油氣藏數(shù)值模擬技術(shù)講義

1油氣藏數(shù)值模擬技術(shù)西南石油大學2012.621油氣藏數(shù)值模擬原理和方法2油氣藏數(shù)值模擬的應用3油氣藏數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展簡史4油氣藏數(shù)值模擬技術(shù)專題5實例分析6油氣藏數(shù)值模擬研究的意義主要內(nèi)容開發(fā)方式井網(wǎng)、井數(shù)、井距采油速度開發(fā)方案優(yōu)選確定開發(fā)方案確定剩余油、氣分布優(yōu)選增產(chǎn)措施確定提高采收率的方法制定開發(fā)調(diào)整方案油田開發(fā)中后期油田開發(fā)初期4油藏流體及其與巖石作用的復雜性巖石非均質(zhì)性及孔隙結(jié)構(gòu)（孔道大小、孔隙之間關(guān)系）油、氣和水的組分各不相同，各組分間存在相間傳質(zhì)，流體性質(zhì)隨溫度、壓力的變化很大油層中的流體與巖石相互作用產(chǎn)生物理化學現(xiàn)象如擴散、吸附等各種提高采收率方法的使用，如熱力采油、化學驅(qū)、混相驅(qū)以及各種增產(chǎn)措施如酸化等。5油藏研究方法直接觀察法如鉆觀察井、井下測試、井下電視、巖心實驗、開辟生產(chǎn)實驗區(qū)等)模擬法6模擬法

模擬法

物理模擬數(shù)學模擬

7數(shù)學模擬數(shù)學模型求解方法

解析法數(shù)值方法

油藏數(shù)值模擬8利用計算機模型模擬仿真油氣復雜開發(fā)過程，動態(tài)重現(xiàn)開發(fā)歷史，預測未來開發(fā)動態(tài)，可在計算機上“多次”模擬開發(fā)過程，進行油田開發(fā)方案優(yōu)選、產(chǎn)量和地層壓力動態(tài)預報、尋找開發(fā)中后期剩余油分布和采收率預測、經(jīng)濟效益預測以及對整個油田開發(fā)的重大問題進行決策的一門有效的工具。實際上就是建立滲流微分方程，借用大型計算機，通過計算數(shù)學的求解，結(jié)合油藏地質(zhì)、油藏描述、油藏工程、試井等學科再現(xiàn)油田開發(fā)的過程，由此來解決油田實際問題。油藏數(shù)值模擬—科學開發(fā)油氣田的關(guān)鍵技術(shù)9為什么要做油藏數(shù)值模擬？研究和開發(fā)油田是一項復雜的綜合性科學技術(shù)問題，人們靠經(jīng)驗或利用一些簡單的計算公式：如物質(zhì)平衡、瑪斯蓋特方法、巴克雷和皮爾遜的前緣推進理論方法、克雷格等注水動態(tài)預測都不能解決一個復雜油田的研究問題，既使人們可以輔助以物理模型和小區(qū)塊的現(xiàn)場實驗來進行油田開發(fā)科學研究，但這樣不可能做太多的和大面積的實踐，因為投資大而且時間長。10為什么要做油藏數(shù)值模擬？（續(xù)）為了減少盲目性，使用油藏數(shù)值模擬技術(shù)來作嚴密的科學計算，用數(shù)學模型原理再現(xiàn)油藏地下真實動態(tài)，可以反復開發(fā)多次，求得合理開發(fā)油田定性的半定量的解。這樣做時間短、花錢少。

