复杂碳酸盐岩地热储层中酸处理的温-水-化学耦合模型

《Geoenergy Science and Engineering》：Thermo-hydro-chemical coupling model of acid treatment in complex carbonate geothermal reservoirs

针对碳酸盐地热储层酸处理中裂缝阻塞和反应热影响，本研究建立热-水-化学耦合模型，采用Stokes-Brinkman方程模拟酸流及wormhole形成，验证显示裂缝阻塞导致酸分流路径改变，降低处理效率，反应热显著加速酸岩反应和wormhole扩展，为优化酸处理提供理论支持。

　　碳酸盐岩地热储层中由于矿物结垢、颗粒迁移以及地球化学反应导致的渗透率下降，是影响增强地热系统（EGS）效率的关键挑战。为了应对这一问题，酸处理技术被广泛用于通过溶解堵塞物并形成虫洞（wormholes）来恢复储层渗透性，从而提高流体流动和热传递能力。然而，现有的酸化模型往往忽略了裂缝堵塞和反应热的影响，这限制了其在复杂储层中的应用。因此，本研究开发了一种热-水-化学耦合模型，该模型在二维裂缝碳酸盐岩地热储层的框架下，综合了流体力学、酸传输、热效应以及酸-岩反应，以更准确地模拟虫洞的形成过程。通过网格独立性研究确保了数值计算的稳定性，并将模型与已发表的实验数据进行对比验证，确认了其在预测酸-岩相互作用方面的可靠性。

酸处理在地热储层中的应用不仅涉及化学反应，还受到流体动力学和热力学的多重影响。特别是在高温环境下，反应热对酸的消耗速率和溶解模式具有显著作用。研究表明，裂缝堵塞会显著改变酸的流动路径，当堵塞裂缝的渗透率低于周围基质时，酸可能会绕过这些裂缝，从而增加酸处理的成本。此外，裂缝的几何形态、堵塞情况以及温度等因素均会影响虫洞的传播路径和分布模式。这些发现强调了实时监测裂缝状态的重要性，因为注入压力或生产流速的突然变化可能预示着堵塞的形成，需要及时采取干预措施。

本研究在流体流动模型中采用了Stokes-Brinkman方程，该方程结合了Navier-Stokes方程和Darcy定律的优点，适用于描述裂缝、虫洞以及复杂剪切流中的流体流动行为。传统的Darcy定律在描述裂缝中的非达西流时存在局限，而Navier-Stokes方程则适用于高雷诺数和自由流动区域，计算成本较高。因此，Stokes-Brinkman方程提供了一种在精度和计算效率之间取得平衡的解决方案。通过引入伪裂缝（pseudo-fractures）的概念，模型能够更真实地反映裂缝中的流体行为，包括粘性效应、惯性效应以及粘性剪切引起的动能耗散。同时，模型还结合了Garman-Kozeny经验关系，用于关联渗透率和孔隙度，从而更准确地模拟酸在裂缝和基质中的传输过程。

在模型验证过程中，研究团队对比了模拟结果与Panga等人（2005）进行的酸化实验数据。实验使用了直径为3.8厘米、长度为10.2厘米的碳酸盐岩岩心，初始孔隙度为0.15至0.2，渗透率为0.8至2毫达西。酸液在常温（22摄氏度）下注入，模拟结果与实验数据在虫洞形态和分布方面表现出高度一致性。这一验证过程不仅证明了模型的可靠性，还为酸化过程的数值模拟提供了重要的参考依据。通过模型的建立，研究人员能够更深入地理解裂缝堵塞和反应热对酸处理效果的影响，为优化酸化策略提供理论支持。

裂缝和溶洞（vugs）的存在显著增加了碳酸盐岩地热储层的复杂性，这些结构对虫洞的传播路径产生重要影响。裂缝的形态、位置、宽度、长度、方向以及数量都会影响虫洞的形成和分布模式。例如，狭窄的裂缝可能更有利于初始虫洞的形成，而水平裂缝则可能影响虫洞的扩展方向。溶洞作为储层中的另一种重要结构，同样会对虫洞的传播产生影响。研究表明，裂缝和溶洞的分布模式决定了酸在储层中的流动路径，从而影响最终的渗透性改善效果。因此，在酸化过程中，必须充分考虑裂缝和溶洞的几何特性，以提高酸处理的效率和经济性。

本研究还强调了反应热在虫洞形成过程中的作用。在高温地热环境中，酸-岩反应释放的热量可能加速酸的消耗，并改变其溶解模式。温度的升高不仅影响酸的反应速率，还可能影响流体的粘度和流动特性，进而影响酸在储层中的分布和虫洞的形成。因此，在酸化模型中，必须将温度变化、反应热生成以及化学反应过程耦合在一起，以更准确地模拟储层中的物理和化学过程。通过引入热力学定律，模型能够描述酸-岩反应产生的热量如何影响储层的温度场，并进一步影响流体流动和虫洞的扩展。

此外，研究还探讨了裂缝堵塞对酸处理效果的影响。裂缝堵塞不仅会改变流体的流动路径，还可能影响酸的分布和反应效率。当裂缝的渗透率下降时，酸可能无法有效进入裂缝，导致其在基质中扩散，从而影响虫洞的形成。这种现象在实际应用中可能导致酸处理成本的增加，因为需要更多的酸来达到预期的渗透性改善效果。因此，模型的建立不仅有助于理解酸处理过程中的物理和化学机制，还能够为优化酸处理策略提供重要依据。通过模拟不同裂缝堵塞情况下的酸处理效果，研究人员可以更好地评估储层的渗透性变化，并预测酸处理的最佳方案。

在实际应用中，酸处理的效率不仅取决于模型的准确性，还受到多种因素的影响，包括酸的浓度、类型、注入速度以及储层的物理化学性质。例如，高浓度的酸可能在短时间内产生较大的溶解效果，但同时也可能对储层造成较大的损害。因此，在酸化过程中，必须平衡酸的浓度和注入速度，以确保在有效提高渗透性的同时，避免对储层造成不必要的破坏。此外，储层的温度和压力条件也会影响酸的反应速率和流体的流动特性，因此在酸处理设计中，必须充分考虑这些因素。

本研究提出的热-水-化学耦合模型，不仅能够更准确地模拟酸处理过程，还能够为地热储层的开发和管理提供理论支持。通过结合流体力学、热力学和化学反应的基本原理，模型能够更全面地描述酸在储层中的流动和反应过程，从而提高酸处理的预测能力和优化效果。此外，模型的验证过程表明，其在预测虫洞形态和分布方面具有较高的可靠性，这为实际工程应用提供了重要的参考依据。在未来的研究中，模型的进一步完善和扩展，特别是在三维裂缝分布和复杂储层结构的模拟方面，将有助于更全面地理解酸处理过程，并提高其在实际应用中的效果。

总的来说，本研究通过开发一种热-水-化学耦合模型，深入探讨了裂缝堵塞和反应热对酸处理效果的影响，为碳酸盐岩地热储层的酸化提供了新的理论视角和方法支持。模型的建立不仅有助于提高酸处理的效率，还能够为增强地热系统的可持续发展提供科学依据。随着地热能源在全球能源结构中的重要性不断提升，研究如何优化酸处理技术，提高储层渗透性，将成为未来地热开发研究的重要方向。本研究的结果为这一领域的发展提供了重要的理论基础和技术支持，具有广泛的工程应用价值。