CN1491315A - 储油层模拟处理的建模方法 - Google Patents

Abstract

为选择用于油井模拟的最优处理而提供了一种用于设计酸处理的方法，其中获取储油层特性以进一步选择对于所关注矿物质的反应动力学数据，对储油层的处理利用数学模型放大，且实时损坏基于底孔压力和注入速率算出，并与所预测的相比较，以调节处理。所产生的模型便于通过提供各种处理策略的发展来优化基质处理。用非传统流体配方进行的模拟可以轻易算出。然后所计算的值用于经济模型，来证实与使用非传统流体相关的附加成本。除了优化基质处理之外，本方法可以用作发展新流体的工具、用于预测和消除无机物鳞皮的工具以及用于流体兼容性测试的工具。

Description

储油层模拟处理 的建模方法

技术领域

本发明总地涉及油气井模拟(stimulation)，并尤其涉及用于设计基质处理的方法，或用于设计大致任何用流体处理的方法，该流体与储油层矿物质反应或与例如先前处理所形成的化学物质反应。本发明尤其可用于设计在砂石储油层中的诸如例如泥酸处理的酸处理。

背景技术

基质酸化处理是最古老的油井模拟技术之一。它应用于砂石地层，以消除井身附近损伤，该损伤有可能是由穿孔、油井完成、生产或油井维护操作造成。基质酸化处理是通过注入酸(典型为氢氟酸和盐酸)的混合物以溶解通常被认定为井身附近损伤的有损于油井生产的材料来实现。

在砂石储油层中的基质处理自1930年左右的第一次泥酸处理以来已经得到相当大的发展。处理流体的配方已经变得越来越复杂。目前常规使用多种添加物，有机酸常常用在高温地层中以避免沉淀反应。经常加入鳌合剂来避免碳酸盐含量高的地层中的沉淀。

如果处理在工程上正确的话，通过这种类型的油井模拟技术可以实现相当大地提高生产。然而，基质处理也常常是储油层损坏的主要因素。实际上，在几乎所有泥酸处理中发生的副反应导致形成沉淀物。沉淀物栓孔(plug pore)间隔开，并减小渗透性，并因此在沉淀物在井身附近沉积时会不利地影响酸处理。远离油井的沉淀物被认为影响可以忽略。此外，最近的研究已经使产业上对二次和三次反应带来的损坏加以留意。

基质处理的效果的准确预测包括溶解速率和矿物质再沉积的计算，这是由于该速率支配沉淀物沉积到储油层中的位置。

此外，砂石矿物学非常复杂，并且酸/矿物质兼容性以及酸/原油兼容性经常是一个问题。目前，缺乏可以精确预测酸与粘土反应性的工具，于是，实际上目前的处理使用经验规则-或完全相反地是，依赖于扩大成本和耗时的实验室测试。

除了处理流体的选择之外，泵送的进度也是至关重要的参数。在“H.O.McLeod和A.W.Coulter，JPT 1969年第952到960页的模拟处理压力记录-一个指导性的地层评估工具(The Stimulation Treatment PressureRecord-An Overlooked Formation Evaluation Tool)”中，描述了如下的技术，其中每个注入阶段或处理过程中的封井被认做一个短期的单独的油井测试。响应于流体注入的瞬时储油层压力加以测试并解释，来确定井身表层的状况以及地层透过率。

在1979年11月19日的油和气杂志77卷编号47第154到160页的“新方法证实模拟计划的价值(New Method Proves Value of StimulationPlanning)”中，G.Paccaloni提出了一种方法，该方法基于瞬时压力和注入速率值，以计算处理过程中任何给定时刻的井壁阻力系数。与针对趋肤效应的固定值计算的标准曲线作出比较，以估算在处理过程中趋肤效应的发展。标准曲线利用针对储油层中稳定状态、单相、和径向水平流动的Darcy方程产生。

由Prouvost和Economides提出的技术实现了在处理过程中井壁阻力系数的连续计算，并说明了瞬时响应，见1987年的Pet Sci，和Eng第145到154页的基质优化处理的实时评估(Real-time Evaluation of MatrixAcidzing)，和1987年SPEl7156，SPE生产工程，第4期编号6的401-407页的实时基质优化处理评估方法的应用(Applications of Real-time MatrixAcidizing Evaluation Method)。这种技术是基于被测量的与假设的良好储油层描述的连续比较，该描述包括模型已经油井的类型、主体油井的储油层变量。