11油藏數(shù)值模擬研究步驟明確研究的任務、目的及具體要求；

獲取和校正油藏數(shù)據(jù)；建立油藏地質(zhì)模型；建立油藏數(shù)值模擬模型；油藏生產(chǎn)歷史擬合；方案設計及開發(fā)動態(tài)指標預測；分析整理模擬結(jié)果，提出建議，形成報告。一般來說，油藏數(shù)值模擬研究可概括為以下幾個步驟：12數(shù)學模型建立及求解建立數(shù)學模型建立數(shù)值模型建立計算機模型建立一套描述油藏流體滲流的偏微分方程組。完整的數(shù)學模型包括定解條件（初始條件和邊界條件）。偏微分方程組非線性有限差分方程組線性代數(shù)方程組離散化線性化將各種數(shù)學模型的計算方法編制成計算機程序，用計算機計算各種結(jié)果。以平面油水系統(tǒng)為例13油水滲流的數(shù)學模型

數(shù)學模型就是通過一套方程組，在一定假設條件下，描述油藏流體滲流的真實物理過程。這組流動方程組由三個方程組成：運動方程、連續(xù)方程和狀態(tài)方程。14油水滲流的數(shù)學模型（續(xù)）油藏中的流體滲流是等溫滲流；油藏中最多只有油氣水三相，每一相的滲流均遵守達西定律；油藏烴類中含有油氣兩個組分，油組分是在大氣壓下經(jīng)過差異分離后殘存下來的液體，而氣組分是指全部分離出來的天然氣。在油藏狀況下，油氣兩種組分可形成油氣兩相，油組分完全存在于油相中，氣組分則可以以自由氣的方式存在于氣相內(nèi)，也可以以溶解氣的方式存在于油相中，所以地層內(nèi)油相應為油組分和氣組分的某種組合。在常規(guī)的黑油模型中，一般不考慮油組分的揮發(fā)；基本假設15油水滲流的數(shù)學模型（續(xù)）油藏中氣體的溶解和逸出是瞬間完成的，即認為油藏中油氣兩相瞬時達到相平衡狀態(tài)；油水兩相，氣水兩相不互溶；巖石微可壓縮，各向異性；流體可壓縮且考慮滲流過程中重力、毛管力的影響?；炯僭O（續(xù)）16油水滲流的數(shù)學模型1.運動方程由于油水兩相運動產(chǎn)生相互干擾，引入相對滲透率，用流體力學表示油水二維二相通過多孔介質(zhì)。根據(jù)多相流達西定律：（續(xù)）17油水滲流的數(shù)學模型2.連續(xù)性方程連續(xù)性方程代表的是質(zhì)量守恒定律，即：對于地層中任意的單元體，在一定的時間間隔△t過后，流入的量減去流出的量，等于單元體內(nèi)增加的量。寫成廣義坐標形式為：（續(xù)）18油水滲流的數(shù)學模型（續(xù)）2.連續(xù)性方程（續(xù)）把油水運動方程帶入連續(xù)性方程中，同時考慮存在生產(chǎn)油井或注水井，則可在方程中增加一個產(chǎn)量項：油相基本流動方程：水相基本流動方程：19油水滲流的數(shù)學模型（續(xù)）3.狀態(tài)方程即輔助方程20微分方程的離散化

前面建立的油水流動方程是一個描述連續(xù)性問題的非線性偏微分方程組，用解析法不可能求解，而需要將其轉(zhuǎn)變成可用數(shù)值計算的離散點問題進行近似求解。離散化方法分有限差分法和有限元法兩大類。油藏模擬中應用有限差分法。對平面問題采用五點差分格式，對三維問題使用九點差分格式。而差分格式又有隱式差分格式和顯式差分格式之分。21考察函數(shù)u(x),其自變量的一階導數(shù)可定義為下面的各種極限前差商中心差商后差商一階導數(shù)的差商逼近

