組分模型數(shù)值模擬入門指南.doc

我一直在考慮怎么樣寫組分模型數(shù)值模擬入門指南。組分模擬要涉及到狀態(tài)方程（EOS）,閃蒸計算，熱動力方程等理論方面的知識。在實際做組分模擬時，你并不需要完全掌握這些知識，但你至少應(yīng)該有一定了解。我在后面會做一點簡單的介紹，但希望大家自己化些時間去學(xué)這部分知識。我寫的還是以應(yīng)用為主（這部分內(nèi)容可能是國內(nèi)出版的數(shù)模書籍中最缺乏的），大家需要參考其他組分模擬理論方面的書籍。做組分模擬前應(yīng)該有很好的黑油模擬的基礎(chǔ)。你應(yīng)該先把黑油模擬做好以后再開始做組分模擬。在我寫的過程中，我也假定你已經(jīng)很好地掌握了黑油模型。涉及到黑油方面的內(nèi)容時我不會做重復(fù)介紹。如果你有疑問，可以參照我以前寫的黑油模擬入門指南。關(guān)于組分模擬，大家首先會有下面一些疑問。為什么要做組分模擬？在什么情況下需要做組分模擬？組分模擬與黑油模擬有什么區(qū)別？組分模擬結(jié)果是不是一定比黑油模擬好？組分模擬用多少組分比較好？我先試著回答一下這些基本問題，然后我再介紹具體如何做組分模擬。我們都知道，地下的流體的組成實際上是非常復(fù)雜的，可能含有成百上千的組分。地下流體以油或氣相的形式存在。對于大多數(shù)油藏，我們基本上可以把地下流體分為兩個組分，及油組分和氣組分。油組分以油相的形式存在，氣組分以氣相的形式存在。兩個組分會發(fā)生物質(zhì)交換，及氣組分會溶解到油相，油組分也會從氣相揮發(fā)（油和氣都不會溶解于水）。 這兩個組分之間的物質(zhì)交換可以用溶解油氣比和（或）揮發(fā)氣油比來表示。溶解油氣比和揮發(fā)氣油比都只是壓力的函數(shù)。地下油氣相的密度可以通過地面油氣相的密度，溶解油氣比以及體積系數(shù)來計算。油氣相的體積系數(shù)也只是壓力的函數(shù)。同樣地下油氣相的粘度也是壓力的函數(shù)。這就是我們所熟悉的黑油模型。對于大多數(shù)油藏，采用這樣的處理方式計算結(jié)果是有保證的。但并不是所有油藏都可以這樣處理。比如凝析氣藏，氣藏溫度很靠近臨界溫度，在開發(fā)過程中有許多獨特的特性。在井底附近，壓力低于露點壓力，油相（重組分）析出而且飽和度大于臨界含油飽和度，這時會發(fā)生油氣兩相流動。在遠離井底附近，可能壓力也低于露點壓力，但含油飽和度低于臨界含油飽和度，這時只有氣相發(fā)生流動。在氣藏中沒有油相的析出，只是純氣相流動。所以在井底會有三個流動帶，每個流動帶的特性都不同。我們需要用到組分模型計算每個流動帶的組分變化，是哪些組分從氣相析出，析出的組分含量，這樣我們可以計算出各個組分在油相和氣相中的含量，從而得到油氣相的飽和度，密度，粘度等屬性。這樣你的油氣屬性不像黑油模型那樣只是壓力的函數(shù)，在組分模型中它們同時也是組分的函數(shù).我在后面會專門用一個章節(jié)介紹如何模擬凝析氣藏，包括非達西流動，相滲曲線隨流速的變化，井底附近擬壓力處理等等。另一種需要用到組分模型的情況是注氣驅(qū)。對于黑油模型，任何注入氣都沒有區(qū)別。但實際上，不同的注入氣，驅(qū)替效率不同。如果是混相驅(qū)，不同的注入氣最小混相壓力也不同。我們必須知道注入氣的組成，才能更好的模擬驅(qū)替過程。其他一些需要用到組分模型的情形有揮發(fā)油藏的模擬，組分分布變化顯著的油氣藏模擬，地層溫度差別顯著的油氣藏以及機理性研究等。全球估計至少百分比七十以上的數(shù)值模擬模型都是黑油模型，組分模型不多。一個制約組分模型應(yīng)用的主要原因是計算時間。組分模型比黑油模型計算要慢很多。組分模型每一個時間步都要進行閃蒸計算，這部分計算可能占整個計算量的一半時間。組分越多，閃蒸計算所需要的時間越多。多一個組分，組分模型總計算時間可能會多出三倍。通常組分模型大都選用6到8個組分，不會更多。 1 。