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致密油藏开发数值模拟研究

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致密 油藏 开发 数值 模拟 研究
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目录第一章:究的目的及意义 第二章: 密油开发的发展方向第三章: 密油藏数值模拟技术发展目标第四章:总结致谢摘要目前,石油资源呈现出较为贫乏的一个态势,虽然我国的石油储量较为丰富,但是随着时间的推移和工业的不断发展,也总有枯竭的一天,因此致密油藏的开发,大大缓解了石油匾乏的局面,成为增加石油产量的有效途径"在致密油藏开发的过程中,多是使用水平井分段压裂技术,以提高石油的开采量,并注意降低开发过程中的资金成本,提高经济效益"本文先是对致密油藏进行了概述,又详细阐述了国外致密油藏的分布和中国致密油藏分布。从中外不同类型的致密油藏的定义和标准中总结出其特点,统计分析了国外致密油的资源量及分布状况。选取开发规模较大或开发技术成熟的致密油区为研究对象,从地质特征、开发历程及现状、技术发展状况、开发成本、开发效果及规律等多个角度进行分析,提升并总结出不同地质条件下的主要开发技术及其政策、单井初期产油量、递减率和成本等关键指标的变化规律。综合分析了中国石化致密油藏的地质特点和开发状况,得到以下认识:地质认识是致密油藏有效开发的基础,开发配套技术是致密油藏有效开发的保障,开发基础研究是致密油藏有效开发的关键,低成本战略是致密油藏有效开发的核心。油藏数值模拟是以渗流力学、数学物理方程和计算方法为理论基础,集石油地质、油气储层、油层物理、油藏工程、计算机软件等多学科于一体的综合'性工程应用学科。关键词:致密油藏 数值模拟技术 技术进展 开发规律 密油藏概述致密油藏是指与生油岩层系共生的、吸附或游离于各类致密储集层中的石油,油气未经过长距离运移,储集层岩性主要包括致密砂岩和致密灰岩等,覆压基质渗透率小于或等于 0. 1 × 10- 3μ隙度小于 10%,度一般大于 40,单井无自然工业产能,需要利用水平钻井和多段水力压裂等技术从低渗透性储层中开采出的石油[31—38] 。通俗称致密油藏是指常规技术不能经济开采地层中难以自然流动的石油; 常规油藏是指常规技术能够经济开采圈闭中易于自然流动的石油。常规油藏序聚集、空间共生” ,致密油藏资源普遍分布,圈闭中聚集的常规油是其中富集的“甜点” ,分布局限。致密油与常规油本质区别为原油是否明显受圈闭控制、单井是否有自然工业产量。目前,石油资源呈现出较为贫乏的一个态势,虽然我国的石油储量较为丰富,但是随着时间的推移和工业的不断发展,也总有枯竭的一天,因此致密油藏的开发,大大缓解了石油匾乏的局面,成为增加石油产量的有效途径"在致密油藏开发的过程中,多是使用水平井分段压裂技术,以提高石油的开采量,并注意降低开发过程中的资金成本,提高经济效益"本文先是对致密油藏进行了概述,又详细阐述了国外致密油藏的分布,最后分析介绍了中国致密油藏开发的地质特征和开发现状"。而国内,由于致密油藏占有很大的比例,国内许多专家学者都对此做了大量研究,尤其是近十年,国际油价居高不落,使得开发致密油田也具有很大的效益,所以关于致密油藏的研究越来越多。近年来,石油工业的迅速发展以及全球对油气资源的消耗急剧增长,导致致密油藏资源日渐枯竭,采出液的含水率不断提高,从而使国内外大量的致密油藏陆续投入开发利用,此外,由于石油能源需求的日益增加,研究致密油藏的开发规律也成为当务之急。外致密油藏的分布目前致密油藏开发规模较大的国家是美国和加拿大,以这 2 个国家的致密油藏主要开发区带为研究对象,分别从地质特点、开发历程及现状、主体开发技术及技术政策、开发规律和勘探开发成本方面对致密油藏开发技术的研究进展及其变化过程[16行总结。具体包括地跨美国和加拿大的巴肯致密油区、美国的巴内特和鹰滩致密油区。国外致密油藏储层均为海相沉积,有利区分布面积广,一般超过 1×104力产层埋深及油层厚度横向变化大,渗透率小于 0隙度小于 15%,属于低孔低渗透储层(表 1) 。