华北地区碳酸盐岩热储层酸化压裂模拟方法与应用

碳酸盐岩地层是我国华北地区最重要的热储岩层之一,不同次级构造单元的碳酸盐岩地热井产量和回灌量存在较大差异,严重制约了碳酸盐岩热储的规模化开发。酸化压裂是碳酸盐岩热储增产稳产的有效手段,其涉及溶质运移、酸岩反应、渗流传热、反应放热等一系列复杂过程。本文提出了一种模拟工程尺度碳酸盐岩热储酸化压裂过程的数值方法,可考虑碳酸盐岩热储酸化压裂过程中热、水、力、化四场之间的耦合作用。通过与前人试验和模拟结果的对比,验证了该方法的正确性,并建立了碳酸盐岩热储非均质裂隙模型,对其酸化压裂效果进行了模拟。     

低渗碳酸盐岩储层深度酸化酸液体系优选与评价

叙利亚碳酸盐岩稠油油藏储层渗透率低,冷采产量低,达不到经济开采界限,热采注汽困难,效率低。针对这些问题,开展了深度酸化研究,研制了一种多组分缓速转向酸酸液体系,并测试了其酸岩反应速度,同时采用双源CT扫描仪、扫描电镜、透射电镜、压汞分析以及酸溶薄片法分析了酸化前后岩心的变化。结果显示新研制出的多组分缓速转向酸的酸岩反应速度比常规盐酸小了一个数量级,具有较好的缓速效果,酸化后的岩心孔隙度、渗透率、孔喉半径均有大幅的提高,酸蚀溶孔明显,喉道能够贯穿整个岩心。     

碳酸盐岩储层参数对微观渗流的影响

针对碳酸盐岩油藏孔隙大小的双峰分布特征,首先利用计算机模拟建立了描述不同孔隙特征的大孔隙网络模型和微孔隙网络模型,在此基础上提出一种耦合算法构建出的同时描述大孔隙和微孔隙特征的碳酸盐岩双孔隙网络模型;然后,基于侵入-逾渗理论,模拟双孔隙网络模型中油水两相流体的一次驱替和二次吸吮过程,并建立了毛细管压力和相对渗透率的求解模型;最后,通过调整双孔隙网络结构参数,模拟水湿油藏条件下碳酸盐岩储层参数对相对渗透率曲线的影响. 结果表明,随着微孔隙比例因子和平均配位数的增加,油相相对渗透率曲线升高;随着双孔隙半径比的增加,油相和水相相对渗透率曲线下降,这对碳酸盐岩油藏渗流机理研究有着重要的指导意义.      

塔中地区碳酸盐岩高含量二氧化碳的产生及研究意义

塔中碳酸盐岩天然气样品中CO_2含量及其碳同位素值的分析表明,CO_2既有有机成因也有无机成因,而烃气则全为有机成因。样品对比表明,塔中碳酸盐岩天然气中的CO_2含量一般在5%以下,而高含量的CO_2则是酸化压裂时由人工注入的强酸与碳酸盐岩地层反应产生的。酸化压裂产生的CO_2含量与注入地层的酸量正相关,与求产时间负相关;据此建立了最高CO_2含量—酸量—时间相关关系图版。酸化压裂可使气样中的CO_2含量增加,但对N_2和H_2S的含量没什么影响。增高的CO_2会使和CO_2含量有关的参数受到影响,但不会影响和CO_2含量无关的研究参数。对天然气分析数据的使用提出了相关建议。     

沉积体系非均质性对致密油气储集层控制及其定量评价方法

以鄂尔多斯盆地延长组长8-长6致密储集层为例,采用地质统计数学(Levy Sim)和沉积地层正演模拟对沉积非均质性进行研究。结果表明,地质统计学Levy函数能够有效地表征非均质性参数,不仅可以表征油藏尺度(岩心、露头和测井曲线尺度),而且也可以有效刻画岩石微观尺度的非均质性。而三维正演地层模拟方法 Sedsim则能够有效地模拟浅水三角洲砂体的空间展布。沉积地层正演模拟与非传统地质统计学相结合,能够更真实地定量刻画不同尺度的沉积非均质性,该方法不仅有效地解决了不同尺度沉积储集层、烃源岩及盖层非均质性定量表征的难题,而且为非常规油气成藏研究提供了新思路与新的定量评价方法。     

