油气藏数值模拟技术

油藏数值模拟的现状
2011-07-31 本文行家：急躁彭三爷
本文简要介绍了数值模拟技术的原理，应用，以及当前国内外油藏数值模拟的现状,简述了并行算法、网格技术、粗化技术、数值解法、动态油藏模型建立、动态跟踪模拟及三维显示等技术,并指出了数值模拟的发展趋势。

油藏数值模拟是应用数值计算方法研究油气藏中多相流体渗流规律的技术，它应用数学模型重现实际的油藏动态，通过流体力学的方法重现油田开发的实际过程[1,2]。

它的基本原理是把生产/注入动态作为确定值，通过调整模型的不确定因素使计算的确定值(生产动态)与实际吻合[3]。

其数学模型，是通过一组方程组，在一定假设条件下，描述油藏真实的物理过程[4]。

它充分考虑了油藏构造形态、断层位置、油砂体分布、油藏孔隙度、渗透率、饱和度和流体PVT性质的变化等因素。

数值模拟技术以1954年Aronofsky和Jenkins的径向气流模拟为开始标志。

近年来，随着计算机、应用数学和油藏工程学科的不断发展的发展，油藏数值模拟可视化软件应运而生，且日新月异。

模拟软件中地质模型的建立脱离了原来的填卡式输入，而是基于交互式的人机界面输入，甚至更加直观的图形编辑输入，使得地质模型的建立更加简单化和人性化。

三维可视化软件充分利用计算机的作图和计算功能，将油气田的静动态参数处理、数值模拟以及结果的分析过程全部置于方便易懂、操作简单的图形界面下，将抽象繁杂的数据形象化。

油藏工程师只需面对仿真的三维油藏，就可方便地干预和分析仿真模拟地全过程，从而极大地提高油藏模拟工作的效率和准确性，减轻了劳动强度[5,6]。

油藏数值模拟方法因而也得到不断的改进和广泛应用，通过数值模拟可以搞清油藏中流体的流动规律、驱油机理及剩余油的空间分布；研究合理的开发方案，选择最佳的开采参数，以最少的投资，最科学的开采方式而获得最高采收率及最大经济效益。

本文将简要介绍油藏数值模拟技术的应用、发展现状、发展趋势等问题。

1 数值模拟的应用
1.1 剩余储量分析
历史拟合的最终目标是获得剩余储量的定量分布。

明确了剩余储量的分布，就可以提出近期目标和长远目标。

剩余储量分布一般有三类，即低含水成片富集区、高含水成片富集区及零星富集区。

低含水成片富集区是上产的近期目标，而高含水富集区是长远调整的主要对象。

因此，高含水富集区通过提高水淹程度及驱油效率可达到稳产的目的。

零星富集区虽然初产效果可能好，但是单井控制储量低，稳产时间短，开发效果差，应作为层系调整兼顾的对象[7]。

1.2 井网调整与优化
在剩余油潜力分析的基础上，按不同井排距、不同注水方式组合出不同的井网调整方案进行开发指标预测。

分析井网系统调整对剩余油分布变化的影响，总结能够最大程度挖掘剩余油潜力的合理布井方式。

应用油藏工程方法计算采收率、水驱控制程度与注采井距、注水方式
等参数之间的关系，结合经济评价，确定合理井距技术界限。

分析注采井距、注水方式对采油速度、含水上升率、递减率等开发指标的影响。

按照不同原油价格和利率，对各种调整方案进行经济评价，结合开发效果，分不同油层沉积特点确定出最佳的调整与优化方案[8]。

1.3 判断水淹状况
油层的水淹状况是开展调整挖潜的基础。

历史拟合确定的地质模型可以分析历年的水淹程度、油水运动状况。

在较粗的全油田模型中，看似水淹程度很高、平面波及系数较大的层，在进一步细化为层内韵律段的情况下，会发现正韵律油层虽然平面波及系数很高，但仅在高渗透段水淹严重，其顶部低渗透段波及效率仍很低；反韵律油层的情形则相反。

1.4 注水利用率分析
对于边底水能量较弱的油藏，为了保持旺盛的生产能力，注水保持地层压力是维持高产稳产的有效途径。

油藏进入高含水期后，水井与油井的比例达到1:2~1:1。

油井见水后，水淹带的流动阻力减小，容易形成水流通道。

历史拟合后得出的注入水利用率分布图可以表示流经地层中某一点的注入水有多少起到了驱油作用。

据此可以有效控制注入水通道上的注入强度，加强有效部位的注水强度，提高注入水的利用率。

1.5 方案预测研究
进行方案动态预测是油藏数值模拟的最终目的，所有前期工作包括建模、生产历史拟合及剩余油分析都要落实到下一步开发措施上，开发措施的效果都要通过方案指标的预测实现。

