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青海油田公司勘探开发研究院西南石油大学石油工程学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室中国石油天然气股份有限公司青海油田公司2009.05一、什么是油气藏数值模拟？二、为什么要做油藏数值模拟？三、怎么做油藏数值模拟？前言1油气田开发的任务确定井位，优化井网确定开发方式确定开采速度，保持长期稳产高产寻找油气田开发中后期剩余储量的富集区域，确定调整方案合理开发油气藏，提高采收率技术方法类比经验油藏工程数值模拟物理模拟开发实验2油藏数值模拟的技术优势定义：“在数学模型（计算机软件及数据体）上再现真实油田的生产动态”技术原理：通过建立渗流力学方程，借用大型计算机，结合地震、地质、测井、油藏工程等方法，在建立的地层三维属性参数场中，对数学方程进行求解，模拟油气的复杂开发过程，再现油气田的生产历史，预测未来的开发动态，提高油气藏的开发效益技术关键：仿真、预测、可视前言产量时间生产历史动态预测2油藏数值模拟的技术优势仿真：可多次“开发”油气田，寻求最优开发方案，避免决策失误前言生产时间产量注水加密井衰竭式不同开发方式2油藏数值模拟的技术优势预测：短期内模拟开发油气田，分析不同方案的动态，降低开发试验成本前言193619441952196019681976198419901998生产时间含水产油2油藏数值模拟的技术优势可视：通过可视化技术，深入到油藏内部，观察每个参数随时间的变化前言3发展历程30年代：开始研究地下流体的渗流规律，并将理论方法用于油田开发50年代：在模似计算的方法上取得了较大进展60年代：开始用计算机解决油气田开发上的一些简单间题，当时的计算机速度只有每秒几万-几十万次，只能做些简单的科学运算70年代：计算机快速升级，带动了油藏数值模拟的迅猛发展，计算速度达到每秒100-500万次，内存增至16兆字节。黑油模型日趋成熟，已能解决中小型油藏的模拟问题80年代：油藏数值模似技术飞跃进步，计算方法及软件迅猛发展，超级向量机诞生，计算机速度达到亿-几十亿次，内存高达10-20亿字节90年代：油藏模似软件的各模块功能迅速发展，体现为向一体化方面发展，出现了集地震、测井、钻井工程、完井工程、油藏工程、采油工程、压裂酸化措施工艺及地面集输、经济评价等为一体的大型软件前言4油藏数值模拟专业软件黑油模型：已被广泛用于各种常规油气藏的模拟裂缝模型：用来模拟灰岩、花岗岩、凝灰岩和变质岩裂缝性油气藏开发组分模型：用于凝析气藏、轻质油和挥发油藏的开发设计和混相驱热采模型：用于稠油油藏蒸气吞吐、蒸汽驱和就地燃烧的设计化学驱模型：用于在注入水中添加聚合物、表面活性剂、碱等各种化学剂进行三次采油提高采收率的计算和设计前言5最新进展向量算法、预处理共轭梯度法，使模拟过程更快速、更有效（3天1小时）不规则网格、混合网格、自适应网格，更好地处理了复杂的几何形状多重网格法、混合有限元法、流线法，正逐步完善和发展并行处理技术，给大中型油气田的数模工作带来了生机一、什么是油藏数值模拟？1工作过程实际油藏数学模型数值模型计算机模型数值模拟模型•连续性方程•假设条件•初始条件•边界条件•离散化•线性化•迭代求解•程序化设计•编写计算机代码•误差分析•零流量检验•渗流机理•开采机理•模拟目标•网格划分•地质、流体、生产数据输入•模拟计算•计算结果分析•编写成果报告成果输出一、什么是油藏数值模拟？