精細油藏數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、精細油藏數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢教師：王慶學生：扎紫拉學號：2012030012 中國石油大學（北京）前言油藏數(shù)值模擬是一門工程應(yīng)用學科。它立足于流體在多孔介質(zhì)中的滲硫理論，利用數(shù)值物理方法，通過編制計算機軟件來求解油藏流體滲硫問題。油藏數(shù)值模擬技術(shù)自20世紀50年誕生至今，隨計算機應(yīng)用數(shù)學和油藏工程的發(fā)展而不斷發(fā)展，目前已成為油田開發(fā)方案設(shè)計，動態(tài)分析和油藏開發(fā)中后期方案調(diào)整的有效工具，在各油田開發(fā)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。油藏數(shù)值模擬是油藏管理環(huán)節(jié)中必不可少的部分。油藏管理的根本是在一個良好開發(fā)的油田中決定采用什么樣的油氣開采方式來獲得最大的經(jīng)濟效益。要想達到油藏管理的基本目標，油藏數(shù)值模擬

2、是最精密復雜的可行方法。開展數(shù)值模擬研究有許多原因。從商業(yè)的角度考慮，可能最重要的一點是油藏模擬可以進行大概的現(xiàn)金流動預測。數(shù)值模擬從產(chǎn)量的方面預測經(jīng)濟效益。將產(chǎn)量和價格結(jié)合起來就可以估計將來的現(xiàn)金流動。共同的影響 油藏管理*現(xiàn)金流動預測 決定是否增加額外的數(shù)據(jù) 需要對油氣價格進行經(jīng)濟預測 *油田生產(chǎn)期的評價 *采收率和時間的關(guān)系預測油藏管理 *對比不同的開采方式 * 油藏管理的并列行為 *計劃開發(fā)中或運行中的變化 * 油田生產(chǎn)運行情況的評價 *選擇和最優(yōu)化油田工程設(shè)計 理解油藏動態(tài) 最大經(jīng)濟回收率 * 模型對已評價數(shù)據(jù)的敏感性 8* 表1.數(shù)值模擬的原因油氣藏是在單一圈閉中具有同一個壓力系統(tǒng)

3、的油氣聚集單元。在原始條件下，油氣藏處于平衡狀態(tài) ; 當受到干擾（如打井，生產(chǎn)）時，原來的平衡狀態(tài)被打破，油氣藏處于動態(tài)變化中。油氣藏從投入開發(fā)到最后廢棄就是一個不斷變化的動態(tài)過程。描述或?qū)崿F(xiàn)油氣藏動態(tài)變化的過程稱為模擬（或仿真）。要描述或?qū)崿F(xiàn)這一動態(tài)變化，可以有兩種方法：簡稱雙模(1)采用物理實體的方法，稱為物理模擬; (2)采用數(shù)學描述的方法，稱為數(shù)學模擬;物理模擬是指根據(jù)同類現(xiàn)象或相似現(xiàn)象的一致性，利用某種模型來觀察和研究其原型或原現(xiàn)象的規(guī)律性。物理模型包括相似模型和單元模型兩種。數(shù)學模擬是指用數(shù)學模型來進行研究，即通過求解某一物理過程的數(shù)學方程組來研究這個物理過程變化規(guī)律的方法。數(shù)學模

4、型的核心問題是把地層流體在孔隙介質(zhì)中的滲流機制描述清楚，并施加一定的初始，邊界條件，則可以相應(yīng)的求出地下流體的壓力 ，飽和度等參數(shù)，從而認識地下流體運動的規(guī)律。數(shù)學模型有3類：水電相似模型，解析模型，數(shù)值模型。一.油藏數(shù)值模擬的主要內(nèi)容藏數(shù)值模擬的主要內(nèi)容可以概括為三大部分，即建立數(shù)學模型（Mathematical Model ），數(shù)值模型（Numerical Model）和計算機模型（Computer Model ）。1.建立書數(shù)學模型，就是要建立一套描述油藏中流體滲流的偏微分方程組一起構(gòu)成一格完整的數(shù)學模型。2.建立數(shù)值模型，即對所建立的數(shù)學模型進行數(shù)值求解，一般要經(jīng)過以下三個步驟：（1）