虽然最后提交给现场实施的方案只有一个，但是方案动态预测的工作量很大，最后提交的方案都是多个方案进行优化后的推荐方案[9]。

方案优化过程中经常使用的手段是油藏参数敏感性研究。

在油藏描述不确定，而历史拟合又无法解决时，就要做敏感性研究来寻找合理的油藏参数。

对于边水驱动的油藏，开采初期构造高部位的油水拟相对渗透率和井函数就无法通过历史拟合得到评价。

这种情况下，就可以对油水拟相对渗透率和井函数进行敏感性分析，提前评估边水推进对开发井位部署、水驱波及面积、油藏稳产期等的影响。

方案预测的常规参数包括油藏的宏观指标及单井限制条件。

宏观指标包括注采比、采油速度、液量等。

单井限制条件包括液量、油量、水量、时效、井底压力、经济极限产量、经济极限含水率等。

方案预测结果的可靠性随时间加长而变差。

2 数值模拟的发展现状
2.1 并行算法
并行算法是一些可同时执行的进程的集合，这些进程互相作用和协调动作从而达到给定问题的求解[10]。

并行算法首先需合理地划分模块，其次要保证对各模块的正确计算，再次为各模块间通讯安排合理的结构，最后保证各模块计算的综合效果并行机及并行软件的开发和应用将极大地提高运算速度，以满足网格节点不断增多的油藏数值模型。

在并行计算机上使用并行数值解法是提高求解偏微分方程的计算速度，缩短计算时间的一个重要途径。

在共享内存的并行机上把一个按向量处理的通用油藏模拟器改写成并行处理是容易的，但硬件扩充难；分布内存并行机编程较共享式并行机困难，但硬件扩充容易，关键是搞好超大型线形代数方程组求解的并行化。

并行部分包括输入输出、节点物性、构造矩阵、
节点流动及井筒等[11]。

2.2 网格技术
为了模拟各种复杂的油藏、砂体边界或断层渗透率在垂向或水平方向的各向异性，以及近井地区的高速、高压力梯度的渗流状态，近年来在国外普遍发展了各种类型的局部网格加密及灵巧的网格技术。

这种系统大体可以分为二类[12]：一类称控制体积有限元网格(CVFE)，这是将油藏按一定规则剖分为若干个三角形以后，把三角形的中心和各边的中点连接起来所形成的网格。

另一类则称垂直等分线排比网格(PEBI)，其剖分方法是将油藏分成若干三角形后，使三角形各边的垂直等分线相交而形成网格。

这些方法在处理复杂几何形状油藏及进行局部网格加密时简单而一致。

在多相流情况下，参照某一给定的几何准则时该方法是单调的，这保证了其稳定性和收敛性。

这两种方法都能以直观的控制体积的概念出发并且采用一致的上游权而推导得出这些方法对网格的方向不敏感，在某些情况下比九点差分格式的效果好。

2.3 计算机辅助历史拟合技术
斯伦贝谢公司的Eclipse数模软件最新推出计算机辅助历史拟合模块(Simopt)。

运用均方差、Hessian矩阵、相关性矩阵、协方差矩阵对结果进行分析以确定敏感参数[13]；引入梯度带分析技术对地质模型进行优化；在进行常规历史拟合后，应用置信度限制(规定需优化的参数及参数的可调范围)，通过线性预测分析，实现计算机辅助调整参数，减少模拟次数。

2.4 网格粗化技术
对于一些油藏参数(如孔隙度、深度、饱和度等)，采用体积加权平均法；对于与流体有关的参数(如渗透率等)就不能用简单的加权平均计算得出而要基于流动计算再进行粗化。

流动算法相对精确，首先解出沿压力降方向的总流量，然后再解相同的流动方程，从而解出等效渗透率[14]。

在垂向分层合并计算中，把相同性质的油砂体(按相同的物性、储量类型)的网格单元合并在一起使油藏的数值模拟的网格系统反映出地质沉积特点[15]。

网格合并可以按不同井组、区块进行合并计算，为井组模型和分区模拟提供数据模型。

模拟还可以按不均匀网格，考虑水平方向非均质性及储量分布程度因素等进行内插计算，提供不均匀网格模型。

2.5 动态地质建模
壳牌公司的Kortekass概括了当前世界上关于油藏地质建模的经验，提出的建立动态、集成化油藏模型的新概念和技术方法[16]。

它强调把动态资料以至数值模拟技术等应用于油藏建模，从而使所建立的地质模型更加符合油藏的实际情况，并且要随着油田开发中资料的增多和新资料的获得而不断更新。

这种新方法包括一系列获得和运用各种所需资料的技术和方法，包括地质、地质统计、地震、测井岩心和流体分析、试井、驱替特征以及网格的细分和粗化，拟函数的应用等[17]，但关键是使所建立的地质模型更加符合油藏的实际情况，而且还可以加快建模的过程。

