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水平井地质设计方法研究

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水平 地质 设计 方法 研究
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水平井地质设计方法研究 东营天源精攻石油科技有限公司 2004年3月 水平井地质设计方法研究 项目负责人:刑洁正 报告编写人:明光春 主要参加人:王兆生 何洪 涛 龚尉青 史敬华 马泮光 岳光来 小妹 魏恩芳 孟 蔚 报告审核人:孙业恒 戴 涛 东营天源精攻石油科技有限公司 2004 年 3 月 目 录 1 水平井地质设计软件研究思路及设计流程 .......................................... 地质建模 ......................................................................据建模 ..................................................................形建模 ..................................................................据接口建模 .............................................................. 图形显示 ......................................................................模图件的显示 ............................................................采现状图的显示 ..........................................................维地质模型的图形显示 .................................................... 水平井段设计 ..................................................................计区域筛选 ..............................................................面设计 ..................................................................面设计 ..................................................................取水平井段长度 .........................................................改靶点 .................................................................迹优化 .................................................................计参数输出 .............................................................平井段轨迹加载 ......................................................... 结论 .........................................................................录 1 软件使用说明 ..............................................................录 2 数据文件格式 ..............................................................录 3 耦合模型中水平井产量和压力动态 ............................................平井地质设计方法研究 1 水平井地质设计软件研究思路及设计流程 水平井地质设计的最终结果就是根据构造、储层砂厚、有效厚度、孔隙度、渗透率、油水饱和度等资料确定水平井段的最佳位置,以获得较好的产能。水平井段的位置由若干靶点表示,每个靶点数据包括大地坐标和深度。 为了实现人机交互设计水平井段,需要建立目的层的地质模型,并将地质模型用图形的方式显示出来,提供给设计人员可视化、直观的设计界面。 如图1所示,在三维地质模型的基础上参考开采现状图和地质图件设计水平井段,然后输出设计参数;三维地质模型可由数据建模、数据转换、图形建模三种方式建立。 下面,分别介绍地质建模、图形显示、水平井段设计的实现方法。 