从美国专利US5431227中也可以得知，提供一种方法，该方法基于计算的和测得的在步进率中所用的底孔压力来估计损坏的表层，以用来进行基质处理的基质增长区域监控、优化和作业后评估。

砂石酸化处理模型的数量已经在用于计算矿物质溶解和沉积所造成的空隙度变化的文献中给出。

在集中的矿物质模型中，复杂的砂石矿物学集中为特征矿物质，并且这些矿物质的平均反应速度由岩芯试验确定。在两矿物质模型中，砂石矿物质基于他们与HF的反应率集中为快反应和慢反应组。两矿物质模型不考虑沉淀反应。三矿物质集中模型也在1991年Dallas的SPE年度技术大会和展览会上的S.L.Bryant SPE22855的泥酸/砂石酸化处理的改进模型中提出。第三矿物质考虑无定形硅石的沉淀。集中矿物质模型的缺点是他们不允许对平衡反应建模，并且需要仔细对处理条件和所关注的地层进行标定。因此，这些模型不可用于包含弱酸(例如，大部分有机酸)和鳌合剂的流体系统，并且在标定区之外不可靠。

平衡近似是常常用于基质处理设计的另一种近似。这种模型已经在Walsh，M.P.，L.W.Lake以及R.S.Schechter在1982年Dallas的SPE关于油田和地热化学的国际论坛上的“化学沉淀机制的描述以及他们在氢氟酸模拟过程中地层损坏中的作用”中给出。在平衡近似中，假设反应远快于矿物质与酸的接触时间。平衡常数通常比速率常数知道得更多，因此，可以包括较大的反应设定，并且可以考虑复杂的砂石矿物学，而不必象集中矿物质方法中所必须的那样考虑反应和速率法则。不幸的是，反应远快于接触时间的假设对大多数酸处理中使用的注入速率无效，并因此平衡方法仅用作沉淀的指标。但是对于成功设计必须回答的问题不是沉淀在何处发生。与时间不相关的平衡模型自身不能回答这个问题。

为了解决在平衡模型中的这个偏差，已经提出部分局部平衡模型，并且首先在S.D.，L.W.Lake和R.S.Schechter，KGEOFLOW：用于砂石基质酸化处理的新型反应传输模拟器(A New Reactive Transport Simulator forSandstone Matrix Acidizing)，SPE39420，来自砂石酸化处理的二次沉淀的数学模型，1998年在Lafayette的SPE关于地层损坏控制的国际论坛中提出。局部平衡模型方法结合了动力学和平衡方法。慢反应以动力学模型建模，而平衡模型用于快反应。这个计算方案能够实现砂石酸化处理的全面和柔性建模，但是通常存在若干缺点。首先，难于精确计算高酸性和高离子化的强溶液的活度系数。第二，由于低效的数学算法，数学收敛是一个常见问题。因此，实际上只能模拟1-2沉积的矿物质种类。第三，只有有限的热动力学数据可用。由此，对热储油层和具有非常规流体系统的模拟是不可能的。

上述模型可应用于温度、注入速率和矿物质组分的有限范围。因此，尽管存在损坏储油层的重要风险，但是没有满意的方法来在这些变量的广泛范围内对基质处理建模，以使得模型对于将实验室数据外推到场地条件更可靠。

现有模型的这种不成功的决定性在于处理流体配方已经变得越来越复杂。现在常规加入多种添加剂，有机酸常常用在高温地层中，以避免沉淀反应，而通常加入鳌合剂，以避免在碳酸盐含量高的地层中沉淀。

发明内容

本发明的主体旨在一种设计基质处理的方法，更具体的说，用于在砂石地层中用反应流体模拟，虽然本发明可以扩展到其他领域，如碳酸盐酸化处理、换算禁止及相关领域。尤其是，根据第一实施例，本发明涉及一种用于选择最佳处理的方法，其中包括储油层矿物质的储油层特征被获得，包括化学品种混合物的处理流体被设计用来进一步选择可以在储油层矿物质和处理流体之间发生的化学反应的子组以及所关注的有关矿物质和化学品种的反应动力学和平衡数据；取决于这些反应带来的所预测的损坏，调节模拟处理来优化结果。换句话说，本发明提供了一个虚拟化学实验室，使得可以模拟大量的实验室测试。