導數(shù)的差商逼近22網(wǎng)格系統(tǒng)油藏ab油藏有效網(wǎng)格無效網(wǎng)格。(i,j)塊中心。。(i,j)點中心23空間離散i-1,ji,ji+1,ji,j-1i,j+1五點差分格式24每個網(wǎng)格塊的油、水相分別應用物質(zhì)平衡方程塊中心網(wǎng)格離散化25塊中心網(wǎng)格離散化油相差分方程：水相差分方程：（續(xù)）26塊中心網(wǎng)格離散化（續(xù)）其中：27非線性方程組線性化將上述非線性代數(shù)方程組線性化，變成線性代數(shù)方程組（即求解有限差分方程組）。目前使用的主要方法有IMPES、半隱式、全隱式、SEQ和自適應隱式等等。28求解線性方程組求解線性代數(shù)方程組，即求解矩陣。在油藏模擬中，求解線性代數(shù)方程組（求解矩陣）的技術(shù)大致可分為直接解法和迭代法兩種類型。矩陣AP=fwi29求解線性方程組（續(xù)）aijbijcijdijeij二維自然排列時五對角矩陣結(jié)構(gòu)示意圖30油水平面二維二相模擬結(jié)果演示31油水平面二維二相注采井流線模擬32由誰來做油藏數(shù)值模擬

油藏數(shù)值模擬是一門綜合性很強的科學技術(shù)，它涉及的知識領域很廣，包括油田地質(zhì)學、油層物理學、油藏工程學、采油工程學、數(shù)學、計算機系統(tǒng)和油藏數(shù)值模擬程序。要做好一個模擬，需要上述方面專家配合，尤其需要一個能熟練掌握上述領域的有豐富經(jīng)驗的油藏工程專家完成油藏模擬工作。33什么時候開始做模擬

在編制油田開發(fā)方案、尋找剩余油分布、研究油田開采機理、油氣田開發(fā)重大問題決策需要答案和結(jié)果及一般的常規(guī)計算解決不了問題的時侯，開始做油藏數(shù)值模擬。34油藏數(shù)值模擬應用油田初期開發(fā)方案

實施方案的可行性評價選擇井網(wǎng)、開發(fā)層系、井數(shù)和井位選擇注水方式對比不同的產(chǎn)量效果油藏和流體性質(zhì)的敏感性研究

35對已開發(fā)油田歷史模擬

證明地質(zhì)儲量，確定基本的驅(qū)替機理確定產(chǎn)液量和生產(chǎn)周期確定油藏和流體特性指出問題、潛力所在區(qū)域

油藏數(shù)值模擬應用（續(xù)）36評價提高采收率的方法一次采油注水、注氣注聚合物、注膠束、注表面活性劑注CO2和其它混相驅(qū)注蒸汽、火燒油藏數(shù)值模擬應用（續(xù)）37研究剩余油飽和度分布

研究剩余油飽和度分布范圍和類型單井進行調(diào)整，改變液流方向、改變注采井別、改變注水層位擴大水驅(qū)油效率和波及系數(shù)回答油田開發(fā)中所遇到的問題及解決問題的方法

油藏數(shù)值模擬應用（續(xù)）38評價潛力

確定井位、加密井的位置確定產(chǎn)量、開采方式確定地面和井的設備油藏數(shù)值模擬應用（續(xù)）39專題和機理問題的研究

對比注水、注氣和天然枯竭開采動態(tài)研究各種注水方式的效果研究井距、井網(wǎng)對油藏動態(tài)的影響研究不同開發(fā)層系油藏動態(tài)研究不同開發(fā)方案的指標研究單井產(chǎn)量對采收率的影響

油藏數(shù)值模擬應用（續(xù)）40專題和機理問題的研究(續(xù))研究注水速度對產(chǎn)油量和采收率的影響研究油藏平面性質(zhì)和層間非均質(zhì)性對油藏動態(tài)的影響驗證油藏的面積和地質(zhì)儲量檢驗油藏數(shù)據(jù)為談判和開發(fā)提供必要的數(shù)據(jù)

油藏數(shù)值模擬應用（續(xù)）41油藏模擬國內(nèi)外發(fā)展概況

（國外）30年代用于簡單的油藏動態(tài)計算，預測采收率等40年代以解析解為主，研究“液體驅(qū)替機理”、“孔隙介質(zhì)中的均質(zhì)液體流動“、“油藏流動問題中的Laplace轉(zhuǎn)換”等零維物質(zhì)平衡法50年代