油藏均为“自生自储”型,自然裂缝发育,如巴肯致密油区主力生产层 80%的井钻遇了自然裂缝。主力产层的岩性为致密砂岩或者碳酸盐岩,页岩仅作为夹层存在,纯页岩主要为盖层,不是主力产层,且均为脆性地层。如巴肯组的上段和下段以暗色泥岩和页岩为主,富含有机质,都是很好的烃源岩;中段以灰褐色极细—细粒砾岩、白云质砂岩和粉砂岩为主,是主要储层和生产层;巴内特组储层在纵向上分为 4 段,主力产层为二、三和四段,由脆性钙质和硅质组成,多重叠层反旋回沉积,泥岩仅作为夹层存在,最下端为纯泥岩段,几乎没有生产井。除以上共性之外,每个储层又有其独特性。美国巴肯组储层的上覆和下伏地层分别是洛奇波尔组和斯里福克斯组,该套储层岩性为致密灰岩,分布连续性很好,厚度相对其他致密油区薄,但是有利区面积最大,超过 4×104于相对封闭的系统之中,气油比为 2 000 m3/t,天然能量充足,一次采收率可以达到 8%~16%;加拿大的巴肯组储层与美国的相比,储层厚度较薄,埋藏较浅,且存在水层;巴内特组储层的二氧化硅含量高,地层的杨氏模量高,同时具有低且均匀的水平应力,导致水力裂缝与自然裂缝垂直相交,形成范围更宽更复杂的网状裂缝系统;鹰滩组储层岩性为有机质丰富的钙质泥岩和灰岩,储层物性横向变化快,非均质性强,油气呈带状分布;矿物分及力学性质变化较大,因此不同地区钻井和完井技术须进行针对性分析。以上这些特点给开发带来一定的经济风险。水平井分段压裂是致密油藏开发的核心技术,该技术在每个致密油区都经过了3~5 a 的探索期,产量均能实现较快增长。2006 年水平井分段压裂全面应用于致密油藏开发,美国 3 大致密油区产油量进入快速增长阶段,2010 年产油量已达 1 333×104t,是 2008 年产油量的 3 倍;2011 年致密油区的产油量为 2 414×104t,比上年增长 81%,占美国当年总产油量的 9%。加拿大致密油藏产油量在 2007 年之后开始大规模增长,2010 年底达 771×104t,是 2007 年的 113 倍,投产油井 4 100 口。1953 年勘探发现的美国巴肯油区的巴肯组(简称美国巴肯组) ,2000 年开始应用水平井分段压裂,2007 年开始规模化应用,截至 2011 年底,投产油井 3 273 口(水平井3 098 口) ,年产油量为 1 838×104t,是 2006 年产油量的 17 倍;2011 年新钻压裂水平井的平均单井产油量为 17 t/d,是不压裂水平井的 ,是直井的 。2003年将水平井分段压裂技术应用于巴内特油区的巴内特组(简称巴内特组) ,单井产气量大幅度提高,是直井的 2~5 倍;2006 年开始应用于致密油区,年产油量从 2006 年的 22×104t 增至 2011 年的 53×104t。2008 年鹰滩致密油区投入开发,初期只有钻机 20 台,至 2012 年 2 月达到 220 台,60 个压裂作业队,生产井从 2008 年的 5 口增至 2010 年的 71 口,年产油量从 2008 年的 04t 增至 2010 04t,2011 年产油量为 04t;2011 年 12 月平均单井产油量约为16.1 t/d;截至 2011 年底,年产油量为 592×104t,共投产水平井 1 527 口,其中油井 989 口,气井 538 口;计划部署钻井 4 230 口。国致密油藏开发的地质特征和开发现状中国石化各油区致密油藏探明储量规模较大。2011 年底,探明石油地质储量超过 3×108t,主要分布在胜利、华北、中原及东北油区;动用储量仅为 0t,采收率为 采油速度为 平均含水率为 致密油动用储量以胜利和华北油区为主,胜利油区以小井距或大型压裂直井开发为主,华北油区以水平井分段压裂开发技术为主。截至 2012 年 7 月,中国石化致密油藏共施分段压裂水平井超过 150口,平均压裂段数为 ,压裂后前 3 个月平均单井产油量为 12.1 t/d,目前平均单井产油量为 5.6 t/d;实施井主要分布在胜利、华北及东北油区。