精细油藏数值模拟研究现状及发展趋势

精细油藏数值模拟研究现状及发展趋势教师：王庆学生：扎紫拉学号：2012030012中国石油大学（北京）前言油藏数值模拟是一门工程应用学科。它立足于流体在多孔介质中的渗硫理论，利用数值物理方法，通过编制计算机软件来求解油藏流体渗硫问题。油藏数值模拟技术自20世纪50年诞生至今，随计算机应用数学和油藏工程的发展而不断发展，目前已成为油田开发方案设计，动态分析和油藏开发中后期方案调整的有效工具，在各油田开发生产中得到了广泛应用。油藏数值模拟是油藏管理环节中必不可少的部分。油藏管理的根本是在一个良好开发的油田中决定采用什么样的油气开采方式来获得最大的经济效益。要想达到油藏管理的基本目标，油藏数值模拟是最精密复杂的可行方法。开展数值模拟研究有许多原因。从商业的角度考虑，可能最重要的一点是油藏模拟可以进行大概的现金流动预测。数值模拟从产量的方面预测经济效益。将产量和价格结合起来就可以估计将来的现金流动。8*表1.数值模拟的原因油气藏是在单一圈闭中具有同一个压力系统的油气聚集单元。在原始条件下，油气藏处于平衡状态;当受到干扰（如打井，生产）时，原来的平衡状态被打破，油气藏处于动态变化中。油气藏从投入开发到最后废弃就是一个不断变化的动态过程。共同的影响油藏管理*现金流动预测决定是否增加额外的数据需要对油气价格进行经济预测*油田生产期的评价*采收率和时间的关系预测油藏管理*对比不同的开采方式*油藏管理的并列行为*计划开发中或运行中的变化*油田生产运行情况的评价*选择和最优化油田工程设计理解油藏动态最大经济回收率*模型对已评价数据的敏感性描述或实现油气藏动态变化的过程称为模拟（或仿真）。要描述或实现这一动态变化，可以有两种方法：(1)采用物理实体的方法，称为物理模拟;(2)采用数学描述的方法，称为数学模拟;物理模拟是指根据同类现象或相似现象的一致性，利用某种模型来观察和研究其原型或原现象的规律性。物理模型包括相似模型和单元模型两种。数学模拟是指用数学模型来进行研究，即通过求解某一物理过程的数学方程组来研究这个物理过程变化规律的方法。数学模型的核心问题是把地层流体在孔隙介质中的渗流机制描述清楚，并施加一定的初始，边界条件，则可以相应的求出地下流体的压力，饱和度等参数，从而认识地下流体运动的规律。数学模型有3类：水电相似模型，解析模型，数值模型。一.油藏数值模拟的主要内容藏数值模拟的主要内容可以概括为三大部分，即建立数学模型（MathematicalModel），数值模型（NumericalModel）和计算机模型（ComputerModel）。1.建立书数学模型，就是要建立一套描述油藏中流体渗流的偏微分方程组一起构成一格完整的数学模型。2.建立数值模型，即对所建立的数学模型进行数值求解，一般要经过以下三个步骤：（1）离散化，将连续的偏微分方程组转化成离散的有限差分方程组，即将连续函数变为离散函数。（2）线性化，将有限差分方程组中的非线性系数项性化，从而得到线性代数方程组。对线性代数方程组进行求解，包括直接求解法和迭代求解法。简称双模（3）建立计算机模型，就是将各种数学模型的过程编制成计算机程序，以便通过计算机计算得到所需要的结果。计算机模型中包括资料输入，系数矩阵和常数项的形成，多种解法和结果的输出等。工业性应用的计算机模型称为计算机软件。油藏数值模拟是应用计算机模拟系统描述油藏中流体流动的。计算机模拟系统通常是一个或多个计算机程序。进行油藏数值模拟时，首先要建立能够反映油藏实际状况的地质模型，包括油藏构造，几何形态，储层基本性质，流体性质及分布等，然后输入油藏的实际生产动态资料数据进行拟合计算。若计算结果与实际生产动态不吻合，则修改前面输入的地质模型后重新计算，一直到计算结果与实际动态相吻合，则前面修正的地质模型即为对油藏的正确描述。图1.不同学科领域对油藏数值模型的作用二.