認識組分模型的輸出結(jié)果我之所以一開始就介紹對組分模型的輸出結(jié)果的認識是因為我認為這是非常重要的一部分。比如說你建的是組分模型，你在做歷史擬合，擬合油田產(chǎn)油量，產(chǎn)氣量。首先你就應(yīng)該知道模型計算的產(chǎn)油量，產(chǎn)氣量與你實際測量的產(chǎn)油量，產(chǎn)氣量是不是同一種情形。模型計算輸出的每口井產(chǎn)量都是針對分離器的產(chǎn)量。比如你有三級分離器，模型輸出的產(chǎn)油量是最后一級分離器時的產(chǎn)油量。模型計算輸出的產(chǎn)氣量是每一級分離器分離的氣量都折算到標(biāo)準(zhǔn)條件下的氣量之和。折算過程是用理想狀態(tài)方程：Psep*Vsep/Tsep = Pstd*Vstd/Tstdsep: 分離器std: 標(biāo)態(tài)P: 壓力V： 體積2T: 溫度有時候你可能要擬合濕氣的產(chǎn)量。模型計算輸出的濕氣產(chǎn)量是井口碳氫產(chǎn)量用理想狀態(tài)方程折算到標(biāo)態(tài)下的產(chǎn)量。你可以理解為分離器之前的碳氫產(chǎn)量。1摩爾理想氣體在標(biāo)態(tài)下占的體積為379.48立方英尺，那么濕氣產(chǎn)量就應(yīng)該等于井的摩爾產(chǎn)量乘以379.48。你最好先找一個你使用的軟件安裝自帶的組分模型，然后運行該模型，輸出計算的油，氣產(chǎn)量，濕氣產(chǎn)量，摩爾產(chǎn)量，每級分離器的油氣產(chǎn)量，然后自己手工算一下它們的關(guān)系。然后你可以嘗試改變分離器條件（你需要定井底壓力生產(chǎn)），你會發(fā)現(xiàn)你的油氣產(chǎn)量發(fā)生了變化，但濕氣產(chǎn)量并沒有發(fā)生變化。2 建立組分模型需要輸入的參數(shù)組分模型輸入?yún)?shù)大多數(shù)與黑油模型一樣。21： 模型網(wǎng)格改造： 完全一樣22： 模型網(wǎng)格屬性： 完全一樣23： 相滲曲線： 完全一樣24： 毛管壓力： 完全一樣25： 巖石壓縮： 完全一樣26： 分區(qū)設(shè)置： 基本一樣。但組分模型還可以設(shè)EOS分區(qū)。不同EOS分區(qū)可以賦不同的EOS參數(shù)。如果油田同時開采多套流體屬性不同的油氣藏，你可能需要進行EOS分區(qū)。不同EOS分區(qū)要求有相同的組分，比如如果一個EOS分區(qū)用了N2, CO2, C1, C2, C3, C456, C7+, 那么另一套EOS也應(yīng)該用這幾個組分，只不過對不同分區(qū)，它們的摩爾組成不同，EOS參數(shù)也可能不同。如果你要采用多個EOS分區(qū)，你最好將EOS分區(qū)和平衡區(qū)設(shè)為一致。否則的化你的模型可能不會穩(wěn)定。因為在組分模型中，你的油，氣相的密度，飽和度等都是由EOS狀態(tài)方程計算的，在進行初始化計算時，模型不光要保證壓力，飽和度平衡，同時要保證熱動力平衡（這部分在后面的模型初始化部分會詳細介紹）。你的EOS分區(qū)如果與平衡區(qū)不一致，很可能會導(dǎo)致流體初始不平衡。27： 流體參數(shù)：這是黑油模型和組分模型數(shù)據(jù)輸入差別最大的地方。 黑油模型輸入的是油，氣的體積系數(shù)，粘度與壓力的關(guān)系，油氣比與壓力的關(guān)系，這些關(guān)系都是以表的形式輸入，軟件在計算時直接查這些表，以及做相應(yīng)的內(nèi)插和外插值。但不做其他計算。組分模型完全不同，組分模型輸入的是EOS狀態(tài)方程參數(shù)。這些參數(shù)包括各個組分的命名，臨界溫度，臨界壓力，臨界Z因子，分子量，偏心因子，OMEGAA,OMEGAB,參考密度，參考溫度，二元相關(guān)系數(shù)，體積偏移等。