在本发明第二实施例中，该方法还包括对储油层岩芯进行建模，该岩芯具有一定的长度、直径和渗透性，使得本发明可以模拟岩芯试验，本发明还提供了一种模拟顺序处理的方法，在顺序处理中，相继的处理流体以特定速率注入。

在本发明第三实施例中，本方法还包括利用数学模型将该处理换算到储油层，以预测处理造成的损坏。在最优选实施例中，本发明包括选择一种处理，在油井上进行该处理，同时基于底孔压力和注入速率计算实时损坏，并同时进行按换算到储油层的模拟，以比较所预测的损坏和所计算的损坏，并在需要时调节该处理。

在本发明优选实施例中，已经实现了三个流动几何特征：(1)槽(batch)；(2)芯(core)；(3)池(reserVoir)几何特征。槽流动几何特征近似于在烧瓶或烧杯中发生的反应，芯流动几何特征近似于在岩芯中的线性流动，如在实验室岩芯溢流试验中的，而池流动几何特征近似于在单层、径向对称储油层中的流动。槽和芯流动几何特征提供了验证数学模型的措施，从而对于储油层的预测可以更自信地作出。

由本发明的方法所产生的模型可以通过提供地层各种处理策略的快速定量评估来便于基质处理的优化。可以容易地计算采用包含无机和有机酸以及鳌合剂的非常规流体配方的模拟。然后，所计算的值可以用于经济模型，来调节与使用非常规流体相关的附加费用。处理优化基质处理之外，本发明的方法可以用作新流体系统的研发工具，作为用于预测和去除无机鳞皮(scale)并用于流体兼容性测试的工具，如在注水项目中所需要的。

本发明的方法将地球化学模拟器结合到含水化学品种和矿物质的热力学性质的广泛数据库中。本发明克服了先前模拟器的许多限制。可以在任何数量的矿物质和含水溶液之间进行化学平衡计算，而先前的模拟器被局限于仅一个或两个沉淀的矿物质。另外，任何数量的动态(kinetically)控制反应可以用用户限定的动力学来模拟。

本发明的建模方法是能够对各种流动几何特征中动力学和/或平衡控制的反应进行建模的有限差分(finite-difference)地球化学模拟器。数学方程提供了对平衡和动力反应的任意组合进行建模的能力，该组合包括涉及任意数量的化学品种的平衡和动力学反应的任意组合。如果未规定平衡的话，这种柔性允许模拟模型用作一个纯动力学模型，或者如果规定了动力学和平衡反应的话用作一个纯平衡模型。半隐式数值方案用于对动力学反应按时间积分。这个方法与显式方案相比提供了更大的数值稳定性，特别是在高温下。具有最优化学计量的Gibbs自由能最小化算法用于计算含水品种和矿物质之间的化学平衡。实现了基本品种的切换以改善收敛。所形成的针对化学平衡计算的算法数值稳定性很大，并且比基于非化学计量方法的现有技术算法更有效。

处理设计优选的包括诸如流体类型、成分、体积、泵入顺序和注入速率等变量。数据库用于获得反应动力学数据。如果可用的数据不足，可以进行实验室试验，优选的利用针对一定范围的注入速率的多线性岩芯流动测试。

储油层特征一般包括矿物学数据、渗透性，且优选地诸如鳞皮、微粒迁移等损坏或者包括初始损坏表层等钻井相关的损坏的大小和深度的估计值。这种估计可以例如基于节点分析或可用的泥浆和电阻率记录志进行。储油层特征可以存储在数据库中，并在不能得到时，通过矿物学记录或从岩芯分析获得，并进一步存储在数据库中以供将来使用。

该模型优选的用包括溢流分析和渗透性法发展(包括所预测的损坏)等数据标定。也可以进行敏感性分析，以优化设计变量并选择改进的处理设计。

一旦已经选定了优化的设计，可以开始实行处理，而损坏表层可以实时计算。这允许与所预测的损坏加以比较并在需要时调节处理。

具体地说，本发明包括数据收集、设计优化、执行和评估。在执行阶段，损坏通过注入速率和底孔压力的计算值或测量值实时计算，然后，可以将计算的损坏表层与数学模型所预测的相比较。此后，该模型可以通过对损坏的类型、大小和深度的更准确估计进行改进以匹配所测量的值，并在需要时，对处理设计进行适当的改变。

