应用CO₂提高致密油采收率具有巨大的发展潜力,目前已经成为致密油藏开发领域的研究热点,有望成为缓解我国能源问题的重要途径之一。然而,CO₂的物理性质对储层的非均质性十分敏感,裂缝或高渗透区域的存在易使CO₂/原油混相带退化,造成开发过程中的难混相或局部混相的现象,极大限制了致密油采收率的提高。明确致密油气极端环境中的混相特点,探究CO₂微观驱油机制,对充分了解CO₂驱油稳定性的基本规律具有重要意义。致密储层中的油气富集空间多以微纳米孔基质为主,目前受限于实验制备技术,无法对岩石微纳孔隙中油气的流动进行实时监控,同时对油气及岩石间的分子间作用也无法精确表征,导致注气提高采收率的微观机制尚不清楚。近年来,分子模拟方法在探究纳米尺度下分子间相互作用方面展现出巨大的技术优势。因此,本论文采用分子动力学模拟方法,研究了体相及纳米孔隙中CO₂/原油的混相机理,以及纳米孔隙中CO₂驱替原油的作用规律;另外,根据现场应用时CO₂的注采工艺特点,分别开展了CO₂加压驱替以及降压抽提原油时的混相行为研究;最后,根据气驱的基本特点,提出并分析了CO₂/N₂段塞驱提高致密油采收率的方法与微观机理,本论文的研究具体成果如下:(1)明确了体相及纳米孔隙中CO₂/原油的混相机理。通过结合Gibbs分界面与界面衰减法确定了体相中油气的最小混相压力值将该方法引入到分子模拟研究中,并采用分子模拟方法计算了纳米孔隙中的混相压力;研究表明,在CO₂分子扩散与包覆原油行为的作用下,油气两相的作用面积增强,导致油气两相在纳米孔隙中更容易达到混相状态,从而使纳米孔隙中的混相压力明显小于体相值。因此,相对常规油藏,CO₂驱替对以纳米孔隙为主的致密油藏更适用。(2)明确了纳米孔隙中CO₂驱替原油的微观机理。选取典型的石英、方解石和高岭石代表储层矿物,并选取更加贴近原油的多组分代表原油,开展了纳米孔隙中CO₂驱替原油的机理研究。首先在油气溶胀过程中,不同储层类型表面的溶胀有所差别,石英孔壁处剥离与溶解共存,方解石孔壁处剥离为主溶解为辅,高岭石表面溶解为主剥离为辅;在加压驱动过程中,不同类型矿物表现也有所不同,石英和方解石孔中原油是整体推进的,高岭石孔则是前期整体推进和后期气体突破。此外,在静态溶胀体系中,多组分油相中更容易实现油气界面间的混相,在动态驱替体系中,CO₂更容易驱替单组分原油。(3)研究了CO₂加压驱替原油的混相微观机理。通过分析裂缝-基质体系中,不同注入压力下的油气动态混相过程,明确了注入压力的增加可降低CO₂与原油的混相能力。研究表明,CO₂在流动状态下,其表面吸附能力下降会引起CO₂在基质孔入口处的堆积,从而抑制了基质孔内原油的抽提。此外,在加压驱替的过程中,添加助溶剂增强CO₂溶解原油的能力,提高了纳米孔隙中油气混相带的稳定性,进而有利于原油驱替。(4)研究了CO₂降压抽提原油的混相微观机理。通过考察CO₂在不同的降压速率下的原油抽提行为,得到不同油气相互作用能的衰减时间,发现较长的衰减时间可以更好地稳定油气混相带并延长抽提时间,从而增强抽提效果;此外,考察了温度对降压抽提效果的影响,研究发现,降压过程中随着温度的升高,基质中的烷烃分子更容易向裂缝中运移;最后,研究了从基质中降压抽提的原油数量与温度之间的Arrhenius关系,并给出了纳米尺度下原油抽提的定量预测方法。(5)分析了注入方式对油气驱替行为的影响。CO₂和N₂是目前注气驱油常用的两种注气类型,通过对比CO₂驱、N₂驱、CO₂/N₂混合驱和CO₂/N₂段塞驱的驱替效果,可以发现段塞驱效果明显优于其它注气方式,CO₂/N₂段塞驱综合利用了CO₂溶胀剥离原油与N₂排驱能力。进一步研究表明,CO₂/N₂段塞驱时将CO₂作为前置气体时驱替效果更佳,分析发现,CO₂作为前置气体时可延迟气体突破油相的时间,降低了气窜的可能性,增加了分子间的相互作用时间,有利于提高原油的采收率。