油气藏数值模拟技术讲义

1、1油气藏数值(shz)模拟技术西南(xnn)石油大学2012.6共九十二页21 油气藏数值模拟原理和方法2 油气藏数值模拟的应用3 油气藏数值模拟(mn)技术发展简史4 油气藏数值模拟技术专题5 实例分析6 油气藏数值模拟(mn)研究的意义主 要 内 容共九十二页开发方式井网、井数、井距采油速度(sd)开发方案优选确定开发方案确定剩余油、气分布优选增产措施确定提高采收率的方法制定开发(kif)调整方案油田开发中后期油田开发初期共九十二页4油藏流体(lit)及其与岩石作用的复杂性岩石非均质性及孔隙结构（孔道大小、孔隙之间关系）油、气和水的组分各不相同，各组分间存在相间传质，流体性质随温度、压力的

2、变化很大油层中的流体与岩石相互作用产生物理化学(w l hu xu)现象如扩散、吸附等各种提高采收率方法的使用，如热力采油、化学驱、混相驱以及各种增产措施如酸化等。共九十二页5油藏(yu cn)研究方法直接(zhji)观察法如钻观察井、井下测试、井下电视、岩心实验、开辟生产实验区等)模拟法共九十二页6模 拟 法 模拟法 物理(wl)模拟 数学模拟 共九十二页7数 学 模 拟 数学模型求解方法(fngf) 解析法 数值方法 油藏(yu cn)数值模拟共九十二页8利用计算机模型模拟仿真油气复杂(fz)开发过程，动态重现开发历史，预测未来开发动态，可在计算机上“多次”模拟开发过程，进行油田开发方案优

3、选、产量和地层压力动态预报、寻找开发中后期剩余油分布和采收率预测、经济效益预测以及对整个油田开发的重大问题进行决策的一门有效的工具。实际上就是建立渗流微分方程，借用大型计算机，通过计算数学的求解，结合油藏地质、油藏描述、油藏工程、试井等学科再现油田开发的过程，由此来解决油田实际问题。油藏(yu cn)数值模拟科学开发油气田的关键技术共九十二页9为什么要做油藏数值(shz)模拟？研究和开发油田是一项复杂的综合性科学技术问题，人们靠经验或利用一些简单的计算公式：如物质平衡、玛斯盖特方法(fngf)、巴克雷和皮尔逊的前缘推进理论方法(fngf)、克雷格等注水动态预测都不能解决一个复杂油田的研究问题，

4、既使人们可以辅助以物理模型和小区块的现场实验来进行油田开发科学研究，但这样不可能做太多的和大面积的实践，因为投资大而且时间长。共九十二页10为什么要做油藏(yu cn)数值模拟？（续）为了减少盲目性，使用油藏数值模拟技术(jsh)来作严密的科学计算，用数学模型原理再现油藏地下真实动态，可以反复开发多次，求得合理开发油田定性的半定量的解。这样做时间短、花钱少。 共九十二页11油藏数值(shz)模拟研究步骤明确研究的任务(rn wu)、目的及具体要求； 获取和校正油藏数据；建立油藏地质模型；建立油藏数值模拟模型；油藏生产历史拟合；方案设计及开发动态指标预测；分析整理模拟结果，提出建议，形成报告。一

5、般来说，油藏数值模拟研究可概括为以下几个步骤：共九十二页12数学模型建立(jinl)及求解建立(jinl)数学模型建立数值模型建立计算机模型建立一套描述油藏流体渗流的偏微分方程组。完整的数学模型包括定解条件（初始条件和边界条件）。偏微分方程组非线性有限差分方程组线性代数方程组离散化线性化将各种数学模型的计算方法编制成计算机程序，用计算机计算各种结果。以平面油水系统为例共九十二页13油水(yu shui)渗流的数学模型 数学模型就是通过一套方程组，在一定(ydng)假设条件下，描述油藏流体渗流的真实物理过程。这组流动方程组由三个方程组成：运动方程、连续方程和状态方程。共九十二页14油水(yu s

