一种基于改进双尺度模型的碳酸盐岩酸化模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种基于改进双尺度模型的碳酸盐岩酸化模拟方法，步骤如下：(1)通过旋转岩盘实验，获得实验条件下酸岩反应速率与酸液浓度参数；(2)通过岩心物理实验，获得实验条件下目标储层岩石信息；(3)利用达西尺度模型构建酸液在碳酸盐岩储层多孔介质内的流动反应方程；(4)构建多级酸岩反应方程；(5)构建酸蚀过程中碳酸盐岩储层结构变化方程；(6)对不同级数碳酸盐岩酸岩反应进行数值模拟。本发明专利技术通过函数分段拟合的方法降低了经典酸化双尺度模型由于反应级数近似处理所带来的误差。提高了酸岩反应级数不为1时的酸化理论模型计算准确度，提高了碳酸盐岩酸化现场施工的精细化程度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进双尺度模型的碳酸盐岩酸化模拟方法


[0001]本专利技术涉及一种基于改进双尺度模型的碳酸盐岩酸化模拟方法，属于基质酸化数值模拟


技术介绍

[0002]我国碳酸盐岩储层油气资源量丰富，截至2021年，我国累计探明碳酸盐岩油藏地质储量达40.66
×
108t。碳酸盐岩储层增产改造措施中体系较为成熟且应用较为广泛的一类方法便是酸化增产，通过将酸液注入近井地带的地层，与储层胶结物质和岩石碎屑等堵塞物发生化学反应，形成不同形态的酸蚀蚓孔以提高地层渗透率，从而改善油气藏生产能力。酸岩反应动力学的计算结果可以预测储层改造效果与最优施工条件，故酸岩反应动力学是酸化设计的研究重点。
[0003]反应级数是酸岩反应动力学中计算反应速率的重要参数。在酸化数值模拟中，经典双尺度模型默认酸岩反应级数为一级，而实际酸岩反应级数常不为一级，因此经典模型反应速率理论值常偏离实际值，影响酸化设计的精度。通过改进经典酸化数值模型，围绕反应级数进行修正，可提高数值模型对酸岩表面反应速率的计算准确度。反应速率计算准确度的提高有助于降低酸液注入速率及酸液黏度、酸液类型等酸化施工参数的预测偏差。因此，考虑反应级数的模型修正是提升酸化数值模型模拟精准性的重要渠道。
[0004]数值模拟是研究酸岩反应动力学的主要方法之一，目前常用的数值模拟模型为双尺度连续介质模型(Two
‑
Scale Continuum Model)。经典双尺度连续介质模型计算酸岩反应速率时将反应级数m近似等于1，如下式所示
[0005]R(C
s
)＝k
s
C
sm
[0006]式中，R(C
s
)为酸岩反应速率，mol/(m2·
s)；k
s
为表面反应速率常数，mol1‑
m
·
m
3m
‑1·
s
‑1；C
s
为酸液相内浓度，mol/L；m为反应级数，无因次。
[0007]然而实际酸化情况中，由于碳酸盐岩矿物组分、酸液种类等因素的复杂性，酸岩反应级数m常不为1级。因此经典双尺度模型对反应速率的计算存在误差值，进而影响后续对最优酸液注入速率和酸液种类优选的判断。但多级酸岩反应模型对反应级数m进行了修正，模拟结果更贴近真实值。如中国专利文件(公开号CN109882164A)公开了一种碳酸盐岩酸化数值模拟方法，制取碳酸盐岩岩心，利用MATLAB软件建立碳酸盐岩酸化数值模型，物理实验测定岩心密度、孔隙度、渗透率等岩石物性参数初始值，应力试验测定岩石裂缝参数初始值，结合取心与地震资料获取岩石溶洞参数初始值，最终建立碳酸盐岩酸化控制方程和辅助方程。然而此过程所使用的数值模型中将反应级数近似为1，因此模型计算酸化反应速率的准确性仍存在提升空间，有必要围绕反应级数对酸化模型进行修正。
[0008]目前大多数学者所使用的碳酸盐岩酸化模型仍将反应级数近似为1，对于反应级数对反应速率的误差影响少有提及。因此，针对酸化数值模型精细化模拟难题，亟需提出一种适用于计算不同级数酸岩反应的数值模型。结合酸化物模实验参数与修正的酸化数值模型，降低碳酸盐岩酸化模拟误差。