2.6 分阶段模拟
对开发历史较长、地下储层物性和原油物性发生较大变化的油藏，把随开发时间变化的地质静态模型划分为多个不同开发阶段的地质模型。

阶段划分的方法可根据重大开发方案调整的
时期(如加密井网、调整注采系统)划分[18]；也可根据开发阶段(如产量上升阶段、稳产阶段、产量下降阶)划分。

常规的油藏数值模拟是从一个油藏(区块)投入开发时开始模拟，一直拟合到目前状况，再进行方案预测优选[19]。

我国许多老油田已进入了高含水或特高含水期。

由于开发历史长、综合调整次数多，地下岩石和流体的物性发生了较大的变化，这给常规模拟工作带来了极大的困难。

一方面是历史拟合所需要的机时非常多，另一方面是常规模拟无法考虑流体和岩石随时间的变化[20]，模拟结果的可信度会大大降低。

分阶段模拟就是一种解决上述问题的行之有效的方法。

分阶段模拟可将一个长期开发的油藏，按照一定原则划分成几个模拟阶段。

2.7 动态跟踪模拟
油田开发是一个长期过程，储层物性和原油物性随开发期的不同以及油水井措施发生变化。

根据开发期及措施类型制定数值模拟的时间步长，在油水井见效初期采用较小的时间步长，进入见效稳定期后以较大的时间步长，将分析周期由常规的以年计算提高到以月或天计算。

对方案实施后的效果、生产状况等再进行跟踪模拟[21]，并提出新的方案。

如此反复研究，使人们对油藏的构造、物性、油水状况及生产动态的认识更趋合理。

2.8 三维动态显示
数值模拟结果的可视化程度高，人机交互性能强。

可三维动画显示油藏中流体的流动规律，再现油藏的开发历史及剩余油的空间分布，并可任意旋转、平移、缩放、光照，多重照相、透视和透明处理[22]；灵活的剖面切割功能，任意参数的区间显示，用户可按自己的爱好定义或修改颜色和注释。

3 发展趋势
3.1 模拟向精细化方向发展
3.1.1 精细建模技术
以前所使用的一般为矩形和径向等规则网格，很难描述断层及储层尖灭，一般要沿网格进行修改。

由于受计算机的限制，网格步长常常为100 m左右。

精细数模为了充分地反映油藏微构造、非均质、储层参数的变化等特征，平面上网格步长细到20~50 m[23]，纵向上细到沉积时间单元，并且采用一些新的网格技术。

特高含水期油藏开发层系多、历史长、井况变化大。

精细模拟要充分反映其各项调整措施及频繁的补孔换层，时间阶段缩短到三个月至半年，个别模型可缩短到一个月，充分考虑工艺措施[24]。

3.1.2 精细历史拟合技术
常规历史拟合是全过程计算完成后整理数据，作图检查其结果的正确性[25]。

拟合跟踪技术是以图形方式把历史拟合过程一步步地显示出来，拟合效果不理想时随时中断，调整参数后继续拟合，可节约时间、缩短拟合周期。

可视化作为一种后处理手段，可把模拟结果作为可操作的二维、三维彩色图形，进行横切、纵切、过井切、按网格方向切，操作性极强。

一目了然地反映油藏内部属性。

油田开发过程是一个动态过程，各时间段的参数场是变化的，可视化技术能够动态地反映不同时间的参数场变化，使开发过程中的矛盾得到充分暴露[26]。

对于方案实施可再现不同的开发方式的效
果，可很好地指导方案的实施及优化。

3.2 模拟应用大型化和整体化
大规模全油藏整体模拟是油藏模拟发展的必然趋势，也是目前模拟技术发展的重点。

稠油油藏的模拟一般是井组或区块模拟，委内瑞拉Orinoco稠油油藏实现了全油藏整体模拟，在模拟过程中使用了泡沫油特性及控制体积有限元方法(CVFE)，历史拟合及方案预测与实际投产效果相吻合[28,29]。

模拟技术向着模拟与地面管网一体化模拟方向发展。

气藏管网模拟器与油藏模拟器、油藏管网模拟器与油藏模拟器一体化是油藏经营管理的必要条件和发展方向[30]。

3.3 勘探开发一体化
勘探开发一体化越来越受到关注。

油气勘探开发的各个环节中计算机应用技术的突飞猛进，带动了勘探开发工作向着多学科综合集成方向发展，改变了以往以单项专业为主的顺序化工作方式。

各学科间的信息交换、数据共享、成果可视和知识继承遵照统一的标准进行综合集成[31]：通过岩心声波测量建立油藏参数与地震响应间的关系；利用油藏数值模拟技术预测压力和含水饱和度的变化、生成不同观测数据的合成地震记录；开发地震包括了四维地震和地震反演技术，通过井的约束以及和油藏数模技术的结合，将进一步减少多解性的困扰并大幅度提高分辨率，从而扩展开发地震的实际应用范围，特别对比较复杂的砂泥岩薄互层也能够加以应用这些技术的发展，将大大加深对井间储层非均质特征及油藏剩余油分布状况的认识。