综合分类分析结果表明,中国石化致密油藏主要为陆相沉积,储层纵向和平面非均质性强,石油地质储量丰度高,为 36×104~42×104t/藏埋深为 1 800~4 500 m,孔隙度为9%~15%,空气渗透率为 10 × 10始含油饱和度为50%~60%。各开发区沉积相、断层、微裂缝发育程度差别较大:胜利致密油区的岩性主要为滩坝砂、砂砾岩和浊积岩。华北致密油区的岩性主要为河道砂岩,局部发育微裂缝;东北致密油区断层发育,油水关系复杂。为 50%,年产油量为 4 008 t;第 2 年递减率为 25%,年产油量为2 455 t。华北油区实施分段压裂水平井的平均水平段长度为 943 m,,单井初期产油量为 8.9 t/d,第 1 年递减率为 65%,年产油量为 2 071 t;第2 年递减率为 20%,年产油量为 1 087 t。究的目的及意义油藏数值模拟是一门综合性很强的科学技术,涉及油田地质、油层物理、油藏工程、采油工程、测井、数学、计算机及系统等学科。进行数值模拟的关键在于油藏描述,在于前期极其繁琐的数据准备工作和后期大量的历史拟合运算工作。前期数据准备的丰!程度将直接影响所建地质模型的真实性、可靠性。进行数值模拟研究的主要步骤为:油藏描述~建立模拟模型~灵敏度试验~生产历史拟合~预测运算~结果出及分析。同时,数值模拟技术是一门非常重要并且实用的技术,可以用来进行油藏描述,油藏动态预测和水驱油的机理研究。合适的油藏数值模拟可以帮助工程师们确定油田有效的开发方式,优化具体方法中的参数。如果在低渗透油田开发上合理应用油藏数值模拟技术,可以使我们更准确地认识油藏,更经济合理地开采。可是目前,成熟的商业软件中集成了黑油模型、多组分模型、热采模型、聚合物模型、三元复合驱模型和水平井模型,却没有描述致密油藏规律的模型,这给油藏工作者们带来了极大的不便。因此在研究致密油藏规律的基础上,进行数值模拟方法的研究,努力开发适用的软件是十分有意义的。油藏数值模拟技术现已成为油田开发工作者最为常用的分析工具之一,理论上可以实现对多孔介质中复杂渗流规律的模拟计算,工程上可以作为方案设计、动态监测、开发调整、提高采收率预测的有效手段,能为油气田开发中各种技术措施的制定提供理论依据,其重要性不言而喻。但致密油藏的渗流规律并不同于中高致密油藏油藏,大型的商业化软件并不能满足对低渗透渗流规律、开发规律的精确模拟,因此很多学者致力于研制考虑致密油藏特有渗流规律的数值模拟器,经过十几年的发展也取得了一定的成果。结合当前国内致密油藏油藏非线性渗流研究的最新进展,以地质学、油藏工程、渗流力学、数学等学科为理论指导,以室内试验、理论分析、数值模拟方法等为手段,建立整个研究工作的技术思路。开发基础研究是致密油藏有效开发的关键。通过渗流机理研究制定开发技术政策、优化致密油开发方案,开展提高采收率技术研究,探索能量补充方式。目前国外已经开展致密油开发提高采收率技术的室内研究,主要研究的是气驱;开展开发动态关键指标规律研究,可更新油藏地质认识、优化技术、降低成本。低成本战略是致密油藏有效开发的核心。推动致密油快速上产,实现规模有效开发的核心是低成本战略;机制、管理、组织运行模式的创新都是降低成本的重要途径。综上所述,致密油藏进行开发的基础是对地质的认识,对致密油藏所在区域的地质有个良好的认识,并在致密油藏开发的过程中与之配套有效的开发技术,能够保证致密油藏开发的质量和效率"目前水平井分段压裂技术已经成为致密油藏开发中最常使用的开发技术,但是在使用水平井分段压裂技术对致密油藏进行开发之前,需要有一个探索试验器的存在,以形成一个较为完善的致密油藏的开发体系,在致密油藏开发的过程中要注意对开发成本的控制,最大努力的降低致密油藏开发过程所需的资金成本投人,从而提高开发企业的经济效益"。为规模有效开发致密油藏,应注意保持地下、地面各项技术的一体化,实现核心技术与配套技术集成一体化,进一步探索多学科集成化油藏管理模式,创新管理理念,突出油藏出技术与经济综合评价与优化,寻求降本增效的途径。第二章 密油藏开发技术致密油藏储集层物性差,孔隙度、渗透率值很低,需要采用特殊的工艺技术进行开采。通过总结国内外学者的研究成果和致密油藏的开发实践,总结了以下致密油藏开采方式。