油藏数值模拟进展

第一章油藏数值模拟进展•油藏数值模拟的基本概念•80年代的油藏数值模拟进展•90年代的油藏数值模拟进展第一节油藏数值模拟的基本概念一、定义油藏数值模拟就是用数值的方法来解油藏中流体（相或者组分）渗流的偏微分方程组。所谓数值方法是一种近似的解法，即用离散化的方法把连续函数转变成离散函数，用计算机来求解。通常用的方法有有限差分法，也可用有限元法和谱分析方法，但大多使用有限差分法。而材料力学用有限元法，天气预报用谱分析方法。二、内容建立数学模型建立数值模型建立计算机模型建立计算机模型建立数值模型建立数学模型1.建立数学模型2.建立数值模型通过离散化，将连续的偏微分方程组转换成离散的有限差分方程组，再用多种方法将非线性系数线性化，成为线性代数方程组，然后求解线性代数方程组即建立一套描述油藏中流体渗流的偏微分方程组，包括初、边值问题。偏微分方程组线性代数方程组得到压力、饱和度等有限差分方程组离散化线性化解方程组3.建立计算机模型将资料（静、动态）的输入，系数矩阵和常数项的形成，多种解法和结果的输出等，编制成计算机程序。数值模拟的关键是计算的精度和速度。由于计算的精度取决于离散的程度，但离散的程度又决定了计算的速度。这是一对矛盾，要根据解决问题的需要而选择离散化程度和计算速度。三、用途•油藏描述•油藏动态预测•驱油机理研究1.油藏描述油藏描述是油田开发的基础，是一项系统工程，由多学科各种方法联合研究的结果。油藏数值模拟作为一种方法，在油藏描述中起了一定的作用。1)孔隙结构研究~10μm级利用CT、核磁共振、图象分析仪、微观驱油机理、毛管压力实验等进行研究2)岩石物理性质研究~cm级利用油层物理实验室进行Ф、K、S、kr等研究。3)测井研究~m级利用测井方法进行Ф、K、S等研究。4)井间地震研究1~100m级利用井间地震进行油层连续性、油层厚度等研究。5)井间监测m~1000m利用试井和示踪剂等方法来研究主力油层的、k、s等。6)数值模拟网格10m~1000m将上述研究的Ф、K、S等参数填入数值模拟网格。7)油藏数值模拟1000m~10000m利用油藏数值方法研究油藏中的P、S分布。8)小井距生产试验区如大庆、孤东等小井距研究弹性驱、水驱和各种提高采收率的开发规律。2.油藏动态预测1)油藏动态预测的步骤为：选择模型输入资料灵敏度试验动态预测历史拟合静态动态Kr、Cfw、PQO,Qw,Qg,QlPwf2)在油藏开发的不同阶段，利用数值模拟进行动态预测，有不同的用途规划方案开发方案提高开发效果方案调整方案开发前期开发初期开发中期开发后期3.油藏驱油机理研究1)层内油水运动机理研究油水运动的作用力：驱动力：重力：毛管力：各种层状非均质亲油油层的水驱特征：•正韵律Pghkcos正韵律0L凹•反韵律0反韵律L凸2)层间堵塞的油水运动机理•调剖•堵水•渗滤面调剖•近井地带调剖•远井地带调剖•选择性堵水•非选择性堵水•防止底水锥进的隔板3)化学驱对油水运动规律的影响•活性剂驱•聚合物驱•碱驱•混相驱四、国内外油藏数值模拟发展概况1.国外1)发展历史50年代数值模拟起步1953年美国G.H.Bruce等人发表了“孔隙介质中不稳定气体渗流的计算”。60年代黑油模型油、气、水三相和三组分，质量守恒。70年代初热采模型蒸汽驱和火烧油层，质量守恒＋能量守恒。70年代末油、气、水三相和多组分，质量守恒＋相态软件油、气、水三相和各种化学物质组分，质量守恒＋化学反应•组分模型•化学驱模型80年代工业性应用，向综合性多功能模型发展。90年代工作站数值模拟。2、国内1)发展历史60˜70年代处于停顿状态。