精細(xì)油藏?cái)?shù)值模擬研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1、精細(xì)油藏?cái)?shù)值模擬研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)教師：王慶學(xué)生：扎紫拉學(xué)號(hào)：2012030012 中國石油大學(xué)（北京）前言油藏?cái)?shù)值模擬是一門工程應(yīng)用學(xué)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(jì)算機(jī)軟件來求解油藏流體滲硫問題。油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)自20世紀(jì)50年誕生至今，隨計(jì)算機(jī)應(yīng)用數(shù)學(xué)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(jì)，動(dòng)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?cái)?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(gè)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(jì)效益。要想達(dá)到油藏管理的基本目標(biāo)，油藏?cái)?shù)值模擬

2、是最精密復(fù)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(diǎn)是油藏模擬可以進(jìn)行大概的現(xiàn)金流動(dòng)預(yù)測(cè)。數(shù)值模擬從產(chǎn)量的方面預(yù)測(cè)經(jīng)濟(jì)效益。將產(chǎn)量和價(jià)格結(jié)合起來就可以估計(jì)將來的現(xiàn)金流動(dòng)。共同的影響 油藏管理*現(xiàn)金流動(dòng)預(yù)測(cè) 決定是否增加額外的數(shù)據(jù) 需要對(duì)油氣價(jià)格進(jìn)行經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè) *油田生產(chǎn)期的評(píng)價(jià) *采收率和時(shí)間的關(guān)系預(yù)測(cè)油藏管理 *對(duì)比不同的開采方式 * 油藏管理的并列行為 *計(jì)劃開發(fā)中或運(yùn)行中的變化 * 油田生產(chǎn)運(yùn)行情況的評(píng)價(jià) *選擇和最優(yōu)化油田工程設(shè)計(jì) 理解油藏動(dòng)態(tài) 最大經(jīng)濟(jì)回收率 * 模型對(duì)已評(píng)價(jià)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(gè)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(dāng)受到干擾（如打井，生產(chǎn)）時(shí)，原來的平衡狀態(tài)被打破，油氣藏處于動(dòng)態(tài)變化中。油氣藏從投入開發(fā)到最后廢棄就是一個(gè)不斷變化的動(dòng)態(tài)過程。描述或?qū)崿F(xiàn)油氣藏動(dòng)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(dòng)態(tài)變化，可以有兩種方法：簡稱雙模(1)采用物理實(shí)體的方法，稱為物理模擬; (2)采用數(shù)學(xué)描述的方法，稱為數(shù)學(xué)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(xué)模擬是指用數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行研究，即通過求解某一物理過程的數(shù)學(xué)方程組來研究這個(gè)物理過程變化規(guī)律的方法。數(shù)學(xué)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(jī)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(rèn)識(shí)地下流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。數(shù)學(xué)模型有3類：水電相似模型，解析模型，數(shù)值模型。一.油藏?cái)?shù)值模擬的主要內(nèi)容藏?cái)?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(xué)模型（Mathematical Model ），數(shù)值模型（Numerical Model）和計(jì)算機(jī)模型（Computer Model ）。1.建立書數(shù)學(xué)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(xué)模型。2.建立數(shù)值模型，即對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值求解，一般要經(jīng)過以下三個(gè)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(xiàng)性化，從而得到線性代數(shù)方程組。對(duì)線性代數(shù)方程組進(jìn)行求解，包括直接求解法和迭代求解法。（3）建立計(jì)算機(jī)模型，就是將各種數(shù)學(xué)模型的過程編制成計(jì)算機(jī)程序，以便通過計(jì)算機(jī)計(jì)算得到所需要的結(jié)果。計(jì)算機(jī)模型中包括資料輸入，系數(shù)矩陣和常數(shù)項(xiàng)的形成，多種解法和結(jié)果的輸出等。工業(yè)性應(yīng)用的計(jì)算機(jī)模型稱為計(jì)算機(jī)軟件。油藏?cái)?shù)值模擬是應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)描述油藏中流體流動(dòng)的。計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)通常是一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)程序。進(jìn)行油藏?cái)?shù)值模擬時(shí)，首先要建立能夠反映油藏實(shí)際狀況的地質(zhì)模型，包括油藏構(gòu)造，幾何