Bruce、Peaceman等人發(fā)展了將數(shù)值方法演變?yōu)橄鄬Ω呒壍挠嬎銠C程序?qū)С鰧Ψ蔷|(zhì)孔隙介質(zhì)中兩維和三維瞬間多相滲流的有限差分方程，從而開始了數(shù)值模型突出代表著“油層系統(tǒng)中非穩(wěn)態(tài)流動的處理”60年代

Coats等致力于氣水兩相、黑油油藏問題的求解主要以黑油模型為主，考慮重力、毛管力、粘度的流體流動規(guī)律42油藏模擬國內(nèi)外發(fā)展概況

（國外）70年代產(chǎn)生了錐進模型、擬函數(shù)技術(shù)IMPES和半隱式點松弛和D4直接解法80年代發(fā)展成為一門成熟的技術(shù)，進入商品化階段，用于衡量：油田開發(fā)好壞、預測投資效應、提高采收率、對比開發(fā)方案，大到一個油公司，小到一個企業(yè)普遍使用；形成了可以處理各種復雜問題的模型：黑油模型、天然裂縫模型、組份模型、熱采模型、化學驅(qū)模型模型向多功能大型一體化方向發(fā)展石油價格的劇烈上漲為油田小型實驗提供了資金高速大容量計算機問世硬件飛速發(fā)展43油藏模擬國內(nèi)外發(fā)展概況

（國外）80年代末-90年代：油藏模擬向全隱式、向量化發(fā)展差分解法：全隱式、SEQ、AIM數(shù)值解法：

SOR、D4、ILUC、RSVP模型技術(shù)：自適應技術(shù)、局部網(wǎng)格加密技術(shù)、自動擬合技術(shù)、工作站一體化技術(shù)、水平井技術(shù)、復雜油田模擬技術(shù)計算技術(shù)迅猛發(fā)展、計算方法大量推出小型機-巨型機-超小型機-并行機體積小、內(nèi)存大、價格低、速度快、易于維護圖形、輸入輸出形象化計算機發(fā)展迅速加速模擬發(fā)展44油藏模擬國內(nèi)外發(fā)展概況

（國外）90年代工作站一體化模塊化、集成化橫向整合網(wǎng)格精確化數(shù)值解法標準化并行化實時同步、虛擬現(xiàn)實可視化45油藏模擬國內(nèi)外發(fā)展概況

（國內(nèi)）60年代

由大慶電模擬發(fā)展到二維二相70年代發(fā)展了簡化的三相黑油模型80年代初期引進巖心公司黑油模型和組份模型中期北京院自行研制黑油模型后期北京院在引進模型的基礎上發(fā)展了：多功能矢量模型

組份模型熱采模型裂縫模型46ThankYouWelcometoTakeNumericalSimulation47油藏數(shù)模技術(shù)專題一網(wǎng)格的選取48網(wǎng)格定向網(wǎng)格的界限要與天然的非流動邊界相符合網(wǎng)格的定向，應包含有效的井位網(wǎng)格的定向必須考慮流體流動的主要方向和油藏內(nèi)天然勢能梯度。網(wǎng)格的定向還應該考慮油藏性質(zhì)的方向，即座標系統(tǒng)應當平行滲透率的主軸49網(wǎng)格定向（續(xù)）50網(wǎng)格尺寸