6、hui)渗流的数学模型（续） 油藏中的流体渗流是等温渗流； 油藏中最多只有油气水三相，每一相的渗流均遵守达西定律； 油藏烃类中含有油气两个组分，油组分是在大气压下经过差异分离后残存下来的液体，而气组分是指全部分离出来的天然气。在油藏状况下，油气两种组分可形成油气两相，油组分完全存在于油相中，气组分则可以以自由气的方式存在于气相内，也可以以溶解气的方式存在于油相中，所以地层内油相应为油组分和气组分的某种组合。在常规的黑油模型中，一般(ybn)不考虑油组分的挥发；基本假设共九十二页15油水(yu shui)渗流的数学模型（续） 油藏中气体的溶解和逸出是瞬间完成的，即认为油藏中油气两相瞬时达到相平衡

7、状态； 油水两相，气水两相不互溶； 岩石微可压缩，各向异性； 流体可压缩且考虑渗流过程中重力(zhngl)、毛管力的影响。基本假设（续）共九十二页16油水(yu shui)渗流的数学模型1. 运动方程(fngchng) 由于油水两相运动产生相互干扰，引入相对渗透率，用流体力学表示油水二维二相通过多孔介质。根据多相流达西定律：（续）共九十二页17油水(yu shui)渗流的数学模型2. 连续性方程 连续性方程代表的是质量守恒定律，即：对于地层中任意的单元体，在一定的时间间隔t过后，流入的量减去流出的量，等于(dngy)单元体内增加的量。写成广义坐标形式为：（续）共九十二页18油水(yu shui

8、)渗流的数学模型（续）2. 连续性方程（续） 把油水运动方程带入连续性方程中，同时考虑存在生产油井或注水井，则可在方程中增加一个(y )产量项：油相基本流动方程：水相基本流动方程：共九十二页19油水(yu shui)渗流的数学模型（续）3. 状态方程 即辅助(fzh)方程共九十二页20微分方程(wi fn fn chn)的离散化 前面建立(jinl)的油水流动方程是一个描述连续性问题的非线性偏微分方程组，用解析法不可能求解，而需要将其转变成可用数值计算的离散点问题进行近似求解。 离散化方法分有限差分法和有限元法两大类。油藏模拟中应用有限差分法。对平面问题采用五点差分格式，对三维问题使用九点差分

9、格式。而差分格式又有隐式差分格式和显式差分格式之分。共九十二页21考察函数u(x), 其自变量的一阶导数可定义为下面的各种( zhn)极限前差商中心(zhngxn)差商后差商一阶导数的差商逼近 导数的差商逼近共九十二页22网 格 系 统油藏(yu cn)ab油藏(yu cn)有效网格无效网格。(i,j)块中心 。 。(i,j)点中心共九十二页23空间(kngjin)离散i-1,ji,ji+1,ji,j-1i,j+1五点差分(ch fn)格式共九十二页24每个网格块的油、水相分别应用物质平衡(pnghng)方程块中心(zhngxn)网格离散化共九十二页25块中心网格(wn )离散化油相差分方程：

10、水相差分方程：（续）共九十二页26块中心(zhngxn)网格离散化（续）其中：共九十二页27非线性方程组线性化 将上述非线性代数方程组线性化，变成线性代数方程组（即求解有限差分方程组）。目前使用的主要方法有IMPES、半隐式、全隐式、SEQ和自适应(shyng)隐式等等。共九十二页28求解(qi ji)线性方程组 求解线性代数方程组，即求解矩阵。在油藏模拟中，求解线性代数方程组（求解矩阵）的技术大致(dzh)可分为直接解法和迭代法两种类型。矩阵AP = fwi共九十二页29求解(qi ji)线性方程组（续）aijbijcijdijeij二维自然排列时五对角矩阵结构示意图共九十二页30油水平面二

11、维二相模拟(mn)结果演示共九十二页31油水(yu shui)平面二维二相注采井流线模拟共九十二页32由谁来做油藏(yu cn)数值模拟 油藏数值模拟是一门综合性很强的科学技术，它涉及的知识(zh shi)领域很广，包括油田地质学、油层物理学、油藏工程学、采油工程学、数学、计算机系统和油藏数值模拟程序。要做好一个模拟，需要上述方面专家配合，尤其需要一个能熟练掌握上述领域的有丰富经验的油藏工程专家完成油藏模拟工作。共九十二页33什么时候开始(kish)做模拟 在编制油田开发方案、寻找剩余油分布、研究(ynji)油田开采机理、油气田开发重大问题决策需要答案和结果及一般的常规计算解决不了问题的时侯，