6、形態(tài)，儲(chǔ)層基本性質(zhì)，流體性質(zhì)及分布等，然后輸入油藏的實(shí)際生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算。若計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)動(dòng)態(tài)不吻合，則修改前面輸入的地質(zhì)模型后重新計(jì)算，一直到計(jì)算結(jié)果與實(shí)際動(dòng)態(tài)相吻合，則前面修正的地質(zhì)模型即為對(duì)油藏的正確描述。數(shù)值模擬模型 地震解釋巖石物理學(xué)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(cè)結(jié)果和生產(chǎn)數(shù)據(jù)解釋的標(biāo)定 圖1. 不同學(xué)科領(lǐng)域?qū)τ筒財(cái)?shù)值模型的作用二.油藏?cái)?shù)值模擬的技術(shù)現(xiàn)狀油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)從20世紀(jì)50年代開始出現(xiàn)到今天，已經(jīng)經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，特別是20世紀(jì)80年代以來，隨著計(jì)算機(jī)，應(yīng)用數(shù)學(xué)和油藏工程學(xué)科的不斷發(fā)展，油藏?cái)?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(gè)方面總結(jié)目前的油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)現(xiàn)狀。并行算法并行算法是一些可同時(shí)執(zhí)行的諸進(jìn)程的集合，這些進(jìn)程互相作用和協(xié)調(diào)動(dòng)作，從而對(duì)給定問題進(jìn)行求解。并行算法首先需要合理的劃分模塊，其次要保證對(duì)各模塊的正確計(jì)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(jì)算的綜合效果。并行機(jī)及并行軟件的開發(fā)和應(yīng)用將極大地提高運(yùn)算速度，以滿足網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不斷增多的油藏?cái)?shù)值模型。在并行計(jì)算機(jī)上使用并行數(shù)值解法是提高求解偏微方程的計(jì)算速度，縮短計(jì)算時(shí)間的一個(gè)重要途徑。在共享內(nèi)存的并行機(jī)上把一個(gè)按向量處理的通用油藏模擬器改寫成并行處理時(shí)容易的，但硬件擴(kuò)充難;分布內(nèi)存式并行機(jī)編程較共享內(nèi)存式并行機(jī)困難，但硬件擴(kuò)

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(diǎn)物性，構(gòu)造矩陣，節(jié)點(diǎn)流動(dòng)及井筒計(jì)算等。在并行計(jì)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(jì)算，為實(shí)現(xiàn)軟件的并行法，針對(duì)并行模擬過程中如何靜態(tài)負(fù)載平衡提出了一種做法，即好的負(fù)載平衡不一定在最初實(shí)現(xiàn)，應(yīng)在計(jì)算過程中就計(jì)算工作量動(dòng)態(tài)調(diào)配各處理器的任務(wù)量，使各處理器的計(jì)算量基本相等，這些做法已在模擬器中實(shí)現(xiàn)，并在8個(gè)節(jié)點(diǎn)的IBM/SP2及32個(gè)節(jié)點(diǎn)的IPSC/860 機(jī)上試算，并行銷率分別達(dá)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(fù)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(diǎn)網(wǎng)格，PEBI網(wǎng)格等。當(dāng)然，快中心網(wǎng)格計(jì)算速度快，收斂性好，結(jié)果精確，但無法真實(shí)描述油藏的構(gòu)造。角點(diǎn)網(wǎng)格是用一個(gè)網(wǎng)格8個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)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(tái)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(yán)重影響了求解的精度。控制體積有限元網(wǎng)格（CVFE）是將油藏按一定規(guī)則剖分為若干個(gè)三角形以后，把三角形的中心和各邊的中點(diǎn)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(dòng)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(xué)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(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象，能最大限度地接近油藏實(shí)際。 1.計(jì)算機(jī)輔助歷史擬合技術(shù)油藏?cái)?shù)值模擬的歷史擬合既復(fù)雜又費(fèi)時(shí)，費(fèi)力，而且具有多解性。計(jì)算機(jī)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(biāo)函數(shù)，利用協(xié)方差矩陣和均方根梯度，進(jìn)行參數(shù)的不確定度和敏感性分析。通過計(jì)算機(jī)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(fèi)的機(jī)時(shí)。2.網(wǎng)絡(luò)粗化技術(shù)由于油藏的復(fù)雜性，地質(zhì)家要用較細(xì)的網(wǎng)格來描述其特征，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)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(gè)網(wǎng)格數(shù)據(jù)本。油藏工程是出于工作效率和計(jì)算費(fèi)用的考慮，以及計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量與計(jì)算速度的限制，需要對(duì)該數(shù)據(jù)體進(jìn)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(gè)重要研究內(nèi)容。3.動(dòng)態(tài)地質(zhì)建模和動(dòng)態(tài)跟蹤模擬動(dòng)態(tài)地質(zhì)建模是殼牌公司的Kortekass概括了當(dāng)前世界上關(guān)于油藏地質(zhì)建模的經(jīng)驗(yàn)，提出的建立動(dòng)態(tài)，集成化油藏模型的新的概念和技術(shù)方法。他強(qiáng)調(diào)把動(dòng)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(shí)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(duì)開發(fā)歷史較長，地下儲(chǔ)層物性和原有物性發(fā)生較大變化的油藏，把隨開發(fā)時(shí)間變化的地質(zhì)靜態(tài)模型劃分為多個(gè)不同開發(fā)階段的地質(zhì)模型。5.數(shù)值解法油氣藏?cái)?shù)值模擬必須對(duì)描述油氣藏流體滲流的數(shù)學(xué)模型進(jìn)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(jìn)步極大地推動(dòng)了油氣藏模擬技術(shù)向前發(fā)展。數(shù)值解法的一個(gè)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(duì)所有方程系數(shù)都進(jìn)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(jìn)