技术实现思路

[0009]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于改进双尺度模型的碳酸盐岩酸化模拟方法，基于双尺度连续介质模型建立多级酸岩反应模型，模拟了不同反应级数碳酸盐岩酸化酸蚀过程。
[0010]本专利技术的技术方案如下：
[0011]一种基于改进双尺度模型的碳酸盐岩酸化模拟方法，包括步骤如下：
[0012]步骤(1)：通过旋转岩盘实验，获得实验条件下酸岩反应速率与酸液浓度参数，包括酸岩反应速率J、反应速率常数k
s
、酸液黏度μ、酸液浓度C、酸溶蚀能力α等参数；
[0013]步骤(2)：通过岩心物理实验，获得实验条件下目标储层岩石信息，包括岩石渗透率K、孔隙度岩石密度ρ
s
、比表面积a0、岩石矿物组成及含量分布等参数。
[0014]步骤(3)：利用达西尺度模型构建酸液在碳酸盐岩储层多孔介质内的流动反应方程；
[0015]步骤(4)：构建多级酸岩反应方程，多级酸岩反应方程修正对象为反应级数m≠1情况下，经典双尺度模型的酸岩反应动力学项R(C
s
)＝k
s
C
sm
(默认m＝1)计算出的理论R(C
s
)值与实际R(C
s
)值之间的误差；
[0016]步骤(5)：构建酸蚀过程中碳酸盐岩储层结构变化方程，为表征储层结构物性，引入孔隙尺度模型，孔隙尺度模型使用与局部孔隙度相关的半经验关系来表征渗透率、孔隙度、界面反应面积与其初始值的内在联系；
[0017]步骤(6)：使用有限元软件COMSOL Multiphysics对不同级数碳酸盐岩酸岩反应进行数值模拟，通过设置不同的酸液注入速度U0、H
+
扩散系数D
m
和酸液浓度C0模拟不同酸化条件下的碳酸盐岩酸化反应进程。
[0018]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，旋转岩盘实验是将切好的岩心固定在旋转岩盘旋转柄上，反应釜内的酸液旋转，在设定的时间间隔里测取酸液浓度变化，根据酸液的消耗速度获得实验条件下酸岩反应速率与酸液浓度参数，反应釜内使用酸液质量分数为5％、10％、15％、20％的盐酸依次实验，反应温度为90℃，转速为500r/min，岩心为含96％白云石碳酸盐岩。旋转岩盘实验为现有常规实验，其中使用的旋转岩盘等均为现有器件。
[0019]根据本专利技术优选的，步骤(2)中，岩石物理实验是通过实验测量不同岩性、物性、含油性状态下岩石物理性质的方法和技术总称。通过气测孔渗实验测量岩石渗透率、孔隙度和比表面积，称量法测量岩石密度，光谱测量仪测定矿物组成及含量分布。
[0020]根据本专利技术优选的，步骤(3)中，流动反应方程包括酸液流动方向控制方程式(2)、酸岩化学反应对岩石孔隙度影响方程式(3)、酸岩反应动力学源项定义方程式(4)和酸液流动对岩石孔隙度影响方程式(5)；
[0021][0022][0023]k
c
(C
f
‑
C
s
)＝R(C
s
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0024][0025][0026]式中，U是达西速度矢量；K是渗透率张量；P是压力，单位为Pa；ε是孔隙度；C
f
是液相酸的浓度，单位为mol
·
L
‑1；C
s
是液固界面酸的浓度，单位为mol
·
L
‑1；D
e
是有效扩散张量；k
c
是局部传质系数，单位为m
·
s
‑1；a
v