同時需要輸入所應(yīng)用的狀態(tài)方程，油藏溫度，組分的組成或組分組成隨深度的變化。如果粘度計算采用LBC相關(guān)式，那么還需要輸入LBC系數(shù)。如果模擬混相驅(qū)的化，需要輸入等張比容來計算油氣相界面張力。油氣的面密度不需要輸入，只需要輸入水的地面密度，EOS狀態(tài)方程會計算油氣相的地面密度。如果地面EOS狀態(tài)方程參數(shù)與地下不同，那么可以輸入地面條件下的EOS狀態(tài)方程參數(shù)。模型在做地面分離器計算時，會應(yīng)用地面條件下的EOS狀態(tài)方程。28： 初始化設(shè)置：黑油模型和組分模型輸入?yún)?shù)很相近，但軟件初始化計算方法有所不同，我在后面會詳細介紹組分模型的初始化計算方法。在這部分還需要定義油田分離器條件。軟件應(yīng)用油田分離器條件計算地面儲量。29： 生產(chǎn)控制部分： 對于組分模型，對每口生產(chǎn)井或井組，需要定義生產(chǎn)井或井組對應(yīng)的分離器條件。軟件應(yīng)用地面分離器條件計算井的地面油氣產(chǎn)量。如果注氣的化，不光需要指定注入量控制，還需要指定注入氣的組分。如果是氣回注的化，只需要指定回注哪個井或井組的氣，氣的組分會自動計算。如果有些氣是用于出售或燃料，那么在計算回注量前，模型會先扣除這些氣量。3 準(zhǔn)備PVT數(shù)據(jù)我們上面說過，做組分模擬通常選用6個到8個組分就可以了。那么應(yīng)該選哪些組分？下面是建議的工作流程：31： 用你的PVT處理軟件先辟分加組分（C7+或C12+等）。32： 辟分完后擬合飽和壓力，擬合相圖，擬合實驗室結(jié)果。33： 組分合并。將辟分后的加組分合并為2到3個組分，保留C1為獨立組分，將中間組分（C2,C3,C4,C5,C6）合并為兩個組分。對于非烴類組分，可以合并到烴類組分或設(shè)為獨立組分。34： 重新擬合實驗室數(shù)據(jù)35： 輸出EOS參數(shù)。最好選用三參數(shù)狀態(tài)方程，兩參數(shù)狀態(tài)方程不能準(zhǔn)確預(yù)測液體密度。粘度計算最好選用Pedersen方法，此方法比LBC方法精確。4 PVT實驗擬合PVT實驗擬合時，掌握EOS狀態(tài)方程是基礎(chǔ)。EOS狀態(tài)方程有多種類型，比如二參數(shù)PR狀態(tài)方程，三參數(shù)PR3狀態(tài)方程，二參數(shù)SRK狀態(tài)方程，三參數(shù)SRK狀態(tài)方程，RK,ZJ,SW狀態(tài)方程等。不同的狀態(tài)方程有時候計算出來的結(jié)果差別可能很大，這其中最常用的是三參數(shù)PR3狀態(tài)方程。對于純組分（C1,C2,C3,iC4,nC4,iC5,nC5,C6)而言，隨著組分摩爾分子量的增加，組分的臨界溫度，沸點，臨界體積，偏心因子，液體密度都是增加的，而臨界壓力和臨界Z因子隨組分摩爾分子量的增加是減小的。如果在你擬合以后這種單調(diào)性發(fā)生了變化，那你的擬合肯定有問題。另外流體取樣有井底取樣和井口取樣，在做井底取樣時要保證樣品在飽和壓力以上。井口取樣通常是實驗室根據(jù)生產(chǎn)油氣比將井口的油樣和氣樣在實驗室生成代表油藏條件的樣品。當(dāng)然你不可能影響取樣，但你應(yīng)該知道你拿到PVT實驗報告的取樣流程。如果取樣有問題，樣品根本不能代表油藏流體，那你的擬合就白費力了。通常對不同的流體類型采用不同的PVT實驗。比如對黑油通常進行差異分離實驗（DL),等組分膨脹實驗（CCE),對凝析氣采用等容衰竭實驗（CVD)和等組分膨脹實驗（CCE)。另外還可能進行分離器實驗，如果注氣的化會進行一次接觸混相實驗，多次接觸混相實驗。你需要知道每個實驗是怎么做的，最重要的是你需要知道你拿到的實驗室報告結(jié)果中各相參數(shù)是如何定義的。比如你拿到的CCE實驗中報告中的液體飽和度是用的液體體積除以飽和壓力下的液體體積還是除以目前條件下的總體積。