12、开始做油藏数值模拟。共九十二页34油藏数值模拟(mn)应用 油田初期开发方案 实施方案的可行性评价 选择井网、开发层系、井数和井位 选择注水方式 对比不同的产量效果 油藏和流体(lit)性质的敏感性研究 共九十二页35 对已开发油田历史模拟 证明地质储量，确定基本的驱替机理 确定产液量和生产周期 确定油藏和流体特性 指出(zh ch)问题、潜力所在区域 油藏数值(shz)模拟应用（续）共九十二页36 评价提高采收率的方法一次采油注水、注气注聚合物、注胶束、注表面活性剂注CO2和其它(qt)混相驱注蒸汽、火烧油藏(yu cn)数值模拟应用（续）共九十二页37 研究剩余油饱和度分布 研究剩余油饱和

13、度分布范围和类型 单井进行调整，改变液流方向(fngxing)、改变注采井别、改变注水层位 扩大水驱油效率和波及系数 回答油田开发中所遇到的问题及解决问题的方法 油藏数值(shz)模拟应用（续）共九十二页38 评价潜力 确定井位、加密井的位置 确定产量(chnling)、开采方式 确定地面和井的设备油藏(yu cn)数值模拟应用（续）共九十二页39 专题和机理问题(wnt)的研究 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 研究不同开发层系油藏动态 研究不同开发方案的指标 研究单井产量对采收率的影响 油藏数值模拟(mn)应用（续）共九十二页40 专

14、题和机理问题的研究(续) 研究注水速度对产油量和采收率的影响(yngxing) 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 检验油藏数据 为谈判和开发提供必要的数据 油藏(yu cn)数值模拟应用（续）共九十二页41油藏模拟(mn)国内外发展概况（国外）30年代(nindi)用于简单的油藏动态计算，预测采收率等40年代以解析解为主，研究“液体驱替机理”、“孔隙介质中的均质液体流动“、“油藏流动问题中的Laplace转换”等零维物质平衡法50年代 Bruce、Peaceman等人发展了将数值方法演变为相对高级的计算机程序导出对非均质孔隙介质中两维和三维瞬间多相渗流的

15、有限差分方程，从而开始了数值模型突出代表著“油层系统中非稳态流动的处理”60年代 Coats等致力于气水两相、黑油油藏问题的求解主要以黑油模型为主，考虑重力、毛管力、粘度的流体流动规律共九十二页42油藏模拟国内外发展(fzhn)概况（国外）70年代(nindi)产生了锥进模型、拟函数技术IMPES和半隐式点松弛和D4直接解法80年代 发展成为一门成熟的技术，进入商品化阶段，用于衡量：油田开发好坏、预测投资效应、提高采收率、对比开发方案，大到一个油公司，小到一个企业普遍使用；形成了可以处理各种复杂问题的模型：黑油模型、天然裂缝模型、组份模型、热采模型、化学驱模型模型向多功能大型一体化方向发展石油

16、价格的剧烈上涨为油田小型实验提供了资金高速大容量计算机问世硬件飞速发展共九十二页43油藏(yu cn)模拟国内外发展概况（国外）80年代(nindi)末-90年代(nindi)：油藏模拟向全隐式、向量化发展差分解法：全隐式、SEQ、AIM数值解法： SOR、D4、 ILUC、RSVP模型技术：自适应技术、局部网格加密技术、自动拟合技术、工作站一体化技术、水平井技术、复杂油田模拟技术计算技术迅猛发展、计算方法大量推出小型机-巨型机-超小型机-并行机体积小、内存大、价格低、速度快、易于维护图形、输入输出形象化计算机发展迅速加速模拟发展共九十二页44油藏(yu cn)模拟国内外发展概况（国外）90年

17、代(nindi)工作站一体化模块化、集成化横向整合网格精确化数值解法标准化并行化实时同步、虚拟现实可视化共九十二页45油藏(yu cn)模拟国内外发展概况（国内）60年代(nindi) 由大庆电模拟发展到二维二相70年代发展了简化的三相黑油模型80年代初期引进岩心公司黑油模型和组份模型中期北京院自行研制黑油模型后期北京院在引进模型的基础上发展了： 多功能矢量模型 组份模型 热采模型 裂缝模型共九十二页46Thank YouWelcome to Take Numerical Simulation共九十二页47油藏(yu cn)数模技术专题(zhunt)一网格的选取共九十二页48网格(wn )定向