5、離散化，將連續(xù)的偏微分方程組轉(zhuǎn)化成離散的有限差分方程組，即將連續(xù)函數(shù)變?yōu)殡x散函數(shù)。（2）線性化，將有限差分方程組中的非線性系數(shù)項性化，從而得到線性代數(shù)方程組。對線性代數(shù)方程組進行求解，包括直接求解法和迭代求解法。（3）建立計算機模型，就是將各種數(shù)學模型的過程編制成計算機程序，以便通過計算機計算得到所需要的結(jié)果。計算機模型中包括資料輸入，系數(shù)矩陣和常數(shù)項的形成，多種解法和結(jié)果的輸出等。工業(yè)性應(yīng)用的計算機模型稱為計算機軟件。油藏數(shù)值模擬是應(yīng)用計算機模擬系統(tǒng)描述油藏中流體流動的。計算機模擬系統(tǒng)通常是一個或多個計算機程序。進行油藏數(shù)值模擬時，首先要建立能夠反映油藏實際狀況的地質(zhì)模型，包括油藏構(gòu)造，幾何

6、形態(tài)，儲層基本性質(zhì)，流體性質(zhì)及分布等，然后輸入油藏的實際生產(chǎn)動態(tài)資料數(shù)據(jù)進行擬合計算。若計算結(jié)果與實際生產(chǎn)動態(tài)不吻合，則修改前面輸入的地質(zhì)模型后重新計算，一直到計算結(jié)果與實際動態(tài)相吻合，則前面修正的地質(zhì)模型即為對油藏的正確描述。數(shù)值模擬模型 地震解釋巖石物理學流體性質(zhì) 地質(zhì)模型油井設(shè)備油管特性曲線模型網(wǎng)格的影響觀測結(jié)果和生產(chǎn)數(shù)據(jù)解釋的標定 圖1. 不同學科領(lǐng)域?qū)τ筒財?shù)值模型的作用二.油藏數(shù)值模擬的技術(shù)現(xiàn)狀油藏數(shù)值模擬技術(shù)從20世紀50年代開始出現(xiàn)到今天，已經(jīng)經(jīng)歷了半個多世紀的發(fā)展，特別是20世紀80年代以來，隨著計算機，應(yīng)用數(shù)學和油藏工程學科的不斷發(fā)展，油藏數(shù)值模擬技術(shù)得到了不斷的發(fā)展和廣泛的

7、應(yīng)用。下面從各個方面總結(jié)目前的油藏數(shù)值模擬技術(shù)現(xiàn)狀。并行算法并行算法是一些可同時執(zhí)行的諸進程的集合，這些進程互相作用和協(xié)調(diào)動作，從而對給定問題進行求解。并行算法首先需要合理的劃分模塊，其次要保證對各模塊的正確計算，再次要為各模塊間通訊安排合理的結(jié)構(gòu)，最后要保證各模塊計算的綜合效果。并行機及并行軟件的開發(fā)和應(yīng)用將極大地提高運算速度，以滿足網(wǎng)格節(jié)點不斷增多的油藏數(shù)值模型。在并行計算機上使用并行數(shù)值解法是提高求解偏微方程的計算速度，縮短計算時間的一個重要途徑。在共享內(nèi)存的并行機上把一個按向量處理的通用油藏模擬器改寫成并行處理時容易的，但硬件擴充難;分布內(nèi)存式并行機編程較共享內(nèi)存式并行機困難，但硬件擴

