油藏数值模拟

油藏数值模拟二OO四年十月前言：油藏数值模拟是随着计算机的发展，而在石油行业中逐步成为一门成熟的技术。

追溯油藏数值模拟的发展史，从30年代开始研究渗流力学到50年代在石油工业方面得以应用，到70年代进入商品化阶段，而80年代油藏数值模拟又向完善、配套、大型多功能一体化综合性软件飞跃发展。

近十年油藏数值模拟已成为油田开发研究，解决油田开发决策问题的有力工具。

在衡量油田开发好坏、预测投资、对比油田开发方案、评价提高采收率方法等方面应用都极为广泛。

油藏数值模拟就是应用数学模型再现实际油田生产动态。

具体通过渗流力学方程借用大型计算机，结合地震、地质、测井、油藏工程学等方法在建立的三维地层属性参数场中，对数学方程进行求解，实现再现油田生产历史，解决油田实际问题。

油藏数值模拟是一门综合性很强的科学技术，涉及油田地质、油层物理、油藏工程、采油工程、测井、数学、计算机及系统等学科。

而油藏数值模拟工作又以其繁重的前期准备和上机历史拟合运算工作让人望而生畏。

那么如何做好前期资料准备工作和尽快掌握模拟技巧？使得今后的油藏数值模拟工作在作业区顺利开展，便是出此书的目的所在。

本书结合以往工作中的实际经验教训，成功与失败，参考诸多资料从前期数据准备工作开始到模拟技巧做了较为的详细介绍，以舐读者。

有不妥之处，请予指证。

同时，今后不定期的将更新的模拟技术及方法推荐给大家。

目录一、数值模拟发展概况二、数值模拟的基本原理二、选择适当的数值模型及相类三、数据录取准备工作（一）建立油藏地质模型（二）网格选择（三）数据录入准备四、历史拟合方法及技巧（一）确定模型参数的可调范围（二）对模型参数全面检查（四）历史拟合附件1：关于实测压力的皮斯曼校正附件2：关于烃类有效孔隙体积的计算一、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,轻质油和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：p L KA Q ∆=μ 多相流达西定律：p L A KK Q o r o ∆=μ0 p L A KK Q w rw w ∆=μ其中：K:空气渗透率；达西A:截面积；厘米2L:长度；厘米△P:压差；大气压K ro 、K rw :油、水相对渗透率μo :原油粘度；厘泊转变为运动方程：p s KK v o w ro o ∆-=μ)( p s KK v w w rw w ∆-=μ)(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。

h y x xh V hV oo o ⋅∆⋅∆∆=∇∑ρρ)（ 单元体中流体质量发生变化的速率油t s h hV o o o o ∂⋅⋅∂-=∇)()ρϕρ（ 水 t s h hV w w w w ∂⋅⋅∂-=∇)()ρϕρ（将达西定律代入连续性方程得出油、水的流动方程：油t s h P KK h o o o oro ∂⋅⋅∂-=∆∇)()ρϕμρ（水ts h P KK h w w w w rw ∂⋅⋅∂-=∆∇)()ρϕμρ（ 3、状态方程 为求解上述两个方程中的两个未知数P 、S w ，引入状态方程：（1）P C P R a ⋅+-=ϕϕϕ)（（2）h 、o μ、w μ为常数（3）)i o oi o C ρρρρ-⋅=（)i w wi w C ρρρρ-⋅=（（4）ro k 、rw k 为w S 的函数 S o =1-S w由连续性方程推导出油、水的流动方程，从而引入压力方程：t p C S C S C h P s k s k hk o o w w r w w rw o w ro ∂∂++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∇+∇)())()((ϕϕμμ 饱和度方程引入含水百分数：))(()()(o ro o w ro w w rw w w k s k s k s f μμμ-= 最后把两维两相流动方程写成如下形式： t phC P s w ∂∂=∇∇*)[（λt s hP s s f w w w ∂∂=∇∇)())[ϕλ（（ 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).对油藏和流体性质敏感性研究。

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。

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：·天然裂缝油气藏的模拟应用双重介质的裂缝模型；·凝析油气田开发以及注气油田开采应用组份模型；·视油、气田含富气或平气大小可采用组份或黑油模型；·稠油开发用热采注蒸汽模型；·注各种化学剂的三次采油应用化学模型；·而对一般油藏，模拟可选用常规油气田开发的黑油模型。

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。