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1、,青海油田公司勘探开发研究院 西南石油大学石油工程学院 油气藏地质及开发工程国家重点实验室,中国石油天然气股份有限公司青海油田公司,2009.05,油藏数值模拟实用技能培训 Applied RESERVOIR NUMERICAL SIMULATION,一、什么是油气藏数值模拟？ 二、为什么要做油藏数值模拟？ 三、怎么做油藏数值模拟？,前 言,1 油气田开发的任务,确定井位，优化井网 确定开发方式 确定开采速度，保持长期稳产高产 寻找油气田开发中后期剩余储量的富集区域，确定调整方案 合理开发油气藏，提高采收率,技术方法 类比 经验 油藏工程 数值模拟 物理模拟 开发实验,2 油藏数值模拟的技术优
2、势,定义：“在数学模型（计算机软件及数据体）上再现真实油田的生产动态” 技术原理：通过建立渗流力学方程，借用大型计算机，结合地震、地质、测井、油藏工程等方法，在建立的地层三维属性参数场中，对数学方程进行求解，模拟油气的复杂开发过程，再现油气田的生产历史，预测未来的开发动态，提高油气藏的开发效益 技术关键：仿真、预测、可视,前 言,2 油藏数值模拟的技术优势,仿真：可多次“开发”油气田，寻求最优开发方案，避免决策失误,前 言,2 油藏数值模拟的技术优势,预测：短期内模拟开发油气田，分析不同方案的动态，降低开发试验成本,前 言,2 油藏数值模拟的技术优势,可视：通过可视化技术，深入到油藏内部，观察
3、每个参数随时间的变化,前 言,3 发展历程,30年代：开始研究地下流体的渗流规律，并将理论方法用于油田开发 50年代：在模似计算的方法上取得了较大进展 60年代：开始用计算机解决油气田开发上的一些简单间题，当时的计算机速度只有每秒几万-几十万次，只能做些简单的科学运算 70年代：计算机快速升级，带动了油藏数值模拟的迅猛发展，计算速度达到每秒100-500万次，内存增至16兆字节。黑油模型日趋成熟，已能解决中小型油藏的模拟问题 80年代：油藏数值模似技术飞跃进步，计算方法及软件迅猛发展，超级向量机诞生，计算机速度达到亿-几十亿次，内存高达10-20亿字节 90年代：油藏模似软件的各模块功能迅速发
4、展，体现为向一体化方面发展，出现了集地震、测井、钻井工程、完井工程、油藏工程、采油工程、压裂酸化措施工艺及地面集输、经济评价等为一体的大型软件,前 言,4 油藏数值模拟专业软件,黑油模型：已被广泛用于各种常规油气藏的模拟 裂缝模型：用来模拟灰岩、花岗岩、凝灰岩和变质岩裂缝性油气藏开发 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 热采模型：用于稠油油藏蒸气吞吐、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,前 言,5 最新进展,向量算法、预处理共轭梯度法，使模拟过程更快速、更有效（3天1小时） 不规则网
5、格、混合网格、自适应网格，更好地处理了复杂的几何形状 多重网格法、混合有限元法、流线法，正逐步完善和发展 并行处理技术，给大中型油气田的数模工作带来了生机,一、什么是油藏数值模拟 ？,1 工作过程,实际油藏,数学模型,数值模型,计算机模型,数值模拟模型,连续性方程 假设条件 初始条件 边界条件,离散化 线性化 迭代求解,程序化设计 编写计算机代码 误差分析 零流量检验,渗流机理 开采机理 模拟目标,网格划分 地质、流体、生产数据输入 模拟计算,计算结果分析 编写成果报告,成果输出,一、什么是油藏数值模拟 ？,2 典型的数学模型,2.1 三维单相,2.2 一维油水两相,* 定解条件、辅助方程略,
