砂岩酸化模拟技术与设计

岩酸化模拟技术与设计 ( 1 化效果 储层情况 酸液性能 工艺水平 施工水平 科学的设计方法和模拟技术 2 化模拟技术 将酸化工程作为整体，模拟酸化过程中各种参数的变化 预测酸化效果 使可控参数 (如施工参数 )和不可控参数 (如地层参数 ) 达到优化组合 指导酸化施工设计 减少施工的盲目性 提高酸化效果 3 岩 (暂堵 )基质酸化 碳酸盐岩基质酸化 前置液酸压设计 水平井酸化设计 三维交替相酸压 模拟技术 设计计算模型 酸化设计方法 主要内容 4 液流动过程分析(三个主要过程 ) 地面管流 井筒流动 产生摩阻损失 酸液流态由排量和酸液粘度决定 酸液的流变性及粘度受排量影响 酸液的浓度基本保持不变 腐蚀酸化管柱和油管柱 酸液的位能降低 摩阻损失 流态由排量、粘度、管柱尺寸及管柱粗造度等决定 酸液温度逐渐升高 酸液的浓度基本不变 5 酸液沿径向孔隙及微裂缝作流动反应 ， 溶解地层各矿物成分及胶结物 沿径向酸液浓度逐渐变小失去活性 温度发生变化 ， 压力及流速也发生变化 孔隙结构 、 渗滤性能变化 在酸压过程中酸液沿裂缝向地层深部流动 ， 酸液在岩石壁面上径向非均溶蚀反应 ， 裂缝壁面产生蚯蚓状的 酸蚀 “ 蚓孔 ” ， 向基质滤失 酸液浓度沿裂缝长度方向逐渐降低 ， 温度 、 压力及流速相应发生变化 ， 最终形成具有一定几何尺寸和导流能力的酸蚀裂缝 。 地层(裂缝)流动 6 水动力学参数 流变性参数 化学动力学参数 温度场 压力场 流速场及动态裂缝几何尺寸 酸蚀裂缝参数 地层孔喉、渗滤性能等的变化进行模拟 模拟结果对多种酸化方案进行对比和筛选 ,以供优选施工参数、准确地预测酸化效果酸化模拟技术： 7 岩酸化设计与模拟技术 8 岩酸化模拟设计主要内容 一 、 概述 二 、 酸岩反应模型 三 、 砂岩酸化数学模拟 (一 ) 井筒温度场模拟 (二 ) 地层温度场模拟 (三 ) 酸浓度和矿物浓度分布模拟 (四 ) 酸化后地层孔隙度和渗透率计算 (五 ) 多层酸化时 ， 各层分流量计算 (六 ) 多层酸化加入暂堵剂后 ， 各层分流量计算 (七 ) 酸化效果预测 (八 ) 酸化解堵最优目标的确定及施工参数模拟 四 、 砂岩储层优化设计计算与模拟程序逻辑 五 、 实例计算 六 、 实时监测技术 七 、 施工质量控制 9 、砂岩酸化设计方法概述 经验方法的局限性 利用试验确定有效反应系数 求解酸浓度分布模型 酸穿距离与酸浓度，注入速度、注酸量的关系 1、简单的酸化设计方法 10 限性： 试验难度大，未考虑实际酸化过程的变温度、变矿物浓度及径向和垂向非均质的影响，未进行酸化效果预测。 未考虑土酸中盐酸的作用 以及注酸过程中从井口到地层的温度变化，地层伤害带浓度变化及多层影响 未给出一个包括施工参数选择 无效果预测方法 11 “优化设计 :选择最佳方案以达到最优目标的设计。 主要工作： 优选适合本油田、本地区的酸液及添加剂； 了解储层特性及其伤害情况，明确处理任务； 进行数学模拟计算，全面考虑影响砂岩酸化的因素； 进行完整的酸化设计 ， 将先进的数学模型和现场经验紧密结合起来； 优选施工方案分析影响酸化效果的诸因素及提高酸化效果的工艺途径 ， 确定最佳施工方案 12 化设计的主要内容 : (1)最优目标的确定 (2)计算模型的建立和选择 (3)施工参数的优选 (4)方程的求解及编程 13 井筒温度 、 地层温度分布数据及曲线 。 地层矿物及酸浓度分布的数据及曲线 。 地层酸化后孔隙度 、 渗透率分布曲线 。 酸化增产效果预测 。 暂堵酸化加入暂堵剂后 ， 各段的流量分布及注入各段的累计流量分布 。 酸化施工参数 、 包括地面设备选择 、 施工泵压 、 排量、 使用的各级液体 (洗井液 、 前置液 、 处理液 、 后置液 、顶替液 )配方 ， 浓度 、 用量及施工时间监测 。 优化设计能够提供的信息 : 14 岩酸化模拟主要内容 一 、 概述 二 、 酸岩反应模型 三 、 砂岩酸化数学模拟 (一 ) 井筒温度场模拟 (二 ) 地层温度场模拟 (三 ) 酸浓度和矿物浓度分布模拟 (四 ) 酸化后地层孔隙度和渗透率计算 (五 ) 多层酸化时 ， 各层分流量计算 (六 ) 多层酸化加入暂堵剂后 ， 各层分流量计算 (七 ) 酸化效果预测 (八 ) 酸化解堵最优目标的确定及施工参数模拟 四 、 砂岩储层优化设计计算与模拟程序逻辑 五 、 实例计算 六 、 实时监测技术 七 、 施工质量控制 15 、砂岩酸化数学模拟 井筒温度场模型 储层温度场模型 酸沿储层径向的浓度分布模型 储层孔隙度及渗透率分布模型 分段、暂堵酸化时暂堵分流量模型 增产效果预测模型及酸化解堵的最优目标 施工参数和规模的确定方法 主要模型 16 一 ) 井筒温度场模拟 1. 井筒温度模拟的意义 温度 酸岩反应速度 工作液粘度、流变性 酸液的腐蚀性 17 稳态 解析 模型 非稳态（或称瞬态）换热模型 2井筒温度分析现状 18 、解析计算方法 基于稳态衡线热源假设的解析计算方法 ex p)(),( 19 、 数值计算方法 1)假设条件 注液前 ， 井筒内充满液体并与地层达到热平衡 ； 忽略井筒及地层内沿井深方向的热交换； 所有传热参数不随温度和时间变化 ， 各向同性 、 均质地层； 地面排量及注液温度不变； 液体温度与其接触的管壁温度相同； 油套管和井径尺寸不随井深变化； 温度沿井深呈线性分布 。 