13、，高速氣體滲流等強(qiáng)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(chǔ)量大。所以，20世紀(jì)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(jì)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(diǎn)是對(duì)不同的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和不同的時(shí)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(jì)算量，加快計(jì)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(jìn)一步增強(qiáng)。數(shù)值解法的另一個(gè)重大發(fā)展就是多重網(wǎng)格法和預(yù)處理共軛梯度法。兩者的共同點(diǎn)在于都加速數(shù)值解的收斂性。多重網(wǎng)格法實(shí)質(zhì)上是外推與內(nèi)搜技術(shù)的創(chuàng)造性應(yīng)用。預(yù)處理共軛梯度法是將共軛梯度

14、法與各種不完全分解預(yù)處理相結(jié)合。它是20世紀(jì)80年代以來油藏?cái)?shù)值模擬中最引人注目的方法之一。三.油藏?cái)?shù)值模擬的發(fā)展方向油藏?cái)?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(gè)環(huán)節(jié)，無論是油藏描述，產(chǎn)量預(yù)測(cè)，還是開發(fā)方案優(yōu)化，都離不開數(shù)值模擬進(jìn)入21世紀(jì)，伴隨著計(jì)算機(jī)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(jìn)。油藏?cái)?shù)值模擬是隨計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展的，因此油藏?cái)?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(duì)其今后的發(fā)展方向預(yù)測(cè)如下：（1）數(shù)值模擬運(yùn)算速度將會(huì)大幅度提高。新的數(shù)值求解方法，相平衡算法，并行計(jì)算方法等，可以使數(shù)值模

15、擬的運(yùn)行速度又顯著的提高。（2）數(shù)值模擬計(jì)算的大型化和精細(xì)化。計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力將越來越強(qiáng)，64為操作系統(tǒng)的普及將使每個(gè)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(huì)達(dá)到千萬數(shù)量級(jí)。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(jì)算帶來的誤差。不過另一方面，由于計(jì)算機(jī)能力的增強(qiáng)，地質(zhì)模型也可能變得更大，對(duì)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(jì)算速度，內(nèi)存管理，并行優(yōu)化，并行負(fù)載平衡，超大模型處理等方面將有重大進(jìn)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(huì)采用PEBI網(wǎng)格。（5）輔助歷史擬合和自動(dòng)歷史擬合將不會(huì)有大的進(jìn)展，歷史擬合將仍然取決于油藏工程師的經(jīng)驗(yàn)。（6）傳統(tǒng)的數(shù)值模擬方法不會(huì)有變化，將會(huì)繼續(xù)使用。但新的方法將會(huì)出現(xiàn)，而且逐漸被投入實(shí)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(jì)算結(jié)果將不會(huì)像傳統(tǒng)方法那樣唯一，而會(huì)像天氣預(yù)報(bào)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(tái)上工作，勘探與開發(fā)一體化將不再只是一個(gè)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(huì)只是對(duì)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(dòng)模型，地面管網(wǎng)模型，油氣處理模擬將完整耦合在一起進(jìn)行模擬。全系統(tǒng)的耦合模擬可以達(dá)到更精準(zhǔn)的效果，只有依賴于這樣的模擬器，才能實(shí)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(huì)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(yù)測(cè)油氣藏動(dòng)態(tài)已有30年的時(shí)間。這些模型及其所用的數(shù)值技術(shù)在數(shù)理上極為復(fù)雜。同時(shí)需要大內(nèi)存，高速度的先進(jìn)計(jì)算來運(yùn)行這些模型。也許基于這些原因，油藏工程師對(duì)模擬結(jié)果的置信程度往往超出了其實(shí)際的合理性。應(yīng)該時(shí)刻牢記的是，模擬結(jié)果的可靠性最

18、多不會(huì)超過輸入的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性：計(jì)算機(jī)并非智慧的化身，只不過是“搗弄數(shù)字”的機(jī)器而已，它不可能提高輸入數(shù)據(jù)的可靠性。在進(jìn)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(shí)間來建立一個(gè)可靠地質(zhì)模型是必需的。認(rèn)為應(yīng)用復(fù)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(cuò)誤的。唯一可以確信的是，模型越復(fù)雜，花費(fèi)的計(jì)算時(shí)間就越長。新的數(shù)值模型不斷出現(xiàn)，工程師們不應(yīng)當(dāng)一味地趕時(shí)髦。他們應(yīng)當(dāng)憑自己的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和明智的判斷，在可用資料提供的約束條件下選擇一個(gè)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(duì)不同開發(fā)條件下預(yù)測(cè)的油氣藏動(dòng)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(shí)間實(shí)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(yù)測(cè)結(jié)果可能不是定量的，但對(duì)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(duì)模型進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證以使其不斷地得以改進(jìn)，才能獲得真正定量的預(yù)測(cè)。一條經(jīng)驗(yàn)法則是，預(yù)測(cè)的未來油氣藏動(dòng)態(tài)的可靠時(shí)間不會(huì)長過用來驗(yàn)證模型的生產(chǎn)歷史。