项目数据库数模软件的模型数据及模拟结果其它软件绘制的图件地质图件(成品图)数据建模数据转换扫描、矢量化开采现状图三维地质模型图形建模地质图件显示水平井段设计数据转换设计参数输出图 1 软件设计流程 2 地质建模 三维地质模型是水平井地质设计的基础,地质模型的准确性直接影响着设计结果。根据研究区块的不同情况,软件中提供了三种地质建模方法:数据建模、图形建模、数据接口建模。 1 水平井地质设计方法研究 据建模 利用研究区块井点数据(构造及储层的顶深、砂层厚度、有效厚度、孔隙度、渗透率、油饱和度、水饱和度等)插值。该方法的优点是建模速度快,缺点是模型的准确性对数据的依赖程度较高,如果只有少量的井点数据,很难保证模型的精度。 据提取 井点数据以数据库的形式存放,如图 2 所示,从数据库检索出当前区块的所有砂层组名称(5、6砂层组)。 选择砂层组后, 查询出该砂层组所包含的小层号(51、52、53、54、61、62、63、64)。 在“建模层序”选择用哪些小层数据建立地质模型中的“层” ,有的区块对小层作了进一步划分,在数据库中记录了“细分层号”的数据项,在软件中可以使用细分后的层建立地质模型中的“层”。 对模型中每层使用的数据可以进行选择,包括顶深、砂层厚度、有效厚度、孔隙度、渗透率、油饱和度、水饱和度等。 图 2 数据提取软件界面图 格划分 指定X、义边界 通过人机交互绘制边界线,作为模型的边界。 散数据的网格化 根据数据提取和网格划分等结果,使用从数据库中查询的井点数据作为离散点进行插值处理,计算每层所有网格节点的各项数据,并保存计算结果。数据格式为: * //顶面深度数据 第1层 …………21………… 水平井地质设计方法研究 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 …………2层 …………21…………。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 …………。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 其中,网格数,网格数,N 为模型的层数,砂层厚度、有效厚度、孔隙度、渗透率、油饱和度、水饱和度等数据以同样的方式排列,通过关键字来区分。 形建模 利用地质图件(顶面构造图、砂层厚度、有效厚度、孔隙度、渗透率、油饱和度、水饱和度等值图)建立三维地质模型。该方法的优点是精度高,因为图件是地质人员根据该区块的数据及自己认识、经验而绘制的,能够较为准确的反映油藏的实际情况,缺点是建模速度较慢,需要对地质图件进行矢量化或进行图形数据的转换。 质图件管理 如图 3 所示,对每个地质图件的描述包括 4 项数据:图件名称、文件名、图件类型、层序,通过图件管理工具对建立地质模型所需的各种图件进行组织。 其中, “文件名”数据项表示存放图件数据的文件名称, “图件类型”数据项分为构造图、砂层厚度、有效厚度、孔隙度、渗透率、油饱和度、水饱和度图等类型的等值图,“层序”数据项表示某类等值图属于模型的哪一层(层序编号从1开始)。 图 3 地质图件管理软件界面图 3 水平井地质设计方法研究 质图件的数据处理 描述地质图件的数据按照存放格式划分为两类:一是位图数据,二是矢量图形数据。建立地质模型所需的数据从矢量图形数据中获取,而无法从位图数据中直接得到,需要将位图数据转化为矢量图形数据(称为图形矢量化) 。如果已有其它制图软件形成的图形数据,可由接口程序转换成本软件使用的矢量图形数据,此处不再祥述。下面讨论位图数据转化为矢量图形数据的矢量化方法。 绘制等值线,以显示的位图作为底图,沿位图中的等值线依次单击鼠标左键,确定等值线的各坐标点,双击左键结束,并弹出参数设置框,可输入等值线数值、设置等值线的颜色、宽度、光滑属性及等值线数值的显示字体。如果选择“设置为默认属性”复选框,以后绘制的等值线按照这里设置的属性显示。 绘制折线,与绘制等值线采用相同的方法,只是在参数设置框中不出现等值线数值的输入提示。 绘制文字,在底图中文字的左下角单击鼠标左键后,弹出文字参数设置框,可输入文字内容、设置字体、旋转角度等参数。 绘制井位,在底图的井位上单击鼠标左键后,弹出井位参数设置框,可输入井号、设置井号和井圈的大小、井号的标注位置。 加载井位,从数据库中批量加载井位,省去使用绘制井位工具逐个绘制井位的重复性操作。 编辑工具,修改等值线、折线的参数及坐标点位置,修改文字、井位的参数及位置的移动。 删除工具,删除等值线、折线、文字、井位等图形对象。 格划分 指定X、散数据的网格化 从矢量化的图形数据中提取等值线的数值和各坐标点数据作为离散点,通过插值处理,计算每层所有网格节点的各项数据,并保存计算结果。 4 水平井地质设计方法研究 据接口建模 通过数据接口方式,转换数值模型软件或其它软件所建立三维地质模型的有关数据。优点是建模速度快,数据齐全,特别是目前油、水饱和度等数据是前面两种方法很难给出的,数值模拟软件可以提供过去、目前及未来的油水饱和度数据场;缺点是工作周期较长,需要对该区块先进行油藏数值模拟。 3 图形显示 通过显示各类图形,为设计水平井段提供参考依据和可视化的设计界面,在软件中可以显示的图形有三类:图形建模所用的图件、开采现状图、三维地质模型图。 