基于多尺度X-CT成像的数字岩心技术在碳酸盐岩储层微观孔隙结构研究中的应用

为了更加直观、准确地刻画碳酸盐岩储集层的微观孔隙结构特征,分别选取裂缝发育的双孔介质碳酸盐岩储层样品与裂缝不发育的单介质碳酸盐岩储层样品,利用多尺度X-CT扫描成像技术建立不同级别的三维数字岩心,应用最大球算法与孔喉尺寸校正方法,提取并建立碳酸盐储层纳米级数字岩心孔隙网络模型,最后实现利用三维孔隙网络模型模拟储层物性参数、进汞曲线以及孔、喉分布曲线,并与常规高压压汞法结果进行平行对比。研究结果表明:利用数字岩心技术模拟得到的孔隙度、渗透率参数与实际测量结果相差较小;模拟得到的进汞曲线、孔喉分布曲线与室内压汞实验得到的曲线具有较高的一致性,数字岩心得到的模拟结果具有较高的可信度。数字岩心技术在碳酸盐储层微观孔隙结构的直观刻画与定量描述方面,具有明显优势。     

化子坪长6储层长岩心CO2驱替实验及数值模拟评价

二氧化碳驱提高石油采收率(CO2-EOR)在我国大部分低渗透、低孔隙度油藏中的应用越来越重要。鉴于国家净零排放目标, 在采用二氧化碳驱提高采收率时, 二氧化碳封存是另一个重要考虑因素。针对低渗油藏, 开展天然岩心长岩心CO2驱替试验, 并利用TOGA(TOUGH Oil, Gas, Aqueous)软件建立岩心尺度数值模型开展模型的识别与验证, 对模型的有效性及物性参数进行敏感性分析, 结果表明, 1)根据出口气油比可将二氧化碳驱油与封存划分为未见气(0~100)、极少量气(100~1 000)、气体突破(1 000~10 000)、大量气窜(＞10 000)四个不同阶段; 2)孔隙度、渗透率及非均质性对模拟结果影响较大, 在后续实际场地模型中应予以重点关注。研究结果可为实际场地规模模型提供参数依据。     

白垩系地层深井冻结壁温度场分布规律

西部地区主要为白垩系软岩地层, 煤炭资源储量大, 成为我国重要产煤区. 白垩系软岩地层冻结壁温度场分布规律尚不清楚, 给白垩系地层冻结法凿井设计与施工带了一定的困难. 通过现场实测、室内试验和数值模拟等手段, 获得了白垩系地层冻结软岩热物理参数分布规律、力学特性及深井冻结壁冻融规律. 测点冻结温度场反演白垩系冻结软岩导热系数值一般介于3.328~3.465 W·m^-1·K^-1之间, 现场实测表明: 白垩系地层融冻时间比一般为1.0~1.2之间. 研究白垩系地层冻融规律, 对指导我国西部地区白垩系地层冻结法凿井设计与施工具有重要的理论参考价值.     

碳酸盐岩热储酸化压裂增产机理研究及应用

酸化压裂技术是解决水热型地热系统增产增灌的有效手段,针对北京地区低孔低渗的碳酸盐岩热储层酸化压裂改造机理开展研究。以北京蓟县系雾迷山组白云岩为研究对象,在理论模型建立、室内酸盐反应实验、GCTS三轴岩石抗压强度实验的基础上,考虑表皮系数,优化了传统地热井产量计算模型,并对碳酸盐岩储层酸化压裂作用机理开展研究。研究结果表明,酸化作用会在井筒周围形成蜂窝状结构,降低储层强度,有利于压裂形成人工裂缝。改造效果与储层构造特征、矿物组成相关,天然裂缝、岩脉、矿石条带以及节理等结构弱面越发育,酸化压裂效果越好,碳酸盐岩含量越高,酸化压裂效果越好。最后针对北京某地热井建立酸化压裂增产技术方案,实现出水量增产123%以上,出水温度增温2.5℃。     