后处理数据，如回流分析，生产数据和生产记录用于进一步改进数学模型以及损坏深度和大小的估计值。处理数据可以最终上载到数据库，从而它可以用在改进未来的处理设计。

本发明的方法有利于用上述方法的处理设计。这可以用数学模型和数据库来实现。数学模型可以包括以下分量：

1.用于针对所定义的流体和矿物质系统的各种可应用化学反应进行自动选择的算法；

2.进行砂石酸化处理的有机酸和鳌合剂化学的建模；

3.用于从岩芯换算到储油层的算法；

4.多重沉淀的建模。

数学模型可以随后推广到其他工艺，如碳酸盐酸化处理、换算禁止或包括流体/储油层相互作用的其他机制中。

根据优选实施例，本发明的方法合并有矿物质、化学反应、流体和储油层的广泛数据库，以便为数学模型提供精确的地质学的、屋里的和反应性数据，由此确保过程的成功。用户优选的具有创造新的成份(流体、矿物质、反应)并将他们加以到数据库中以备将来使用的能力。这使得本发明的方法得以连续扩展到新的系统和新的工艺。根据本发明的教导，化学平衡计算可以在任何数量的矿物质和水溶液之间进行。

在本发明优选实施例中，主要步骤存储在CD-ROM装置中。在另一优选实施例中，该方法/过程可以从网络服务器下载，或从因特网网页上下载。此外，本发明可以利用所研发的软件归类以利于酸处理。

附图说明

图1示出HF、Al和Si的测量溢出浓度(effluent concentration)与由本发明模型预测的结果的比较；

图2是给出了在泥酸阶段结束时储油层的瞬态图(snapshot)的曲线；

图3比较不同注入速率和不同泥酸配方的结果；

图4示出在储油层已经用类似于高岭土的矿物质损坏时处理的结果。

具体实施方式

本发明的方法提供了一种虚拟实验室地球化学模拟器，用于通过允许并支持估算的实验室模型换算到储油层适应性进行油井模拟。实验室试验证实了该模型，并允许精确并有效地换算到储油层。基本工具提供：(1)反应模型、(2)模型分析、(3)在模型等级测试、(4)证实、以及(5)换算到储油层。这实现了以可预测性对地层损坏进行实验室观察和建模、准确确认和轻易并有效地调整。具体地说，本发明的方法允许在储油层应用之前进行实验室设计、执行和评估，极大的增加了该过程的效率。

本发明的数值模型是有限差分地球化学模拟器，它能够在各种流动几何特征下对动态和/或平衡控制反应(即部分局部平衡反应模型)建模。数学方程提供了对包括任意数量化学品种的平衡和动态反应的任意组合建模的能力。在数学方程中的这种灵活性允许它在未规定平衡反应时作为纯动态模型，在未规定动态反应时作为纯平衡模型，或在特定了动态和平衡反应时作为部分平衡模型。半隐式数值方法用于对动态反应实时积分。这个方法与显式方法相比提供更大多的数值稳定性，特别是在高温下。具有最优化学计量的Gibbs自由能最小化算法用于计算含水品种和矿物质之间的化学平衡。优选的是实现基本品种的切换，以改善收敛。所形成的针对化学平衡计算的算法数值稳定性很大，并且比基于非化学计算方法的算法在计算上更有效。

在这个实施例中，在模拟器中实现三种流动几何特征。他们是槽、芯和池流动几何特征(flow geometry)。槽流动几何特征近似于在烧瓶或烧杯中发生的反应，芯流动几何特征近似于在岩芯中的线性流动，如在实验室岩芯溢流试验中的，而池流动几何特征近似于在单层、径向对称储油层中的流动。槽和芯流动几何特征提供了验证数学模型的措施，从而对于储油层的预测可以更自信地作出。例如，在对储油层作出预测之前，地球化学模拟器可以用从实验室芯流动试验中测得的溢流离子浓度和渗透性发展来加以验证。

典型的基质模拟流体是及其不理想的。理想的溶液假设通常由于高于淡水的盐浓度而失败。活度系数记录与理想溶液性质的偏差，并因此对于在浓缩的电解溶液(例如，包含酸和盐水的基质处理流体)中对动态和平衡反应的建模是至关重要的。

下面符号及其定义在本申请和所附的权利要求书中通篇使用：

A_γ＝静电Debye-Huckel参数

A_j，s＝矿物质j的比反应表面积(m²/kg)