密油藏水平井多段压裂技术水平井压裂技术是致密油藏开发的必要技术手段,水平井压裂技术是通过对水平井分段射孔、分段压裂在平行于裂缝主应力方位上实现多条独立的人工裂缝,扩大裂缝泄流体积,提高单井产量。运用水平井分段压裂,可实现在较短时间内一次性完成对多个储层压裂,并最大限度地减少对储层的伤害,有效保护和改造储层,达到多层合采提高单井产量、最大限度提高气层地质储量可动用程度的目的。水平井压裂后的裂缝形态主要取决于水平井筒轴线方向与地层最大主应力方向的位置关系。由于水平井筒与最大主应力方向位置关系的不同,带来的水平井压裂裂缝形态也不同,主要分为三种: 二者平行时,此情况下水平井改造多形成纵切井筒的纵向裂缝;二者垂直时,此情况下水平井改造多形成与井筒正交的横向裂缝; 二者有一定的夹角,此情况下水平井改造多形成与井筒斜交的扭曲裂缝。影响致密油藏压裂水平井产能的因素有很多,梁涛等用不同方法对 密油藏压裂水平井产能参数的影响程度进行分析之后认为,压裂级数、缝长、水平井段长度、渗透率是影响致密油藏压裂水平井产能的主要参数。加拿大致密 D 油田采用水平井压裂方式生产,水平井长度为 1 600 m,井距为 300 m,采用分段压裂方法压出 17 ~19 条裂缝。图 6 为六口致密油井的产能曲线图,在开发初期产量较高,部分油井产量急速上升,但是很快油井产量迅速下降,然后趋于平稳,这是致密油藏开发的典型特征。早期产量比较高主要是因为压裂出裂缝内的原油,当裂缝内原油采出以后,主要靠基质向裂缝供油,产量下降并逐渐平稳,目前日产油量在 2. 0 ~5. 0 d。水平井压裂技术是致密油藏开发的必要技术手段,在应用压裂改造工艺时,要加强选井选层工作、提高压裂改造工艺的针对性,在方案实施前要对各种影响因素进行参数优化。密油藏体积压裂技术体积压裂是指在对致密油藏水力压裂的过程中,通过在主裂缝上形成多条分支缝或者沟通天然裂缝,利用“大排量、低砂比、大液量滑溜水低黏液体体系”的技术做法,开启天然裂缝,使裂缝壁面产生剪切滑移、错断,形成人工裂缝与储层天然裂缝相结合并贯穿整个油藏的缝网系统,将储层改造的方向由提高人工裂缝泄流面积转变为扩大裂缝网络与油藏的接触体积,最终形成不同于常规压裂的复杂裂缝网络,增加井筒与储集层接触体积,改善储集层的渗流特征及整体渗流能力,从而提高压裂增产效果。在压裂工艺实施上,水平井常规压裂采用的是单段射孔,单段压裂模式,避免缝间干扰。而体积压裂采用“多段多簇”射孔,多段一起压裂模式,产生复杂缝网,如图 7 所示。水平井常规压裂每个压裂段一般只形成一条主裂缝,而“水平井簇式体积压裂技术”形成的是剪切缝,可以在一个压裂段内形成多处网状裂缝,有效增加泄油面积,提高水平井改造强度和效果。应用体积压裂技术的储层需具备以下条件: 低渗透储层———国外主要应用于渗透率介于 0. 05 ~0. 1 油藏中,或存在天然裂缝的渗透率大于 0. 1 油藏; 地层岩石强度高— ——国外体积压裂主要应用于弹性模量大于 3. 0 ×104油藏; 具有天然裂缝的地层———体积压裂可以沟通天然裂缝网络,沟通天然裂缝网络和井筒之间的流动; 储层两向应力差较小的油层———有利于裂缝转向、弯曲等,有利于形成缝网。体积压裂技术理念突破了传统的增产机理,可以使人工裂缝与储层天然裂缝相结合,并贯穿整个油藏的缝网系统,将储层改造的方向由提高人工裂缝泄流面积转变为扩大裂缝网络与油藏的接触体积,从而达到提高单井产量的目的。体积压裂改造方式还能够改善油藏的渗流环境,增加储层动用程度,大幅度提高单井产能; 储层改造体积越大,压后产量越高; 相同改造体积下,开发效果与跟井筒连通的有效裂缝体积密切相关; 裂缝间距及主、次裂缝导流能力对储层改造体积的影响较大。利用体积压裂技术能够在地层中形成复杂裂缝网络,改善油藏流体的渗流环境,提高储层动用程度,是致密储层一种非常有效的增产手段。此外,在体积压裂的基础上发展了混合水压裂。混合水压裂主要针对天然裂缝发育、岩石脆性指数高的致密储层,通过采用“大液量、大砂量、高排量、低砂比”及滑溜水与冻胶交替注入,提高裂缝导流能力,开启天然裂缝并进行有效支撑,形成网状缝,扩大泄流体积。 井很难维持较高的产量,因而在油藏开发到一定阶段后,不可避免地需要采用适合的 术。