数值模拟1各种方法总结1.docx

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数值模拟1各种方法总结1

油藏数值模拟基本过程

一、数值模拟发展概况

30年代人们开始研究地下流体渗流规律并将理论用于石油开发；

50年代在模似计算的方法方面，取得较大进展；

60年代起步，人们开始用计算机解决油田开发上的一些较为简单间题，由于当时计算机的速度只有每秒几万到几十万次，实际上只能做些简单的科学运算；

70年后主要体现于计算机的快速升级带动了油藏数模的迅猛发展，大型标量机计算速度达到100--500万次，内存也高增主约16兆字节。

在理论上黑油模型计算方法更趋成熟，D.W.Peaceman的<油藏数值模似基础>以及K.Aziz和A.Settari的<油藏模似>等主要著作都是在这个阶段出版的，但仍受到计算机速度和内存的限制，使用的方法一般仅限于IMPES及半隐式等，只能解决中小型油藏的模拟应用问题；

80年代则是油藏数值模似技术飞跃发展的年代，解决不同类型油藏的数模计算方法及软件相应问世，同时超级向量机的诞生，使计算机速度达到亿次，甚至几十亿次，内存高达10—20亿字节。

90年代特别是后期，油藏模似软件各模块功能也有了惊人的发展，主要体现为向一体化方面发展；即集地震、测井、油藏工程（数模）、工艺及地面集输、经济评价等为一体的大型软件方面发展。

目前油藏数值模似软件基本上形成了一套能处理各种类型油气藏和各种不同开采方式的软件系列。

?

黑油模型已被广泛用于各种常规油气藏的模拟；

?

裂缝模型可用来解决除砂岩以外的灰岩、花岗岩、凝灰岩和变质岩的裂缝性油气藏开发问题；

?

组分模型用于凝析气藏、轻质油、挥发油藏的开发设计和混相驱的研究；

?

热采模型用于稠（重）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。

油藏数值模拟方法的新突破

随着计算机运算速度的提高,向量算法的出现和应用是软件设计上一个划时代的发展。

预处理共轭梯度法更快速、有效地解各种更为复杂和困难的大型稀疏线性方程组。

网格化方面不局限于静态和动态的局部网格加密技术,不规则网格、PEBI网格的出现更好的解决了在边界、断层插值计算以及面与面垂直正交的新型数模计算方法，更快速收敛。

此外多重网格法、混合有限元法、流线法等都在逐步完善和发展。

同时，并行处理技术给大中型油田数模工作带来了生机。

二、数值模拟基本原理

以渗流力学为基础建立数值模型，即通过一组方程组，在一定的假设条件下，考虑油藏构造形态、断层位置、砂体分布、储层孔渗饱等参数的变化；流体高压物性变化；不同岩石类型；不同渗流驱替特征曲线（相渗）；井筒垂直管流等描述油藏真实的物理过程。

主要包括：

运动方程、状态方程和连续方程。

1、运动方程

引入单相（或多相）流的达西定律方程：

单相流达西定律：

多相流达西定律：

其中：

K:

空气渗透率；达西

A:

截面积；厘米2

L:

长度；厘米

△P:

压差；大气压

Kro、Krw:

油、水相对渗透率

μo:

原油粘度；厘泊

转变为运动方程：

2、连续性方程

研究流入流出单元体中质量的变化方程。

根据物质平衡原理，流入单元体中的流体流量减去流出单元体流体流量等于单元体流体质量变化。

单元体中流体质量发生变化的速率

油

水

将达西定律代入连续性方程得出油、水的流动方程：

油水

3、状态方程

为求解上述两个方程中的两个未知数P、Sw，引入状态方程：

（1）

（2）h、、为常数

（3）

（4）、为的函数So=1-Sw

由连续性方程推导出油、水的流动方程，从而引入压力方程：

饱和度方程引入含水百分数：

最后把两维两相流动方程写成如下形式：

解上述方程通过把微分方程离散化变代数形式来求解。

三、数值模拟的目的

（一）、为什么开展油藏数值模拟工作

研究和开发一个油田是一个复杂的综合性的科技问题，高精度的地震资料的处理解释提供研究区域的构造、断层、边界及其走向，但地震纵向分辨率受到限制，不能很好的反映一个同相轴（地震道）中沉积砂体的物性变化特征；测井可较好的反映到小于1米以下沉积砂体的物性特征，提供可靠的地层对比结果。

