后CHOPS储层CO2循环注入的数值模拟：基于岩土离心机实验的见解

《Petroleum Research》：Numerical Modeling of Post-CHOPS CO 2 Cyclic Injection with Insights from Geotechnical Centrifuge Experiments

　　

摘要
冷重油采砂（CHOPS）通常因快速压力衰竭、出砂以及改变近井流动模式的虫孔网络的形成，而留下85-95%的原油未被采出。循环溶剂注入（CSI）已成为一种可行的后CHOPS提高采收率（EOR）方法，在热采技术受限的油藏中提供了一种节能的替代方案。本研究开发了一个基于多相流的数值模拟框架，用于后CHOPS系统中的CO₂-CSI，该框架以文献中开展的离心机尺度实验为基准，并放大至现场代表性条件。利用CMG-STARS油藏模拟器，对一项涉及CO₂饱和菜籽油和带预定义虫孔的3D打印非固结砂岩样本的岩土离心机试验进行了数值重现。当排除泡沫油反应时，纯流动模拟再现了实验压力演化过程，证实了该建模方法在低黏度条件下的有效性。验证后的模型利用离心机应力相似定律进行放大，并赋予加拿大西部重油特性，以模拟CH₄驱动的衰竭开采和基于CO₂的CSI循环。双反应动力学模型捕获了非平衡泡沫油行为。结果表明，虫孔作为高导流排水通道和注入路径发挥着关键作用，产生了可重复的饱和度模式和特征性的“五花瓣”衰竭几何形态。连续的CSI循环显示出增量采收率递减，这归因于再增压能力减弱和先前溶剂波及区域的存在，从而支持了更少但更长的循环策略。这项工作提供了一个经离心机验证的模拟框架，该框架整合了放大设计和动力学气-液转变，为后CHOPS油藏中CO₂-CSI性能提供了预测性见解。

基于离心机验证的后CHOPS油藏CO₂循环注入数值模拟研究解读

**研究背景与意义**

冷重油采砂（CHOPS）技术虽然在加拿大西部重油开发中应用广泛，但其典型的开采方式——快速压力衰竭、出砂以及在近井区域形成高渗虫孔网络——导致高达85-95%的原油滞留地下。这种极低的采收率意味着巨大的剩余油潜力，如何经济有效地开采这部分资源成为重油工业面临的重大挑战。循环溶剂注入（CSI），特别是采用CO₂作为溶剂，因其在热采受限（如薄储层、深水或边远地区）的油藏中具有能耗低、适应性强的优势，被认为是极具潜力的后CHOPS提高采收率（EOR）技术。然而，CHOPS过程形成的虫孔网络具有高度非均质性和几何不确定性，其对溶剂传输、压力分布及泡沫油行为的影响机制尚不完全清晰，这为精确的油藏数值模拟带来了巨大困难。现有研究多将虫孔简化为均质高渗带或等效双重介质，难以捕捉实际局部的通道效应和流体动力学特征。因此，开发一个能够显式表征主虫孔几何结构、并耦合非平衡泡沫油动力学描述的预测性模拟框架，对于理解CO₂-CSI机理和优化现场实施方案至关重要。

**研究内容与核心结论**

本研究旨在开发并验证一个用于后CHOPS油藏CO₂-CSI的多相流数值模拟框架。研究人员首先利用CMG-STARS油藏模拟器，对Perez等人（2024）开展的岩土离心机物理实验进行了精确的数值重现。该实验使用3D打印非固结砂岩样本，内含预设计的虫孔通道，并注入CO₂饱和菜籽油。通过对比模拟与实验的压力演化数据，研究人员发现在排除泡沫油反应的情况下，纯流动模拟能取得R2=0.96的优异拟合度，从而验证了模型在低黏度、流动主导条件下的准确性。随后，基于离心机应力相似定律，研究人员将验证后的模型放大至现场尺度（约17.5 m × 17.5 m × 4.5 m），并赋予加拿大西部典型重油特性（黏度12,000 cP，溶解气油比15 m3/m3），以模拟CH₄驱动的衰竭开采和随后的CO₂-CSI循环。研究结果表明，虫孔是控制溶剂注入、压力传播和油相排驱的主导通道，其高导流能力使得压力衰竭和溶剂波及呈现可重复的“蛋形”和“五花瓣”几何形态。连续的CSI循环虽然带来增量采收率，但其效益递减，从第一周期的8.97%降至第三周期的4.52%，这归因于后续循环中再增压能力减弱和溶剂波及区域受限。

