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石油是一种重要的不可再生战略资源,具有“工业的血液”美称。中国是石油消费和进口大国。当前国内原油探明可采量有限,大部分主力油田已进入稳产后期,新区上产难度大。但石油消费增长依然迅猛,导致供需矛盾突出。2019年我国消费石油近7亿吨,对外依赖度高达72%。多年来,美国、沙特等石油出口大国掌握油价话语权,国际航道也频受威慑。因此,提高我国自身石油供给量、降低对外依赖度,具有重要的现实意义。在这样的背景下,三次采油技术得到了广泛的关注。三次采油是一类利用化学驱,气驱,热力驱或微生物采油等方法提高原油采收率的技术,可以将在一、二次采油之后仍然存在于岩缝中的大量原油采出。对于我国普遍存在的低渗透和超低渗透率油田,气驱是常用于提升原油采收率、延长油田寿命的三次采油方法。按驱替原理不同,气驱分为混相和非混相两种方式。理论和实验表明,混相驱替效率远高于非混相。2019年发布的《全国石油天然气资源勘查开采情况通报》指出,近年我国在原油勘察开采的投入持续提升,注气混相提高采收率技术将支持、引领油田的高效开发。提纲挈领地指明了混相气驱的重要地位。在气驱的众多驱替剂中,CO2具有较低的临界温度和压力,在驱替条件下容易形成混相。兼具易获得、可回收的特点,而且其在地壳的永久封存也能减轻温室效应的影响。目前,使用C02提高原油采收率的技术(C02 Enhanced Oil Recovery,CO2-EOR)已经成为工业上一种广泛运用的三次采油技术。最小混相压力(Minimum Miscible Pressure,MMP)是衡量CO2驱能否混相的关键参数,只有当驱替压力高于体系的最小混相压力时才可能实现混相驱,其数值大小受驱替温度、原油和C02注入气组成的影响。准确获取CO2与原油的最小混相压力对提高驱替效率、降低操作成本、产生社会和生态效益来说都是非常重要的。本文围绕最小混相压力的模拟预测,进行了以下几方面的工作:(1)用四类基于机器学习的模型对最小混相压力进行模拟预测。实际上,不同区域原油成分各异,CO2注入气的组成也不尽相同,最小混相压力的影响参数众多。在各类最小混相压力的确定方法中,实验测量法不仅操作复杂、耗时较长且开销较大,而理论计算的方法往往更加简便、快速、经济。为探究四种常用的机器学习模型(神经网络分析、遗传函数近似、多元线性回归和偏最小二乘法)的原理和预测能力。本研究挑选驱替温度等九个最小混相压力的影响参数,从大量文献中筛选出147组原始数据,在离群点分析后,对四种基于机器学习的模型进行训练、预测,采取交叉验证的方式避免出现过度拟合或者陷入局部最优,随后将模拟结果与文献模型相对比。研究对四种模型的算法原理进行了详尽分析,结果发现,四种模型均具有良好的预测能力。神经网络分析、遗传函数近似模型相对线性模型具有更好的预测效果,具有相似算法的模型所获得的结果相差不大。最后,把精度最高的神经网络模型结果应用于灵敏度分析,获得了影响参数各自对最小混相压力的影响趋势和程度。(2)提出了一种使用分子动力学方法的最小混相压力预测模型。探究了四种基于机器学习的预测模型后,本文创新地将分子动力学方法应用于最小混相压力的预测,发展出一种在分子尺度预测CO2和原油最小混相压力的统计学模型。研究首先建立了多个具有明显相界面的混相系统,接着提出初始混溶时刻的概念,并利用多种分析方法:一阶方差、溶剂可接触表面积、坐标均方偏差、相互作用能量和局部放大进行验证。研究进一步使用穿过初始相界面的原子占比来表征混相状态,获取不同体系的最小混相压力。最后探讨了由CO2和原油分别预测得到的最小混相压力差别,以及油田储层温度与最小混相压力之间存在的关系。研究结果通过与多种经验模型对比,表明本研究提出的新模型具有良好的预测能力,预测结果与理论分析和文献结论相吻合。(3)探究了利用醇类降低最小混相压力的微观作用机理。当实际驱替压力不足以达到最小混相压力时,设法降低最小混相压力是种可行途径,这可以通过向C02注入气中加入夹带剂的方法实现。Yang等人(2019)通过实验发现醇类物质可以显著降低CO2与原油的最小混相压力,但分子水平上的作用机理并不明确。本研究采用分子动力学方法,以乙醇为代表,在定温定压的条件下,构建以是否加入乙醇相区别的多个模拟体系,探究醇类对CO2注入气的性质、对CO2与不同原油组分的混相过程、进而对最小混相压力的影响。所选取的原油组分模型包括芳香烃、环烷烃和直链烷烃等。研究发现,乙醇通过范德华和氢键等相互作用聚集超临界CO2分子,一方面可以增加CO2注入气的粘度,使其对原油的驱动力更大。另一方面也能降低原油的粘度,让原油流动性增强,更容易采出。在CO2与原油发生接触时,乙醇的加入使原油体积进一步发生膨胀,驱替前缘扩大,传质效率增加,使原油相对CO2的溶解能力和溶解速率双双得到提升。因而可使体系的最小混相压力降低。本文旨在对最小混相压力提供更深层次的理解,以更好地服务于使用CO2提高原油采收率技术的应用和推广。