在你把你的實驗結(jié)果輸入到你采用的PVT分析軟件中時你要檢查它們用的定義是否一致。你的PVT擬合實際上就是用你的PVT軟件，調(diào)整EOS狀態(tài)方程參數(shù)，使你的PVT軟件用EOS計算的結(jié)果與你的實驗室測量結(jié)果匹配，然后把擬合好的EOS輸出給組分模型用于組分模擬的EOS和閃蒸計算。在你做PVT擬合時，你需要首先對你拿到的實驗結(jié)果進行質(zhì)量檢查，不合格的樣品和有問題的實驗數(shù)據(jù)根本沒必要費時間，你做也是白做，這樣的數(shù)據(jù)用于模擬帶來的問題更多。然后在擬合時你應(yīng)該知道應(yīng)該調(diào)整那個參數(shù)，如何調(diào)整各個參數(shù)，各個參數(shù)是如何影響結(jié)果的。最后是EOS的輸出。下面介紹PVT擬合的步驟：41：PVT實驗報告的質(zhì)量檢查 確認取樣壓力在飽和壓力以上，樣品可以代表油藏流體。 報告中所有組分摩爾百分數(shù)之和為100。 組分物質(zhì)平衡檢查。對CVD實驗，繪組分K值圖，組分的Log(K)與壓力。組分的K值圖應(yīng)該是單調(diào)變化的，組分K值線不會交叉，順序為N2,C1,CO2,C2,C3,iC4,nC4,iC5,nC5,C6 .Cn+.繪Hoffman-Crump-Hocott圖，Kp與F因子，所有組分應(yīng)該在一條直線上。檢查實驗結(jié)果的變化趨勢是否正確。比如在CVD或CCE實驗中液體密度隨壓力的降低應(yīng)該增加。檢查你的實驗報告中各項實驗結(jié)果的定義與你的軟件是否一致。CCE,CVD,DL實驗應(yīng)該在油藏體積，分離器實驗應(yīng)該在地面條件。42：選用哪個EOS狀態(tài)方程軟件通常提供許多EOS狀態(tài)方程，你至少應(yīng)該選用三參數(shù)狀態(tài)方程。常用的是三參數(shù)PR狀態(tài)方程43：給實驗結(jié)果設(shè)權(quán)值你拿到的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)很多，你可能不能將所有實驗結(jié)果都擬合好，你應(yīng)該知道哪些是你必須擬合好的。飽和壓力應(yīng)該是最重要的，飽和壓力對你的數(shù)模計算影響是最大的，你應(yīng)該給飽和壓力一個很大的權(quán)值，比如5000，以便EOS能首先擬合好飽和壓力。對凝析氣藏，CVD實驗中的液體析出量是非常重要的，如果你不能擬合好實驗，你很可能在數(shù)模時擬合不上生產(chǎn)油氣比。同樣你需要給CVD實驗中的液體析出量大的權(quán)值。分離器實驗也很重要，你也需要設(shè)大的權(quán)值，比如1000。分離器實驗直接與你的產(chǎn)量有關(guān)。對一些結(jié)果不可靠的實驗，你可以設(shè)很小的權(quán)值，比如0.5.44：在擬合時調(diào)整哪個組分的屬性通常你拿到的實驗室報告組分會做到C7+或C12+,也有做到C22+甚至更多組分的時候。在你擬合實驗結(jié)果時，你要知道有些組分屬性是不能調(diào)整的，比如純組分C1, C2, C3, IC4, NC4, IC5, NC5,C6以及H2O, H2S, N2, CO2, CO的臨界壓力，臨界溫度和偏心因子等這些應(yīng)該不會變化，在你擬合時不要調(diào)整這些參數(shù)。重組分（C7.C8.C9.)的臨界屬性不確定，你可以調(diào)整。你拿到的實驗室報告中最不確定的應(yīng)該是加組分的屬性（C7+,C12+等），加組分是大于此組分的無數(shù)組分的混合體，通常實驗室會給出加組分的摩爾分子量和指定重度，屬性來自于計算，不確定。因而對加組分屬性的調(diào)整是PVT擬合的首選。