81˜85年起步阶段，引进国外软件。86˜90年将油藏数值模拟软件研制列为国家“七五”攻关项目。91˜95年推广使用，并继续引进国外先进软件。96˜成立软件中心，发展我国自己的软件。2)取得的主要成果•具备一批国内、外先进软件黑油模型VIP（WesternAtlas);WorkBench(SSI)热采模型STARTS(CMG)化学驱UTCHEM(UT）勘探开发一体化(CHINA)•具备了研制数模软件的各种新方法全隐式自适应隐式隐式井底压力预处理共轭梯度法前后处理动态存储分配多模型一体化第二节八十年代油藏数值模拟进展八十年代，油藏数值模拟已经进入工业化应用阶段，随着工业化进程，即应用的拓宽和计算机的发展，则必然在模型、解法及前后处理等方面有较大的发展。归纳起来有十个方面进展。一、模型方面1.状态方程的组分模型该模型涉及到：组分模型：组分的质量守恒方程。状态方程：不同压力、温度下的相态.数值模拟将烃类组分的相态与地下的渗流力学问题有机地结合起来。该模型可用于模拟：凝析气田开发；凝析气田的循环注气；回收气藏中的自凝析油；高收缩挥发性原油的开采；注co2或者N2的非混相驱或近混相驱；地下储气库；2.双重介质模型该模型涉及到：双孔单渗模型；双孔双渗模型；该模型可用于模拟：裂缝性的碳酸盐岩油藏。3.热采模型该模型涉及到：质量守恒方程；能量守恒方程；顶底层的热损失；水蒸汽性质；燃烧动力学。该模型可用于模拟：注蒸汽热力采油；火烧油层。4.聚合物驱模型该模型涉及到：聚合物溶液的粘度；聚合物溶液被岩石的吸附；聚合物溶液的降解；聚合物溶液引起的渗透率降低；该模型可用于模拟：聚合物驱二、模型解法5.全隐式70年代，采用IMPES方法；半隐式方法；80年代，推出了全隐式方法。IMPES方法节省时间和内存，但稳定性差；全隐式方法稳定性最好，但增加了计算工作量；半隐式方法居中。6.自适应隐式方法该方法吸取了全隐式和IMPES方法各自的优点。既要计算稳定，又要节省计算工作量，产生了自适应隐式方法，即可以根据每个节点和每个时间步的具体需要来选择其合适的隐式程度。稳定性主要是由渗流方程中的非线性系数项引起的，并主要由饱和度引起，因此可根据一个时间步内的饱和度变化来确定每一个节点的隐式程度.7.局部网格的加密技术该方法包括：网格加密区域；网格排序；系数矩阵结构；数据管理。该方法可用于：微构造；井附近；活性剂段塞。三、线性代数方程组的解法8.预处理共轭梯度法70年代，采用直接解法迭代解法80年代，采用预处理共轭梯度法直接解法占用内存多，但计算速度快；迭代解法占用内存少，但由于迭代次数多，而降低计算速度。预处理共轭梯度法适用于解大型稀疏矩阵。预处理是将稀疏矩阵不完全LU分解成近似阵，然后用正交极小化使迭代过程沿着最快的方向收敛。四、计算机发展9.向量化70年代标量计算，又称串行运算，即一个时刻内只进行一对数据计算。80年代可以用向量计算机进行向量计算，即一个时刻内可使两个数组内各因素同时进行计算，也可以是一个数和一个数组内的各因素同时计算。10.工作站前后处理前处理：井点静态参数输入；网格自动剖分、增减；网格数据自动形成；等值图件绘制。后处理：三维参数场的绘制；储量丰度图形化；生产数据曲线和表格化。第三节九十年代油藏数值模拟进展九十年代，油藏数值模拟技术的发展经历了一次技术革命，即由传统计算机转变到工作站上来。工作站的发展不仅促进了数值模拟的发展，而且也促进了石油工业其它使用计算机学科（地震、测井、油藏描述）的进步。石油领域不同学科对工作站的应用反过来促进了跨学科对工作站应用的联合。