化学驱油藏数模并行化中的关键技术
油藏数值模拟方法
第一章油藏数值模拟方法分析油藏数值模拟油藏数值模拟简述油藏数值模拟是根据油气藏地质及开发实际情况，通过建立描述油气藏中流体渗流规律的数学模型，并利用计算机求得数值解来研究其运动变化规律。
其实质就是利用数学、地质、物理、计算机等理论方法技术对实际油藏的复制。
其基础理论是基于达西渗流定律。
油藏数值模拟就是利用建立起的数学模型来展现真实油藏动态，同时采用流体力学来模拟实际的油田开采的一个过程。
基本原理是把生产或注人动态作为确定值，通过调整模型的不确定因素使计算的确定值（生产动态）与实际吻合。
其数学模型，是通过一组方程组，在一定假设条件下，描述油藏真实的物理过程。
充分考虑了油藏构造形态、断层位置、油砂体分布、油藏孔隙度、渗透率、饱和度和流体PVT性质的变化等因素。
这组流动方程组由运动方程、状态方程和连续方程所组成。
油藏数值模拟是以应用数学模型为基础的用来再现油田实际生产动态的过程。
具体是综合运用地震，地质、油藏工程、测井等方法，通过渗流力学，借助大型计算机为介质条件建立三维底层模型参数场中，对数学方程求解重现油田生产历史，解决实际问题。
油藏数值模拟技术从50年代的提出到90年代间历经40年的发展，日益成熟。
现在进入另外一个发展周期。
近十年油藏数值模拟为油田开发研究和解决实际决策问题提供强有力的支持。
在油田开发好坏的衡量、投资预测及油田开发方案的优选、评价采收指标等应用非常广泛。
油藏数值模拟功能包括两大部分：①复杂渗流力学研究，②实际油气藏开发过程整体模拟研究，且可重复、周期短、费用低。
图1油藏数值模拟流程图油藏数值模拟的类型油藏数值模拟类型的划分方法有多种， 划分时最常用的标准是油藏类型、需要模拟的油 藏流体类型和目标油藏中发生的开采过程， 也可以根据油气藏特性及开发时需要处理的各种各样的复杂问题而设定， 油气藏特性和油气性质不同， 选择的模型也不同， 还可以根据油藏 数值模拟模型所使用的坐标系、空间维数和相态数来划分。
二氧化碳驱技术在低渗透油藏开发中提高驱油效率的研究与应用
二氧化碳驱技术在低渗透油藏开发中提高驱油效率的研究与应用摘要：在中石化总公司支持下，组建了CO2驱技术研究团队，形成了高温高盐油藏CO2驱油三次采油关键技术，解决水驱废弃油藏和低渗难动用储量的开发难题。
在国内率先开展了特高含水油藏CO2/水交替驱；深层低渗油藏CO2驱。
油田层次开展了四种油藏类型五种矿场试验。
验证该类油藏二氧化碳驱可行性，探索合理举升方式，进一步优化二氧化碳驱井网井距，验证大井距可行性，探索深层低渗稠油油藏有效开发方式，扩展二氧化碳驱应用范围以及特高含水废弃油藏二氧化碳驱提高采收率技术。
探索储层粘土含量高、水敏性强油藏二氧化碳驱提高采收率技术。
关键词：二氧化碳驱低渗油藏提高采收率换油率1、研究目的1.1 某厂低渗难动用储量涉及开发单元11个，地质储量1601.85×104t，标定采收率7.56%，目前采出程度5.54%。
涉及单元多为低孔隙、低渗透的地质特点。
2010年开始二氧化碳驱在胡1块深层低渗油藏实施先导试验，胡1井组气驱取得成效后，相继在其他五个低渗类型油藏实施气驱开发。
目前总覆盖地质储量309.5×104t。
累注气17.9×104t，累增油3.05×104t。
1.2低渗油藏水驱效率低，注采井组呈现两极分化现象，一是注水压力高油井难以见效，二是油井见效快、含水上升快、见效稳产周期短，通过二氧化碳驱提高驱油效率。
2、研究内容及成果2.1 二氧化碳驱机理上优于水驱一是超临界二氧化碳注入能力强，增大有效井距；二是CO2驱补充地层能量，可膨胀地层原油，提高驱油效率再者CO2能进入的孔喉半径比水小一个数量级（0.01μm），低渗油藏，增加驱油体积25%以上，随CO2溶解，原油体积膨胀。
毛管半径分布曲线不同驱替方式驱替压力变化曲线2.2二氧化碳驱解决注入压力过高的问题根据深层低渗油藏开发情况调查，注水压力高，注气难度不大。
从地质条件类似的胡某区块二氧化碳注入能力看，二氧化碳驱可以解决注入压力过高的问题。
中国石油勘探开发研究院各专业研究方向
中国石油勘探开发研究院各专业研究方向一、地质资源与地质工程（代码：0818）（一）矿产普查与勘探（代码：081801）1．油气成藏与含油气系统研究以油气藏形成条件与富集主控因素研究为基础，通过油气成藏静态地质要素和动态作用过程的综合分析，揭示油气成藏过程与富集规律。
研究内容包括有效烃源岩、储集层、输导层和盖层等地质要素的分布和静态评价，油气生成、运移、聚集成藏和圈闭的形成等作用的动态演化过程和时空匹配关系，以及关键时刻地质要素和动态作用组合关系，开展油气成藏综合研究与评价，明确油气富集规律，预测油气资源规模和资源空间分布。
2、非常规油气地质学非常规油气地质学是以非常规油气资源类型、细粒沉积体系形成与分布、微纳米级致密储层特征、连续型油气聚集与产出机理、“甜点区”评价方法与技术等为重点的新兴学科。
研究核心是非常规油气成藏体系的“生油气能力、储油气能力、产油气能力”；研究内容包括成藏体系的烃源性、岩性、物性、脆性、含油气性与应力各向异性“6特性”及匹配关系，研究重点是非常规油气成藏体系的分布范围与“甜点区”的分布预测与评价，确定经济有效开采的方法技术与经济发展模式。