模图件的显示 显示图形建模所用的各种等值图,提供放大、缩小等功能。 采现状图的显示 使用数据库中的动态生产数据表,显示开采现状图(如图 4)。通过选择生产时间,既可以显示目前的开采现状,也可以显示历史的开采状况, 开采现状图能够单独显示,也能与各种等值图叠加显示,当鼠标移动到某口井的附近时,自动弹出该井的动态生产数据(层位、生产天数、累油、累水、日产油、日产水、含水等)显示框。 能够设置井圈大小、日产油水柱宽、累液最小直径、累液最大直径、井号字体、标题字体等参数和累油、累水、日产油、日产水、含水及井圈的颜色。 图 4 开采现状图 5 水平井地质设计方法研究 维地质模型的图形显示 水平井段的设计主要是在对三维地质模型的显示图形上进行的,三维地质模型是通过前面几种建模方法所形成的描述研究区块储层的信息,这些描述信息由一系列的网格节点数据组成,使用网格节点数据中各层的顶深、砂层厚度描述储层的形状,用颜色的变化表示网格节点各数据项的变化情况(图5)。 图 5 三维地质模型显示图 择显示的数据 控制每个层的图形显示情况,可以关闭一个或多个层的显示。 选择储层网格上显示哪种数据,用颜色表示数据的变化情况,顶深、砂层厚度两项数据不可缺少,否则无法描述储层的三维形态,其它数据项如有效厚度、孔隙度、渗透率、油饱和度、水饱和度等数据根据实际情况可或多或少。 如果使用数值模拟结果数据,既可以一次显示某个时间阶段的数据,又能够从某个时间阶段开始按照设置的间隔值(秒)连续显示其后每个时间阶段的图形,非常直观地观察某项数据的动态变化情况。 色表定义 在本软件中,用颜色来表示数据的变化情况。显示不同的数据习惯上需要不同的颜色表,例如:油饱和度的数值越大,颜色越红,而水饱和度的数值越大,颜色越蓝。颜色表定义就是根据需要制作一个符合习惯用法的颜色表,以便直观的显示模型中的各项数据,实现方法如下: a:确定控制颜色数,例如:设定三种控制颜色(颜色 1、颜色 2、颜色 3),则颜色表将是从颜色1渐变到颜色2,再从颜色2渐变到颜色3。 b:确定颜色总数,如果“颜色总数”和“控制颜色数”相同,则能准确的控制哪种颜色表示什么数据范围;如果“颜色总数”大于“控制颜色数” ,在颜色表中除保留控制颜色外,缺少的颜色由两个控制颜色线性插值取得,这种方式定义的色表使图形显示6 水平井地质设计方法研究 时颜色变化比较均匀(颜色数越多,变化越均匀) 。例如:设定颜色总数为 50,控制颜色数为3,则从颜色1渐变到颜色2经过24种颜色,从颜色2渐变到颜色3经过23种颜色。 c:颜色插值,用线性插值法计算两个控制颜色之间的渐变颜色的如,计算颜色1与颜色2之间过渡颜色的i/n i/n i/n 其中, 和颜色 2 之间渐变颜色的个数, 且小于n,1、 的2、2 为颜色2的i、算出每一个过渡颜色的就形成一个颜色逐渐变化的颜色表。通过调整控制颜色、过度颜色的数目和控制颜色的到不同的颜色表。 图形显示时,根据网格点的数值转换为颜色来表示,计算公式如下: 其中,大值, 1)*−= 切 为了观察地质模型内部情况,提供了两种剖切功能:区域剖切和垂直剖切。图6为通过垂直剖切显示的图形。 区域剖切功能是在平面图上任意指定一个范围,将此范围之外的网格节点切去,显示指定范围内部的图形。 垂直剖切是在平面图上任意指定一个或多个剖切线,然后用这些剖切线对模型进行剖切,显示剖面图。 两种剖切方式的基本算法相同,我们把剖切轨迹看作一个三维空间中的多边形(在别沿X、程序实现方法如下: a:依次判断网格的位置,如果在裁剪多边形的外部或内部,则继续判断下一网格,直到找到落在裁剪多边形边界上的网格。 图 6 垂直剖面图 7 水平井地质设计方法研究 b:用 裁剪多边形沿指定的方向对网格单元进行裁剪。如图7所示,裁剪多边形在得裁剪多边形与顶面的交点 1、底面的交点2、此,我们得到两个三维空间中的剖切面c:根 据网格顶点的数值,通过插值方法计算出1、2、2各点的数值,再由数值颜色转换算法确定各点的颜色。 d:填充剖切面。 e:重复以上过程,处理所有的网格。 图 7 间变换 从三维空间中不同的视点、角度观察地质模型,在鼠标的控制下实时地进行三维旋转、移动、缩放等操作。 4 水平井段设计 设计水平井段所使用的图形通过上面叙述的图形显示方法而获得。由于计算机屏幕是二维平面,将地质模型三维数据体可视化后,只能显示从某个角度观察到的地质模型的视图,为了将图形中某个点转换成代表实际位置的数据(大地坐标、深度) ,设计水平井段的轨迹时采用了两类图形:一是平面图,在平面图上确定水平井段在平面的轨迹,即水平井段在平面上的投影;二是垂直剖面图,以平面轨迹作为剖切线对地质模型进行剖切,显示垂直剖面图,在垂直剖面图上人机交互设计水平井段各靶点的位置。 计区域筛选 根据不同类型油藏的水平井设计的筛选标准,确定地质模型的每个网格节点是否符合筛选条件,将不符合筛选条件的网格节点与符合条件的网格节点区分开来,在设计水平井段时,能够直观地看到哪些地方适合设计水平井段,哪些地方不适合设计水平井段。 筛选条件包括有效厚度、流动系数、孔隙度、渗透率、饱和度等参数,在软件中定义8 水平井地质设计方法研究 了初始数值,并能根据实际情况改变这些筛选条件的定义数值。 