基于深度学习的地层沉积正演模拟代理模型构建与应用

地层沉积正演模拟方法能更真实地刻画地下地质体的分布规律,比传统的基于地质统计学的建模更有优势,但是条件化难度大,使其应用在实际油藏地质建模时面临较大挑战。地层沉积反演模拟提高了该方法的实用性,基于模拟结果与观测数据定量比较,地层沉积反演模拟在全局优化算法的驱动下不断修正地层沉积正演模拟输入参数,使模拟结果与观测数据吻合度达到最佳。由于反演系统优化参数多,非线性极强,收敛难度大,需要的迭代次数多,单次正演模拟耗时长,导致该方法效率较低。地层沉积反演模拟和深度学习算法中的生成对抗网络相结合,提出了构建地层沉积正演模拟代理模型的方法。以大量的碳酸盐岩地层沉积模拟的合成模型作为样本,通过神经网络训练,形成地层正演模拟器的代理模型,然后将其代入地层沉积反演模拟系统,避免了直接地层正演模拟的长耗时,加快了反演模拟的收敛速度。通过巴哈马西缘碳酸盐岩地层沉积模拟验证了该方法的可行性,采用学习后的生成网络进行沉积反演模拟,反演效率得到了大幅提升。尽管本文展示的是二维实例,也有望扩展应用在三维模型上。     

缝洞型油藏大尺度可视化水驱油物理模拟实验及机理

缝洞型碳酸盐岩油藏由于其缝洞组合关系的复杂性,使得储层流体的渗流规律有别于常规油藏。根据某油田奥陶系缝洞型碳酸盐岩的实际情况设计制作了大尺度可视化物理模型,并按照现场实际设计了二注三采的实验井网及注采方案,以应用物理模拟实验来研究缝洞型碳酸盐岩油藏的开发特征及油井生产规律。结合实验结果,利用J.Cruz-Hernández建立的数学模型对生产数据进行拟合,以研究缝洞型碳酸盐岩油藏中流体的渗流机理,J.Cruz-Hernández数学模型中的空间系数和流动速度对采收率影响较大,提出模型的改进应考虑重力分异作用、溶洞比例等影响因素。     

Theoretical analyses of acidization dissolution front instability in fluid‐saturated carbonate rocks

This paper presents an instability theory that can be used to understand the fundamental behavior of an acidization dissolution front when it propagates in fluid‐saturated carbonate rocks. The proposed theory includes two fundamental concepts, namely the intrinsic time and length of an acidization dissolution system, and a theoretical criterion that involves the comparison of the Zhao number and its critical value of the acidization dissolution system. The intrinsic time is used to determine the time scale at which the acidization dissolution front is formed, while the intrinsic length is used to determine the length scale at which the instability of the acidization dissolution front can be initiated. Under the assumption that the acidization dissolution reaction is a fast process, the critical Zhao number, which is used to assess the instability likelihood of an acidization dissolution front propagating in fluid‐saturated carbonate rocks, has been derived in a strictly mathematical manner. Based on the proposed instability theory of a propagating acidization dissolution front, it has been theoretically recognized that: (i) the increase of the mineral dissolution ratio can stabilize the acidization dissolution front in fluid‐saturated carbonate rocks; (ii) the increase of the final porosity of the carbonate rock can destabilize the acidization dissolution front, while the increase of the initial porosity can stabilize the acidization dissolution front in fluid‐saturated carbonate rocks; (iii) the increase of the mineral dissolution ratio can cause an increase in the dimensionless propagation speed of the acidization dissolution front; (iv) the increase of the initial porosity can enable the acidization dissolution front to propagate faster, while the increase of the final porosity can enable the acidization dissolution front to propagate slower in the acidization dissolution system. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

A fully implicit and consistent finite element framework for modeling reservoir compaction with large deformation and nonlinear flow model. Part I: theory and formulation

Reservoir depletion results in rock failure, wellbore instability, hydrocarbon production loss, oil sand production, and ground surface subsidence. Specifically, the compaction of carbonate reservoirs with soft rocks often induces large plastic deformation due to rock pore collapse. On the other hand, following the compaction of reservoirs and failure of rock formations, the porosity and permeability of formations will, in general, decrease. These bring a challenge for reservoir simulations because of high nonlinearity of coupled geomechanics and fluid flow fields. In this work, we present a fully implicit, fully coupled, and fully consistent finite element formulation for coupled geomechanics and fluid flow problems with finite deformation and nonlinear flow models. The Pelessone smooth cap plasticity model, an important material model to capture rock compaction behavior and a challenging material model for implicit numerical formulations, is incorporated in the proposed formulation. Furthermore, a stress-dependent permeability model is taken into account in the formulation. A co-rotational framework is adopted for finite deformation, and an implicit material integrator for cap plasticity models is consistently derived. Furthermore, the coupled field equations are consistently linearized including nonlinear flow models. The physical theories, nonlinear material and flow models, and numerical formulations are the focus of part I of this work. In part II, we verify the proposed numerical framework and demonstrate the performance of our numerical formulation using several numerical examples including a field reservoir with soft rocks undergoing serious compaction.     