采用实验和数值模拟方法研究了致密油藏不同驱替方式下的开发效果,通过对比水驱、非混相吞吐,近混相吞吐和 出水驱效果比 O 2混相吞吐比水驱效果好的结论。利用数值模拟方法研究了油藏和水平井参数对 替的影响,在连续注入 于注入气体的流度很高,采油井出现气体突破的时间相当早。而水气交替注入能够很好地使油藏压力保持在接近最低混相压力的水平,从而可以实现高效的混相驱,较大幅度地提高采收率。另外,随着水气比的增大,可以更加容易地把油藏压力保持在高于最低混相压力的水平,从而可以提高采收率。然而,在这种情况下,注入的 势必会影响混相驱的效果。所以确定最佳的水气比非常重要,在注水开发结束后的致密油藏中,以 2. 0 的水气比进行水气交替注入,新增采收率可以高达 21. 7%。密油开发过程中需注意的问题及发展方向为规模有效开发致密油藏,应注意保持地下、地面各项技术的一体化,实现核心技术与配套技术集成一体化,进一步探索多学科集成化油藏管理模式,创新管理理念,突出油藏出技术与经济综合评价与优化,寻求降本增效的途径。密油开发过程中需注意的问题(1)地质认识是有效开发致密油藏的基础。我国致密油藏成因各异,沉积特征多样,岩性和物性复杂,裂缝特征各有不同。将各项开发技术应用到致密油藏,决不能一味照搬国外致密油藏的开发技术,关键是对储集层进行合理评价,找到“甜点区” ,而后采用相应的工艺技术。(2)应用水平井多段压裂技术时,水平段轨迹的设计应与最大主应力方位尽可能垂直,以提高水平井的开发效果; 裂缝间距的确定应考虑到储量动用程度,以及保证水平井具有较高的产能; 如果裂缝间距过大会造成裂缝间储量损失,如果间距过小则裂缝间相互干扰。( 3) 致密油藏应用 些改变主要来自于喉道处的溶蚀作用和颗粒运移对孔道的堵塞。微观上,该现象增加储层的非均质性,会使气窜风险增大。因此,在 尽量选择非均质性较弱的储层作为注气的对象,并在方案实施前需要通过模拟确定最佳的水气比。( 4) 在致密油藏应用各种新兴的开发技术时,需要深入研究对其产生影响的各种因素,进行方案优化设计,提高工艺实施效果。在现场应用过程中,应注意保持地下、地面各项技术的一体化,从而达到高效开发致密油藏的目的。密油开发的发展方向在致密油藏成为开发热点的今天,各项开发和工艺技术应运而生,笔者认为致密油藏未来发展主要有以下几方面:( 1) 石油工业将进入纳米科技时代,纳米、信息等新技术将成为开发致密油藏的核心和常规技术之一,油气智能化时代也随之到来。可能会形成纳米油气透视观测镜、纳米油气驱替剂、纳米油气开采机器人等关键技术。( 2) 在致密油藏开发过程中,必须大力发展致密油藏开发核心技术,包括水平井、多级分段压裂等。体积压裂技术必将成为突破开发瓶颈的关键技术; 而混合水压裂技术虽然已经取得了初步认识,但是仍然处于攻关试验阶段,需要深入研究影响混合水压裂改造效果的关键地质因素,加大岩石力学参数测试力度,为优化设计提供依据,确保工艺措施的针对性。( 3) 致密油藏实施 窜现象普遍存在,一旦发生气窜,生产井气油比迅速增大,油井产能急剧减小,进而影响油井的正常生产,所以封窜技术急待攻关。( 4) 致密油藏的开采机理、开发规律、井型井网优化、合理产能规模等开发技术政策应视具体油藏状况进一步深入研究,弄清石油在微米、纳米等孔喉系统中的生成、聚集与渗流等重大理论和技术问题。第三章: 密油藏开发数值模拟研究目的对于绝大多数油田来讲,进行油藏数值模拟研究的目的最终都是为了要对油田未来的动态作出预测。它预测的可以是某一油气藏在不同的开发条件下的动态,也可以是同一油藏在不同描述下的动态。动态预测是数值模拟中非常有意义的部分。它可以使我们在油田开采前就能了解到某口井、井组、甚至整个油田,在不同开发方式下的生产动态情况。可以计算许多方案,然后从中选出一个最适合的方案作为实施方案。此外、动态预测还为我们提供了展示新方案的潜在效益的可能性。   随着油田的不断开发,油藏的储层非均质性加剧,流体性质变差、流体分布不断发生变化,特别是对于中高渗油田高含水油藏,油藏流场发生较大变化,形成优势流场。此时,重力效应和纵向非均质性是水驱开采的重要参数,其在流体的分布和运移过程起重要作用。