关于自转向酸和常规酸在裂缝碳酸盐岩中酸化效果的模拟研究

《Geoenergy Science and Engineering》：Simulation study on acidizing of self-diverting acid and conventional acid in fractured carbonate rocks

酸化工艺中自转向酸化技术（SDVA）在裂碳酸盐储层中的三维数值模型构建与机理分析，通过耦合多尺度连续模型、三维嵌入离散裂缝模型、热传递模型和SDVA粘度控制模型，揭示SDVA形成细长少分支 wormhole 的优势机制，明确其在不同渗透率裂缝中的分流效率提升规律，并量化温度对自转向效果的影响。

　　在碳酸盐岩储层中，酸化技术是一种重要的手段，用于改善近井地带的渗透性，缓解地层损害。传统的酸化方法通常采用盐酸（HCl）作为酸液，但由于其在地层中流动时倾向于优先进入高渗透区域或已存在的裂缝通道，往往导致低渗透区域或受损区域的酸液分布不均，进而降低整体的酸化效果。因此，如何有效控制酸液在储层中的流动路径，实现均匀的酸液分布，成为酸化技术研究中的一个关键问题。

为了解决这一问题，近年来研究者们开发了多种酸液分流技术，其中基于粘弹性表面活性剂（Viscoelastic Surfactant, VES）的自分流酸（Self-Diverting Acid, SDVA）技术因其在实际应用中的优越性能而受到广泛关注。SDVA技术通过调节酸液的粘弹性特性，使酸液在地层中形成较为均匀的渗透路径，从而提高酸液的利用效率和酸化效果。然而，目前对于SDVA在裂缝介质中的分流机制仍存在一定的研究空白，尤其是在裂缝网络复杂、渗透性差异显著的碳酸盐岩储层中，SDVA的分流效果及其对酸液分布的影响尚需进一步探讨。

本研究旨在构建一个适用于裂缝碳酸盐岩储层的SDVA酸化数值模型，以更准确地模拟酸液在储层中的流动与反应过程。该模型整合了双尺度连续模型（Two-Scale Continuum Model, TSC）、三维嵌入离散裂缝模型（3D Embedded Discrete Fracture Model, 3D-EDFM）、热传导模型以及SDVA粘度控制模型。通过这些模型的协同作用，可以更全面地描述酸液在裂缝和基质中的流动行为，以及其与地层的相互作用过程。此外，模型还考虑了酸液在裂缝中流动时的热效应，这对于理解酸液在裂缝中的反应机制和分流行为具有重要意义。

在模型构建过程中，首先需要对裂缝和基质的结构进行详细的表征。裂缝网络的复杂性决定了酸液在其中的流动路径和分布情况，而基质的孔隙结构则影响酸液在裂缝外的渗透行为。因此，模型需要能够准确反映裂缝与基质之间的相互作用，包括裂缝与基质之间的流体连通性、酸液在裂缝中的流动阻力以及基质中酸液的扩散情况。同时，模型还需考虑酸液在裂缝中的热效应，因为酸液与岩石之间的反应会产生热量，进而影响酸液的粘度和流动行为。

在模型验证过程中，研究人员采用了SDVA酸液在裂缝碳酸盐岩储层中的酸化模拟实验，并将结果与之前由Liu等人（2015）进行的二维SDVA酸化模拟进行了对比。实验结果显示，SDVA在不同注入速率下形成的裂缝路径呈现出较为均匀的分布特征，与传统HCl酸化形成的复杂、分支较多的裂缝路径相比，SDVA形成的裂缝更长、更细，且分支较少。这种差异主要源于SDVA在酸液流动过程中对粘度的控制能力，使其能够在裂缝中形成较为均匀的渗透路径，而不会像HCl那样优先进入高渗透区域。

