注碳酸水(CWI)可能是注CO2的有效替代方法.在注碳酸水技术中,CO2以溶解相而非游离相的形式存在;因此,它消除了注CO2过程中遇到的一些挑战,如波及效率低以及重力分异作用.在注碳酸水技术中,由于CO2的溶解,水的密度和黏度高于正常值,从而降低了重力分异和高渗通道(窜流)效应.本文全面回顾了碳酸水驱的演变或发展历程,并介绍了其提高原油采收率机理的显著特征.本综述包括对常规CO2驱和注碳酸水的简要比较以及注碳酸水的优点.利用有效的关系式,详细讨论了 CO2在水、盐水和油相中的溶解度.本文介绍了 1905年至今注碳酸水在实验室和现场研究的发展简史,以及不同学者提出的注碳酸水的机制和原理.此外还介绍了有关碳酸水和智能水复合注入技术良好应用效果的最新进展.

注气吞吐EOR项目的合理设计需要优化注入溶剂组分、注入压力、焖井时间、生产时间和循环注气次数等参数.我们的实验和模拟研究表明,最终的原油采收率取决于停留时间,停留时间定义为储层岩石与注入溶剂接触的总时间(即,焖井时间和生产时间).我们使用核磁共振(NMR)和改进的HAWK(油气动力学分析仪)干式热解分析法来研究停留时间对Eagle Ford储层保存的碎样(7-8毫米)和岩心柱/塞的影响.我们使用核磁共振来量化流体产量,并使用HAWK干热解法来确定产出烃(HC)组分.在4500psi和150 0F温度下,向碎样注入有机溶剂(C1/C2摩尔分数比为72/28).碎样实验的停留时间分别为2小时、4小时和7小时,而3种不同停留时间包含的生产时间皆为1小时.类似地,向柱塞样注入溶剂,设定其停留时间分别为2天(1天焖井和1天生产)和3天(2天焖井和1天生产).我们还利用分子动力学建立了一个饱和黑油的成熟干酪根的分子模型,并模拟了高达18 ns的注气吞吐停留时间(3 ns或5 ns焖井时间,以及1ns、2 ns、3 ns或4 ns生产时间)以研究停留时间对油气运移的影响.结果表明,总采收率取决于停留时间,而与焖井阶段无关.碎样和柱塞样分别在停留时间达到30小时和21天之后实现了 45％的总采收率.此外,对于所研究的岩样而言,HAWK结果表明,无论停留时间多大,只有C24以下的烃类在注入溶剂驱替下发生运移.最后,由分子模拟得到的总采收率随停留时间的变化函数与实验观察到的采收率趋势相似.另外,我们还观察到,由于重烃分子有很强的吸附能力,一次采油(衰竭开采)过程中产出烃类组分总是比原始流体要轻.随后的注入溶剂促进了重烃的解吸和生产,凸显了页岩中提高采收率(EOR)技术的前景.此外,注入溶剂渗透到岩石中的分子数量有限,这表明产出的烃类流体来自于裂缝面附近,由此说明表面积是提高采收率的一个关键参数.这项研究表明1)分子模拟具有校验实验观察结果的能力,可将提高采收率(EOR)的总体特征(尺度)提升超九个数量级;2)利用实验和分子模拟可提供关于注气吞吐方案优化设计的见解.

本文有两个研究目标:一是探究影响页岩油藏注气吞吐(GHnP)工艺性能的主要采油机理,二是将优化技术应用于循环注气的建模.文中建立了双重渗透率油藏模拟模型,以再现单一水力裂缝的动态.此水力裂缝具有所分析油井的平均几何形状和性质参数.按历史拟合工作流得到能充分代表研究对象井的模拟模型.实施优化工作流,以使注气吞吐(GHnP)过程的累积采油量最大化.需优化的操作变量包括:注气、焖井以及生产的持续时间、GHnP的起始时间、注气的流量和循环次数.使用了两种不同组成的注入气体(富气和纯甲烷)应用于该优化工作流.另外,(我们)还用之前使用富气作为注入气得到的优化算例在更高的最低井底压力(BHP)条件下进行了一次采油和注气吞吐的动态模拟.此外,还跟踪和分析了其中一些可能解释不同采油机理的性质.模型中考虑了三种不同的孔隙系统:裂缝、油藏改造体积(SRV)中的基质和非SRV区中的基质(即原始基质).每一个系统都具有不同的压力分布,因此其相应的采油机理亦有所不同,如下所示:·裂缝系统中的蒸发/冷凝(两相系统).·非SRV基质中的混相(单相液体).·SRV基质中的混相和/或蒸发/冷凝:这取决于注入气体的组成和SRV中的压力分布,其机理可能是其中之一,也可能是二者兼有.模拟研究结果表明,对于优化算例,当注入的气体为富气时,原油采收率可增加24％,而当注入气体为纯甲烷时,原油采收率增量仅为2.4％.当注入富气并将生产周期的最低井底压力提高到饱和压力以上时,原油采收率增幅则更高——为49％.气体的注入导致基质中原油的相对分子质量、密度以及黏度降低,即油变得更轻.与非SRV区域相比,SRV区域内的最终下降幅度更为明显.在注气吞吐(GHnP)工艺中观察到采收率的增加是由于原油中重质组分(这些组分并不存在于注入气体中)的流动,否则这些重质组分将仍滞留在储层内.鉴于页岩储层的主要特征(渗透率为纳达西级),GHnP不是一个驱替过程.保障GHnP工艺成功的一个关键因素是改善注入气体和储层原油的接触,以增加它们的混合和传质.本研究概述了不同的采油机理,尤其是追踪了能够解释和证明这些不同机理的性质参数的变化.

