Matrix acidizing refers to one of two stimulation processes in which acid is injected into the well penetrating the rock pores at pressures below fracture pressure.
2. Stimulation technique widely used for sandstones and
carbonates;
In both, the same principle is applied (chemical dissolution) but
several
differences appear;
– Carbonates → Distinct dissolution patterns → Wormholes.
Face dissolution → Conical wormhole → Dominant wormhole → Ramified wormhole → Uniform
dissolution
2
5. Experimental Studies → Williams et al. (1979),
Daccord et al. (1987, 1993a, 1993b), Lund et al. (1973,
1975), Hoefner and Fogler (1989), Wang (1993), Prick
(1994), Bazin et al. (1995), Fredd and Fogler (1998),
Bazin (2001), Golfier et al. (2002), Ziauddin and Bize
(2007), Tardy et al.(2007), Omer Izgec (2009), Mehdi
Gommem (2015)
Mathematical Modeling Studies → Capillary Tube
Model, Fractal and Dimensionless Model, Network
Model, Continuum (Averaged) Model
5
6. Capillary Tube Model: Hung et al.
(1997), Buijse (1997), Huang et al.
(1999, 2000)
Fractal and Dimensionless Model:
Dacord (1993), Kurmayr (1992),
Pichler et al. (1992) Fred and
Fogler (1999)
Network Model: Hoefner and
Fogler (1988), Fred and Fogler
(1998)
Continuum (Averaged) Model:
Golfier et al. (2002), Panga (2005),
Kalia (2008), Cohen et al. (2008),
Maheshwari (2013)
6
7. a two-scale continuum model is used to describe the
reactive dissolution phenomenon and capture the
physics at both:
Darcy Scale Model
Pore Scale Model
7
8. Darcy Equation𝑈 = −
1
𝜇
𝐾 . 𝛻𝑝,
Continuity
𝜕𝜀
𝜕𝑡′
+ 𝛻. 𝑈 = 0,
Acid Transport
𝜕(𝜀𝐶𝑓)
𝜕𝑡′
+ 𝛻. 𝑈𝐶𝑓 = 𝛻. 𝜀𝐷𝑒. 𝛻𝐶𝑓 − 𝑘 𝑐 𝑎 𝑣(𝐶𝑓 − 𝐶𝑠),
Reaction Rate → first order
irreversible reaction
𝑘 𝑐 𝐶𝑓 − 𝐶𝑠 = 𝑅(𝐶𝑠), (R(Cs) = ks Cs )
Porosity Variation
𝜕𝜀
𝜕𝑡′
=
𝑅(𝐶𝑠)𝑎 𝑣 𝛼
𝜌𝑠
,
8
effect of local volume change
during dissolution on the flow
field
This equation balances the
amount of reactant
transferred from fluid phase to
the wall and the amount reacted
at the wall.
The fourth term describes the
transfer of acid species from the
fluid phase to the fluid-solid
interface
9. 9
the quantities 𝑲, 𝑫 𝒆 , 𝒌 𝒄 , and 𝒂 𝒗 obtained from such a
calculation can be used as inputs from the pore scale model
to the Darcy scale model.
Structure-Property Relations (𝑲, 𝒂 𝒗)
Mass-Transfer Coefficient (𝒌 𝒄)
Fluid Phase Dispersion Coefficients (𝑫 𝒆)
10. 10
The structure-property relations may
also not be accurately representative of
the different types of carbonates that
exist.
Semi-Emphirical model
β is used to account Carman-Kozney
relation for dissolution (obtain
experimentally).Permeability change
𝐾
𝐾0
=
𝜀
𝜀0
(
𝜀(1 − 𝜀0)
𝜀0(1 − 𝜀)
)2𝛽,
Pore radius change
𝑟𝑝
𝑟0
=
𝐾𝜀0
𝐾0 𝜀
,
Interfacial area change
𝑎 𝑣
𝑎0
=
𝜀𝑟0
𝜀0 𝑟𝑝
,
MurtazaZiauddin
11. 11
Transport of the acid species from the fluid phase
to the fluid-solid interface inside the pores.
The value of 𝒌 𝒄 determines if the reaction is
mass-transfer or kinetically limited.