A_A，A_B，A_C，A_W＝含水品种A、B、C和水的活性(千克摩尔/m³)

a_i(P，T)，a_i，P_rT_r＝离子直径，在参考温度和压力下的离子直径()

a_i，1-4＝含水品种在Helgeson EOS中的参数

b_i＝品种i的盐析参数(kg/mol)

B_γ＝静电Debye-Huckel参数

B(T)＝描述电解液的平均电离活度系数与由Debye-Huckel表达式所预测的结果的偏离的偏差函数

b_NaCl＝NaCl的静电溶解参数(kg/J)

b_Na+Cl＝NaCl的短期相互作用参数

C_p，i＝品种i在恒压下的热容(J/mol-K)

C_1-2＝可变反应级数动态模型中的参数(l/K)

C_i，i-2＝含水品种在Helgeson EOS中的参数

E_a，E′_a＝活性能(J/mol)

f(T)＝可变反应级数动态模型中的温度函数

G^O _i，P，TrG^O _i，P_r，T_r＝下标温度和压力下的标准克分子Gibbs自由能(J/mol)

g(P，T)＝温度和压力相关溶解函数()

H^O _i＝标准克分子焓(J/mol)

I＝溶液的离子强度(mol/kg)

K＝平衡常数

K″₀，K″₀＝指数前因子

k₀，k＝初始和最终渗透率(mD)

M_j.0，M_j＝矿物质j的初始和最终体积分数(m³/m³)

M_j， w＝矿物质j的分子量(g/mol)

[M_j]＝矿物质j的浓度(kgmol/m³)

品种i的克分子浓度及克分子浓度向量(mol/kg溶剂)

P，P_r压力(bar)和标准压力(1bar)

P_inj＝底孔注入压力(bar)

P_res＝外边界处的贮存压(bar)

R＝气体常数(＝8.314L/mol-K)

rate＝体积反应率(kg mole mineral/m³ sec)

S^O _i，P_r，T_r＝P_r和T_r下的标准克分子熵(J/mol-K)

T，Tr＝温度(K)和标准温度(298.15K)

V^O _Pr，Tr＝P_r和T_r下的标准分子体积(m³/mol)

x，y，z＝相对品种A，B和C的反应级数

Y_Pr，Tr＝Pr和Tr下的静电Born函数

Z，Z_Pr，Tr＝P和T，以及Pr和Tr下的静电Born函数

z_i＝品种的离子电荷

β_i，0-7＝品种的热容参数

γ_i＝品种i的活度系数

δ_j＝矿物质j的Labrid参数

ζ_i，1-5＝品种i的化学势参数

η＝常数(＝694630.393 L/mol)

Θ＝常数(＝298K)

θ_i，1-3＝Maier-Kelly热容系数

μ_i，μ^O _j＝品种i的化学势和标准化学势(J/mol)

μ_w，μ^O _w＝水的化学势和标准化学势(J/mol)

υ_i＝品种i的论量系数(产品为正，反应物为负)

φ_o＝初始孔率

Ψ＝常数(＝2600bars)

Ω＝水的摩尔量/kg

ω_i，ω_i，Pr，Tr＝在P和T，以及P_r和T_r下的品种i的Born系数(J/mol)

可在模拟器的典型现有技术版本中使用的活度系数模型在表1中示出：

表1：活度系数模型

推广的Debye-Huckel利用与品种相关的离子尺寸。Davies模型(在Davies的C.W.，离子协会。1962年伦敦：Butterworths)利周恒定的离子尺寸并仅需要品种电荷。B-Dot模型(在Helgeson，H.C.，在升高的温度和压力下的热液系统的热动力学中，美国科学杂志，1969年，267(夏季)：p.729-804页)记录活度系数的温度相关性。HKF模型描述于Helgeson，H.C.D.H.Kirham，和G.Flowers的在高压和高温下含水电解液的热动力学性质的理论预测：IV.到达600℃和5KB的活度系数、渗透系数的计算，以及表观摩尔与标准和相对偏摩尔特性，美国科学杂志1981年281卷：p.1249-1516页。在这个模型中的活度系数是通过规定标准条件下品种电荷和离子尺寸来计算的。方程中的所有其他参数在模拟器中内部计算。对于离子尺寸数据得不到的含水品种，从具有类似电荷和原子结构的品种估计离子尺寸并使用HKF模型对大多数模拟都给出合理的表现。