面设计 在显示的平面图(图 8)上,根据构造高低、厚度大小、有效厚度、饱和度及井网控制情况等条件,设计水平井段的轨迹。 面设计 用平面设计优化好的轨迹作为剖切线,显示垂直剖面图。能够人机交互地修改每个靶点在剖面上的位置。 由剖切线数据和靶点在剖面图上的位置,计算出每个靶点的实际位置(大地坐标、深度),也就是计算靶点在三维图形中三维空间坐标(x、y、z),程序实现方法如下: pp, /* 剖面设计图的剖切线(即为在平面图上设计的水平井段轨迹),需要计算的剖切线与mx、方向的平移距离。*/ ( ( i=0;,总压降损失变大,此时井的总产量开始受到紊流的影响不再呈线形变化, 时在 井段的某一确定位置随 α的增加产量是减小的,这也是受到 α变化导致流态变化的影响。 60 水平井地质设计方法研究 图7因次压降与无因次距离的关系 图7因次井产量与无因次距离的关系曲线 分别取井底流压(水平井段跟端 x=0处)到水平井段内各点压力和产量随位置的变化关系图,如图 7示。由图 7出,水平井井筒流量从井筒指端到根端呈不断增加的趋势。这是因为在水平井井筒内从指端到跟端,除主流外还有沿程从油藏的径向流入,使得井筒内流体质量流量逐渐增加造成的。图7靠近水平井井筒指端的位置,压力变化较小,越靠近跟端,压力变化越大。这主要是因为越靠近跟端,主流质量流量越大,摩擦引起的压力损失和从油藏流入井筒的入流引起的压力损失越大。 61 水平井地质设计方法研究 图7平井段不同位置处的产量变化关系 图7力随水平井段位置变化图 3 不同情况下产量对比 为研究井筒压力损失对产量的影响,设计了考虑井筒压力损失和不考虑井筒压力损失的对比方案,其中考虑井筒摩阻时,利用水平井井筒内为紊流条件下的耦合模型,不考虑摩阻时,采用了实例分析:某油田一口水平井其油藏参数和井参数如下:水平井半径 层厚度 孔隙度 流体粘度 μ 为 合压缩系数 油体积系数 平渗透率 垂直渗透率 流体密度 壁相对粗糙度 层压力 -6 为上述两种情况下沿井长产量的分布,从图中可以看出,当井产量较低时,62 水平井地质设计方法研究 由于井筒内的摩擦压降与地层压降相比小的多,基本可以忽略,利用耦合模型与是随着井长的增加,二者的差距逐渐增大,造成这种结果的主要原因是井筒摩阻对产能的影响,当井筒内的压降与地层内的压降相近时,若忽略其影响,势必会产生较高的产能。这从另一个方面说明,基于无限导流能力基础上推导出的产能公式是有一定的使用条件的。另外,从中我们还可以得出这样一个结论:忽略井筒摩擦阻力,会得到一个错误的结果,即无限井长会产出无限多的原油。 0200400600800100012001400160018000 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000井长(m)产量()考虑摩阻忽略摩阻图7-6 不同情况下沿井长产量分布 63 《水平井地质设计方法研究》 项目验收意见 大港油田公司油气勘探开发技术研究中心组织有关专家,于 2004 年 3 月 4日在研究中心对《水平井地质设计方法研究》项目进行了评审验收。 该项目开发了一套基于分利用多种地质资料、以可视化方式设计、优化水平井段的水平井地质设计软件, 包括三维地质建模、三维图形显示、轨迹优化设计、产能预测等功能。 实现了井点参数插值、地质图件、数据接口三种建立地质设计模型的方法,以适应不同区块的地质特点及地质资料的实际情况。提供了地质模型的三维可视化,具有丰富的图形显示功能,包括显示各类数据场以及地质模型图、目标区剖切图、垂直剖面图、平面网格图、三维网格图、水平井设计平面图、剖面图等多种图形类型,为水平井段的地质设计提供了多种参考图件和参考数据。 针对水平井段优化设计的有关环节,软件中实现了设计区域筛选、水平井段平面位置设计、剖面位置设计、水平井段靶点调整、轨迹优化、设计参数输出、水平井段轨迹加载和产能预测等多项功能。 验收组专家认为该项目完成了合同规定的内容,达到了设计目标,一致同意通过验收。 验收组长(签字):石占中 2004年3月4日 《水平井地质设计方法研究》验收评委名单 序号 验收会职务 姓名 工作单位 所学专业 现从事专业 职称职务 签名 1 组长 石占中 大港油田公司研究中心 石油地质 石油地质 助理、高工 石占中 2 组员 王华崇 大港油田公司油气开发处 油藏工程 油藏工程 副处长、高工 王华崇 3 组员 王怀忠 大港油田公司研究中心 油藏工程 油藏工程 副所长、高工 王怀忠 4 组员 周宗良 大港油田公司研究中心 石油地质 石油地质 副所长、高工 周宗良 5 组员 宗杰 大港油田公司研究中心 石油地质 石油地质 主任、高工 宗杰 6 组员 蔚芒 大港油田公司研究中心 油藏工程 油藏工程 副主任、高工 蔚芒 7 组员 刘海富 大港油田公司研究中心 石油地质 石油地质 副主任、高工 刘海富 8 组员 武战国 大港油田公司研究中心 石油地质 项目管理 主任、高工 武战国 9 组员 董萍 大港油田公司研究中心 石油地质 项目管理 工程师 董萍
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