基于数值法的三维缝洞溶蚀演化主控因素研究

朱欣月; 李三百; 冯夏庭; 康志江; 樊洪卓; 黄孝特

doi:10.11932/karst20210604

基于数值法的三维缝洞溶蚀演化主控因素研究

doi: 10.11932/karst20210604

1.
东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁沈阳 110819
2.
中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083

基金项目:

国家自然科学基金项目 51804064

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 N170103010

详细信息

作者简介:
朱欣月（1994-），女，硕士研究生，研究方向：岩溶演化数值模拟。E-mail:163260566@qq.com。

通讯作者:
李三百（1987-），男，博士，讲师，主要从事岩溶演化、水力压裂等方向的研究工作。E-mail:sanbail@uci.edu。

中图分类号: P618.13
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2019-09-23
- 发布日期: 2021-12-25
- 刊出日期: 2021-12-25

Numerical investigation on the main controlling factors of the dissolution evolution of three-dimensional fracture-cavity reservoirs

1.
Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines，Shenyang，Liaoning 110819， China
2.
Petroleum Exploration &Production Research Institute，Beijing 100083， China

Funds:

51804064

N170103010

摘要

摘要: 碳酸盐岩储层油气储量丰富，经过长期的地质构造运动形成了复杂的缝洞结构，给油气开采工作带来了一定的难度，针对这一工程问题本文采用自主研发的岩溶演化模拟软件KarstEvolSys为数值模拟工具，研究裂缝密度和降雨补给量对碳酸盐岩岩体溶蚀演化的影响，通过控制嵌入基质体中的裂缝数量和水流补给到系统中的流速来完成模拟。研究发现：当降雨补给量不变时，基质体内嵌入的裂缝条数越多，每一裂缝捕获水流量越少，从而导致裂缝系统开度增加速率减慢，岩体的溶蚀速率变缓；当对同一岩溶系统分别补给不同的降雨量时，由于水流对系统中Ca²⁺浓度的稀释作用，促进了水岩化学反应，加速了含CO₂的水流对裂缝壁的溶蚀，导致岩体溶蚀速率随着降雨补给量的增加而增加。
- 岩溶演化 /
- 三维离散裂缝 /
- 岩溶数值模拟 /
- 碳酸盐岩缝洞油藏 /
- 水岩反应
Abstract: Carbonate reservoir is rich in oil and gas reserves； however， the complex fracture and cave structure of the carbonate reservoir， forming through a long-term geological structural movement， lead to some difficulties in oil and gas exploitation. For this engineering problem， we use an in-house numerical model-KarstEvolSys to study the effects of fracture density and the magnitude of rainfall on the dissolution of carbonate rocks. Numerical simulations have been performed by controlling the number of fractures embedded in the matrix and the velocity supply to the fracture system. Our results show that the more fractures embedded in the matrix， the less water flow captured by each fracture， which leads to a relatively slow increase of the fracture aperture when the fracture density increases. When the magnitude of rainfall remains constant， the dissolution rate of rock mass becomes slow accordingly. If the same karst system is supplied by different amounts of rainfall， the water would dilute Ca²⁺ concentration in the system，speeding up the water-rock reaction. Therefore， the increasing rainfall would lead to a higher dissolution rate of the rock mass.
- karst evolution /
- three-dimensional discrete fracture /
- karst numerical simulation /
- carbonate fracture-cavity reservoir /
- water-rock reaction
注释:

1) 朱欣月，李三百，冯夏庭，等.基于数值法的三维缝洞溶蚀演化主控因素研究［J］.中国岩溶，2021，40（6）：943-951.

2)

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图 1 初始裂缝分布及对应的水流汇聚点和排泄点位置

Figure 1. Initial distributions of fracture network and locations of the recharge and discharge points

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图 2 不同裂缝密度裂缝系统中Ca²⁺浓度云图

Figure 2. Cloud maps of Ca²⁺ concentration in fracture systems with different fracture densities

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图 3 水流汇聚点周围Ca²⁺浓度曲线图

Figure 3. History curve of Ca²⁺ concentration around the recharge point

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图 4 不同裂缝密度裂缝系统开度云图

Figure 4. Cloud map of fracture system aperture with different fracture densities

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图 5 水流汇聚点周围裂缝开度曲线图

Figure 5. History curve of aperture around the recharge point

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图 6 不同裂缝密度裂缝系统渗透率云图

Figure 6. Permeability distribution of the fracture system with different fracture densities

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图 7 不同裂缝密度裂缝系统渗透率变化曲线图

Figure 7. Permeability curves of the fracture system with different fracture densities

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图 8 不同降雨量补给条件下裂缝系统中Ca²⁺浓度云图

Figure 8. Cloud maps of Ca²⁺ concentration in the fracture system under different rainfall recharge conditions

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图 9 不同降雨量补给条件下Ca²⁺浓度变化曲线图

Figure 9. History curve of Ca²⁺ concentration under different rainfall recharge conditions

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图 10 不同降雨量补给条件下裂缝系统开度云图

Figure 10. Cloud maps of the fracture aperture under different rainfall recharge conditions

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图 11 不同降雨量补给下汇聚点周围裂缝片开度变化曲线

Figure 11. History curve of the fracture aperture around convergence points under different rainfall recharge conditions

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图 12 不同降雨量补给条件下裂缝系统渗透率云图

Figure 12. Permeability cloud maps of the fracture system under different rainfall recharge conditions

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图 13 不同降雨量补给条件下裂缝系统渗透率变化曲线图

Figure 13. Permeability curves of the fracture system under different rainfall recharge conditions

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表 1 模型参数表

Table 1. Model parameters

模型参数	数值
平衡浓度c_eq/mol⋅m^-3	3.32
CO₂分压P/MPa	0.5
初始温度T/℃	10
初始缝宽d /m	0.000 2
降雨补给量q /mm⋅y^-1	600
裂缝系统渗透率/mD	1.1×10^-3
基质体渗透率/mD	1.0×10^-4
初始孔隙度/%	0.24
基质颗粒体积模量/MPa	1.0×10⁶
局部质量交换系数kc/m⋅s^-1	2.0×10^-3
Sherwood数Sh（-）	8.24
分子扩散系数D /m²⋅s^-1	3.6×10^-9
流体黏度μ/cP	1.307 7
流体密度ρf/kg⋅m^-3	0.999 728×10^-3
初始比表面积a0/m²⋅m^-3	5 000

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