对于水溶液中的中性品种，使用盐析模型。在这个模型中对于大多数品种，b_i值一般为零或非常接近零。因此，对于这个参数未知的品种，零对于大多数模拟来说通常足够精确。

一旦规定了矿物学和处理流体，该系统可以自动选择可应用的动态反应，并将他们呈现给用户以观察。然后，用户可以接受缺省反应，加入新的反应或修改缺省反应的动力学。设置有程序的标准数据库包含通常基质反应的数据。新的反应可以通过规定反应化学计量和动力学速率定律参数来增加。表2列出优选实施的动力学速率定律：

表2：反应速度定律模型：

反应速度定律用公式表示成假均相形式，即，水相和矿物质之间的多相(表面)反应由因数A_j，sM_j，w[M_j]相乘，以计算体积反应速度。可以规定任何数量的动动反应进行模拟。

至于动态控制的反应，一旦规定了矿物学和处理流体，适当的水品种和矿物质，以及相应的热力学数据自动从数据库中被选取，并呈现给用户来观察。然后，用户可以接受缺省选择，加入新品种或矿物质或修改缺省特性。下面给出计算过程的简要描述，以有助于加入或修改水品种和矿物质的热力学数据。

每个必须加入到平衡计算中的化学品种需要在模拟温度和压力μ_i ⁰(T，P)下的标准偏摩尔自由能(标准化学势)。对于每个品种，μ_i ⁰(T，P)可以直接进入，或必须选择一个计算μ_i ⁰(T，P)的模型。表3给出了一列可用于计算的模型：

表3：用于计算标准化学势的模型

Helgeson状态方程(EOS)(在Helgeson，H.C.，等人的岩石形成矿物质的热力学特性的总结和评论，美国科学杂志，1978年278-A卷：229页；以及Tanger，J.C.和H.C.Helgeson的高温和高压下水品种的热力学及传输特性的计算：用于离子和电解液的标准偏摩尔特性的修订的状态方程。美国科学杂志，288卷19-98页)是对于水品种和矿物质二者优选的模型，并且提供有程序的主要数据为这种形式。对于在Helgeson EOS形式中数据得不到的化学品种，可以使用CP模型或多项式模型来估算μ_i ⁰(T，P)。对于数据仅以平衡常数形式可用的化学品种，该品种的μ_i ⁰(T，P)可以从以下热力学恒等式中计算：

$\ln \left(K\right)=\frac{-\mathrm{\Σ}{v}_i{\mathrm{\μ}}_i^0}{\mathrm{RT}}$

假设对于该反应中的其他所有化学品种的μ_i ⁰(T，P)值已知。在本发明优选实施例中，可以提供一个图解工具来帮助平衡常数数据转化为自有能形式。

一旦在模拟温度和压力下计算水品种i的μ_i ⁰(T，P)，则溶液中水品种的化学势由以下方程在模拟器内部计算出：

${\mathrm{\μ}}_i(T,P,\stackrel{\→}{m})={\mathrm{\μ}}_i^0(T,P)+\mathrm{RT}\ln {\mathrm{\γ}}_i(T,P,\stackrel{\→}{m})m_i$

对于溶剂(水)，使用以下方程：

${\mathrm{\μ}}_w(T,P,\stackrel{\‾}{m})={\mathrm{\μ}}_w^0(T,P)+\mathrm{RT}\ln a_w(T,P,m)$

对于与水相品种相称的矿物质，假设该矿物质为单独的纯固相(即，非固溶体)。则对于固相品种的化学势的方程简化为：

${\mathrm{\μ}}_s(T,P)={\mathrm{\μ}}_s^0(T,P)$

然后，数值算法计算 值，对于该值，系统的Gibbs自由能最小，并且满足元素丰度约束。

上述动态和平衡模型计算由于矿物质的溶解和沉淀造成的孔隙率变化。然后，需要孔隙率渗透性关系，来计算渗透性并因而用于处理的表层。在文献中已经提出了多种孔隙率渗透性模型，包括Labrid模型(在1abrid，J.C.的含粘土砂石酸化处理的热力学和动力学特性，1975年4月SPEJ，第117到128页)。根据本发明，优选的使用以下修正的Labrid模型：

$\frac{k}{k_0}=\underset{j}{\mathrm{\Π}}[\frac{{\mathrm{\φ}}_0+M_{0,j}-M_j}{{\mathrm{\φ}}_0}{]}^{{\mathrm{\δ}}_j}$

