间歇性流动引起的残余油再迁移的孔隙尺度演化动力学：在二氧化碳驱油（CO2-EOR）与储层协同作用中的应用

《Chemical Engineering Journal》：Pore-scale evolutionary dynamics of intermittent flow-induced residual oil remobilization for CO2-EOR and storage synergy

　　王欣|田赫|刘龙超|李少华|吕鹏飞|马雪宁|杜一林|王文琪|姜兰兰|宋永晨 中国大连理工大学，教育部海洋能源利用与节能重点实验室，116024 **摘要** 实现全球碳中和需要协同优化二氧化碳增强型石油开采（CO2-EOR）和碳封存技术。然而，复杂的储层结构与多组分流体相互作用之间的复杂多相流动动力学仍是一个关键瓶颈。本研究结合原位X射线计算机断层扫描（CT）和孔隙尺度拓扑相关性分析，量化了在不同注入条件下气体-水-油分布的动态演变。研究结果表明，二氧化碳和盐水的交替占据会形成动态压力场，打破传统的毛细平衡。这种间歇性流动会稀释并破坏狭窄孔隙中的油层，从而有效重新 mobilize 被困在“死胡同”孔隙中的残余油。我们通过界面曲率演变来量化这一过程，发现平均曲率的降低是提高油层连通性的有效定量指标。从拓扑学上看，类网络的残余油团对局部压力波动非常敏感，有助于重新连接和油层位移。此外，我们确定了孔隙尺度上的一个明确权衡：二氧化碳储存效率每提高1%，石油回收率就会降低3.80%。通过基于帕累托的多目标优化，我们确定了最佳操作窗口——二氧化碳分数流量为0.4，毛细数为3.94×10^-7——以最大化能源生产和碳储存之间的协同效应。这些发现弥合了微观界面现象与宏观工程策略之间的差距，为可持续的地质能源开发提供了机制基础。 **引言** 预计未来三十年全球人口增长、工业扩张和持续经济发展将使全球能源需求增加近50% [1]，[2]。化石燃料仍然是主要的能源来源，占总消费量的80%以上 [3]，[4]。然而，其燃烧会产生大量温室气体（如二氧化碳），导致环境污染和全球变暖 [5]。与此同时，传统化石燃料储备不断减少，加剧了能源枯竭和环境挑战的风险 [6]，[7]。碳捕获、利用和储存（CCUS）是快速减排和实现碳中和目标的重要途径 [8]，[9]。在各种碳减排策略中，二氧化碳增强型石油开采（CO2-EOR）因其同时增加石油产量和实现地表碳储存而受到关注 [11]，[12]，[13]。然而，CO2-EOR的整体效率很大程度上取决于残余油的 mobilization潜力和注入二氧化碳的储存稳定性 [14]。 在常规气体注入过程中，二氧化碳的低粘度常常导致粘性指进和气体通道化，使得注入的二氧化碳优先通过高渗透性路径流动，而绕过部分孔隙空间 [15]，从而降低石油回收和位移效率 [16]，[17]。传统EOR方法主要关注最大化石油产量这一单一目标。然而，石油回收率和二氧化碳储存效率的同步优化并未呈现出正相关关系；实际上存在明显的权衡，即增加二氧化碳储存并不一定能提高石油回收率。因此，将二氧化碳储存能力纳入EOR和储存过程的优化至关重要 [18]。此外，在初次生产后，由于毛细力和孔隙结构限制，大量石油仍被困在孔隙空间中，形成残余油。残余油的拓扑特性（如空间分布、连通性和团簇形态）直接决定了其重新 mobilization 的潜力 [19]。因此，抑制气体通道化、提高二氧化碳储存能力和尽可能多地 mobilize 残余油对于改善CO2-EOR项目的性能至关重要。 为了抑制气体通道化和提高石油回收率，同时注入水和二氧化碳（SWAG）被提出作为一种有效策略 [20]。水相降低了二氧化碳的流动性，阻塞了高渗透性通道，并增强了二氧化碳与石油的接触，从而提高了石油回收率 [21]，[22]。以往的研究主要依赖于岩心注水实验和数值模拟，侧重于宏观注入参数的优化 [23]，[24]，[25]。然而，共注入过程中发生的多相流动行为及其对石油回收率的影响尚未得到充分理解。传统渗透理论通常假设非润湿相是断开的，被困在空间内且无法被穿透 [26]。然而，多孔介质中的两相流动并非稳定或连续的，而是表现出显著的间歇性流动行为，这主要是由于各种孔隙尺度事件（如断裂、Haines跳跃和聚合）引起的 [27]，[28]。这些孔隙尺度不稳定性会导致流体团簇的破碎或重新连接，从而改变流体相的拓扑结构 [29]。同时，储层异质性进一步加剧了多相流动的不稳定性。孔隙大小、孔隙喉部几何形状、迂曲度以及连通性的变化会导致不规则的二氧化碳迁移和相分布 [30]，[31]。刘等人 [32] 发现，在二氧化碳注水过程中，大孔隙主导了石油回收，而中等孔隙中的石油在后期产出，部分石油在二氧化碳突破后被输送到纳米孔隙中。他们还表明，较低的渗透性和较小的孔隙通道会限制流体流动并降低石油回收率 [33]。渗流能力可以通过阈值压力梯度来表征。致密储层的阈值压力梯度高于低渗透性储层，表明低渗透性地层具有更好的流动能力 [34]。卢等人 [35] 发现，储层结构异质性促进了二氧化碳沿高渗透性通道的优先迁移，形成了迂曲的多通道流动模式。然而，在气-水-油三相系统中，孔隙尺度结构异质性与间歇性流动动力学之间的耦合机制尚不清楚，这种相互作用如何驱动残余油的拓扑演变也尚未明确。 近年来，X射线计算机断层扫描（CT）的发展使得可以直接观察储层条件下的孔隙尺度多相流动动力学。小仓等人 [36] 报告称，流动通道中二氧化碳团簇的聚合可以改变流动路径。阿齐兹等人 [37] 发现，在低盐度水驱过程中润湿性的变化会导致毛细压力梯度的突然变化，从而触发被困石油的重新 mobilization。除了传统的饱和度和毛细压力分析外，最近的研究还利用CT成像技术量化了欧拉特征、协调数和团簇尺寸分布等拓扑特性，提供了相连通性和结构异质性的定量描述 [38]，[39]。