6、2.3 二维气水两相,2.4 组分模型,一、什么是油藏数值模拟 ？,2 典型的数学模型,2.5 黑油模型,* 定解条件、辅助方程略,气组分,油组分,水组分,2.6 聚合物-表面活性剂驱模型,一、什么是油藏数值模拟 ？,油气藏数值模拟,渗流力学,数学物理方程,计算方法,石油地质,储层描述,油层物理,油藏工程,计算机工程,钻井工程,采油工程,风险概率,经济评价,软件研发,渗流机理,优化方案,开发机理,工程运用,调整方案,提高采收率,剩余油分布,计算机软件,计算机硬件,GUI设计,3 基础与应用,知识集成,4.1 概念模拟 采用平均油藏参数，代表局部区域 常用于敏感性分析或机理研究，模拟结果具有普遍
7、指导意义,4.2 实际模拟 特定某一个油藏或储层单元、井组 非均质油藏参数，结果没有普遍意义 用于具体某个油藏的开发方案优选及其开发效果预测,概念模拟：韵律层对水锥的影响,实际模拟：某气藏边水推进动态研究,一、什么是油藏数值模拟 ？,4 模拟类型,5.1 单井模拟 通常用r-z坐标系 评价各种完井措施、预测直井的锥进动态、数值试井,单井模型网格示意图,5.2 剖面模拟 通常用x-z坐标系 研究与重力有关的问题，如：水驱、气驱的纵向动态,5.3 井组模拟 考虑一个典型的注采单元，二维或三维 跟踪井组单元内的驱替前缘、驱替效率研究,5.4 全油田模拟 考虑参与渗流的整个生产区域，包括油藏、井筒 模
8、拟全油藏的整体开发规律,利用井组概念模型，进行鱼骨刺分支水平井注采井网开发效果研究,一、什么是油藏数值模拟 ？,5 模拟范围,6.1 零维模型 也叫物质平衡方程 不能区分任何方向的流动 计算原始地质储量、预测全油田产量、估算水侵量及确定整个开采时间内油藏平均压力及平均饱和度变化等 6.2 一维模型 考虑流体在一个方向的流动 用于实验室岩芯驱替的模拟研究 6.3 二维模型 包括单井模型（r-）、剖面模型（x-z）和全油田模型(x-y) 用于研究开发机理,一、什么是油藏数值模拟 ？,6 模型的维数,零维模型,一维径向模型（R）,二维径向模型（R-）,二维剖面模型（X-Z）,二维平面模型（X-Y）,
9、6.4 多层二维模型 - 由几个平面二维模型组成 各层在整个油藏中处于不连通状态，但由于合采或合注而在井筒中连通 用于模拟各种合采措施、修井、二次完井 6.5 三维模型 - R-Z用于单井动态的模拟研究 - X-Y-Z三维模型用于全油藏的模拟研究,一、什么是油藏数值模拟 ？,6 模型的维数,三维径向模型（R-Z）,三维全油藏模型（X-Y-Z）,多层二维模型（X-Y-Z）,7.1 常规网格系统,一、什么是油藏数值模拟 ？,7 网格系统,直角坐标网格系统,径向坐标网格系统,7.2 非常规网格系统,局部加密网格系统,混合网格系统,8.1 根据流体分类,一、什么是油藏数值模拟 ？,8 模型的类型,（1
10、）黑油模型,8.2 根据储集-流动介质分类 - 单孔单渗（基岩孔隙存储，基岩内渗流） 双孔单渗（基岩孔隙和裂缝存储，从基岩流向裂缝，从裂缝流向井） 双孔双渗（基岩孔隙和裂缝存储，基岩和裂缝都参与渗流）,（2）组分模型,（3）热采模型,- 简单的相态（油-气-水），温度的变化可以忽略 - 用于一次采油、注水、干气注入、聚合物注入,- 复杂的相态，温度的变化可以忽略 - 凝析气藏的开发及循环注气 - CO2或富气注入 - 挥发油,- 任何相态变化，温度的变化不能忽略 - 热力采油，如：蒸汽驱、火烧,9.1 定义,一、什么是油藏数值模拟 ？,9 黑油模型,黑油：由甲烷及重质碳氢化合物组分所组成的低挥
11、发油 黑油模型：描述黑油系统的数学模型 黑油的烃组分：气组分（甲烷）+油组分（重质碳氢化合物） 黑油系统的相：油相、气相、水相,9.2 特点,黑油模型是目前油藏模拟中发展最完善，最成熟的模型 所有常规油气田的开发问题，都可以用黑油模型来进行模拟 也是目前全球应用最为广泛的数值模拟模型,9.3 基本假设,一、什么是油藏数值模拟 ？,9 黑油模型,等温渗流过程 考虑油气水三相，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：大气压下差异分离残存下来的液体 气组分：全部分离出来的天然气 油藏烃类中含有油气两相 油相：包括油组分和以溶解气方式存在的气组分 气相：以自由气方式存在的气组分