根据1995年10月在美国Dallas举行的SPE年会和1995年11月在北京举行的SPE会议可看出，主要与数模有关的国外公司有：Landmark(属于Halliburton)WesternAtlasGeoquest(属于Schlumberger)SSICMGDynamicGraphics归纳起来有十个方面的进展一、工作站软件一体化80年代，工作站前后处理程序是以单独程序出现的。它们与主模型之间的联系仅以文件的形式出现。90年代推出一体化软件，使前后处理程序与主模型组合在一个软件中，使用公共内部数据库，数据调用方便。如WesternAtlas有六个前后处理支持模块：Prcore初始化预处理模块Prexec主模型预处理模块Gridgenr网格节点生成模块Plotviev图形处理器模块X/Motif曲线、图形模块3Dview三维图形处理器模块••••••二、模块化和集成化80年代软件大多是以单个软件形式出现；90年代多种软件统一在一个系统中；如WesternAtlas的DESKTOP—VIP系统，包括：VIP—Encore黑油模型；VIP—Comp组分模型；VIP—Therm热采模型；VIP—Dual裂缝模型；VIP—Polymer聚合物模型。如CMG公司，包括：•IMEX黑油模型；•STARTS热采模型；•GEM组分模型；•WINPROP相态模型；•BUILDER前后处理。三、横向整合将地震解释、测井分析、油藏工程、油藏模拟等组合在一起，形成统一系统。如WesternAtlas的Wings(云氏)系统，包括：•OASIIS地震解释；•QUIKWELL测井分析；•SIGMAVIEW油藏描述；•DESKTOP—VIP油藏数值模拟；•3DKI三维可视化。如SSI的WorkBench系统，包括：•ReservoirDescription油藏描述；•WellTestAnalysis试井分析；•ProductionDataAnalysis生产数据分析；•ReservoirSimulation油藏模拟。我国自行研制的石油滚动勘探开发一体化系统PREDIS，包括：•数据管理；•地震处理；•地震解释；•测井分析；•储层评价；•绘图系统。四、网格多样精确化80年代矩形网格；90年代多样精确化网格。动态局部网格加密杂交网格非正常连接变通网格技术角点网格中垂线网格••••••五、数值解法标准化80年代预处理共轭梯度法用于五点差分格式和矩阵网格的标准排列。90年代预处理共轭梯度法用于九点差分格式和复杂网格系统。六、并行计算技术1.并行算法2.三个级别实现•区域分解法•负载平衡解法•处理器级：提高处理器（CPU）的计算速度。•多处理器计算机系统：若干个处理器与一个公用的共享内存子系统相连。•多计算机系统：由若干个计算机结点和一个专用的结点间进行通讯联系。七、油藏可视化系统•放大•旋转•切割•多维显示八、水平井模拟技术•井筒模型•油藏模型井筒周围柱坐标油藏直角坐标水平井端部球形坐标把井筒水力学与油藏渗流结合起来。九、三元复合驱模拟技术•对流、扩散引起的组分质量守恒方程•物化参数确定•解法•聚合物粘度•多相的相对渗透率和毛管压力•界面张力•残余油饱和度•水相渗透率下降系数•表面活性剂的吸附•聚合物的吸附•各组分的扩散系数•碱耗•隐式求压力•显式求组分总浓度，相浓度•显式求饱和度十、微机化的数值模拟技术随着计算机技术的发展，在九十年代后期，计算机的内存、CPU、硬盘和相应的操作系统均可与工作站相比。因此大部分软件和中等规模（10万节点）的油藏均可在微机上实现，因此数模又逐渐向微机方向发展。