Sherwood number is the dimensionless mass-
transfer coefficient:
𝑆ℎ =
2𝑘 𝑐 𝑟 𝑝
𝐷 𝑚
= 𝑆ℎ∞ + 0.35(
𝑑ℎ
𝑥
)0.5 𝑅𝑒 𝑝
1/2
𝑆𝑐1/3,
Sc=ν/Dm
Depend on the structure of the porous medium
(Diffusion)
depends on the local
velocity
(Convection)
12. 12
For homogeneous, isotropic porous media, the dispersion
tensor is characterized by two independent components,
namely, the longitudinal, 𝐷𝑒𝑋 and transverse, 𝐷𝑒𝑇, dispersion
coefficients
For a well-connected pore network, random walk models and
analogy with packed beds spheres may be used to show that
𝐷 𝑇 =
𝐷 𝑒𝑇
𝐷 𝑚
= 𝛼 𝑜𝑠 + 𝜆 𝑇 𝑃𝑒 𝑝, 𝑃𝑒 𝑝 =
𝑈 𝑑ℎ
𝜀𝐷 𝑚
,
𝐷 𝑥 =
𝐷 𝑒𝑋
𝐷 𝑚
= 𝛼 𝑜𝑠 + 𝜆 𝑋 𝑃𝑒 𝑝, 𝑃𝑒 𝑝=
𝑈 𝑑ℎ
𝜀𝐷 𝑚
,
Depends on the structure of the
porous medium (for example,
tortuosity or connectivity between
The parameter 𝛼 𝑜𝑠
may increase as the
tortuosity decreases.
21. 21
Study the density of wormholes.
Compare 2D and 3D simulations, in
both linear and radial geometry.
22. 22
First, the use of alternate boundary
conditions for concentration and flow.
It is found that heterogeneity in a rock
affects not only the structure of the
patterns formed during reactive
dissolution but also the amount of acid
required to achieve a given increase in
permeability.
The amount of acid required to
breakthrough is found to depend on the
initial rock porosity and dimensions of the
rock being acidized.
Using a heterogeneity parameter, ϖ as a
product of the heterogeneity magnitude
and length scale
23. 23
Develop an empirical rheological
model to describe the variation of the
viscosity of in-situ cross-linked acids
with temperature, shear rate and pH.
Analyze wormhole formation in single
and dual core set-ups.
2D and 3D
Newtonian acidsin-situ cross-linked acids (ICA)
24. 24
Present 3-D simulations of wormhole
formation in carbonate rocks.
Define new two-parameter structure-
property relation (pore-connectivity
and pore-broadening).
Work on vuggy and unvuggy
carbonate (Omer Izgec is also worked
on this type of rock)
Study of flow dynamics inside a
wormhole.
Study the reactive dissolution of
carbonate rocks with nongelled, gelled,
and emulsified acids in three
dimensions
25. 25
Effect of variation of the viscosity of in-situ cross-linked acids
with temperature, shear rate and pH.
2D -> 3D
Comparison with core flooding experiments
Editor's Notes
هیدروکلریک اسید معمولترین اسید مورد استفاده در سنگهای کربناته میباشد. علاوه بر هیدروکلریک اسید که یک اسید معدنی میباشد، از اسیدهای آلی نیز در اسیدکاری سنگهای کربناته مورد استفاده قرار میگیرد. از جمله اسیدهای آلی که در اسیدکاری سنگهای کربناته مورد استفاده قرار میگیرند میتوان به استیک اسید، فرمیک اسید و سیتریک اسید اشاره کرد (مورتن بیجز، 2004). زمانی که اسید به داخل سنگِ متخلخل نفوذ میکند، با حل کردن سنگ کانالهای تراوایی به نام کرمچاله را به وجود میآورد.
در مورد بحث تفاوت مدل اسیدکاری سنگ های کربناته و ماسه سنگی تحقیق کردم، تفاوت در این می باشد که در اسیدکاری سنگ های کربناته علاوه بر اینکه به خاطر نوع اسید مصرفی واکنش متفاوت می باشد، واکنش نیز خیلی سریع می باشد و چون واکنش خیلی سریع می باشد باعث می شود ما دو غلظت در مدل تعریف کنیم، یکی غلظت در سطح سنگ و سیال و یکی دیگر غلظت توده سیال. چون وقتی واکنش سریع باشد اسید نزدیک سطح سنگ سریع غلظت خود را از دست می دهد و چون این غلظت تفاوت چشم گیری با غلظت توده ی سبال دارد و برای همین از گرادیان غلظت استفاده می شود. ولی در اسیدکاری ماسه سنگی چون این اسیدکاری دارای واکنش آهسته می باشد از غلظت میانگین (یعنی یک غلظت) که بیانگر کل غلظت سیال چه در سطح سنگ و چه در توده سیال تعریف میکنیم. از طرف دیگر معادله افزایش تخلخل که ناشی از خورده شدن اسید توسط اسید می باشد در ماسه سنگی با کربناته متفاوت می باشد.
