一种岩溶储层演化数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种岩溶演化数值模拟方法，包括以下步骤：步骤1、建立裂缝与基质耦合地质模型；步骤2、建立多类型储层流‑固‑化耦合数学模型；步骤3、形成快速、稳定的全耦数值求解算法。利用嵌入式离散裂缝方法并结合裂缝力学本构模型，处理裂缝或断层导流和形变过程，不仅能提高计算效率，还能准确反映裂缝溶蚀和力学形变对岩溶过程的控制作用。本发明专利技术能模拟复杂岩溶环境下储层孔隙度和渗透率的演化规律，为揭示碳酸盐岩缝洞型储层的形成机制提供理论基础。

【技术实现步骤摘要】
一种岩溶储层演化数值模拟方法
本专利技术涉及油气田开发地质领域，具体涉及一种岩溶储层演化数值模拟方法。
技术介绍
碳酸盐岩缝洞型油藏的开发方案的制定，很大程度上依赖于储层内裂缝和溶洞的空间尺寸、空间形态、连通程度和组合关系。因此，弄清碳酸盐岩储集体的缝洞组合形态、认识岩溶演化规律，是实现碳酸盐岩缝洞型油藏高效开发的关键技术之一。通过岩溶储层形成过程的演化模拟，反演碳酸盐岩储集体缝洞组合特征与规律，是描述储层的重要手段与途径。目前，与碳酸盐岩岩溶储层演化相关的数值模拟模型主要有两类，一是针对溶洞形成过程的管流模型，二是针对酸化压裂过程的双尺度蚓孔模型。1999年KaufmannG.，BraunJ.在WaterResourcesResearch期刊上发表了题为KarstAquiferEvolutioninFracturedRocks的论文，建立了溶洞形成过程的管流模型。2009年KaufmannG.又发表了题为ModellingKarstGeomorphologyonDifferentTimeScales的论文，对模型进行了完善。该模型将不同形状和大小的溶蚀洞等效为具有不同半径、相互连接的圆柱形导管，采用哈根-泊肃叶定律计算导管中流体流动，通过求解带化学反应的溶质运移-扩散方程，得到流体流动速度、溶质浓度和化学反应速率。然后，建立导管半径与流体流速和反应速率的关系，确定当前流速和反应速率情况下导管形状和尺寸变化及延展规律，进而模拟储层在岩溶作用下溶洞的演化过程。该方法未考虑基质中的流动，也未考虑裂缝在整个岩溶过程中的控制作用。此外还忽略了地应力对基质和裂缝，以及溶洞中流体流动的影响。2005年PangaM.等在AIChEJournal上发表题为Two-scalecontinuummodelforsimulationofwormholesincarbonateacidization的论文，建立了碳酸盐岩酸化的连续介质模型。2007年KaliaN.和BalakotaiahV.在ChemicalEngineeringScience上发表题为ModelingandAnalysisofWormholeFormationinReactiveDissolutionofCarbonateRocks的论文，建立了碳酸盐岩酸化虫洞形成的模型。该类模型通过模拟酸化虫洞，研究其对近井地带渗透性的改善，以达到提高单井产量的目的。首先，将基质、溶孔、裂缝和溶洞统一处理为具有一定孔隙度和渗透率的单一基质的一类方法，通过求解带化学反应的溶质运移-扩散方程，得到流体流动速度、溶质浓度和化学反应速率。然后，建立孔隙度和渗透率对流速、溶质浓度和化学反应速率的数学依赖关系，模拟储层在高压、强腐蚀的压裂液作用下，孔隙度和渗透率的演化过程。目前，此方法模拟酸化过程，没有考虑应力对基质、裂缝孔隙度和渗透率的影响，也未能考虑裂缝对化学反应前缘运移速度的控制作用。酸化过程的时间尺度和空间尺度较小，只考虑百米范围内的近井地带，在以小时为计量单位的储层孔隙度和渗透率变化过程，不能用于数公里甚至更大范围内，在百年甚至更长时间内储层中溶孔、溶缝和溶洞的演化规律。碳酸盐岩储层中溶缝、溶孔、溶洞及其复合储集体形成过程极其复杂，目前国内外尚未形成考虑缝洞型储集体岩溶演化过程的数学模型。
技术实现思路
为了模拟复杂地质环境下溶蚀孔洞储层的演化形成过程，实现缝洞型储集体形成过程的动态表征，揭示碳酸盐岩缝洞型储层的形成机制。本专利技术提出了一种基于嵌入式离散裂缝的流-固-化全耦合的岩溶演化数值模拟方法，综合考虑了流体流动、溶质运移与扩散、化学反应以及岩体变形过程，实现了对缝洞型储集体形成过程的动态表征。本专利技术公开一种岩溶储层演化数值模拟方法，包括以下步骤：步骤1、建立裂缝与基质耦合地质模型；步骤2、建立多类型储层流-固-化耦合数学模型；步骤3、形成快速、稳定的全耦数值求解算法。在一个实施方式中，步骤1包括以下子步骤：步骤1.1、根据模拟区域几何边界数据和各天然裂缝的顶点数据，对基质和裂缝进行网格剖分；步骤1.2、建立基质与裂缝、裂缝与裂缝之间的几何连接关系；步骤1.3、计算裂缝与裂缝的交线长度、裂缝与基质的相交面积以及相应的等效距离，并结合裂缝和基质的渗透率计算传导率系数；步骤1.4、建立联通表，包括基质与基质、基质与裂缝及裂缝与裂缝三种连接关系，得到裂缝与基质耦合地质模型。在一个实施方式中，所述步骤1.1中采用笛卡尔正交网格或角点网格进行网格剖分。在一个实施方式中，步骤2包括以下子步骤：步骤2.1、根据岩溶演化的主要物理、化学过程及其耦合关系，推导得到流-固-化耦合系统的控制方程；步骤2.2、根据步骤2.1中的所述控制方程，结合不同类型储层的化学反应动力学方程，建立多类型储层流-固-化耦合数学模型。在一个实施方式中，所述流-固-化耦合系统的控制方程包括：式(1)所示的流体质量守恒方程，式(2)所示的带有化学反应的溶质对流-扩散方程，和式(3)所示的力学平衡方程，其中，式(2)中的孔隙度由式(4)演化得到，式中：p为流体压力，ε为应变张量，D为四阶弹性矩阵张量，δ为克罗内克张量，ρf和ρb分别为流体密度和岩石骨架与孔隙内流体体积平均密度，为达西流速，Cf和Cs分别为孔隙内的钙离子浓度和固-液交界面上的钙离子浓度，De为弥散系数张量，kc为局部质量交换系数，av为单位体积中用于化学反应的表面积，εV为体应变，g重力加速度，b为比奥系数，Ks为基质颗粒体积模量，μ为粘度，k为渗透率，B为流体体积系数，φ和φ0分为当前孔隙度和初始孔隙度，t为模拟时间，qf为质量源/汇项。在一个实施方式中，步骤3包括以下子步骤：步骤3.1、对步骤2中所述的多类型储层流-固-化耦合数学模型进行数值离散；步骤3.2、基于步骤1.4中所述的联通表构建雅克比矩阵结构，形成非线性/线性矩阵求解格式；步骤3.3、采用有限体积方法和有限元的方法对多类型储层流-固-化耦合数学模型进行离散求解。在一个实施方式中，所述有限体积方法用于求解流体压力和溶质浓度，所述有限元方法用于求解应力、应变和位移。在一个实施方式中，其中步骤3.1中所述数值离散得到式(19)：式中：Ru、Rp和RC分别为所述力学平衡方程、所述流体质量守恒方程和所述带有化学反应的溶质对流-扩散方程的残差，K为刚度矩阵，Δt为时间步长，L和M为多孔弹性耦合矩阵，与流体压力有关的压缩矩阵，为与流体应力有关的压缩矩阵，F为与流体压力有关的传导系数矩阵，Q为与流体浓度有关的传导系数矩阵，上标u、p、C、n和k分别表示位移、流体压力、浓度、时间步和迭代步，下标i/j表示单元，下标a/b表示节点，Δu、Δp、ΔC分别表示牛顿迭代步内位移、流体压力、钙离子浓度的变化，Cn表示时间步n初始时刻的钙离子浓度。在一个实施方式中，其中步骤3.3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种岩溶储层演化数值模拟方法，包括以下步骤：/n步骤1、建立裂缝与基质耦合地质模型；/n步骤2、建立多类型储层流-固-化耦合数学模型；/n步骤3、形成快速、稳定的全耦数值求解算法。/n