網(wǎng)格選取將決定模擬過程的復雜程度和輸入數(shù)據(jù)的數(shù)量和格式，并受計算機能力的限制和成本因素的控制，所以網(wǎng)格尺寸大小的確定，應盡可能選取能夠描述油氣藏形態(tài)的粗網(wǎng)格以降低計算費用。也可先做網(wǎng)格的敏感性分析來確定，即在不同網(wǎng)格數(shù)目下做一系列模擬計算直到計算結(jié)果在要求的精度范圍內(nèi)不變?yōu)橹埂?1網(wǎng)格類型52三維網(wǎng)格系統(tǒng)（層間連通）53三維網(wǎng)格系統(tǒng)（層間無流動）54柱狀模型模型應用:試井解釋測試射孔間隔評價井附近流動錐進研究55剖面二維（層間連通）模型的應用:油藏剖面流動分析水驅(qū)或混相驅(qū)重力分異垂向非均質(zhì)性對驅(qū)替前緣的影響擬相對滲透率曲線的偏差56剖面二維（層間不連通）模型的應用：垂向剖面流動研究完井對動態(tài)的影響多層流動模型擬相對滲透率曲線的偏差57一維問題模型應用：混相驅(qū)吸管實驗和一些巖心驅(qū)替重力驅(qū)替系統(tǒng)垂向平衡流管法模擬58二維平面模型模型應用:大型的多井問題的模擬平面的非均質(zhì)巖石性質(zhì)59常規(guī)網(wǎng)格系統(tǒng)60非常規(guī)網(wǎng)格系統(tǒng)局部網(wǎng)格加密61常規(guī)網(wǎng)格系統(tǒng)62非常規(guī)網(wǎng)格系統(tǒng)局部網(wǎng)格加密63油藏模擬數(shù)據(jù)準備專題二高質(zhì)量油藏數(shù)據(jù)的重要性(GARBAGEINPUT,GARBAGEOUTPUT)油藏數(shù)模技術(shù)64

油藏數(shù)據(jù)；流體性質(zhì)；現(xiàn)場動態(tài)數(shù)據(jù)；提高采收率的考慮。建立模型需要的數(shù)據(jù)65油藏數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)來源地震資料巖芯分析測井解釋試井數(shù)據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)66構(gòu)造、大小，形狀，走向，連續(xù)性油藏的總厚度斷層和不連續(xù)性，如不整合削蝕裂縫密度和走向流體類型：氣體或流體由地震資料獲取的信息油藏數(shù)據(jù)（續(xù)）67

地層巖性(砂巖，石灰?guī)r，白云巖等)沉積結(jié)構(gòu)(成層，交錯層理，根結(jié)核，蟲孔)孔隙類型(儲存能力)滲透率(流動能力)有油或無油(熒光分析)出現(xiàn)的地層和厚度(頂部和底部)地層的層序地層的年代，巖相，對比關(guān)系(生物地層)沉積環(huán)境裂縫情況成巖作用(沉積后的化學、物理和生物變化)由巖芯分析獲得的信息:地質(zhì)信息油藏數(shù)據(jù)（續(xù)）68孔隙度滲透率滲透率不均質(zhì)性孔隙度與滲透率的關(guān)系圖油層含水飽和度(油基泥漿取心)油層剩余油飽和度分布(保持壓力海棉取心筒取心)井下測井計算標定和修正的數(shù)據(jù)專門巖心分析相對滲透率/地層潤濕性毛管壓力(水的滯留性質(zhì))孔隙容積壓縮系數(shù)巖石-注入流體的配伍性剩余氣(水圈閉的)由巖芯分析獲得的信息:工程信息油藏數(shù)據(jù)（續(xù)）69構(gòu)造頂部總厚度-有效厚度比孔隙度與深度的關(guān)系原始含水飽和度與深度的關(guān)系有無頁巖層氣-油界面和油-水界面深度井間對比情況(儲層的連續(xù)性，確定垂向分層)氣-油和油-水毛管壓力排驅(qū)曲線確定巖性測井取得的信息油藏數(shù)據(jù)（續(xù)）70地層壓力有效滲透率-厚度乘積采油指數(shù)，注水指數(shù)，完井效率(井眼損害)井離斷層或不連續(xù)性的距離油藏的大小(砂巖的連續(xù)性)單孔隙或雙孔隙介質(zhì)系統(tǒng)井間滲透率的連續(xù)性干擾試井有無裂縫或高滲透性夾層