修正的Labrid模型允许每种矿物质唯一地影响渗透性，而在其他大部分模型中，渗透性改变完全由孔隙率方面的净变化确定，而没有记及溶解的或沉淀的矿物质的个性。在修正的Labrid模型中的参数δ_j对每种矿物质是特定的，并允许矿物质的个性影响渗透性。δ_j的值越高，则影响越强。

应用实例

本发明的主要特征借助于简单的应用实例在这部分中说明。该实例基于His等人报告的针对阿拉斯加Endicott Kekiktuk砂岩构造的岩芯测试数据(IN His，C.D.，S.L.Bryant和R.D.Neira，在1993年New Orlenas的SPE关于油田化学的国际论坛中的SPE 25212砂岩酸化处理模型的试验验证)。岩芯试验在损坏的岩芯上在80℃下用12/3泥酸进行。岩芯柱的长度和直径分别为7.6和2.54cm。电感耦合等离子体(ICP)分光光度计用于测量流出的Al和Si浓度。在流出物中的HF浓度利用失重方法用预先称重的玻璃载波片以重量方式测量。Kekiktut地层的矿物学为98％石英和2％的高岭土。

图1示出HF、Al和Si的测得的溢流浓度与本发明的模型所预测的结果的比较。实线表示模型实验结果，图1A、1C和1E中的三角形指示校正的HF浓度的试验数据(校正浓度是溢流中的HF与注入的HF浓度的比)。在图1B、1D和1F中，方块代表Al浓度，而圆圈代表Si浓度。该测试在80℃下用12-3泥酸以0.033cm/s的流量(图1A和1B)，用12-3泥酸并以0.0099cm/s的流量(图1C和1D)，并用6-1.5泥酸以0.0099cm/s的流量(图1E和1F)进行。模型提供与试验数据相当好的匹配，甚至对于流量大小变化的一个数量级。与试验数据的匹配是利用动力学和热力学数据的缺省选择来获得的，通过精调缺省值，可以进一步改善匹配性。

*在验证地球化学模型时，它可以用于将结果按比例扩大到储油层。采用本发明，这仅需要在流动几何特征方面从岩芯向储油层流动几何特征的简单切换。产油区高度被假设为3.05m(10英尺)，并且井孔直径假设为0.2032m(8英寸)。使用重量比为5％的HCI的1.24m³/m(100gal/ft)的预冲洗容积，随之以12/3泥酸的2.48m³/m(200gal/ft)的主阶段。处理流体以2.65×10^-3m³/sec(1bbl/min)泵送。图2中的曲线是在泥酸阶段末期的储油层的瞬态图。图2A示出储油层中的矿物质分布(在图2A中，左轴表示石英体积分数，而右轴表示高岭土和胶体硅胶)。如从图2B中所见，一些胶体硅胶沉淀确实发生，但是该量不足以大到明显影响渗透性。没有观察到AlF₃或Al(OH)₄沉淀。图2C和2D示出储油层中主要含水品种的分布线。在泥酸阶段末期实现在地层中大约0.75m的HF渗透。图2D示出氟化铝AlF⁺²(左轴)和AlF₂ ⁺(右轴)的浓度，以及氟化硅SiF₆ ^2-(左轴)和H₂SiF₆的浓度。这个图示出AlF⁺²是主要氟化铝。比AlF⁺²更高的铝氟化物，如AlF₃、AlF₄ ^-、AlF₅ ^2-和AlF₆ ^3-以可忽略的浓度存在。SiF₆ ^2-是主要的氟化硅。其他氟化硅以可忽略的浓度存在。铝和硅的品种Al(OH)²⁺、Al(OH)₂ ⁺、Al(OH)₄ ^-、H₃SiO₄ ^-、H₂SiO₄ ²和AlO₂ ^-也以可忽略的浓度存在。

灵敏度分析工具利于对任何处理设计参数加以优化。图3A和3B比较相对于前面所考察的基础方案以不同注入速率和不同泥酸配方(9/1泥酸)的渗透性(图3A)和HF(浓度)的结果。总的注入体积对所示所有方案保持恒定。在较慢的注入速率下，靠近沙面的矿物质优先溶解，因此，大部分数渗透性提高发生在井孔附近。然而，在约0.1bbl/min的极其缓慢的注入速率以实现封井时，胶体硅胶沉淀阻止渗透性改善。使用9/1泥酸系统导致较小的渗透性改善，这是因为9/1泥酸系统的化学溶解能力远小于12/1泥酸系统的。可以类似地考察处理设计参数方面的多种变化，以选择对最终设计建议的最佳策略。