通过流线方法,建立流体沿流线运移,形成一个自然运移网络,追踪油、气、水在油藏中的移动,流体沿着流线在压力梯度方向运移,而不是在网格块内运动,所以与传统的油藏数值模拟方法相比,流线模拟技术能更好地认识地下流体的分布、运移和认清剩余油分布,对改善油田开发效果和提高采收率提供科学依据。   另外,传统的油藏数值模拟技术一般都是在油藏中划分的块中心网格的基础上采用有限差分方法进行空间离散化,在每一个离散的时间步,需要在所有的空间离散网格上求解整个数学模型,计算速度比较慢,虽然近年来,计算机技术快速发展,但现代的油藏描述技术已经可以建立符合实际的大型油藏地质模型,为了达到所需的精确度,需要许多的网格单元,同时,地质非均质性的精确模拟也需要大量的网格单元,有限差分法模拟对于这些有成百上千口井,几十万个网格块及较长的生产历史的大型油藏难度较大,暴露出其三个缺点:一是模拟速度慢,二是数据污染,三是计算精度低。所以很有必要寻找一种快速准确的计算方法来对油藏数学模型进行求解。   流线模拟技术是通过将三维模拟模型还原为一系列的一维线性模型,同时还可以进行流体流动计算,具有处理更大数量级数据的计算优势。在驱替过程中保持明显的驱替前缘和减少网格方位影响的特点,提高了模拟精度。三维流线模型比常规模拟方法适用性强、优势多:   1、速度;    2、易形象地显示/概念化注入井采油井的流动耦合;   3、更好地确定泄油面积;    4、易于评定复杂的地质 地质统计模型的级别;   5、易于综合整个油田模型;   6、生产动态加速拟合;   7、有潜在的优势,是一种更精确的解法。  所以流线方法是一种适合于现代油藏模拟的计算方法,流线模拟结果与传统的油藏工程技术(如标准有限差分法模拟)结合起来作为油藏管理工具具有重要意义。 数值模拟研究的主要工作程序对一个油气藏进行综合的数模研究,往往需要花较大的精力和较长时间(有时会达一年甚至更长的时间) ,同时还对计算机硬件和技术人员有很高的要求,然而尽管在不同的项目中,面对的问题会千差万别,但大多数油藏数值模拟的基本研究过程是一样的。为了使读者一开始就对数模研究工作有一个明确的整体概念,下面简要地介绍一下油藏数值模拟的主要工作程序。   问题的定义:开展油藏数模工作的第一步,是确定研究的目标和范围。即首先要给本次数模研究一个明确的定位,明确本次模拟要解决的主要问题是什么,需要研究哪些油藏动态特性,这些项目的完成对油藏的经营管理者会产生什么影响等等。从而根据项目的要求进行数值模拟研究程序设计,并收集有关的油藏基础地质、流体及生产动态数据。一个油气藏,在现实中只能开发一次。但应用油藏数值模拟,可以很容易地重复计算不同开发方式的开发过程,因此人们可以从中选出最好的开发方法。   因此,对油藏工程师而言,数值模拟给动态分析提供了一种快速、精确的综合性方法;对管理者而言,数值模拟提供了不同开采计划的比较结果;对尚无经验的工程师而言,数值模拟则是有效的培训工具。值模拟研究的简介油藏数值模拟是以渗流力学、数学物理方程和计算方法为理论基础,集石油地质、油气储层、油层物理、油藏工程、计算机软件等多学科于一体的综合'性工程应用学科。人们从 20 世纪 30 年代开始研究地下渗流的规律,《孔隙介质不稳定气体渗流的计算》(人,1953 年)的发表,为利用数值模拟来解决油气藏的渗流力学问题开辟了道路。60 年代开始,随着大型快速电子计算机的迅速发展,人们开始用计算机解决油田开发上的一些较为简单的问题,如高维空间的多相流黑油模型。70 年代后,计算机的快速升级更是带动了油藏数值模拟的迅猛发展,并且很多关于油藏数值模拟的主要著作都是在这个阶段出版的,譬如 《油藏数值模拟基础》以及 《。大量应用于油藏数值模拟的数学模型也是在这个时期被提出,如组分模型、混相模型、热力采油模型以及各种化学驱模型。80 年代则是油藏数值模拟技术飞速发展的年代,一些用于模拟不同类型油藏的数值计算法以及软件相应问世。软件的各模块功能在 90 年代中后期也得到了相应的完善,向着一体化的大型软件方向发展,如 。值模拟研究的发展及现状数值模拟技可以用来帮助认清渗流规律,进行精细油藏描述,确定具体开发方式的参数界限,进行试井分析等。