12、 油藏中气体的溶解和逸出是瞬间完成的 油水两相不互溶，气水两相不互溶 岩石微可压缩，渗透率各向异性 流体可压缩，考虑渗流过程中重力、毛管力的影响,10.1 定义,一、什么是油藏数值模拟 ？,10 组分模型,以烃类体系的自然组分为基础，建立各个组分的质量守恒方程，而形成的数学模型,10.2 特点,数学模型中，对烃类体系的每个自然组分的PVT性质、相态特征和相平衡计算，都是分别用状态方程来完成的 描述各种凝析气藏（带油环、不带油环、有边底水等）的开发全过程 描述油气两相中各个组分的瞬间变化 计算井流物中重质组分含量的变化 计算在给定的分离条件下可以获得的凝析油量等 模拟循环注气、注干气、注氮、注C
13、O2、混相驱的工作机理和开采效果,10.3 基本假设,一、什么是油藏数值模拟 ？,等温渗流过程 储层内的油气水三相流动均服从达西定律 油气体系存在N个组分 各个组分在渗流过程中会发生相间传质，但相平衡是瞬间完成的 水组分为独立相，不参与油气相间传质 考虑岩石的压缩性和渗透率的各向异性 考虑重力、毛管力的影响,10 组分模型,二、为什么要做油藏数值模拟？,地质特征复杂：裂缝、断层、尖灭、非均质、隔夹层、多层 油气水关系复杂：多个压力系统、多个油气水界面、油气水间互 流体特征复杂：三维三相、三维四相、复杂的相态变化、多组分,1 油气藏的复杂性,通过各种措施增加产量和利润，是一个复杂的多因素决策过程
14、 存在地质和工程的不确定性，需要进行完备的风险评估 剩余油以及开发潜力的分析是一个基于时间和空间的过程 油气藏开发是具有高成本的不可逆过程,2 油气藏开发的复杂性,二、为什么要做油藏数值模拟？,油藏工程方法：物质平衡法、递减分析法、水驱特征曲线法 无法考虑复杂储层的地质特征与流体变化特征 无法考虑井史的时间效应 无法考虑多层、多井、复杂流体分布的综合效应 概率分析方法：不确定性大 不稳定试井：具有多解性 物理模拟实验：时间长 小区块现场试验：投资大,3 常规方法的局限性,油藏数值模拟可以考虑微观到宏观的各种复杂情况,对于初期开发方案的模拟 - 选择合理的开发方式；如：枯竭开采、注水开发等 -
15、选择合理的井网、开发层系、确定井位 选择合理的注采方式、注采比 对油藏和流体性质的敏感性进行研究,二、为什么要做油藏数值模拟？,4 油藏数值模拟的功能,对于已开发的油田 核实地质储量，确定主要驱替机理（天然气驱、注水开发） 落实油藏和流体特性中不确定的因素 - 提出问题、潜力所在区域 剩余油饱和度分布规律的研究 提出调整加密井的设想,二、为什么要做油藏数值模拟？,4 油藏数值模拟的功能,能提供时间上和空间上都更加详尽的计算及预测结果 能考虑各种微观和宏观的地质及工程影响因素 小到一段岩芯，大到数百平方公里的大型油气藏都能模拟 能更加直观、快速地告诉开发决策者各种方案的开发效果 比其他工程技术方
16、法需要更多的输入数据 计算精度受数据数量及质量控制，结果具有多解性和风险性,二、为什么要做油藏数值模拟？,5 油藏数值模拟的技术特点,输入数据的误差将导致计算结果的误差甚至是严重错误 考虑因素越是全面、模型越精细，需要输入的数据就会越多，造成误差的可能性就会越大。 历史拟合存在多解性、人为性、任意性，过多地依赖于经验；有时为了拟合上动态指标，可能错误地修改地质模型 历史拟合耗费大量的时间和精力，因此而无法在一定的时间内利用更多的测试资料（如分层测试资料）进行精细拟合 有些油藏过于复杂，无法准确计算，只能做机理性的描述,二、为什么要做油藏数值模拟？,6 油藏数值模拟的技术局限性,三、怎样做油藏数值模拟？,(1)问题定义,(2)数据检查,(3)模型建立,(4)初始化,(5)历史拟合,(6)动态预测,(7)报告编写,- 根据油田的开发问题，明确油藏数值模拟的目的和要求 - 根据目标和资料丰富程度，确定研究的空间和时间范围,