但作为新老油田开发方案的研究及剩余油分布的研究，是地震、地质、测井理论方法都无法做到的。

地质上仅定性或半定量分析，测井用于生产监测不能以点带面。

惟独油藏数值模拟工作可再现生产历史，定量分析剩余油潜力；并做到室内研究投入少、时间短，还可进行开发方案优选及经济评价工作。

所以总公司强调开发方案的部署一定要开展数值模拟工作。

值得强调的是油藏数值模拟工作提倡一体化，注重前期的地震解释和测井解释即油藏描述工作。

（二）、油藏数值模拟的目的

在进行油藏数值模拟工作前，首先应根据油田开发过程中存在难以解决的实际问题，提出开展此项工作的目的及意义，即最终所要达到解决问题的目标是什么？

一般通过油藏数值模拟可进行以下研究工作：

1.初期开发方案的模拟

1）.评价开发方式；如：

枯竭开采、注水开发等。

2）.选择合理井网、开发层系、确定井位；

3）.选择合理的注采方式、注采比；

4）.对油藏和流体敏感性研究。

2.对已开发油田历史模拟

1）.核实地质储量，确定基本的驱替机理（如：

是天然驱，还是注水开发。

）；

2）.确定产液量和生产周期；

3）.确定油藏和流体特性；

4）.提出问题、潜力所在区域。

3.动态预测

1）.开发指标预测及经济评价

2）.评价提高采收率的方法（如：

一次采油、注水、注气、化学驱等）

3）.剩余油饱和度分布规律的研究,再现生产历史动态

诸如：

研究剩余油饱和度分布范围和类型；

单井调整：

改变液流方向、注采井别、注水层位；

扩大水驱油效率和波及系数；

4）.潜力评价和提高采收率的方向

诸如：

?

确定井位、加密井的位置；

?

确定油田开发最大产液量、产量对采收率的影响；

?

确定地面和井的设备。

5）．专题和机理问题的研究

诸如：

?

对比注水、注气和天然枯竭开采动态；

?

研究各种注水方式的效果；

?

研究井距、井网对油藏动态的影响；

?

研究不同开发层系对油藏动态的影响；

?

研究注水速度对产油量和采收率的影响；

?

研究油藏平面性质和层间非均质性对油藏动态的影响；

?

验证油藏的面积和地质储量；

?

校验油藏数据；

?

为谈判和开发提供必要的数据。

注意

无论是对油藏进行初期开发方案、已开发油田历史模拟，还是动态预测的数值模拟工作，都要求油藏工程师要有针对性的拟定出能解决油田开发实际问题的数值模拟工作详细计划，及其开展此项工作的目的和应达到的目标是什么。

四、选择适当的数值模型及相类

对一般油藏而言，可具有两相（油＋水、油＋气、气＋水）和三相（油、气、水）的模型，而油藏维数可具有一维平面、垂直模型、两维平面（剖面）、两维径相（锥进）模型和三维平面等模型。

但实际油藏其地下流体渗流机理、岩石及流体性质等地质特征不同；生产过程中的开采方式、机理不一等复杂问题，促使非常规油藏模型孕育而生。

如：

注意

如何确定多相问题？

需了解油藏流体性质、生产特征，以及采油机理。

如：

?

气藏是否带油环和下伏水区；

?

有无明显相态变化的混相驱油藏；

?

有无表现出凝析现象的相态特征；

?

气顶及水锥效应是否占优势的油藏等；

由此，在模拟区已确定的同时，需要认真考虑选择模型及相类的问题。

五、数据录取的准备工作

在数据录取工作中，建立精细的油藏地质模型是模拟工作成败的关键；而对生产数据的正确分析、合理取舍、根据生产情况合理分层和划分时间阶段步长，即录入生产数据卡工作也极为重要。