2典型的数学模型)()]([)]([)]([tzDgzPKzyDgyPKyxDgxPKx2.1三维单相2.2一维油水两相)()]([)()]([*定解条件、辅助方程略2.3二维气水两相)()]([)]([ggggggrgggggrggStHqyDgyPKKHyxDgxPKKHx)()]([)]([2.4组分模型)([][wwiwooioggigi一、什么是油藏数值模拟？2典型的数学模型2.5黑油模型*定解条件、辅助方程略)()()(oOsoGgGSoooorosoGggGrgBSRBStqDgPBKKRDgPBKKG)()(ooosoooooroBStqDgPBKK)()(气组分油组分水组分2.6聚合物-表面活性剂驱模型knlkllklkkRDuCtp)]([)C~(1kknlkllnkkkCCSCCpcˆ)ˆ1(~11)(1cnkklkllklCKSDuuuSuSDKljlilTLijlTijklkllll一、什么是油藏数值模拟？油气藏数值模拟渗流力学数学物理方程计算方法石油地质储层描述油层物理油藏工程计算机工程钻井工程采油工程风险概率经济评价软件研发渗流机理优化方案开发机理工程运用调整方案提高采收率剩余油分布计算机软件计算机硬件GUI设计3基础与应用知识集成4.1概念模拟-采用平均油藏参数，代表局部区域-常用于敏感性分析或机理研究，模拟结果具有普遍指导意义4.2实际模拟-特定某一个油藏或储层单元、井组-非均质油藏参数，结果没有普遍意义-用于具体某个油藏的开发方案优选及其开发效果预测正韵律反韵律复合韵律均质油层概念模拟：韵律层对水锥的影响实际模拟：某气藏边水推进动态研究一、什么是油藏数值模拟？4模拟类型5.1单井模拟-通常用r-z坐标系-评价各种完井措施、预测直井的锥进动态、数值试井单井模型网格示意图5.2剖面模拟-通常用x-z坐标系-研究与重力有关的问题，如：水驱、气驱的纵向动态5.3井组模拟-考虑一个典型的注采单元，二维或三维-跟踪井组单元内的驱替前缘、驱替效率研究5.4全油田模拟-考虑参与渗流的整个生产区域，包括油藏、井筒-模拟全油藏的整体开发规律利用井组概念模型，进行鱼骨刺分支水平井注采井网开发效果研究一、什么是油藏数值模拟？5模拟范围6.1零维模型-也叫物质平衡方程-不能区分任何方向的流动-计算原始地质储量、预测全油田产量、估算水侵量及确定整个开采时间内油藏平均压力及平均饱和度变化等6.2一维模型-考虑流体在一个方向的流动-用于实验室岩芯驱替的模拟研究6.3二维模型-包括单井模型（r-θ）、剖面模型（x-z）和全油田模型(x-y)-用于研究开发机理一、什么是油藏数值模拟？6模型的维数零维模型一维线性模型（X）一维径向模型（R）二维径向模型（R-）二维剖面模型（X-Z）二维平面模型（X-Y）6.4多层二维模型-由几个平面二维模型组成-各层在整个油藏中处于不连通状态，但由于合采或合注而在井筒中连通-用于模拟各种合采措施、修井、二次完井6.5三维模型-R--Z用于单井动态的模拟研究-X-Y-Z三维模型用于全油藏的模拟研究一、什么是油藏数值模拟？6模型的维数xy(a)tank(b)1-Dlinear(c)1-Dradial(d)cross-sectional(e)areal(f)radialcross-sectional(g)3D(fromMattaxandDalton,1990)三维径向模型（R--Z）三维全油藏模型（X-Y-Z）12341231234XYZ多层二维模型（X-Y-Z）rGas-OilContactOil-WaterContactZCompletionInterval(3,1,1)(4,3,2)(4,2,2)(2,1,2)k=2k=1i=1i=2i=3i=4j=1j=2j=3ijk7.1常规网格系统一、什么是油藏数值模拟？