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进双尺度模型的碳酸盐岩酸化模拟方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤(1)：通过旋转岩盘实验，获得实验条件下酸岩反应速率与酸液浓度参数，包括酸岩反应速率J、反应速率常数k
s
、酸液黏度μ、酸液浓度C和酸溶蚀能力α；步骤(2)：通过岩心物理实验，获得实验条件下目标储层岩石信息，包括岩石渗透率K、孔隙度岩石密度ρ
s
、比表面积a0、岩石矿物组成及含量分布参数；步骤(3)：利用达西尺度模型构建酸液在碳酸盐岩储层多孔介质内的流动反应方程；步骤(4)：构建多级酸岩反应方程，多级酸岩反应方程修正对象为反应级数m≠1情况下，经典双尺度模型的酸岩反应动力学项R(C
s
)＝k
s
C
sm
计算出的理论R(Cs)值与实际R(Cs)值之间的误差；步骤(5)：构建酸蚀过程中碳酸盐岩储层结构变化方程，为表征储层结构物性，引入孔隙尺度模型，孔隙尺度模型使用与局部孔隙度相关的半经验关系来表征渗透率、孔隙度、界面反应面积与其初始值的内在联系；步骤(6)：对不同级数碳酸盐岩酸岩反应进行数值模拟，通过设置不同的酸液注入速度U0、H
+
扩散系数D
m
和酸液浓度C0模拟不同酸化条件下的碳酸盐岩酸化反应进程。2.如权利要求1所述的基于改进双尺度模型的碳酸盐岩酸化模拟方法，其特征在于，步骤(1)中，旋转岩盘实验是将切好的岩心固定在旋转岩盘旋转柄上，反应釜内的酸液旋转，在设定的时间间隔里测取酸液浓度变化，根据酸液的消耗速度获得实验条件下酸岩反应速率与酸液浓度参数，反应釜内使用酸液质量分数为5％、10％、15％、20％的盐酸依次实验，反应温度为90℃，转速为500r/min，岩心为含96％白云石碳酸盐岩。3.如权利要求2所述的基于改进双尺度模型的碳酸盐岩酸化模拟方法，其特征在于，步骤(2)中，通过气测孔渗实验测量岩石渗透率、孔隙度和比表面积，称量法测量岩石密度，光谱测量仪测定矿物组成及含量分布。4.如权利要求3所述的基于改进双尺度模型的碳酸盐岩酸化模拟方法，其特征在于，步骤(3)中，流动反应方程包括酸液流动方向控制方程式(2)、酸岩化学反应对岩石孔隙度影响方程式(3)、酸岩反应动力学源项定义方程式(4)和酸液流动对岩石孔隙度影响方程式(5)；(5)；k
c
(C
f
‑
C
s
)＝R(C
s
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)(3)式中，U是达西速度矢量；K是渗透率张量；P是压力，单位为Pa；ε是孔隙度；C
f
是液相酸的浓度，单位为mol
·
L
‑1；C
s
是液固界面酸的浓度，单位为mol
·
L
‑1；D
e
是有效扩散张量；k
c
是局部传质系数，单位为m
·
s
‑1；a
v
为每单位体积介质可参与反应的界面面积m2·
m
‑3；ρ
s
是固相
的密度，单位为kg
·
m
‑3；α是酸的溶解能力，定义为每摩尔反应酸溶解的固体克数，单位为g
·
mol
‑1，反应动力学函数用R(C
s
)表示，对于一级反应，R(C
s
)的值取决于k
s
C
s
，其中k
s
是表面反应速率常数，m
·
s
‑1。5.如权利要求4所述的基于改进双尺度模型的碳酸盐岩酸化模拟方法，其特征在于，步骤(4)中，对于酸液浓度0＜Cs≤1mol/L范围内的酸岩反应，仍使...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐宁，李雪松，章泽辉，苏徐航，刘练，王献昉，何世伟，李肃，李满亮，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：