油藏数值模拟的技术现状油藏数值模拟技术从20世纪50年代开始出现到今天，已经经历了半个多世纪的发展，特别是20世纪80年代以来，随着计算机，应用数学和油藏工程学科的不断发展，油藏数值模拟技术得到了不断的发展和广泛的应用。下面从各个方面总结目前的油藏数值模拟技术现状。数值模拟模型地震解释岩石物理学流体性质地质模型油井设备油管特性曲线模型网格的影响观测结果和生产数据解释的标定并行算法并行算法是一些可同时执行的诸进程的集合，这些进程互相作用和协调动作，从而对给定问题进行求解。并行算法首先需要合理的划分模块，其次要保证对各模块的正确计算，再次要为各模块间通讯安排合理的结构，最后要保证各模块计算的综合效果。并行机及并行软件的开发和应用将极大地提高运算速度，以满足网格节点不断增多的油藏数值模型。在并行计算机上使用并行数值解法是提高求解偏微方程的计算速度，缩短计算时间的一个重要途径。在共享内存的并行机上把一个按向量处理的通用油藏模拟器改写成并行处理时容易的，但硬件扩充难;分布内存式并行机编程较共享内存式并行机困难，但硬件扩充容易，关键是搞好超大型线性代数方程组求解的并行化。并行部分包括输入输出，节点物性，构造矩阵，节点流动及井筒计算等。在并行计算方法上，有效的并行方法是区域分解方法。该方法不仅应用于黑又模型，而且已应用到组分模型，局部网格加密和水平的计算，为实现软件的并行法，针对并行模拟过程中如何静态负载平衡提出了一种做法，即好的负载平衡不一定在最初实现，应在计算过程中就计算工作量动态调配各处理器的任务量，使各处理器的计算量基本相等，这些做法已在模拟器中实现，并在8个节点的IBM/SP2及32个节点的IPSC/860机上试算，并行销率分别达70%及80%。网格技术随着三维地质模型的引入，网格技术已向精确化方向发展，为了模拟各种复杂的油藏，砂体边界或断层，渗透率在垂向上或水平方向上的各向异性。一及近井地区的高速，高压力梯度的渗硫状态，近年来发展了局部网格加密，角点网格，PEBI网格等。当然，快中心网格计算速度快，收敛性好，结果精确，但无法真实描述油藏的构造。角点网格是用一个网格8个节点的坐标来表示网格的。该技术改变了矩形网格模拟断层只能以台阶形式顺着网格走的情形，有效地改善了模拟精度，可以很好地描述油藏，比如断层的走向，不规则边界等，但其非正交待性严重影响了求解的精度。控制体积有限元网格（CVFE）是将油藏按一定规则剖分为若干个三角形以后，把三角形的中心和各边的中点连接起来所形成的网格，它是一种非正交网格。垂直等分线排比网格（PEBI），其剖分方法是将油藏分成若干三角形后，使三角形各边的垂直等分线相交而形成网格。PEBI网格一种局部正交网格，其离散形式与有限差分方法相似，流动系数的取值原则和界面渗透率的取法均与有限差分方法相同。PEBI网格既具有数学求解上要求的正交性，又可以使模拟网格任意弯曲以模拟复杂的地质现象，能最大限度地接近油藏实际。1.计算机辅助历史拟合技术油藏数值模拟的历史拟合既复杂又费时，费力，而且具有多解性。计算机辅助历史拟合技术利用最优化和人工智能的方法，构造历史拟合目标函数，利用协方差矩阵和均方根梯度，进行参数的不确定度和敏感性分析。通过计算机辅助历史拟合，能够大大减少人工历史拟合的盲目性和所花费的机时。2.网络粗化技术由于油藏的复杂性，地质家要用较细的网格来描述其特征，网格节点数一般为几十万甚至数百万，一般产生几十万至几百万个网格数据本。油藏工程是出于工作效率和计算费用的考虑，以及计算机存储量与计算速度的限制，需要对该数据体进行合理的粗化。因此，如何将密集的网格数据合理地转换到较粗的网格上去，就成为现代油藏模拟技术的一个重要研究内容。3.动态地质建模和动态跟踪模拟动态地质建模是壳牌公司的Kortekass概括了当前世界上关于油藏地质建模的经验，提出的建立动态，集成化油藏模型的新的概念和技术方法。他强调把动态资料以致数值模拟技术等应用于油藏建模，从而使所建立的地质模型更加符合油藏的实际情况，并且要随着油田开发中资料的增多和新资料的获得而不断更新。4.