油气藏数值模拟技术讲义

1油气藏数值模拟技术西南石油大学2012.621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油气藏数值模拟研究的意义主要内容开发方式井网、井数、井距采油速度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调整方案油田开发中后期油田开发初期4油藏流体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、压力的变化很大油层中的流体与岩石相互作用产生物理化学现象如扩散、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。5油藏研究方法直接观察法如钻观察井、井下测试、井下电视、岩心实验、开辟生产实验区等)模拟法6模拟法

模拟法

物理模拟数学模拟

7数学模拟数学模型求解方法

解析法数值方法

油藏数值模拟8利用计算机模型模拟仿真油气复杂开发过程，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。油藏数值模拟—科学开发油气田的关键技术9为什么要做油藏数值模拟？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、巴克雷和皮尔逊的前缘推进理论方法、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，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。10为什么要做油藏数值模拟？（续）为了减少盲目性，使用油藏数值模拟技术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。

11油藏数值模拟研究步骤明确研究的任务、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。一般来说，油藏数值模拟研究可概括为以下几个步骤：12数学模型建立及求解建立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13油水渗流的数学模型

数学模型就是通过一套方程组，在一定假设条件下，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。14油水渗流的数学模型（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，一般不考虑油组分的挥发；基本假设15油水渗流的数学模型（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、毛管力的影响。基本假设（续）16油水渗流的数学模型1.运动方程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）17油水渗流的数学模型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，等于单元体内增加的量。写成广义坐标形式为：（续）18油水渗流的数学模型（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产量项：油相基本流动方程：水相基本流动方程：19油水渗流的数学模型（续）3.状态方程即辅助方程20微分方程的离散化

前面建立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格式。而差分格式又有隐式差分格式和显式差分格式之分。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极限前差商中心差商后差商一阶导数的差商逼近

导数的差商逼近22网格系统油藏ab油藏有效网格无效网格。(i,j)块中心。。(i,j)点中心23空间离散i-1,ji,ji+1,ji,j-1i,j+1五点差分格式24每个网格块的油、水相分别应用物质平衡方程块中心网格离散化25块中心网格离散化油相差分方程：水相差分方程：（续）26块中心网格离散化（续）其中：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和自适应隐式等等。28求解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）的技术大致可分为直接解法和迭代法两种类型。矩阵AP=fwi29求解线性方程组（续）aijbijcijdijeij二维自然排列时五对角矩阵结构示意图30油水平面二维二相模拟结果演示31油水平面二维二相注采井流线模拟32由谁来做油藏数值模拟

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。33什么时候开始做模拟

在编制油田开发方案、寻找剩余油分布、研究油田开采机理、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，开始做油藏数值模拟。34油藏数值模拟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性质的敏感性研究

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问题、潜力所在区域

油藏数值模拟应用（续）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和其它混相驱注蒸汽、火烧油藏数值模拟应用（续）37研究剩余油饱和度分布

研究剩余油饱和度分布范围和类型单井进行调整，改变液流方向、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

油藏数值模拟应用（续）38评价潜力

确定井位、加密井的位置确定产量、开采方式确定地面和井的设备油藏数值模拟应用（续）39专题和机理问题的研究

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

油藏数值模拟应用（续）40专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

油藏数值模拟应用（续）41油藏模拟国内外发展概况

（国外）30年代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42油藏模拟国内外发展概况

（国外）70年代产生了锥进模型、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43油藏模拟国内外发展概况

（国外）80年代末-90年代：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44油藏模拟国内外发展概况

（国外）90年代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45油藏模拟国内外发展概况

（国内）60年代

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46ThankYouWelcometoTakeNumericalSimulation47油藏数模技术专题一网格的选取48网格定向网格的界限要与天然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49网格定向（续）50网格尺寸

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直到计算结果在要求的精度范围内不变为止。51网格类型52三维网格系统（层间连通）53三维网格系统（层间无流动）54柱状模型模型应用:试井解释测试射孔间隔评价井附近流动锥进研究55剖面二维（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的影响拟相对渗透率曲线的偏差56剖面二维（层间不连通）模型的应用：垂向剖面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57一维问题模型应用：混相驱吸管实验和一些岩心驱替重力驱替系统垂向平衡流管法模拟58二维平面模型模型应用:大型的多井问题的模拟平面的非均质岩石性质59常规网格系统60非常规网格系统局部网格加密61常规网格系统62非常规网格系统局部网格加密63油藏模拟数据准备专题二高质量油藏数据的重要性(GARBAGEINPUT,GARBAGEOUTPUT)油藏数模技术64

油藏数据；流体性质；现场动态数据；提高采收率的考虑。建立模型需要的数据65油藏数据数据来源地震资料岩芯分析测井解释试井数据生产数据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，如不整合削蚀裂缝密度和走向流体类型：气体或流体由地震资料获取的信息油藏数据（续）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(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作用(沉积后的化学、物理和生物变化)由岩芯分析获得的信息:地质信息油藏数据（续）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:工程信息油藏数据（续）69构造顶部总厚度-有效厚度比孔隙度与深度的关系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的信息油藏数据（续）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(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

试井数据油藏数据（续）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、层位、厚度等

生产数据油藏数据（续）72油藏数据；

流体性质；现场动态数据；提高采收率的考虑建立模型需要的数据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；气体系统，包括湿气和干气原始流体系统流体性质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数据流体性质（续）75挥发油、凝析气数据流体性质（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76油藏数据；流体性质；

现场动态数据；提高采收率的考虑建立模型需要的数据77现场动态数据完井数据；采－注数据；生产控制数据。78油藏数据；流体性质；现场动态数据；

提高采收率的考虑。建立模型需要的数据79提高原油采收率附加的数据提高采收率的考虑混相驱(CO２，烃)岩石润湿性的变化对相对渗透率的影响(Sor)

80提高原油采收率附加的数据（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)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）81提高原油采收率附加的数据（续）热驱(蒸汽驱)随温度变化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）82

应当在油藏开发的早期考虑所要求的数据。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，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83如果模拟计算的动态不能拟合现场数据，不能强行进行历史影响拟合，而要研究每项数据参数及其对结