رژیمهای انحلال
انحلال محیط متخلخل فرآيندي ناپايدار و مشابه پديدهي انگشتی شدن است که به تشكیل مسیرهایي با تراوایی بالا كه به اصطلاح کرمچاله نامیده میشوند، منجر میشود. وقتی كه بخشی از محیط متخلخل حل میشود، تراوایی محلی افزايش يافته و در نتیجه انتقال جرم نیز بیشتر میشود كه اين دو به انحلال بیشتر منجر میشود. ساختار اين مسیرهاي كرمی شكل به شدت به نرخهاي انتقال جرم و سینتیک واكنش سطحی بستگی دارد كه براي سیستمهاي مختلف سیال/كانی، تفاوت قابل ملاحظهای دارد. ساختارهاي انحلال مطابق شكل 2 با تغییر در نرخ تزريق از ساختار سطحی )يا حل شدن كامل محیط متخلخل در معرض سیال تزريقی (و مخروطی در نرخهاي تزريق پايین، تا ساختارهاي شاخهاي و ساختار يكنواخت در نرخهاي تزريق بالا تغییر میكنند. در نرخهاي تزريق متوسط يک مسیر كرمی شكل غالب بدست میآيد كه تشكیل اين مسیر غالب، كارآمدترين ساختار انحلال در اسیدكاري به شمار میرود؛ زيرا در اين حالت، مطابق شكل 3، حجم سیال مورد نیاز براي میانگسست اسید تزريقی به كمترين مقدار خود میرسد (فرد، 2000).
در نرخهای تزریق پایین، بیشتر اسید قبل اینکه بتواند داخل محیط نفوذ کند مصرف میشود، برای همین انحلال سطحی رخ میدهد. زمانی که اسید در نرخ بسیار بالایی تزریق میشود، باعث نفوذ بیشتری داخل محیط میشود اما به دلیلِ عدمِ مدت زمان کافی تماس، انحلال یکنواخت به وجود میآید.
نوع الگوی انحلال بر روی آسیب سازند نیز تاثیر میگذارد و باعث کاهش مقدار آن میشود چراکه این نوع الگو انحلال است که مشخص میکند میزان عمق نفوذ اسید چقدر باشد (شکل 4). بیشترین کاهش آسیب سازند در حالت الگوی غالب مشاهده شده است و زمانی به وجود میآید که نرخ تزریق بهینه باشد.
Williams et al. (1979) where acid injection at highest possible flow rate was recommended to avoid face dissolution near the well-bore.
Experiments in radial and linear cores made of plaster were performed by Daccord et al. (1987, 1993a, 1993b) by injecting water into plaster.
Lund et al. (1973, 1975) and Hoefner and Fogler (1989) conducted similar experiments in limestone and dolomite cores by injecting hydrochloric acid (HC1) from one end of the linear core.
Wang (1993) performed experiments to study the influence of rock mineralogy, acid concentration and temperature on optimum injection rate
Bazin et al. (1995) found that different types of dissolution patterns were formed for different injection rates. They also studied heterogeneity by studying different types of carbonates and concluded that heterogeneity does not affect the type of dissolution pattern at a certain injection rate.
Fredd and Fogler (1998) conducted experiments on limestone cores using different acids. The various acids used in the study had significantly different reaction and transport rates when compared to HC1.
The coreflow experiments reported by Bazin (2001) were conducted for both constant flow rate and constant pressure conditions.
Recently, Ziauddin and Bize (2007) conducted coreflow experiments similar to the ones conducted by Bazin et al. (1995) on different types of carbonates.