7网格系统k=1k=2k=3k=41drdr2dr3d1直角坐标网格系统径向坐标网格系统7.2非常规网格系统局部加密网格系统混合网格系统8.1根据流体分类一、什么是油藏数值模拟？8模型的类型（1）黑油模型8.2根据储集-流动介质分类-单孔单渗（基岩孔隙存储，基岩内渗流）-双孔单渗（基岩孔隙和裂缝存储，从基岩流向裂缝，从裂缝流向井）-双孔双渗（基岩孔隙和裂缝存储，基岩和裂缝都参与渗流）（2）组分模型（3）热采模型-简单的相态（油-气-水），温度的变化可以忽略-用于一次采油、注水、干气注入、聚合物注入-复杂的相态，温度的变化可以忽略-凝析气藏的开发及循环注气-CO2或富气注入-挥发油-任何相态变化，温度的变化不能忽略-热力采油，如：蒸汽驱、火烧9.1定义一、什么是油藏数值模拟？9黑油模型黑油：由甲烷及重质碳氢化合物组分所组成的低挥发油黑油模型：描述黑油系统的数学模型黑油的烃组分：气组分（甲烷）+油组分（重质碳氢化合物）黑油系统的相：油相、气相、水相9.2特点黑油模型是目前油藏模拟中发展最完善，最成熟的模型所有常规油气田的开发问题，都可以用黑油模型来进行模拟也是目前全球应用最为广泛的数值模拟模型9.3基本假设一、什么是油藏数值模拟？9黑油模型等温渗流过程考虑油气水三相，每一相的渗流均遵守达西定律油藏烃类中含有油气两个组分-油组分：大气压下差异分离残存下来的液体-气组分：全部分离出来的天然气油藏烃类中含有油气两相-油相：包括油组分和以溶解气方式存在的气组分-气相：以自由气方式存在的气组分油藏中气体的溶解和逸出是瞬间完成的油水两相不互溶，气水两相不互溶岩石微可压缩，渗透率各向异性流体可压缩，考虑渗流过程中重力、毛管力的影响10.1定义一、什么是油藏数值模拟？10组分模型以烃类体系的自然组分为基础，建立各个组分的质量守恒方程，而形成的数学模型10.2特点数学模型中，对烃类体系的每个自然组分的PVT性质、相态特征和相平衡计算，都是分别用状态方程来完成的描述各种凝析气藏（带油环、不带油环、有边底水等）的开发全过程描述油气两相中各个组分的瞬间变化计算井流物中重质组分含量的变化计算在给定的分离条件下可以获得的凝析油量等模拟循环注气、注干气、注氮、注CO2、混相驱的工作机理和开采效果10.3基本假设一、什么是油藏数值模拟？等温渗流过程储层内的油气水三相流动均服从达西定律油气体系存在N个组分各个组分在渗流过程中会发生相间传质，但相平衡是瞬间完成的水组分为独立相，不参与油气相间传质考虑岩石的压缩性和渗透率的各向异性考虑重力、毛管力的影响10组分模型二、为什么要做油藏数值模拟？地质特征复杂：裂缝、断层、尖灭、非均质、隔夹层、多层油气水关系复杂：多个压力系统、多个油气水界面、油气水间互流体特征复杂：三维三相、三维四相、复杂的相态变化、多组分1油气藏的复杂性通过各种措施增加产量和利润，是一个复杂的多因素决策过程存在地质和工程的不确定性，需要进行完备的风险评估剩余油以及开发潜力的分析是一个基于时间和空间的过程油气藏开发是具有高成本的不可逆过程2油气藏开发的复杂性二、为什么要做油藏数值模拟？油藏工程方法：物质平衡法、递减分析法、水驱特征曲线法-无法考虑复杂储层的地质特征与流体变化特征-无法考虑井史的时间效应-无法考虑多层、多井、复杂流体分布的综合效应概率分析方法：不确定性大不稳定试井：具有多解性物理模拟实验：时间长小区块现场试验：投资大3常规方法的局限性油藏数值模拟可以考虑微观到宏观的各种复杂情况对于初期开发方案