符合关系 20 q T0, T1,j T2, T3,j T4,j T5,j T6,j 2)单元体 (网格系统 )的划分 从里到外依次划分单元体为油管内单元体、油管单元体、环空液体单元、套管体单元、水泥环单元体及若干油藏单元体 21 )单元体 (网格系统 )的划分 径向单元体划分示意图 T 0 , ,j T 3 ,j T 4 ,j T 5 ,j T 3 T 2 T 1 T 面 r0 r1 r2 r3 1 j m 纵向上单元体划分示意图 23 )模型的建立及求解 据热平衡方程式：单位时间内流入单元体的热量单位时间流出单元体的热量单位时间内单元体内热量的变化 0 非稳态模型 1,1,11,2,1,1,1,1,1,1,11,2,11,1,124 21,0初始条件 上面公式迭代求出 时刻整个油管内液体温度分布以及井筒地层径向温度分布，从而求得任意时刻、任意深度处的井筒温度分布。 25 二 ) 地层温度场模拟 1. 地层温度模拟的意义 处理液由井筒进入地层 (裂缝 )中流动时以及处理液在地层中与岩石反应时都要与地层发生显著的热交换 ， 因而温度变化很大 。 2. 储层温度模拟的现状 吴晓庆等人应用正交变换的方法对扩散方程进行了求解 ，水平井注蒸汽热采的地层温度场分布的稳态解析解 赵立强和任书泉采用能量平衡原理建立了地层基质酸化温度场的数值计算模型 ， 采用稳式差分方程进行求解 ， 保证了数值解的稳定性 。 26 . 储层温度场模型 (1)假设条件 1)酸液在地层孔隙中流动 ， 壁面温度与酸液温度相同； 2)所有传热参数不随温度和时间变化 ， 地层各向同性 、 均质； 3)不计纵向热传导； 4)液体在孔隙介质中作流动反应时质量守恒 。 27 2)地层温度场模型的建立 径向单元体划分示意图 T 0 , ,j T 3 ,j T 4 ,j T 5 ,j T 3 T 2 T 1 T 元体划分示意 图 29 入、流出及传入、传出该微元体的热量，应用热平衡等式建立了储层温度分布的偏微分方程： 220 T e T 0边界条件 初始条件 30 液与储层矿物的反应是放热反应，放出的热量必然改变酸液的温度 径向 ri,的环形带内，酸浓度的变化为 2,11酸岩反应放出的热量 n ,322 1 10 ri,的环形带内放出的热量被该单元体内的岩石及孔隙中的酸液所吸收 1,22 11,1, 1 n 31 100011 任意 热量平衡方程式 32 3) 储层温度场数值计算模型的建立 wD 22引入无因次量 初始条件外边界条件内边界条件1100 11 A 011 B 1111211111 2 隐式差分构造数值模型 )(1)(10000,11111111初始条件边界条件34 4)储层温度场数值模型的求解 2,2,1211111111111111121111222222阵形式 1121111121!11222112222235 解步骤： 1)不考虑酸岩反应热时的储层温度分布计算 112)酸岩反应热的计算 1,1,31,11, 110 3)考虑酸岩反应热后的储层温度分布计算 1,1,1, 解析模型 ) )11(11 i )(ex p 酸浓度分布 矿物浓度分布 a a ,ex )酸浓度和矿物浓度分布模拟 37 , i i )( 0,2/)1(A 2 (K i )( ri/中无因次参数 38 数值计算模型 ) 全面考虑温度 多组分矿物 多层及地层伤害等因素的影响 单层或多层同时酸化、各层存在不同污染区时的酸浓度分布计算模型 39 1)假设条件 忽略分子扩散作用； 孔隙中酸浓度与孔隙壁面酸浓度相同； 储层岩石可分为有限的几种矿物成分 ， 酸与不同矿物的反应分别按各自的动力学方程进行； 酸在储层孔隙中呈单相径向流动； 注处理液时 ， 假定储层中的碳酸盐类已由前置液中 处理液中 40 2)单元体的划分 块中心网格示意图 41 元体选取示意图 42 3)酸浓度、矿物浓度分布模型 q)s,=(j t)( 1 r C 酸岩反应摩尔平衡式，导出酸沿地层径向流动反应的偏微分方程 : 氢氟酸反应速度 R q)s,=(J )( 硅质矿物溶解速度 43 始条件和边界条件 j 0f jC=t), R( 0,=t),RC( rC=t),( 0,=t),C( RC=t),( ,0)0,()0,(C ,0)0,(井深方向上非均质的砂岩油藏，按渗透率的差异可在垂向上划分为 45 义无因次参数 0,wD 0,01,r j j i r j 0001 矿物 矿物 46 , 01, 11 ,1, 2j j 1,1,1, a j 1,1,1,1,47 因次化酸浓度、矿物浓度分布模型 酸浓度分布 矿物浓度分布 j= j=48 界条件 0,11,1 , f f 1,0, f f 10,00, 0,0, e x p j 50 4)有效作用半径的确定 数值计算方法求解酸浓度分布方程 fn = 100土含量 20% 用 15%土含量 10% 用 5%合剂 绿泥石含量高 用 5%合剂 (2)低渗透储层 2 - 1 5西南石油学院 方法一： 方法二： 溶解 (1-0)溶解 井筒酸化半径 (等于伤害带半径 )内的孔隙体积为： o+(0+ (1-0) 所需注入的盐酸的总体积为： p 67 )处理液 一般配方 ： (1515)% 取 3(1215%)质含量高时 ， 取 4F+(10 3%2% 3%2% (1)20%， 只用 浓度 15% (2)00英含量高 (80%)， 粘土含量 (20%) 用 %土含量高 (10%) 用 %质绿泥石含量高 ， 用 3%F (3)1 4 . 