映出泡沫生成所导致的注入性损失。

**四、讨论与结论**

讨论部分指出，CO₂在水中的较高溶解性可能降低用于液膜形成的气相分数，加速气泡聚并与液膜破裂，导致泡沫粗糙且稳定性下降，这解释了CO₂泡沫在低渗区更广的侵入行为。虽然当前模型未显式考虑气体溶解，但通过实验获取的相对渗透率与毛管压力数据部分隐含了这一效应。研究结果强调，储层非均质性对两种气体的泡沫生成与传播均有强烈影响，N₂泡沫在非均质储层中提供更强的流度控制与更好的波及效率，但伴随显著的注入性损失。相反，CO₂泡沫虽然强度较弱，但能在流度控制与注入性之间实现平衡，且对环境具有封存温室气体的附加效益。研究结论为：气体类型决定了泡沫结构的空间发展，N₂泡沫优先在高渗通道中形成，改善波及但降低注入性；CO₂泡沫则扩展到低渗区域，在强非均质储层中具有潜在优势。泡沫设计需在流度降低与注入能力之间权衡权衡，而气体选择应依据储层非均质性、注入约束及操作目标综合决定。该对比分析框架为EOR与碳封存应用中定制气体依赖性泡沫策略提供了定量依据。