【技术特征摘要】
1.一种岩溶储层演化数值模拟方法，包括以下步骤：
步骤1、建立裂缝与基质耦合地质模型；
步骤2、建立多类型储层流-固-化耦合数学模型；
步骤3、形成快速、稳定的全耦数值求解算法。


2.根据权利要求1所述的岩溶储层演化数值模拟方法，其特征在于，步骤1包括以下子步骤：
步骤1.1、根据模拟区域几何边界数据和各天然裂缝的顶点数据，对基质和裂缝进行网格剖分；
步骤1.2、建立基质与裂缝、裂缝与裂缝之间的几何连接关系；
步骤1.3、计算裂缝与裂缝的交线长度、裂缝与基质的相交面积以及相应的等效距离，并结合裂缝和基质的渗透率计算传导率系数；
步骤1.4、建立联通表，包括基质与基质、基质与裂缝及裂缝与裂缝三种连接关系，得到裂缝与基质耦合地质模型。


3.根据权利要求2所述的岩溶储层演化数值模拟方法，其特征在于，所述步骤1.1中采用笛卡尔正交网格或角点网格进行网格剖分。


4.根据权利要求1所述的岩溶储层演化数值模拟方法，其特征在于，步骤2包括以下子步骤：
步骤2.1、根据岩溶演化的主要物理、化学过程及其耦合关系，推导得到流-固-化耦合系统的控制方程；
步骤2.2、根据步骤2.1中的所述控制方程，结合不同类型储层的化学反应动力学方程，建立多类型储层流-固-化耦合数学模型。


5.根据权利要求4所述的岩溶储层演化数值模拟方法，其特征在于，所述流-固-化耦合系统的控制方程包括：式(1)所示的流体质量守恒方程，式(2)所示的带有化学反应的溶质对流-扩散方程，和式(3)所示的力学平衡方程，









其中，式(2)中的孔隙度由式(4)演化得到，



式中：p为流体压力，ε为应变张量，D为四阶弹性矩阵张量，δ为克罗内克张量，ρf和ρb分别为流体密度和岩石骨架与孔隙内流体体积平均密度，为达西流速，Cf和Cs分别为孔隙内的钙离子浓度和固-液交界面上的钙离子浓度，De为弥散系数张量，kc为局部质量交换系数，av为单位体积中用于化学反应的表面积，εV为体应变，g重力加速度，b为比奥系数，Ks为基质颗粒体积模量，μ为粘度，k为渗透率，B为流体体积系数，φ和φ0分为当前孔隙度和初始孔隙度，t为模拟时间，qf为质量源/汇项。

【专利技术属性】
技术研发人员：康志江，崔书岳，张允，黄孝特，李三百，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11