Tardy et al. (2007) conducted acidizing experiments under linear and radial conditions and proposed a ID averaged model for radial flow using data from linear experiments
مدلهای لوله موئینه: اين مدلها مسیرهاي كرمی شكل بوجود آمده در اثر انحلال محیط متخلخل را به صورت لولههاي موئینه در نظر گرفته و مكانیزمهاي انتقال و واكنش را با هدف بررسی نحوه پیشروي اين مسیرها بررسی میكنند. جريان سیال درون اين لولهها طبق رابطه هیگن-پوازيه براي جريان آرام درون يک لوله تعريف میشود. اسید با ديواره لوله واكنش داده و انحلال به صورت افزايش شعاع لوله تعريف میشود. نمونهاي از مدلسازيهاي انجام شده به صورت لولههاي موئینه، تحقیقاتی است كه توسط هونگ و همكاران (1997)، بوجس (1997)، هوانگ و همكارانش (1999، 2000) ارائه شده است. عمده كاربرد اين مدلها، بررسی اثر مسیرهاي مجاور روي رشد مسیر كرمی شكل اصلی است كه نشان میدهد تا چه اندازه تشكیل مسیرهاي موازي میتواند در عملكرد كلی انحلال محیط متخلخل اثرگذار باشد. علاوه بر اين، مطالعه پارامترهاي نظیر اثر هدررفت سیال و سینتیک واكنش روي رشد مسیرهاي كرمی شكل نیز در اين مدلها انجام شده است. اين مدلها اگرچه به درك هرچه بیشتر پیچیدگیهاي اسیدكاري در سنگهاي كربناته كمک میكنند، اما از مكانیزمهاي انتقال و واكنش در مقیاس حفره كه روي شرايط بهینه تزريق اثرگذارند، صرفنظر میكنند. ضمن آن كه اين مدلها با فرض وجود داشتن مسیرهاي كرمی شكل به بررسی اثر آنها روي يكديگر و سرعت پیشروي آنها پرداخته و قابلیت پیشبینی شرايط شكلگیري مسیرهاي كرمی شكل و در نتیجه رژيمهاي انحلال را نداشته و نمیتوانند اثرات ناهمگنی را روي تشكیل مسیرهاي كرمی شكل نشان دهند.
مدل مقیاس مغزه یکی از این مدلها میباشد. در مطالعات انجام شده برای مدل کردن مجرای کرمچاله در مقیاس مغزه، هدف بررسی رشد و رقابت بین مجراهای مارپیچ بوده است. در این مدلسازی مجرای کرمچاله به صورت استوانهای در نظر گرفته شده و همانطور که در شکل زیر آمده در جهت طول و شعاع، روابطی برای رشد آن گزارش شده است. از نتایج قابل توجه محققین در این روش یافتن رابطه اندازه، طول و توزیع مجرای کرمچاله با مقدار اسید تزریق شده، نفوذ و سیال هدررفت میباشد.
مدلهای فرکتالی و پارامترهای بیبعد: در اين مدلها با استفاده از تركیب متغیرهاي اصلی و تشكیل پارامترهاي بیبعد، تلاش میشود تا پیچیدگیهاي ناشی از عوامل متعددي كه در اين موضوع دخالت میكنند، شكل سادهتري پیدا كند. مهمترين گروههاي بیبعد شناخته شده در اين مدلها، اعداد دمكولر، پكلت، ظرفیت اسید و عدد سینتیک هستند. به عنوان يكی از شاخصترين تحقیقات انجام شده در اين زمینه میتوان از تحقیقات داكورد (1993) نام برد كه با استفاده از شیوههاي مبتنی بر پارامترهاي بیبعد و تركیب آن با مفهوم فركتالها سرعت رشد مسیرهاي كرمی شكل را تخمین زد. همچنین فرد و فاگلر (1999) نیز با جمعآوري مجموعه گستردهاي از دادههاي آزمايشگاهی تلاش كردند تا با تعريف معیاري ساده براساس عدد بیبعد دمكولر، نرخ بهینه تزريق اسید را پیشبینی كرده و به اين ترتیب تمام پیچیدگیهاي فیزيكی و شیمیايی ناشی از انحلال محیط متخلخل را به سادهترين شكل ممكن خلاصه كنند. در نرمافزارهاي تجاري موجود كه در شركتهاي مختلف مورد استفاده قرار میگیرند نیز براي طراحی يک عملیات اسیدكاري مناسب و پیشبینی میزان بهبود عملكرد مخزن/چاه و كاهش ضريب پوسته، از مدلهاي فركتالی استفاده میشود.