在此处考察的情况中，储油层被认为是最初未损坏；即，在处理之前表层为零。图4示出在储油层已经由类似于高岭土的矿物质损坏时的处理结果。更准确的说，图4A示出渗透性分布曲线，图4B是HF浓度分布曲线，而图4C是边界外的储油层压力P_res与底孔注入压力P_inj之间的压差的分布曲线。

损坏穿透假设为0.3048m(1英尺)，而初始表层值假设为5。所有其他设计参数与前面基础方案的相同。如果诸如回流分析、后处理表层和注入压力数据等后处理数据上可得到的，他们可以与来自模拟器的预测相比较，以利于分析损坏的类型、大小和深度。这个信息可以用来优化将来的储油层处理。

虽然本发明特定的特征和实施例已经在此加以详细描述，但应理解的是本发明包括所附权利要求书的范围和精髓内的所有修改和增加。

Claims (16)

1.一种对储油层模拟处理建模的方法，包括以下步骤：

获取一组包括储油层矿物质的定量储油层参数；

设计包括化学品种混合物的第一处理流体；

获取第一组可以在矿物质和处理流体的成份之间发生的化学反应；所述反应由他们的平衡和他们的动力学特性来限定；

选择所述第一组化学反应的子组，以形成所述矿物质与所述处理流体的反应模型并预测处理带来的损坏；以及

反复调整模拟处理以优化结果。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述组定量储油层参数包括渗透性。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述定量储油层参数包括对储油层损坏的大小和深度的估计值。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述损坏数据通过节点分析以及泥浆和电阻率测井数据估算。

5.如权利要求2和3所述的方法，还包括：

对具有一定长度和直径的储油层岩芯进行建模；以及

选择处理流体的注入速率；

其中，选择所述第一组化学反应的子组的步骤包括形成所述岩芯与所述处理流体的反应模型以及预测处理带来的损坏。

6.如权利要求2和3所述的方法，还包括：

对具有一定长度和直径的储油层岩芯进行建模；以及

选择处理流体的注入速率；

其中，选择所述第一组化学反应的子组的步骤包括形成所述储油层与所述处理流体的反应模型并预测处理待来的损坏。

7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述反复步骤包括进行灵敏度分析，以优化选择最佳处理设计的变量。

8.如权利要求5或6所述的方法，其中，假设线性流动(对于岩芯)和径向流动(对于储油层)对流体处理的注入速率进行建模。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述处理包括以特定的各速率泵送一序列相继的流体处理。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述反复调整模拟处理的步骤包括调节泵送顺序的步骤。

11.如权利要求5或6所述的方法，其中，所述岩芯或所述储油层的反应模型包括溢流分析和渗透性形成。

12.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述组定量储油层参数包括孔隙率，而所述反应模型包括孔隙率形成。

13.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述模型包括含水品种和矿物质二者，使用 $G_{i,P_r,T_r}^0=G_{i,P,T_r}^0$ 的假设，并且其中化学品种以平衡常数形式获得，对于该品种的μ_i ⁰(T，P)可以从以下热力学恒等式中算出：

$\ln \left(K\right)=\frac{-\mathrm{\Σ}{v}_i{\mathrm{\μ}}_i^0}{\mathrm{RT}}$

14.如权利要求13所述的方法，其中，一旦对于含水品种i的μ_i ⁰(T，P)在模拟温度和压力下算出，则溶液中含水品种的化学势可以由以下方程在模拟器内部算出：

${\mathrm{\μ}}_i(T,P,\stackrel{\→}{m})={\mathrm{\μ}}_i^0(T,P)+\mathrm{RT}\ln {\mathrm{\γ}}_i(T,P,\stackrel{\→}{m})m_i$

15.一种用于进行储油层模拟处理的方法，包括以下步骤：根据权利要求6对模拟处理建模以选择最佳的处理流体；以第一注入速率泵送所述第一处理流体，同时测量底孔压力；从测得的底孔压力和注入速率计算对储油层的实时损坏；同时基于数学模型计算损坏；以及调节模拟处理以优化结果。

16.一种设计储油层模拟处理流体的方法，包括以下步骤：进行权利要求1的模拟处理建模以及进行优化模拟处理的实验室试验从而减少设计新处理所需的试验次数。

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