但目前,对低渗透油层渗流规律进行描述的数值模拟器仍处于研究中。(1) 两相数值模拟研究1994 年,李传亮对油水两相考虑启动压力梯度的数学模型做了一些研究。1998 年,程时清、陈明卓建立了考虑启动压力梯度的油水两相二维模型,并经过差分,线性化处理,最后编制程序完成了完整的数值模拟计算,并且在注水井和采油井单元考虑了表皮系数,但是模型中,把岩石的绝对渗透率,油水粘度都作为常数进行处理,并且忽略了毛管力和重力的影响。2004 年,王新海、张东丽等建立了考虑启动压力梯度的油水两相三维模型,对界面处的传导系数作了优化,油水取用相同的启动压力梯度,且为渗透率的函数,而地层绝对渗透率看作是压力的函数,以作为对介质变形的考虑。2006 年,李莉、董平川同样建立了油水两相三维的数学模型,考虑油水具有不同的启动压力梯度,启动压力梯度同样取作渗透率的函数,并编制模拟软件。(2) 三相数值模拟研究2004 年,韩洪宝、程林松等在经典黑油模型的基础上,只考虑油相具有不变的启动压力梯度,建立了三相模型并编制了模拟软件。2006 年,赵国忠建立了变启动压力梯度的三维三相模型,考虑油水具有相同的启动压力梯度,并且启动压力梯度与介质的渗透率和水的分流系数有关。也有其他学者做了裂缝油藏的强调渗吸作用和流固耦合作用的数值模拟研究总体上说,这种建立数学模型,差分离散并编程求解的数值模拟研究还处于研究探索中,特别是对三维三相低渗透渗流的研究还比较少,而且所考虑的条件也不是很完善,往往不能兼顾启动压力梯度和应力敏感性的影响,或者启动压力梯度经常考虑成常数。对于模型数值求解方法的选择,大都采用 究目的油藏数值模拟的基本目的是预测油藏未来动态,准确预报产量。对于油藏,只有在某些最简单的情况下,我们才能求得近似的解析解。而大部分情况下,我们只能通过数值模拟来研究油藏的流动特性。数值模拟的主要工作流程如图 示。首先是确定油藏数值模拟研究的目标和范围,即给本次数值模拟一个明确的定位,明确本次模拟要解决的主要问题是什么,需要研究哪些油藏动态特性,这些项目的完成对油藏的经营管理者会产生什么影响等等。集数据从而根据项目的要求进行数值模拟研究程序设计,并收集有关的油藏基础地质、流体及生产动态数据。如果取得的数据,依靠经验和评价方法进行修正后仍不合要求,那就需要重新确定研究目标。理模型我们就要进行物理模型的选择。例如,根据地层情况的不同,选择釆用黑油模型、裂缝模型、组分模型、热采模型、化学驱模型等。但是并不是对所有的油藏问题,我们都需要将其进行全场的数值模拟,例如在研究锥进、指进、超低产问题时,我们就可以采用单井、剖面或平面等局部模型,这样会大大减少计算时间,降低人力及财力的消耗。格模型物理模型选定以后,需要选定适合的网格模型对控制方程进行离散处理。网格模型的选定受油藏形状、计算结果的精确程度、油藏中流体的流动性以及所允许的计算时间等因素的影响。网格模型中的网格数目越多,模拟出的结果一般就越精细,但同时耗费的计算时间也会越多,因此我们必须兼顾计算时间和精确度,选取合适的网格数目。 史拟合当物理模型以及网格模型都选择好之后,我们将根据这些模型在计算机上编写数值模拟程序,并将收集到的油藏的有效数据填补到程序中的各个位置中去,然后才可以进行數值模拟的核心计算工作。但是这些模型以及数据是否能够很好地符合实际油气藏的特性,还需要对其进行进一步的检验,即历史拟合。将注入井、生产井以及油藏周边的历史数据输入到已编写好的计算机程序中去模拟油气藏的动态,并将计算的结果与实际袖气藏的流动过程相对比,看是否吻合。通过这部分工作,我们才能确定选定的模型以及收集到的历史数据是否都是有效合理的。如果模拟出的动态与实际油气藏的流动过程相差较远,我们就需要不断的调整模型,验证收集到的基本数据,直到由计算机数值模拟出来的动态与油气藏实际生产的动态一致为止。一般来说,历史拟合包括以下几个方面的工作:全区和单井压力拟合、全区和单井含水拟合以及单井生产指数的拟合。在进行历史拟合之前,我们对物理模型和网格模型的准确程度,以及需要收集的数据只有一个大概的了解。