原位改质(IUP)及蒸汽注入复合工艺综合了IUP的工艺鲁棒性和沥青改质的优势,并综合了注汽加热工艺资本支出(CapEx)相对较低、地下传热更快的优势.与原位改质开采方案相比,原位改质/蒸汽注入复合开采方案显著降低了资本支出,而与单独的蒸汽驱开采工艺相比,复合开采方案又提高了鲁棒性和可靠性,因为它对地质和储层性质的变化不太敏感.首先,我们采用了一个真实稠油油藏的机理模型来说明原位改质/蒸汽注入复合开采方案的优势.使用简化经济指标的地面/地下综合经济评估表明,复合方案具有良好的属性.然后,通过多实现鲁棒优化工作流,进一步完善了该复合方案,提高了其对地下不确定性的鲁棒性.利用该工作流开发出了不易受地下不确定性影响的井网设计,从而提高了主要地下经济性能指标的鲁棒性.可以确定的是,就地下开采性能指标而言,两个很有前景的设计系列和源自这些系列的示例设计在统计意义上都超过了单独的原位改质工艺.在此背景下,应用鲁棒性优化后的实验设计(DOE)和蒙特卡罗抽样驱动的不确定性量化工作流严格考虑了地下主要不确定性的影响,进而采用现实可行的双重渗透率/双重孔隙度(DP/DP)机理模型计算了主要井网性能指标的累积概率分布函数(CDF).本研究的主要结论如下:·在油藏上部(加热井上方的地层)开采油气是使复合优化工艺的性能优于单独的原位改质工艺性能的关键.与原位改质工艺相比,复合优化工艺在注蒸汽地层和电加热地层之间存在合理程度的垂向裂缝连通性,这对于改善开发动态具有重要作用.对于所研究的设计系列,转而将蒸汽注入到加热井所在的地层则会导致次优的井网性能.·利用蒸汽进行有效的侧向加热对于复合优化工艺的经济性能非常重要.与裂缝结构相关的非均质性[即层内有界和层间交叉(细观裂缝)]在由电加热井支持的蒸汽侧向加热中起着重要作用.·最佳生产策略中,在相对较早的时候以较高的速度注入蒸汽显得很关键,并且每个92-110米宽的井网使用12-14口加热井、2口生产井以及1口蒸汽注入井.·在以蒸汽加热为主的时期,一旦生产井出现大量流动蒸汽突破,则需终止蒸汽注入,以实现最佳开采动态.·注入能力对复合井网性能起着重要作用.一个切实可行的增强注入能力的方案可以显著提高井网性能.

对超深井(垂深超过20000 ft)生产前景的分析与对超深井水力压裂前景的认识密切相关,因为这些深度处目标地层的上覆岩层应力和长期地质背景通常导致地层渗透率极低.这类井的水力压裂作业成本明显高于浅层井.因此,存在巨大的无利可图的风险.本文建设性地提出了一种降低深层背景下水力压裂作业潜在运营和财务风险的工作流程(包括几种关键方法).这些技术采用具有成本效益但技术上强大的工具来确定所需的储层参数和作业井资料,如裂缝闭合压力、地层压力、地层渗透率和井筒完整性.该方法可以避免井间干扰以及相关的钻机和服务费用.该工作流程已应用于目标层位超过21000 ft的超深高温井,且有助于以高效方式预估其压裂前景.

水力压裂是提高页岩储层产量的最主要技术.桥塞-射孔(PnP)压裂的射孔簇间距也被认为是裂缝间距,是压裂设计需要优化的参数之一.本文提出了一种基于分段压裂水平井生产数据的裂缝间距优化解析方法.本研究以在高粘土含量页岩储层中实施压裂的五口水平井为例.基于拟稳态(PSS)流动理论,着重研究了射孔簇间距对油井产能的影响.可以认为:产量不稳定分析(RTA)中显示出线性流的井通过缩小裂缝间距,具有提高产能的潜力.确定了同一储层中裂缝间距更小时油井的产能.分析结果表明,某些井处于不稳定线性流,这说明裂缝之间存在较大的间隔.运用产能解析模型模拟拟稳态生产,结果显示,可通过缩小裂缝间距实现增产.如果可能的话,这些井可视作重复压裂候选井.将来附近区块完钻的井应以较小射孔簇间距完井.案例油田中的某些井未显示不稳定线性流,表明水力裂缝和/或天然裂缝之间存在干扰.这些井不应进行重复压裂.这些井附近的新井的裂缝间距不应小于现有井所采用的缝间距.

钻进非常规页岩时,由于水合作用以及由此产生的粘土溶胀,可能会造成地层伤害.因此,粘土的稳定是有效的井筒完井和水基压裂液设计的重要组成部分.市面上有售多种不同类型的粘土稳定添加剂,而采购时比较它们的成本、有效性、耐久性和对环境的影响非常重要.我们开发了一种有机-无机层状材料(MSil-N),其中有机功能基团与纳米厚度无机片表面经共价键结合.采用诸如粉末X射线衍射和光谱分析等分析技术评价了这种新型的新一代页岩抑制剂.研究了MSil-N的粘土稳定效果,并利用毛细管抽吸计时的粘土溶胀测试,与常规粘土抑制剂进行了比较.采用分散法测定了Herre Ⅱ页岩的溶胀和水合特性.我们还利用电子显微镜观察到了产品在页岩表面形成的涂层.常规的粘土稳定剂化合物仅是有机分子,但是,MSil-N是有机和无机组分的混合物.与仅在粘土上的有机膜相比,由于MSil-N中无机物的存在,该产品可提供出色的涂层强度,从而有效防止了粘土的水合作用.由于离子型MSil-N具有无机部分,因此与有机抑制剂不同,它具有出色的热稳定性.