此外，研究人员还通过改变注入速率、裂缝渗透性、酸液注入温度以及基质孔隙异质性等参数，对SDVA酸化过程进行了系统的敏感性分析。结果显示，较高的注入速率有助于酸液在储层中形成较为均匀的扩散路径，而较低的注入速率则可能导致酸液在裂缝中形成较为集中的渗透通道。同时，裂缝的渗透性对酸液的流动路径具有显著影响，高渗透裂缝更容易引导酸液进入，而低渗透裂缝则可能成为酸液流动的瓶颈。在酸液注入温度方面，较高的初始岩温会削弱SDVA的分流效果，这可能是由于高温环境下酸液的粘度降低，从而影响其在裂缝中的流动阻力和分布能力。

基质孔隙异质性也是影响SDVA酸化效果的重要因素。在基质孔隙结构较为复杂的情况下，SDVA能够更有效地控制酸液的流动路径，使其均匀地渗透到各个区域，而HCl则更容易在高渗透区域形成局部的酸液集中，导致低渗透区域的酸液分布不足。这种差异表明，SDVA在处理具有复杂孔隙结构的储层时，能够提供更均匀的酸液分布，从而提高整体的酸化效率。

在裂缝网络较为发达的储层中，SDVA的分流效果更为显著。研究发现，当储层中存在大量相互连通的裂缝时，SDVA能够更有效地引导酸液进入未被处理的区域，而不会像传统酸液那样在高渗透裂缝中形成过度的扩散。这种特性使得SDVA在处理具有复杂裂缝网络的碳酸盐岩储层时，具有更强的适应性和有效性。

然而，尽管SDVA在许多方面表现出优于传统酸液的性能，但在实际应用中仍面临一些挑战。例如，在高温高压条件下，SDVA的粘度可能会受到较大的影响，从而影响其分流效果。此外，SDVA的性能还受到多种因素的影响，包括表面活性剂的类型、浓度、添加剂、盐度、温度和剪切速率等。因此，在实际应用中，需要对这些参数进行优化，以确保SDVA能够充分发挥其分流优势。

为了进一步验证模型的准确性，研究人员还对SDVA酸化过程中的关键参数进行了详细的分析。例如，在模型中，研究人员计算了不同注入速率下酸液在裂缝中的扩散情况，并发现SDVA在较低注入速率下能够形成更长、更细的裂缝路径，而在较高注入速率下则能够形成较为均匀的扩散模式。这一发现为SDVA在不同储层条件下的应用提供了理论依据，同时也为优化酸化参数提供了参考。

在热传导模型的应用方面，研究人员发现，SDVA酸液与岩石之间的反应会释放热量，这种热量集中在裂缝区域，可能会影响酸液的流动行为。因此，在模型中，热传导的模拟对于理解酸液在裂缝中的流动路径和反应机制具有重要意义。此外，研究还发现，初始岩温对SDVA的分流效果具有显著影响，较高的初始岩温可能会导致酸液粘度的降低，从而削弱其分流能力。

总的来说，本研究通过构建一个综合性的数值模型，成功地模拟了SDVA在裂缝碳酸盐岩储层中的酸化过程。该模型能够准确反映酸液在裂缝和基质中的流动行为，以及其与地层的相互作用过程。通过与传统HCl酸化的对比分析，研究人员发现SDVA在多种条件下均表现出更强的分流能力，能够更均匀地分布酸液，提高酸化效率。然而，模型的构建和应用仍然存在一些局限性，例如在实验室规模的岩心样本中，难以完全模拟自然裂缝网络的复杂性，因此需要进一步的实验和模拟研究来完善模型的准确性。

此外，本研究还指出了一些尚未解决的关键问题，包括酸液在裂缝尺度上的扩散机制、凝胶堵塞区的形成动力学以及在异质裂缝条件下酸液的引导机制等。这些问题的深入研究将有助于进一步优化SDVA酸化技术，提高其在实际应用中的效果。未来的研究方向可能包括开发更精确的模型来模拟酸液在裂缝中的流动行为，以及探索不同类型的表面活性剂对SDVA性能的影响，从而为酸化技术的进一步发展提供理论支持和技术指导。