通过大量的历史拟合工作,模拟油藏以往的釆油过程,可以帮助我们不断修正我们的物理模型和网格模型,使得模型更加的完善,与实际油气藏更加吻合。因此,历史拟合是油藏数值模拟中一项必须而且意义重大的工作。测动态油藏数值模拟的最后一个工作就是利用我们建立的数值模拟模型来预测油气藏的动态并以此制定未来的开采策略。预测的内容包括:原油、天然气和水的产量,气油比与油水比的动态,油藏压力的变化动态,液体前缘位置,对井设备和修井的要求,区域采出程度,估计油气藏最终采收率等。预测动态是将油田幵发重大决策纳入严格科学管理轨道的关键性一步。因此,花一定的时间与精力对模拟的结果进行评估,判断它是否达到了预期的研究目的,是十分必要的。密油藏数值模拟技术发展目标第四章:总结本文在自适应网格法的基础上,研究了渗透率粗化的重整化过程的统计特性;在二维重整化方法的基础上提出三维空间下等效渗透率计算的重整化方法;将自适应网格法应用到二维空间多种岩石油藏的蒸汽注釆过程中;对油水两相流非活塞驱替的数值算法进行了初步的探讨。在上述工作的基础上,未来主要需要解决的问题包括:(1)建立避免网格取向效应的新数值格式数值耗散和网格取向效应是在油藏数值模拟中釆用有限差分格式时经常会碰到的两个主要问题。一般釆用的数值方法,如迎风格式往往会造成数值耗散,同时,釆用有限差分格式得到的数值结果往往与模型中网格差分方向的取向存在密切的关系。应用传统的五点差分格式时会带来严重的网格取向效应。虽然目前也提出了很多解决网格取向效应的方法,但是对于不同的油藏系统,各种数值计算格式的效果不一,尚没有一个统一的格式来消除各种油藏数值模拟情况下的网格。(2)数值模拟程序的通用性问题课题组目前针对二维空间下的各类油藏数值模拟展开研究,包括:非均质油藏、裂缝杂断块油藏、分布不同物理性质岩石的油藏、富含轻质组分油藏等。针对这些油藏的模拟,在模型及实现过程上是互相独立的。在未来工作中,还需要将模拟推广到对工业生产中的其它注釆方式,如聚合物驱、掺稀油驱替等方式,这些注采过程的数值计算仍需要单独进行。因此,有必要编通用的数值模拟程序,实现各种油藏及各种注采方式下的模拟。目前该项工作已经取得初步结果。(3)开发系统完善的油藏数值模拟软件油藏数值模拟软件在石油部门有着广泛的应用,国内主要来用的是国外进口软件,如:,目前仍然没有较系统的具有我国自主知识产权的油藏数值模拟软件。课题组在软件开发这一块已经取得初步成果。与常用商业软件相比,该软件在计算速度及计算精度上具有一定的优势,但是在计算结果后处理及结果显示等模块,仍有一定的差距,需要在未来工作中逐步改进。同时,课题组在二维油藏模拟的各个方面都已经取得了初步的结果,实现了非均质、分布不同种类物理性质岩石、裂缝杂断块、含有轻质油组分等复杂油藏的数值模拟。这就需要我们适时将最新的研究成果引入数值模拟软件中,及时的进行软件的更新。以上几点问题,都是十分具有挑战性的工作。解决好这些问题,将能对油藏数值模拟的未来发展产生非常积极的影响。 致谢本篇论文是在于波老师的悉心指导下完成的。从论文的选题、开题、论文的结构安排到最后的定稿,都倾注了导师大量的心血。导师渊博的知识,诲人不倦的精神,平易近人的性格都使我受益匪浅。尤其是导师严谨的科研态度,精益求精的工作作风,更是深刻地影响了我,激励我在今后的道路上更加努力前进。在论文完成期间我不仅掌握了基本的研究方法,同时也明白了许多为人处事的道理。在此,我向冯其红老师以崇高的敬意和衷心的感谢。此外,在论文进行期间,我的师兄、师姐,还有我的舍友们也给予了我很大的帮助,在此深表感谢。最后,对在本文中引用到的众多学术论文、专著的作者及同行们表示感谢。参考文献韩大匡,陈钦雷,]油工业出版社魏海峰,凡哲元,袁向春(中国石化石油勘探开发研究院,北京 100083)高 敏,廉培庆,李金龙,冯汝强( 中国石化石油勘探开发研究院,北京 100083; 中国石油大学( 北京) 石油工程学院北京 1022
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本文标题:致密油藏开发数值模拟研究
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