8、充容易，關(guān)鍵是搞好超大型線性代數(shù)方程組求解的并行化。并行部分包括輸入輸出，節(jié)點物性，構(gòu)造矩陣，節(jié)點流動及井筒計算等。在并行計算方法上，有效的并行方法是區(qū)域分解方法。該方法不僅應(yīng)用于黑又模型，而且已應(yīng)用到組分模型，局部網(wǎng)格加密和水平的計算，為實現(xiàn)軟件的并行法，針對并行模擬過程中如何靜態(tài)負載平衡提出了一種做法，即好的負載平衡不一定在最初實現(xiàn)，應(yīng)在計算過程中就計算工作量動態(tài)調(diào)配各處理器的任務(wù)量，使各處理器的計算量基本相等，這些做法已在模擬器中實現(xiàn)，并在8個節(jié)點的IBM/SP2及32個節(jié)點的IPSC/860 機上試算，并行銷率分別達70%及80%。網(wǎng)格技術(shù)隨著三維地質(zhì)模型的引入，網(wǎng)格技術(shù)已向精確化方向

9、發(fā)展，為了模擬各種復雜的油藏，砂體邊界或斷層，滲透率在垂向上或水平方向上的各向異性。一及近井地區(qū)的高速，高壓力梯度的滲硫狀態(tài)，近年來發(fā)展了局部網(wǎng)格加密，角點網(wǎng)格，PEBI網(wǎng)格等。當然，快中心網(wǎng)格計算速度快，收斂性好，結(jié)果精確，但無法真實描述油藏的構(gòu)造。角點網(wǎng)格是用一個網(wǎng)格8個節(jié)點的坐標來表示網(wǎng)格的。該技術(shù)改變了矩形網(wǎng)格模擬斷層只能以臺階形式順著網(wǎng)格走的情形，有效地改善了模擬精度，可以很好地描述油藏，比如斷層的走向，不規(guī)則邊界等，但其非正交待性嚴重影響了求解的精度?？刂企w積有限元網(wǎng)格（CVFE）是將油藏按一定規(guī)則剖分為若干個三角形以后，把三角形的中心和各邊的中點連接起來所形成的網(wǎng)格，它是一種非正

10、交網(wǎng)格。垂直等分線排比網(wǎng)格（PEBI），其剖分方法是將油藏分成若干三角形后，使三角形各邊的垂直等分線相交而形成網(wǎng)格。PEBI網(wǎng)格一種局部正交網(wǎng)格，其離散形式與有限差分方法相似，流動系數(shù)的取值原則和界面滲透率的取法均與有限差分方法相同。PEBI網(wǎng)格既具有數(shù)學求解上要求的正交性，又可以使模擬網(wǎng)格任意彎曲以模擬復雜的地質(zhì)現(xiàn)象，能最大限度地接近油藏實際。 1.計算機輔助歷史擬合技術(shù)油藏數(shù)值模擬的歷史擬合既復雜又費時，費力，而且具有多解性。計算機輔助歷史擬合技術(shù)利用最優(yōu)化和人工智能的方法，構(gòu)造歷史擬合目標函數(shù)，利用協(xié)方差矩陣和均方根梯度，進行參數(shù)的不確定度和敏感性分析。通過計算機輔助歷史擬合，能夠大大減

11、少人工歷史擬合的盲目性和所花費的機時。2.網(wǎng)絡(luò)粗化技術(shù)由于油藏的復雜性，地質(zhì)家要用較細的網(wǎng)格來描述其特征，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)一般為幾十萬甚至數(shù)百萬，一般產(chǎn)生幾十萬至幾百萬個網(wǎng)格數(shù)據(jù)本。油藏工程是出于工作效率和計算費用的考慮，以及計算機存儲量與計算速度的限制，需要對該數(shù)據(jù)體進行合理的粗化。因此，如何將密集的網(wǎng)格數(shù)據(jù)合理地轉(zhuǎn)換到較粗的網(wǎng)格上去，就成為現(xiàn)代油藏模擬技術(shù)的一個重要研究內(nèi)容。3.動態(tài)地質(zhì)建模和動態(tài)跟蹤模擬動態(tài)地質(zhì)建模是殼牌公司的Kortekass概括了當前世界上關(guān)于油藏地質(zhì)建模的經(jīng)驗，提出的建立動態(tài)，集成化油藏模型的新的概念和技術(shù)方法。他強調(diào)把動態(tài)資料以致數(shù)值模擬技術(shù)等應(yīng)用于油藏建模，從而使所建