5 3 469 酸用量确定方法： 经验方法 3 . 2 8 1933222 0 a 2141312113102928 32021921831721615 70 设计计算方法 Va=Q 估算法 每米地层用酸量 2 m3/m 3)后置液 4)顶替液（ 4 71 入液到达处理段？ 完前置液？ 算各小段参数：液量 、 流速 、 温度分布 、 反应热 、 孔隙度、 渗透率及增产倍比等 krd,k 理液到达处理段？ 算各小段参数：液量 、 流速 、 温度分布 、 反应热 、 酸浓度 、 碳酸盐浓度 、 孔隙度 、 渗透率分布等 。 注完处理液？ 记录各级液量及 其他数据 还计算否？ krd,k 算结果存盘，打印输出 整参数计算吗？ 结 束 示方案 并非最佳 原始数据输入 伤害资料处理 计算、选择施工参数 计算低压替酸时井筒温度分布 计算 时井筒温度分布 开始 经济评价 砂岩储层酸化模拟程序流程图 三、砂岩储层优化设计计算与模拟程序逻辑 72 岩储层酸化设计程序 主 控 模 块 打印模块 计算模块 输入模块 屏幕输出模块 使用帮助和辅助功能 施工压力设计参数 主要温度参数 酸浓度分布 矿物浓度分布 渗透率孔隙度分布 原始数据打印 计算数据及曲线打印 施工方案输出 原始数据输入 创建数据库 井筒温度场模拟 地层温度分布模拟 盐酸浓度分布模拟 孔隙度渗透率模拟 增产效果预测 施工参数模拟 氢氟酸浓度分布模拟 矿物浓度分布模拟 井筒温度分布 地层温度分布 施工规模及液体配方 酸化效果综合预测资料 砂岩储层酸化酸化设计程序结构图 73 、实例计算 注液过程中井筒温度分布 0 10 20 30 40 50温度()0m)前置液到达井低时井筒温度分布注完前置液时井筒温度分布注完酸液时井筒温度分布74 量对井筒温度分布的影响 0 1 2 3 4 5 6 7温度()0m)排量q=排量q=排量q=75 完处理液时地层温度分布 0 m)020406080100温度()q= q= q= q=76 号碳酸盐含量( % )粘土含量( % )厚度( m )渗透率( 1 0隙度( 小数 )1 5 2 8 . 6 0 . 6 1 2 4 4 . 2 0 . 3 1 52 4 2 0 . 1 7 . 1 6 2 0 . 8 0 . 3 0 23 5 1 9 . 3 8 . 6 2 0 7 7 . 2 0 . 3 24 6 1 4 . 9 7 . 6 2 8 4 1 . 6 0 . 3 1 95 4 2 2 . 7 7 . 5 1 5 6 8 . 8 0 . 3 1 96 5 . 5 4 . 8 1 1 . 5 1 9 2 3 . 5 0 . 3 2 27 4 9 . 7 1 1 0 7 6 . 7 0 . 3 1 38 3 1 1 . 3 1 0 . 9 2 0 1 7 . 3 0 . 3 2 7我国海上某油田的储层数据 77 径向距离(m)78 径向距离(m)快反应矿物 ) 79 径向距离(m)慢反应矿物 ) 80 m) 0 00 1 10 1 1 1注完处理液酸浓度和矿物浓度分布 (第 1层 ) 81 完处理液孔隙度分布 0 径向距离(m)数)第1层 第2层 第3层 第4层第5层 第6层 第7层 第8层82 完处理液时渗透率分布 0 径向距离(m)0500100015002000250030003500渗透率(10)第1层第2层第3层第4层第5层第6层第7层第8层83 产倍比分布曲线 0 径向距离(m)2层 第3层 第4层 第5层 第6层 第7层 第8层84 号酸 化 前 平 均 渗 透 率( 1 0 化 后 平 均 渗 透 率( 1 0效作用半径( m )增产倍比 表皮因子1 5 9 9 . 1 6 3 1 2 8 7 . 8 9 4 . 7 1 6 9 3 1 . 6 4 3 4 8 - 2 . 9 2 5 6 22 2 9 9 . 3 4 1 6 6 1 . 6 9 8 . 8 5 8 0 9 1 . 6 9 3 6 8 - 3 . 0 6 0 3 73 1 0 0 2 . 9 8 4 2 1 1 7 . 6 1 8 . 8 5 8 9 4 1 . 6 5 2 0 5 - 2 . 9 4 9 1 84 1 3 7 1 . 7 5 3 2 8 7 9 . 5 3 9 . 9 1 0 9 2 1 . 6 5 4 5 5 - 2 . 9 5 6 0 45 7 5 6 . 