對加組分屬性的調(diào)整有以下方式：辟分加組分：加組分是大于此組分的無數(shù)組分的混合體，實驗室的測量根本不能精確描述加組分，通過辟分，將加組分辟分為幾個重組分，通常會較容易的擬合實驗室測量結(jié)果回歸加組分的摩爾分子量：這樣做的好處是使加組分的臨界壓力，臨界溫度等屬性變化是一致的?；貧w加組分的屬性：直接回歸加組分的臨界壓力，臨界溫度或偏心因子等屬性45：組分屬性如何影響結(jié)果組分的臨界壓力，臨界溫度，偏心因子影響飽和壓力和液體析出量，所以在你擬合飽和壓力和液體析出量時可以回歸組分的臨界壓力，臨界溫度或偏心因子組分的體積偏移（Volume Shift)影響Z因子和液體密度，在擬合Z因子和液體密度時回歸組分的體積偏移在回歸時你可以讓組分的體積偏移取決于組分的臨界壓力，臨界溫度，偏心因子，這樣調(diào)整組分的臨界壓力，臨界溫度或偏心因子時也影響Z因子和液體密度。組分的臨界Z因子或臨界體積影響LBC的粘度，在用LBC方法計算粘度時要回歸組分的臨界Z因子或臨界體積。注意粘度回歸是單獨進行的，你先把其他測量結(jié)果擬合好后再對粘度進行單獨回歸，粘度回歸不影響其他結(jié)果。二元相關(guān)系數(shù)的回歸一定要小心，不合理的回歸在進行組分模擬時會導(dǎo)致嚴重的收斂性問題。組分的Omega屬性也是可以進行回歸的。46：輸出EOS你擬合PVT的目的是為了給組分模擬提供EOS狀態(tài)方程。在擬合好以后你需要輸出EOS狀態(tài)方程。5 模型初始化組分模型同黑油模型一樣，可以采用平衡初始化方法，手工建立初始場分布方法和擬合初始含水分布方法。下面對各種方法進行一一介紹。51：平衡初始化方法：我們在黑油模型入門指南中介紹黑油模型的平衡初始化步驟為：（1）計算過渡帶高度。由油水界面和油氣界面深度以及相滲曲線提供的最大毛管壓力計算。（2）計算每一個網(wǎng)格初始的油相，水相，氣相壓力分布。首先將在流體屬性部分提供的油，氣，水地面密度折算為地下密度?；趨⒖键c的深度和對應(yīng)壓力以及油水界面，油氣界面深度，過渡帶高度，結(jié)合油，氣，水地下密度計算其他深度處的油，氣，水相壓力。（3) 由每個網(wǎng)格的油，氣，水壓力計算油水和油氣毛管壓力（4) 計算飽和度分布。這部分計算主要用你提供的相滲曲線端點值。將油水界面以下的含水飽和度設(shè)為你在油水相滲曲線中提供的最大含水飽和度，通常為1。將油氣界面以上的含氣飽和度設(shè)為你提供的油氣相滲曲線的最大值。油氣界面以上的含水飽和度為束縛水飽和度。在油區(qū)的含飽和度為1減束縛水飽和度。在過渡帶的含油和含水飽和度由你提供的毛管壓力曲線得到。組分模型的初始化與黑油模型有相同之處。組分模型也是先計算模型所有網(wǎng)格初始壓力，然后根據(jù)油水，油氣界面，毛管壓力曲線，相滲曲線端點值來計算初始飽和度的分布。不同之處在于組分模型不光需要保證初始壓力和飽和度場的平衡，同時也需要保證初始組分分布的平衡。組分是否平衡是通過狀態(tài)方程來計算的。你如果采用平衡初始化方法，你需要指定參考深度，參考深度對應(yīng)的壓力，油水界面，油氣界面信息。同時你也需要指定初始油相或氣相對應(yīng)某深度或隨深度變化的組分組成。如果你的油氣界面在油藏內(nèi)（初始是油氣兩相分布），你的參考深度應(yīng)該設(shè)在油氣界面，同時參考深度對應(yīng)的壓力應(yīng)該等于飽和壓力。你的輸入?yún)⒖級毫?，參考深度，油氣界面與你輸入的組分組成應(yīng)該匹配，否則很容易造成初始不平衡。比如你輸入的油氣界面在3000米，那么在3000米以下應(yīng)該是油相。但是如果狀態(tài)方式通過你輸入的組分組成計算結(jié)果在3000米以下是氣相，你的狀態(tài)方程計算的初始界面與你的油氣界面設(shè)置的油氣界面不同，你的模型初始分布不平衡。你或者需要修改油氣界面，或者需要修改參考壓力，或者該深度對應(yīng)的組分組成不對