試井數(shù)據(jù)油藏數(shù)據(jù)（續(xù)）71油井生產(chǎn)油、氣、水產(chǎn)量及其實測井口井底壓力注水注氣井注入產(chǎn)量及其實測井口井底壓力生產(chǎn)過程中各種措施實施日期、層位、厚度等

生產(chǎn)數(shù)據(jù)油藏數(shù)據(jù)（續(xù)）72油藏數(shù)據(jù)；

流體性質(zhì)；現(xiàn)場動態(tài)數(shù)據(jù)；提高采收率的考慮建立模型需要的數(shù)據(jù)73

黑油或低收縮性油；揮發(fā)油或高收縮性油；氣體凝析油系統(tǒng)；氣體系統(tǒng)，包括濕氣和干氣原始流體系統(tǒng)流體性質(zhì)74原油地層體積系數(shù)與地層壓力的關(guān)系氣體地層體積系數(shù)與地層壓力的關(guān)系水的地層體積系數(shù)與地層壓力的關(guān)系原油粘度與壓力的關(guān)系氣體粘度與壓力的關(guān)系溶解氣與地層壓力的關(guān)系水的粘度原油的壓縮系數(shù)水的壓縮系數(shù)分離器條件下原油的地層體積系數(shù)分離器條件下的溶解氣黑油數(shù)據(jù)流體性質(zhì)（續(xù)）75揮發(fā)油、凝析氣數(shù)據(jù)流體性質(zhì)（續(xù)）a.平衡氣相組成

b.產(chǎn)出井流物所占百分比

c.平衡氣偏差系數(shù)

d.在飽和壓力以下至廢棄壓力的液體體積收縮率76油藏數(shù)據(jù)；流體性質(zhì)；

現(xiàn)場動態(tài)數(shù)據(jù)；提高采收率的考慮建立模型需要的數(shù)據(jù)77現(xiàn)場動態(tài)數(shù)據(jù)完井數(shù)據(jù)；采－注數(shù)據(jù)；生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)。78油藏數(shù)據(jù)；流體性質(zhì)；現(xiàn)場動態(tài)數(shù)據(jù)；

提高采收率的考慮。建立模型需要的數(shù)據(jù)79提高原油采收率附加的數(shù)據(jù)提高采收率的考慮混相驅(qū)(CO２，烴)巖石潤濕性的變化對相對滲透率的影響(Sor)

80提高原油采收率附加的數(shù)據(jù)（續(xù)）化學驅(qū)(聚合物，表面活性劑)油藏巖石的聚合物和表面活性劑吸附量聚合物的殘余阻力系數(shù)(吸附作用對巖石滲透率的影響)聚合物不能進入的孔隙體積巖石與注入流體的離子交換能力表面活性劑對相對滲透率(Sor)的影響提高采收率的考慮（續(xù)）81提高原油采收率附加的數(shù)據(jù)（續(xù)）熱驅(qū)(蒸汽驅(qū))隨溫度變化的相對滲透率曲線蒸汽驅(qū)的剩余油飽和度(Sorg)孔隙容積的壓縮系數(shù)巖石的熱傳導能力巖石的熱容量提高采收率的考慮（續(xù)）82

應當在油藏開發(fā)的早期考慮所要求的數(shù)據(jù)。應當組織有不同專業(yè)人員參加綜合研究，進結(jié)果行油藏描述和數(shù)據(jù)分析。應當進行敏感性運算，確定那些數(shù)據(jù)參數(shù)對結(jié)果結(jié)果有關(guān)鍵性影響。應當盡一切努力獲取結(jié)果這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)。幾點說明83如果模擬計算的動態(tài)不能擬合現(xiàn)場數(shù)據(jù)，不能強行進行歷史影響擬合，而要研究每項數(shù)據(jù)參數(shù)及其對結(jié)