**主要技术方法**

本研究采用的核心技术方法包括：1）显式虫孔建模：在细网格或变尺度网格中直接构建高渗（1000 D）连续通道，以精确表征其几何形态和渗透率对比度；2）双反应动力学泡沫油模型：为CH₄和CO₂各定义两个顺序反应，模拟溶解气→分散气泡→游离气体的非平衡转变过程；3）离心机-现场尺度放大：应用离心机应力相似定律，将实验室尺度的物理模型转换为现场尺度模型，同时保持关键几何和岩石物理特性的对应关系；4）历史拟合与模型验证：利用CMOST工具自动调整井底压力（BHP）以匹配实验压力数据，并以R2值量化拟合优度。样本队列来源为文献报道的离心机实验，而动力学参数则取自加拿大西部类似重油体系的公开研究。

**研究结果**

* **离心机验证结果**：在模拟中启用泡沫油反应会持续高估压力水平（R2=0.74），而禁用这些反应则能取得与实验数据高度吻合的结果（R2=0.96）。这表明在低黏度（~93 cP）菜籽油条件下，无法维持稳定的气泡分散体系，泡沫油行为并非主导因素，验证了模型在流动主导条件下的可靠性。

* **初始压力衰竭与CH₄泡沫油动力学**：模拟显示，压力衰竭始于井筒附近，形成“蛋形”压降漏斗，并沿虫孔轴方向优先传播。溶解CH₄的析出最初发生在虫孔区域，随后CH₄气泡在高压降梯度区（如虫孔末端）积聚，其分布形态受渗透率对比度控制，形成花瓣状饱和度模式。

* **CO₂泡沫油演化与CSI性能**：在CO₂注入阶段，分散的CO₂气泡在虫孔内迅速形成并轴向传播。在闷井阶段，观察到平均储层压力不降反升的现象，这归因于持续进行的泡沫油反应和气泡生成，表现出类似“弹性”的行为。CO₂气泡在虫孔周围富集，而游离气体则在非虫孔区域或低渗路径中残留，体现了泡沫油的亚稳态特性。

* **油饱和度演化与虫孔控制排水**：油饱和度分布图显示，在生产和注入过程中，虫孔中心轴的油饱和度降幅最大，形成“蝴蝶状”或“花朵状”的扫及区域。远离虫孔的基质区域，其油饱和度的变化受溶剂可达性和流动阻力控制，揭示了虫孔作为“注入放大器”和“排水增强器”的双重功能。

* **多循环注入性能**：三个相同设计的CSI循环模拟结果表明，虽然每个循环都能产生增产高峰，但循环周期时长递减（127天、120天、74天），增量采收率亦逐次显著下降（8.97% → 6.49% → 4.52%）。压力图显示，后续循环的注入压力传导能力明显减弱，表明系统的流动机制正从虫孔主导型向基质受限型转变。

**讨论与结论**

讨论部分强调，显式表征虫孔几何形态对于捕捉CSI过程中的关键流动行为至关重要，均质化或双重介质模型无法重现实验观察到的压力梯度和特征排驱模式。研究同时指出，离心机相似定律无法缩放取决于黏度的泡沫油动力学过程，因此需通过动力学反应模型独立引入。泡沫油反应在闷井期间的持续作用，挑战了传统关于闷井导致压力下降的假设。多循环递减的采收率明确支持现场采用“更少、更长”的循环策略，并强调了基于压力历史和虫孔连通性进行自适应溶剂管理的重要性。

研究最终得出结论：显式虫孔建模与动力学气体演化描述是捕获非固结高黏油藏中CSI行为的必要条件。所建立的经离心机验证的模拟框架，为CO₂等气态溶剂的注入管理、采收率优化及实验设计提供了预测工具，有助于减少昂贵现场试验的试错成本，并对加拿大西部及全球类似热采受限地区的重油开发具有重要指导意义。