12、立的地質(zhì)模型更加符合油藏的實際情況，并且要隨著油田開發(fā)中資料的增多和新資料的獲得而不斷更新。4.分階段模擬對開發(fā)歷史較長，地下儲層物性和原有物性發(fā)生較大變化的油藏，把隨開發(fā)時間變化的地質(zhì)靜態(tài)模型劃分為多個不同開發(fā)階段的地質(zhì)模型。5.數(shù)值解法油氣藏數(shù)值模擬必須對描述油氣藏流體滲流的數(shù)學模型進行數(shù)值求解。長期以來，數(shù)值求解法的研究一直是油氣藏模擬技術(shù)研究非?；钴S的領(lǐng)域，它的進步極大地推動了油氣藏模擬技術(shù)向前發(fā)展。數(shù)值解法的一個重大發(fā)展就是全隱式，自適應(yīng)隱式方法。由于全隱式方法對所有方程系數(shù)都進行隱式處理，所以穩(wěn)定性好，隱式程度高，適應(yīng)范圍更寬。全隱式的方法能解決油 ，氣，水三相滲流，注氣，水汽錐進

13、，高速氣體滲流等強非線性滲流問題。但是全隱式模型的求解需要采用牛頓迭代法，因此其工作量和存儲量大。所以，20世紀80年代初期，美國的托馬斯等人為了解決方程隱式程度高低和計算量大小之間的矛盾，提出了自適應(yīng)隱式方法。該方法的特點是對不同的網(wǎng)格節(jié)點和不同的時間步采用不同的隱式程度來處理，以便在具有同樣穩(wěn)定性的前提下減小計算量，加快計算速度。1985年，W.I.Berteger等人又提出了一種近似的自適應(yīng)隱式方法，其穩(wěn)定性進一步增強。數(shù)值解法的另一個重大發(fā)展就是多重網(wǎng)格法和預處理共軛梯度法。兩者的共同點在于都加速數(shù)值解的收斂性。多重網(wǎng)格法實質(zhì)上是外推與內(nèi)搜技術(shù)的創(chuàng)造性應(yīng)用。預處理共軛梯度法是將共軛梯度

14、法與各種不完全分解預處理相結(jié)合。它是20世紀80年代以來油藏數(shù)值模擬中最引人注目的方法之一。三.油藏數(shù)值模擬的發(fā)展方向油藏數(shù)值模擬是現(xiàn)代油藏開發(fā)中的重要技術(shù)手段，它的應(yīng)用已經(jīng)滲透到油藏開發(fā)的各個環(huán)節(jié)，無論是油藏描述，產(chǎn)量預測，還是開發(fā)方案優(yōu)化，都離不開數(shù)值模擬進入21世紀，伴隨著計算機的飛速發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)的普及應(yīng)用，餓極以令人難以想象的速度在突飛猛進。油藏數(shù)值模擬是隨計算機和計算技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展的，因此油藏數(shù)值模擬的發(fā)展也是日新月異。根據(jù)數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展及目前現(xiàn)狀，對其今后的發(fā)展方向預測如下：（1）數(shù)值模擬運算速度將會大幅度提高。新的數(shù)值求解方法，相平衡算法，并行計算方法等，可以使數(shù)值模

15、擬的運行速度又顯著的提高。（2）數(shù)值模擬計算的大型化和精細化。計算機的計算能力將越來越強，64為操作系統(tǒng)的普及將使每個作業(yè)都能夠占用更大內(nèi)存，這保證了更大的模型的模擬工作。相信10年內(nèi)數(shù)值模擬網(wǎng)格將會達到千萬數(shù)量級。這樣，由地質(zhì)模型到數(shù)值模型的網(wǎng)格粗化將不再需要，從而排除了由孔隙度和滲透率粗化計算帶來的誤差。不過另一方面，由于計算機能力的增強，地質(zhì)模型也可能變得更大，對于大型油氣田，可能仍然需要粗化工作。（3）現(xiàn)在流行的商業(yè)軟件將推出基于C+的新一代數(shù)值模擬軟件，新一代軟件在計算速度，內(nèi)存管理，并行優(yōu)化，并行負載平衡，超大模型處理等方面將有重大進展。（4）PEBI網(wǎng)格將越來越多地被采用，相信1