18、 网格的界限要与天然(tinrn)的非流动边界相符合 网格的定向，应包含有效的井位 网格的定向必须考虑流体流动的主要方向和油藏内天然势能梯度。网格的定向还应该考虑油藏性质的方向，即座标系统应当平行渗透率的主轴共九十二页49网格(wn )定向（续）共九十二页50网格(wn )尺寸 网格选取将决定模拟过程的复杂程度和输入数据的数量和格式，并受计算(j sun)机能力的限制和成本因素的控制，所以网格尺寸大小的确定，应尽可能选取能够描述油气藏形态的粗网格以降低计算(j sun)费用。也可先做网格的敏感性分析来确定，即在不同网格数目下做一系列模拟计算(j sun)直到计算(j sun)结果在要求的精度范

19、围内不变为止。共九十二页51网格(wn )类型共九十二页52三维网格系统(xtng)（层间连通）共九十二页53三维网格系统(xtng)（层间无流动）共九十二页54柱状模型(mxng)模型(mxng)应用:试井解释测试射孔间隔评价井附近流动锥进研究共九十二页55剖面(pumin)二维（层间连通）模型的应用:油藏剖面流动分析水驱或混相驱重力分异垂向非均质性对驱替前缘(qin yun)的影响 拟相对渗透率曲线的偏差共九十二页56剖面(pumin)二维（层间不连通）模型的应用：垂向剖面(pumin)流动研究完井对动态的影响多层流动模型拟相对渗透率曲线的偏差共九十二页57一维问题(wnt)模型应用：混相

20、驱吸管实验(shyn)和一些岩心驱替重力驱替系统垂向平衡流管法模拟共九十二页58二维平面(pngmin)模型模型应用:大型的多井问题的模拟(mn)平面的非均质岩石性质共九十二页59常规网格(wn )系统共九十二页60非常规网格(wn )系统局部(jb)网格加 密共九十二页61常规网格(wn )系统共九十二页62非常规网格(wn )系统局部(jb)网格加 密共九十二页63油藏模拟(mn)数据准备专题(zhunt)二高质量油藏数据的重要性(GARBAGE INPUT, GARBAGE OUTPUT)油藏数模技术共九十二页64 油藏(yu cn)数据； 流体性质； 现场动态数据； 提高采收率的考虑。

21、建立模型需要(xyo)的数据共九十二页65油藏(yu cn)数据数据(shj)来源 地震资料 岩芯分析 测井解释 试井数据 生产数据共九十二页66 构造、大小，形状，走向，连续性 油藏的总厚度 断层和不连续性，如不整合削蚀 裂缝(li fng)密度和走向 流体类型：气体或流体由地震资料(zlio)获取的信息油藏数据（续）共九十二页67 地层岩性(砂岩，石灰岩，白云岩等) 沉积结构(成层，交错层理，根结核，虫孔) 孔隙类型(储存能力) 渗透率(流动能力) 有油或无油(荧光分析) 出现的地层和厚度(hud)(顶部和底部) 地层的层序 地层的年代，岩相，对比关系(生物地层) 沉积环境 裂缝情况 成岩

22、作用(沉积后的化学、物理和生物变化)由岩芯分析获得(hud)的信息:地质信息油藏数据（续）共九十二页68 孔隙度 渗透率 渗透率不均质性 孔隙度与渗透率的关系图 油层含水饱和度(油基泥浆取心) 油层剩余油饱和度分布(保持压力海棉取心筒取心) 井下测井计算标定和修正的数据(shj) 专门岩心分析相对渗透率/地层润湿性毛管压力(水的滞留性质)孔隙容积压缩系数岩石-注入流体的配伍性剩余气(水圈闭的)由岩芯分析获得的信息(xnx):工程信息(xnx)油藏数据（续）共九十二页69 构造顶部 总厚度-有效厚度比 孔隙度与深度的关系(gun x) 原始含水饱和度与深度的关系 有无页岩层 气-油界面和油-水界