1 1 9 1 6 1 0 . 5 5 6 . 7 9 6 4 2 1 . 6 4 9 5 3 - 2 . 9 4 2 2 96 9 2 7 . 9 6 2 1 9 5 7 . 6 1 1 1 . 2 4 0 8 1 1 . 7 0 1 7 8 - 3 . 0 8 1 3 77 5 1 9 . 7 2 2 1 1 1 5 . 1 3 2 1 . 1 8 3 2 4 1 . 7 1 1 5 4 - 3 . 1 0 6 4 28 9 7 3 . 2 6 8 2 0 5 3 . 6 9 1 1 . 0 5 0 8 7 1 . 6 7 8 7 4 - 3 . 0 2 1 1 2综合增产倍比 1 . 6 7酸化效果预测数据 85 流结果 86 酸强度 (m i n / m )注液时间( m i n ) 第 1 层 第 2 层 第 3 层 第 4 层 第 5 层 第 6 层 第 7 层 第 8 层0 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 61 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 62 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 63 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 64 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 65 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 66 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 68 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 610 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 612 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 615 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 616 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 620 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 625 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 630 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 636 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 642 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 648 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 654 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 660 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 666 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 672 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 675 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 6注处理液时流量分布数据表 (不加暂堵剂 ) 87 处理液时流量分布图 (不加暂堵剂 ) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80注液时间(m3/m/1层第2层第3层第4层第5层第6层第7层第8层88 酸强度 (m i n / m )注液时间( m i n ) 第 1 层 第 2 层 第 3 层 第 4 层 第 5 层 第 6 层 第 7 层 第 8 层0 . 0 1 2 2 3 . 0 0 6 1 1 . 0 2 0 4 7 . 0 2 7 9 9 . 0 1 5 4 3 . 0 1 8 9 4 . 0 1 0 6 1 . 0 1 9 8 61 . 0 1 8 6 1 . 0 1 5 2 1 . 0 1 8 7 2 . 0 1 8 3 9 . 0 1 8 8 4 . 0 1 8 8 . 0 1 8 3 4 . 0 1 8 7 52 . 0 1 8 5