16、0年內(nèi)有30%左右的數(shù)值模擬模型將會采用PEBI網(wǎng)格。（5）輔助歷史擬合和自動歷史擬合將不會有大的進展，歷史擬合將仍然取決于油藏工程師的經(jīng)驗。（6）傳統(tǒng)的數(shù)值模擬方法不會有變化，將會繼續(xù)使用。但新的方法將會出現(xiàn)，而且逐漸被投入實際應(yīng)用，那就是概率法。概率法充分考慮定量分析模型參數(shù)的不確定性，計算結(jié)果將不會像傳統(tǒng)方法那樣唯一，而會像天氣預報一樣提供得到某一結(jié)果的概率。（7）勘探與開發(fā)人員將在共同的軟件平臺上工作，勘探與開發(fā)一體化將不再只是一個概念。大部分油公司開發(fā)人員將可以直接應(yīng)用勘探人員的成果，不再需要繁瑣的數(shù)據(jù)輸入，輸出及格式整理等工作。（8）數(shù)值模擬將不會只是對油藏的模擬，而是將模擬從油藏

17、到井筒，地面設(shè)備，地面管網(wǎng)，一直到煉油廠的油氣分離處理設(shè)備。油藏模型，井筒流動模型，地面管網(wǎng)模型，油氣處理模擬將完整耦合在一起進行模擬。全系統(tǒng)的耦合模擬可以達到更精準的效果，只有依賴于這樣的模擬器，才能實現(xiàn)真正的全局優(yōu)化。隨著新能源研究的不斷深入，煤層氣，頁巖氣，天然氣水合物等非常規(guī)能源的數(shù)值模擬研究將會不斷深人和發(fā)展。小結(jié)迄今為止，油氣藏工程師們利用數(shù)值模型有效預測油氣藏動態(tài)已有30年的時間。這些模型及其所用的數(shù)值技術(shù)在數(shù)理上極為復雜。同時需要大內(nèi)存，高速度的先進計算來運行這些模型。也許基于這些原因，油藏工程師對模擬結(jié)果的置信程度往往超出了其實際的合理性。應(yīng)該時刻牢記的是，模擬結(jié)果的可靠性最

18、多不會超過輸入的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性：計算機并非智慧的化身，只不過是“搗弄數(shù)字”的機器而已，它不可能提高輸入數(shù)據(jù)的可靠性。在進行數(shù)值模擬之前的初始階段，油氣藏工程師們投入足夠的時間來建立一個可靠地質(zhì)模型是必需的。認為應(yīng)用復雜模型（如三維，三相，具狀態(tài)方程的全組分模型）得到的結(jié)果比簡單模型（如二維，三相黑油模型）得到的結(jié)果更可靠是錯誤的。唯一可以確信的是，模型越復雜，花費的計算時間就越長。新的數(shù)值模型不斷出現(xiàn)，工程師們不應(yīng)當一味地趕時髦。他們應(yīng)當憑自己的實際經(jīng)驗和明智的判斷，在可用資料提供的約束條件下選擇一個足夠用來解決手頭問題的合適模型。數(shù)值模擬最有成效的應(yīng)用之一是對不同開發(fā)條件下預測的油氣藏動態(tài)做定量（或最多是半定量）比較，這些開發(fā)條件包括油井的數(shù)量和位置，開采期間額外的加密井，井的增產(chǎn)注措施，二次完井以及特定時間實施注水，注氣等。在模擬基于的地質(zhì)模型合理正確的前提下，即使不同開發(fā)條件下的預測結(jié)果可能不是定量的，但對比分析方面仍然十分有用，只有利用油藏開采過程中不斷獲得新的生產(chǎn)數(shù)據(jù)對模型進行反復驗證以使其不斷地得以改進，才能獲得真正定量的預測。一條經(jīng)驗法則是，預測的未來油氣藏動態(tài)的可靠時間不會長過用來驗證模型的生產(chǎn)歷史。