基于岩石物理模版的碳酸盐岩含气储层定量解释

笔者针对碳酸盐岩储层勘探开发面临的储层预测与流体识别难度大的问题,基于岩石物理理论,提出了一种对碳酸盐岩含气储层进行定量解释的方法:首先,综合碳酸盐岩地质和测井信息,以岩石物理理论为依据,实现了适用的碳酸盐岩岩石物理模型的构建;然后基于岩石物理模型优选出对孔隙度、含气饱和度较为敏感的参数λρ和μρ,构建能够反映储层孔隙度与含气饱和度的碳酸盐岩岩石物理模版;最后,将岩石物理模版与工区反演提取的参数相结合,确定储层分布范围,并对储层范围内孔隙度和含气饱和度数值进行了定量解释。实例分析表明,基于该模版定量解释得到的孔隙度和含气饱和度与实际地层孔隙度及产气结果基本一致,经验证碳酸盐岩岩石物理模版的可靠性和适用性较好。     

Why asymptotic limit of the acid dissolution capacity can lead to a sharp dissolution front in chemical dissolution of porous rocks?

The use of the asymptotic limit can greatly simplify the theoretical analysis of chemical dissolution front instabilities in fluid‐saturated rocks and therefore make it possible to obtain mathematical solutions, which often play a crucial role in understanding the propagation behavior of chemical dissolution fronts in chemical dissolution systems. However, there has been a debate in recent years that the asymptotic limit of the acid dissolution capacity (i.e., the acid dissolution capacity number approaching zero) alone cannot lead to a sharp dissolution front of the Stefan type in the acidization dissolution system, in which the dissolvable minerals of carbonate rocks are chemically dissolved by the injected acid flow. The acid dissolution capacity number is commonly defined as the ratio of the volume of the carbonate rock dissolved by an acid to that of the acid. In this paper, we use four different proof methods, including (i) direct use of the fundamental concepts; (ii) use of the mathematical governing equations of an acidization dissolution system; (iii) use of the different time scaling approach; and (iv) use of a moving coordinate system approach, to demonstrate that the asymptotic limit of the acid dissolution capacity can indeed lead to sharp dissolution fronts of the Stefan type in acidization dissolution systems on a much larger time scale (than the dissolution time scale). Our new finding is that on the reaction time scale, the condition of the conventional time derivative of porosity approaching zero alone can ensure that the acidization dissolution front has a sharp shape of the Stefan type. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

鄂尔多斯盆地中奥陶统马家沟组海相碳酸盐岩储集层特征*

探讨了鄂尔多斯盆地中奥陶统马家沟组海相碳酸盐岩储集层岩石物理相特征及储集层分类方法。应用露头、岩心、薄片分析及储集层物性测试及压汞实验方法开展了碳酸盐岩储集层岩性、孔隙结构及物性研究,应用储集层流动带指标FZI开展了储集层岩石物理相特征及储集层分类方法研究。马家沟组碳酸盐岩储集层岩石类型主要为岩溶角砾泥晶—粉晶白云岩、膏盐溶蚀角砾泥晶—粉晶白云岩、含膏盐或膏盐质白云岩、粉晶—细晶白云岩、残余结构中晶—细晶及粗晶—中晶白云岩、次生灰岩、泥晶灰岩及白云岩,发育洞穴、溶洞、孔隙及裂缝4种储集空间,主要发育晶间孔型、裂缝型、裂缝—晶间孔型、裂缝—晶间孔—溶洞型4类储渗类型。依据流动带指标将储集层划分为6类岩石物理相及24类亚相,据此将储集层分为5类7亚类：一类储集层是天然气赋存的优质储集层,主要分布于马五₁、马五₄及马五₆段;二、三类储集层是马家沟组主要储集层类型,以孔隙为主的二₁、三₁类储集层主要分布于马五₁—马五₆段,以裂缝为主的二₂、三₂类储集层主要分布于马四段;四类储集层物性差,见于各段;五类为非储集层。研究结果表明,基于岩石物理相的储集层研究方法是揭示碳酸盐岩储集层特征及开展储集层定量分类与评价的有效途径。     

