裂隙介质CO2-水两相渗流与溶解耦合机制的微观实验研究

CO2-enhanced unconventional resources recovery involves complicated interaction between injected CO2, reservoir rock fractures and resident fluids in a multi-phase participated and coupled process. The coupling mechanisms of CO2-oil/water two-phase flow and dissolution determine the displacement efficiency and oil and gas recovery to a certain degree. A fundamental understanding on the mechanisms and dominating processes is required for science of multi-phase flow and the related engineering practices. However, the fundamental theory is yet unclear since the invalidity of continuum Darcy theory caused by the rough surface geometry and heterogeneous network structure. In this project, experimental study on the micron-scale CO2-water two-phase flow and its coupling mechanism with dissolution is proposed. We will first reconstruct the single aperture-variable fracture and fracture network micromodels possessing fractal geometry, facilitated by fractal reconstruction method and micro-fabrication techniques. High-sensitive water soluble pH indictor and high-speed camera will be used to direct visualize and quantitatively analyze the coupling behavior, at µs to ms time-scale and µm to cm spatial-scale. The CO2-water distribution, relative permeability and interfacial dynamics will be visualized and analyzed, incorporated with spatial and temporal distribution of dissolved CO2 concentration in water. Results from this project will help in understanding the micron-scale essence of the non-uniform, non-equilibrium and dynamic behavior of two-phase flow at macro-scale, and provide the fundamental knowledge and method for increasing the CO2 displacement efficiency and unconventional resource recovery.

CO2增强型非常规油气资源开发涉及CO2与地下岩体裂隙及其赋存流体之间的多相多场耦合问题。裂隙介质CO2-水两相渗流与溶解耦合过程一定程度上决定了两相驱替和油气回采效率。对其基本原理和控制作用的研究既是非常规油气资源高效开发的迫切需求，也是裂隙介质两相渗流理论这一研究前沿的发展要求。然而复杂的裂隙粗糙表面和网络结构导致连续性达西理论失效，基础理论尚未明确。本项目将分形重构方法和微观模型刻蚀技术结合，建立具有粗糙表面的分形单裂隙和裂隙网络物理模型。引入高精度水溶性pH指示剂，借助高速摄像机，在微秒至毫秒，微米至厘米时空精度上，可视化研究CO2-水流体分布、相对渗透率等两相渗流特征与界面流速等动力学参数，结合水中溶解CO2含量的空间动态分布规律，直观定量地刻画两相渗流与溶解耦合作用机制，揭示宏观尺度两相渗流非均匀、非平衡动态过程的微观本质，为提高CO2驱替与油气资源回采效率提供研究基础与方法。

近年来传统地下资源开采方法效率的降低和温室效应的逐年加剧，利用CO2提高资源采收率的同时实现其地质封存，如CO2提高石油采收率，CO2开发煤层气、地热能等技术逐渐被人们所重视。CO2增强型非常规油气资源开发涉及CO2与地下岩体裂隙，孔隙及其赋存流体之间的多相多场耦合问题。裂隙及孔隙介质CO2-水两相渗流与溶解耦合过程一定程度上决定了两相驱替和油气回采效率。对其基本原理和控制作用的研究既是非常规油气资源高效开发的迫切需求，也是裂隙介质两相渗流理论这一研究前沿的发展要求。本研究利用微观模型刻蚀技术，在一单晶硅芯片上构建了具有四种孔-裂隙结构的微观模型。四种孔-裂隙结构分别代表了地下岩石储层孔-裂隙的典型结构，包括各项异性和非均值性。并在模拟地层温度和压力条件下，进行了一系列超临界CO2与水的两相驱替与溶解实验。实验过程中，利用显微显微成像技术，在微米级精度上对CO2-水两相驱替，溶解过程，两相流体的分布和动态变化进行了精确刻画和实时观测。实验结果表明在这些厘米级微模型中，系统稳定后的CO2饱和度在0.08至0.93之间变化很大，其值主要取决于裂隙-孔隙的微观尺度特性。水的非均匀驱替是导致微观模型内部残留CO2的主要原因。该非均匀驱替主要归因于孔-裂隙结构的非均质性和局部超临界CO2-水分布的非均匀性。同时，水流的非均匀驱替导致了模型内部CO2的非平衡溶解过程。模型内部残余CO2的非平衡溶解过程与水流速度和孔-裂隙结构密切相关。通过实验观测数据，还详细研究了水流动和CO2溶解的耦合过程，即局部单个孔隙内部CO2的溶解，会导致新的水流形成，增加对流扩散进程，从而加速整个模型内部的CO2溶解速度。上述研究结果对查明地下流体在裂隙介质和多孔介质中的两相渗流基本原理具有重要的科学意义，对我国低渗超低渗储层非常规油气资源开发、CO2地质封存和利用CO2提高地下资源采收率技术具有一定的应用价值。