油藏模拟工作要研究油田开发中的问题很多，不可能一律对待，也不可能在一个模型里都予以满足，需根据研究任务和客观许可条件建立相应的地质模型。

（一）建立油藏地质模型

1.在油藏描述的基础上建立油藏地质模型

开展油藏描述工作，对油藏的地质、油层非均质特征，沉积相的详细描述和研究，根据油藏沉积相研究建立该油藏特征的沉积模式。

油藏描述分析的目的是综合所有的测井、岩心和生产测试等资料来得出一个与全油田一致的储集层模型。

对各种未知的基本参数例如：

对顶面深度、砂厚、孔、渗、饱等空间分布的评价中最大限度地发挥现有测井资料的作用，同时将这些参数结合所需储集层的几何特性参量进行计算，并结合地质沉积相分析提供出更为精细、完善的油田地质模型。

确定一个油藏地质模型所需的许多参数，在油藏勘探试采阶段或初期刚投入开发阶段用有限几口井的资料进行计算、解释及建模其精度是不高的，这些参数初始误差越大，则通过历史拟合达到令人满意的油藏特征描述所需的时间越长。

所以，无论在对老区或新区进行数值模拟时，应对所选区块选用所有的井（特别是“关键井”）开展油藏描述工作，进行全面的分析研究。

2.运用油藏描述技术对地质沉积模型进行地层网格化

根据实际油田数值模拟所建立网格的需要，进行油藏描述工作时，即可对沉积地质模型进行相应的网格化，这样网格化的模型既能代表油藏沉积相的地质特征又有利于计算机数模作。

3.运用油藏描述技术提供相应沉积模式的地质参数

根据建立的油层沉积模式，提供砂岩、孔、渗、饱等参数的分布模式，并核实地质储量。

（二）网格选择

通过以上工作，可建立更为精细、完善的地质模型。

而在目前的实际工作中，大多数的老区块并没有开展过此项工作。

仅能做得是将各井点参数按网格划分的层系进行厚度加权平均，其结果是厚层贡献值大，薄层贡献值低，实际模拟中很有可能掩盖这样或那样的一些矛盾。

如：

现有测试资料反映，注水开发油田，注入水沿高渗薄层（厚度为0.5m）突进，造成水淹。

而要降低这样的矛盾，只能把焦点倾注于网格层系的划分上，这便是以下所要谈到的问题。

在一个区块的模拟研究中，合理有效的选择网格必须考虑以下几个问题。

1.网格的定向

?

网格的界限要与天然的非流动边界相符合，包括整个系统的矩形网格应最大可能的重迭在油藏上；

网格应包含有所有的井位（包括即将完善的新井、扩边井）；

网格方向要与流体流动的主要方向（沿主河道方向，即平行渗透率的主轴）和油藏内天然势能梯度吻合；

网格的定向尽量减少死接点数目。

2.网格的尺寸

网格越多，每个时间步长中所需计算的数学问题越多，机时费用越多；

当时间步长由最大饱和度所控制时，较小的网格通常使最大可允许时间步长减小；

一般邻井之间至少要有2～3个空网格或更多，使其能反映油藏结构和参数在空间的连续变化，同时足够的网格能控制和跟踪流体界面的运动；

如果模拟前考虑井网加密方案，应确定适当的加密井井位和网格尺寸；

3.纵向网格的划分

?

除考虑本身按沉积韵律划分的层系外，还要考虑生产过程中的整体改造工作，如：

补层、压裂酸化、堵水等等；同时，对生产特征（如：

底水锥进、气顶等）都应合理考虑，对一个层系中的细分小层问题更是如此；

4.不规则网格的选择

需按实际情况酌情考虑，如井网密度大的井区，相邻的油、水井之间用一个空白网格分开，或处在相邻的网格中也是允许的，必要情况下可考虑井点网格加密。

（三）数据录入准备

1.表格数据

主要指岩石物性、流体性质。

油气PVT数据表（高压物性分析）；

水及岩石PVT性质（高压物性分析）；

油水相对渗透曲线；

毛管压力曲线（岩心压汞实验）等；

井筒流动数据。

2.网格数据

油藏顶面海拔深度；

砂层厚度（有效）；

孔、渗、饱参数、岩石类型等。

3.动态数据

完井数据：

射孔、补孔、压裂、堵水、解堵日期、层位、井指数等；

生产数据：

平均日产油、日产水、日产气、平均油气比和含水比等；

压力数据：

井底流压、网格压力等。

动态监测资料（分层测试、吸水、产液剖