مدلهای شبکهای: در اين مدلها، محیط متخلخل به صورت شبكهاي از لولهها در نظر گرفته میشود كه در گرهها به يكديگر متصل میشوند. اگرچه اين مدلها، روند مشاهدات آزمايشگاهی را پیشبینی میكنند، اما مقیاس طولی در آنها بگونهاي است كه استفاده عملی از آنها در مقیاس واقعی به لحاظ حجم محاسبات، بسیار زياد و زمانبر بوده و استفاده از آنها در مقیاس میدانی تقريباً غیرممكن است. مشكل ديگر مدلهاي شبكهاي، عدم توانايی در لحاظ كردن ادغام حفرات طی انحلال محیط متخلخل است كه باعث انحراف نتايج مدلسازي با نتايج واقعی میشود. نمونهاي از مدلسازيهاي انجام شده به صورت شبكهاي، تحقیقاتی است كه توسط هافنر و فاگلر (1988) و فرد و فاگلر (1998) ارائه شده است.
مدلمدلهای پیوسته: پانگا و همکاران (2005)، روشی را براي مدلسازي مسیرهای کرمیشکل تشکیل شده در طی اسیدکاري مخازن کربناته ارائه دادند. در این مدل که تطابق خوبی با داده هاي آزمایشگاهی داشت، اثر نفوذ، انتقال جرم از طریق توده سیال و سرعت واکنش در نظر گرفته شد. گِلَسبِرگِن و همکارانش (2005)، نرم افزار مدلسازي تزریق اسید به ماتریس را ارائه دادند. در این نرم افزار اثرات مختلفی از جمله اثر چند لایهاي بودن سازند وارد شد.کالیا و همکارانش (2007، 2009)، مدلی دو بعدي در مقیاس استوانهاي براي مدلسازي مسیرهای کرمی شکل ارائه دادند که اثرات ناهمگنی سازند در آن وارد شده بود. آنها دریافتند که ناهمگن بودن سازند نه تنها بر الگوي انحلال تاثیر گذار است، بلکه بر میزان اسید مصرفی براي رسیدن به یک تراوایی مشخص نیز موثر است. همچنین دریافتند که هر چه میزان ناهمگنی سازند بیشتر باشد، حجم اسید مصرفی کمتر است .کوهن و همکارانش (2008)، مدل ریاضی تزریق اسید به مخازن کربناته و تشکیل مسیرهای کرمیشکل را در دو و سه بعد در سیستم خطی و استوانهاي به روش عددي حل نمودند. مدل آنها نشان داد که پدیده تشکیل و رشد مسیرهای کرمیشکل نسبت به شرایط مرزي و هندسه محیط بسیار تاثیرپذیر میباشد. همچنین آنها دریافتند که سرعت بهینه تزریق در سیستم استوانهاي از سیستم خطی بالاتر است. مهشوری (2013، 2015) آنها مدل به دست آمده توسط پانگا (2005) که در دو بعد انجام گرفته بود را به صورت سه بعدی ارائه دادند و با حل این مدل به صورت سه بعدی، رژیمهای انحلال را در اسیدکاری سنگهای کربناته مشاهده کردند. آنها همچنین آنالیز حساسیت فرایند انحلال را نسبت به فاکتورهای متفاوتی مثل دبی تزریقی اسید، ثابت سرعت انحلال و خواص سنگ از قبیل مقدار اولیه تراوایی، ناهمگنی متفاوت و رابطه بین تخلخل-تراوایی ارائه دادند. در پایان آنها گزارش دادند که با استفاده از رابطههای متفاوت تخلخل-تراوایی، الگوهای انحلال، نرخ بهینه تزریق و PVBT تغییر کرده است.
The continuum model approach has also been adopted to model infiltration flow of a reactive fluid in a porous medium (Sherwood (1987), Chadam et al. (1986, 1988, 1991) and Hinch and Bhatt (1990)). A good description of the modeling of transport and flow in porous media can be found in Bear (1991) and Whitaker (1999). Froment and. Bischoff (1990) describe the modeling of reaction and transport in a porous medium in catalytic applications