分阶段模拟对开发历史较长，地下储层物性和原有物性发生较大变化的油藏，把随开发时间变化的地质静态模型划分为多个不同开发阶段的地质模型。5.数值解法油气藏数值模拟必须对描述油气藏流体渗流的数学模型进行数值求解。长期以来，数值求解法的研究一直是油气藏模拟技术研究非常活跃的领域，它的进步极大地推动了油气藏模拟技术向前发展。数值解法的一个重大发展就是全隐式，自适应隐式方法。由于全隐式方法对所有方程系数都进行隐式处理，所以稳定性好，隐式程度高，适应范围更宽。全隐式的方法能解决油，气，水三相渗流，注气，水汽锥进，高速气体渗流等强非线性渗流问题。但是全隐式模型的求解需要采用牛顿迭代法，因此其工作量和存储量大。所以，20世纪80年代初期，美国的托马斯等人为了解决方程隐式程度高低和计算量大小之间的矛盾，提出了自适应隐式方法。该方法的特点是对不同的网格节点和不同的时间步采用不同的隐式程度来处理，以便在具有同样稳定性的前提下减小计算量，加快计算速度。1985年，W.I.Berteger等人又提出了一种近似的自适应隐式方法，其稳定性进一步增强。数值解法的另一个重大发展就是多重网格法和预处理共轭梯度法。两者的共同点在于都加速数值解的收敛性。多重网格法实质上是外推与内搜技术的创造性应用。预处理共轭梯度法是将共轭梯度法与各种不完全分解预处理相结合。它是20世纪80年代以来油藏数值模拟中最引人注目的方法之一。三.油藏数值模拟的发展方向油藏数值模拟是现代油藏开发中的重要技术手段，它的应用已经渗透到油藏开发的各个环节，无论是油藏描述，产量预测，还是开发方案优化，都离不开数值模拟进入21世纪，伴随着计算机的飞速发展以及互联网的普及应用，饿极以令人难以想象的速度在突飞猛进。油藏数值模拟是随计算机和计算技术的发展而不断发展的，因此油藏数值模拟的发展也是日新月异。根据数值模拟技术的发展及目前现状，对其今后的发展方向预测如下：（1）数值模拟运算速度将会大幅度提高。新的数值求解方法，相平衡算法，并行计算方法等，可以使数值模拟的运行速度又显著的提高。（2）数值模拟计算的大型化和精细化。计算机的计算能力将越来越强，64为操作系统的普及将使每个作业都能够占用更大内存，这保证了更大的模型的模拟工作。相信10年内数值模拟网格将会达到千万数量级。这样，由地质模型到数值模型的网格粗化将不再需要，从而排除了由孔隙度和渗透率粗化计算带来的误差。不过另一方面，由于计算机能力的增强，地质模型也可能变得更大，对于大型油气田，可能仍然需要粗化工作。（3）现在流行的商业软件将推出基于C++的新一代数值模拟软件，新一代软件在计算速度，内存管理，并行优化，并行负载平衡，超大模型处理等方面将有重大进展。（4）PEBI网格将越来越多地被采用，相信10年内有30%左右的数值模拟模型将会采用PEBI网格。（5）辅助历史拟合和自动历史拟合将不会有大的进展，历史拟合将仍然取决于油藏工程师的经验。（6）传统的数值模拟方法不会有变化，将会继续使用。但新的方法将会出现，而且逐渐被投入实际应用，那就是概率法。概率法充分考虑定量分析模型参数的不确定性，计算结果将不会像传统方法那样唯一，而会像天气预报一样提供得到某一结果的概率。（7）勘探与开发人员将在共同的软件平台上工作，勘探与开发一体化将不再只是一个概念。大部分油公司开发人员将可以直接应用勘探人员的成果，不再需要繁琐的数据输入，输出及格式整理等工作。（8）数值模拟将不会只是对油藏的模拟，而是将模拟从油藏到井筒，地面设备，地面管网，一直到炼油厂的油气分离处理设备。油藏模型，井筒流动模型，地面管网模型，油气处理模拟将完整耦合在一起进行模拟。全系统的耦合模拟可以达到更精准的效果，只有依赖于这样的模拟器，才能实现真正的全局优化。随着新能源研究的不断深入，煤层气，页岩气，天然气水合物等非常规能源的数值模拟研究将会不断深人和发展。小结迄今为止，油气藏工程师们利用数值模型有效预测油气藏动态已有30年的时间。这些模型及其所用的数值技术在数理上极为复杂。同时需要大内存，高速度的先