塔里木盆地塔河奥陶系碳酸盐岩储层埋藏成岩和构造-热流体作用及其有效性

对层状风化壳模式的认识一度支撑着塔里木盆地下古生界深层碳酸盐岩油气勘探,但这类深层碳酸盐岩储层显示出的强烈非均质性使得勘探风险愈来愈大。研究以塔里木盆地塔河地区中—下奥陶统碳酸盐岩储层为典型实例,重点论述了成岩作用和构造—热流体复合作用对储层的制约,并结合表生岩溶等其它要素开展了储层分布综合解释。研究认识到:①奥陶系碳酸盐岩正常深埋藏成岩作用的主要效应是碳酸盐的沉淀而不是碳酸盐的溶解,建设性改造主要与表生岩溶作用（古喀斯特）或构造—热流体作用有关,并导致了碳酸盐岩储层强烈的非均质性。②从中下奥陶统到上奥陶统,下部碳酸盐岩地层热流体活动迹象明显优于上部地层。③奥陶系碳酸盐岩构造—热流体的建设性改造作用主要发生在中—晚泥盆世与二叠纪叠加改造的断裂构造交汇区,以及中—晚奥陶世、前石炭纪形成的表生岩溶发育区;有效储层与高能沉积相带关系有限。为此,提出了奥陶系碳酸盐岩构造—流体作用与储层形成概念模式,这为进一步认识储层的形成分布规律提供了新的线索。     

渗透回流模式白云石化作用对碳酸盐岩储层的影响

白云石化作用对含油气的碳酸盐岩储层有明显的改造作用,而前人的研究大部分是针对白云石的成因模式,未对其形成过程给出具体描述,更未对白云石化作用对储层的改造程度做出定量分析。针对白云石化中的“渗透回流模式”,建立了白云石化作用的一维模型,利用多组分、多相流溶质运移模拟软件TOUGHREACT,研究渗透回流模式对储层物性影响的深度范围。结果表明,当高Mg/Ca比的浓缩海水进入含水层后,导致方解石溶解,白云石沉淀,储层孔隙度与渗透率均比初始值大,模拟5万年时,依靠重力作用,渗透回流白云石化作用能够影响到50 m深的储层范围,产生一定规模的白云岩储层。     

泰国中部Wichian Buri组火山岩裂缝预测

在火山岩油气藏勘探上,一直以裂缝性思想为指导,将火山岩油气藏类比裂缝油气藏进行研究。油气藏储层裂缝形态呈多样性,裂缝的形成受多种因素控制,其物理属性复杂,表现出很强的各向异性。在砂岩、泥质岩和碳酸岩甚至火成岩中均可能存在裂缝性储集层。裂缝多为后期生成,不象其它油气藏具有相应的沉积环境特征。所以裂缝性油气藏比常规油气藏更难于勘探。本文着重强调叠后地震资料的预测流程和解释方案,利用叠后地震资料来预测泰国中部Wichian Buri组火山岩储层裂缝,并取得了良好的检测效果。     

渤海湾盆地黄河口凹陷古近系沙一段混积岩发育特征及沉积模式

为了厘清渤海湾盆地黄河口凹陷古近系沙一段湖相混积岩优质储层的空间分布规律,通过岩心观察、薄片鉴定、阴极发光、碳氧同位素及微量元素等分析测试,分析混积岩发育特征和控制因素,总结其沉积模式.结果表明,研究区主要发育碳酸盐岩与碎屑岩组成的混合沉积和混积层系.混积岩具有旋回性变化的特点,垂向上自下而上由A段-颗粒云岩质砂砾岩、B段-颗粒云岩质砂岩、C段-颗粒云（灰）岩、D段-泥云（灰）岩和E段-泥页岩构成,其中C段物性相对较好,为有利储层发育段;平面上随着离物源区距离的增大,由以陆源碎屑混积岩为主,过渡到以碳酸盐岩混积岩为主.研究区混积岩发育受古构造、古地貌、古气候、陆源碎屑供给、湖平面等多种因素的联合控制,并以陆源碎屑供给和古气候最为重要,在此基础上建立了混积岩发育模式.