23、面深度 井间对比情况(储层的连续性，确定垂向分层) 气-油和油-水毛管压力排驱曲线 确定岩性测井取得(qd)的信息油藏数据（续）共九十二页70 地层压力 有效渗透率-厚度乘积 采油指数，注水指数，完井效率(xio l)(井眼损害) 井离断层或不连续性的距离 油藏的大小(砂岩的连续性) 单孔隙或双孔隙介质系统 井间渗透率的连续性干扰试井 有无裂缝或高渗透性夹层 试井数据(shj)油藏数据（续）共九十二页71 油井生产油、气、水产量及其实测井口井底压力 注水注气井注入产量及其实测井口井底压力 生产过程中各种措施实施日期(rq)、层位、厚度等 生产(shngchn)数据油藏数据（续）共九十二页72

24、油藏数据； 流体性质(xngzh)； 现场动态数据； 提高采收率的考虑建立模型(mxng)需要的数据共九十二页73 黑油或低收缩性油； 挥发油或高收缩性油； 气体凝析油系统(xtng)； 气体系统，包括湿气和干气原始(yunsh)流体系统流体性质共九十二页74 原油地层体积系数与地层压力的关系 气体地层体积系数与地层压力的关系 水的地层体积系数与地层压力的关系 原油粘度与压力的关系 气体粘度与压力的关系 溶解(rngji)气与地层压力的关系 水的粘度 原油的压缩系数 水的压缩系数 分离器条件下原油的地层体积系数 分离器条件下的溶解气黑油(hi yu)数据流体性质（续）共九十二页75挥发油、凝析

25、气数据(shj)流体(lit)性质（续） a. 平衡气相组成 b. 产出井流物所占百分比 c. 平衡气偏差系数 d. 在饱和压力以下至废弃压力的液体体积收缩率共九十二页76 油藏数据(shj)； 流体性质； 现场动态数据； 提高采收率的考虑建立模型(mxng)需要的数据共九十二页77现场(xinchng)动态数据 完井数据(shj)； 采注数据； 生产控制数据。共九十二页78 油藏数据； 流体性质； 现场(xinchng)动态数据； 提高采收率的考虑。建立模型需要(xyo)的数据共九十二页79提高原油采收率附加(fji)的数据提高(t go)采收率的考虑 混相驱(CO，烃) 岩石润湿性的变化

26、对相对渗透率的影响(Sor) 共九十二页80提高原油采收率附加(fji)的数据（续）化学驱(聚合物，表面活性剂) 油藏岩石的聚合物和表面活性剂吸附量 聚合物的残余阻力系数(吸附作用对岩石渗透率的影响(yngxing) 聚合物不能进入的孔隙体积 岩石与注入流体的离子交换能力 表面活性剂对相对渗透率(Sor)的影响提高采收率的考虑（续）共九十二页81提高原油采收率附加(fji)的数据（续） 热驱(蒸汽驱) 随温度变化(binhu)的相对渗透率曲线 蒸汽驱的剩余油饱和度(Sorg) 孔隙容积的压缩系数 岩石的热传导能力 岩石的热容量提高采收率的考虑（续）共九十二页82 应当在油藏开发的早期考虑所要求

27、的数据。 应当组织有不同专业人员参加综合研究，进结果行油藏描述和数据分析。 应当进行敏感性运算(yn sun)，确定那些数据参数对结果结果有关键性影响。应当尽一切努力获取结果这些关键数据。几点说明(shumng)共九十二页83如果模拟计算的动态不能拟合现场数据，不能强行进行(jnxng)历史影响拟合，而要研究每项数据参数及其对结果的影响。 组分模拟和提高采收率模拟应当首先用一维和井组模型进影响行，然后将井组模拟放大，进行油藏模拟。几点说明(shumng)（续）共九十二页84历史拟合和动态(dngti)预测专题(zhunt)三油藏数模技术共九十二页85历史拟合 由于人们对地质条件的认识存在一定的局限性，虽然作了大量的基础工作，但由于只在钻井处才获得资料，油藏特性如孔隙度和渗透率的等值线图可以用多种不同的方法绘出，井间岩石性质的变化只能依靠猜测，因而使得某些(mu xi)参数不确定、不准确，导致所建立的模型不能正确的反映油藏的实际情况，概 念共九十二页86历史拟合因而油气藏模拟产生的动态与实际油气藏动态之间可能有相当大的出入，那么在此基础上所做的动态预测是不可靠的，甚至会导出错误的结论。为了减少这种差异，使得模拟计算的结果与实测结果尽可能接近，必须