3．盆地和构造分析以区域构造背景研究为基础，以地质、地球物理综合研究方法技术为手段，确定含油气盆地成盆演化与沉积充填历史，研究盆地性质、构造样式、类型和分布，明确盆地构造演化对油气成藏的影响。
研究内容包括成盆区域构造背景与构造动力学机制、构造运动学和几何学特征、区域构造演化、盆地构造解析、构造运动对成盆、成烃、成储、成藏的影响。
4．沉积与储层地质沉积研究是充分运用现代沉积学的理论和层序地层学、地震沉积学等研究思路与方法，明确沉积体系类型，研究沉积物的形成、搬运、沉积演化过程，确定沉积环境和沉积相、成岩作用和沉积演化特征，明确有利沉积相带。
储层学研究是以沉积研究为基础，研究储集体的岩性、物性、电性和含油气性特征，揭示与储集空间（孔、洞、缝）形成有关的成岩作用，阐明成岩历史、孔隙演化历史，构建储层地质模型，开展储层分布预测与评价，确定有利储层分布范围。
建模数模一体化技术提升油田开发研究水平-地质院
一、建模数模一体化技术发展现状
1. 建立了“集中配置、统一管理、共享应用”的油田地质综合研 究中心，支撑了油田开发综合研究信息化规模应用
128个CPU， 峰值运算速度 40万亿次/秒
DELL CR620集群
2套
地质建模
万兆交换 机
测井解释
30台
图形工作站
数值模拟 HP CP600集群
支持开发S6U大N服主务要器 业服 务务器及工地作质站制图
拓展培训
➢ 地质人员学物探 ➢ 开发人员学测井 ➢ 研究室与实验室交叉培养
精英培训
➢ 软件高级培训 ➢ 一人一块实践应用
熟练应用人员情况
建模 软件
87名 比例90%
地质人员：97
数模 软件
113名 比例87%
油藏人员：130
基础培训
➢ 技术原理及软件操作培训 ➢ 岗位锻炼
地质院建成一支深化技术研究的专家型队伍。
临时管理节点，提高运行效率。
一、建模数模一体化技术发展现状
1. 建立了“集中配置、统一管理、共享应用”的油田地质综合研 究中心，支撑了油田开发综合研究信息化规模应用
管理节点浮动技术 ：
1800
1600
1400
时 1200 间 1000
800
s 600
400
200
0
0 1
20.5
87
2
3
作业数
1683
100
98
96
94
92 90
89.5
88
86
84 2011年
96.9
2012年
时间
98.8
2013年
方案研究精细化、科学化水平大幅提升，新区产能建设达标率达到98.8%
气液两相流数值模拟方法的研究与应用
气液两相流数值模拟方法的研究与应用气液两相流是指同时存在气体和液体的复杂流动现象，广泛存在于自然界和工业生产中，如瀑布、波浪、化工反应器、石油开采等。
气液两相流的研究对于理解和控制这些现象、提高生产效率和安全性具有重要意义。
数值模拟是研究气液两相流的有效方法。
相比于实验方法，数值模拟的优势在于能够获得更多的细节信息和精确数据，同时也可以极大地降低成本并避免实验过程中的危险性和不确定性。
本文将介绍气液两相流数值模拟的方法，及其应用领域和未来挑战。
一、数值模拟方法1. 传统方法传统方法通常采用两相流模型，基于欧拉方程求解。
由于气液两相流的复杂性，这种方法常常涉及到多个物理场的耦合和相互作用，如热传递、质量传递、化学反应、多相流动力学等。
因此，该方法具有计算量大、计算时间长、计算结果不精确等缺点。
2. 基于LBM的方法LBM（lattice boltzmann method）是一种介观尺度（宏观与微观之间的中间尺度）数值模拟方法，可以直接模拟流体内部微观运动方式，适用于模拟多相流动现象。
这种方法是根据Boltzmann方程建立的，通过碰撞模型模拟流体分子的运动，以此获得整个流场在不同时间的状态。
该方法具有计算速度快、模拟精度高、易于建模及可扩展性等优点。
3. 基于CFD的方法CFD（computational fluid dynamics）是指应用计算机数值方法对流体流动进行模拟和分析的工程技术。
CFD方法通过建立流动场的数学模型并采用数值求解方法进行计算，从而得到流场的物理或数学解。
这种方法在气液两相流领域中也得到了广泛应用。
4. 其他方法此外，还有一些其他的数值模拟方法，例如基于粒子方法的SPH（smoothed particle hydrodynamics）和DEM（discrete element method）等。
这些方法基于不同的假设和算法，都有各自的优缺点，在不同的气液两相流应用场景中发挥着重要的作用。
油藏数值模拟实用技能培训
- 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 - 模拟全油藏的整体开发规律
单井模型网格示意图
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
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径向坐标网格系统
局部加密网格系统
混合网格系统
一、什么是油藏数值模拟 ？
8 模型的类型
8.1 根据流体分类 （1）黑油模型
- 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
化学驱新技术及华北油田化学驱现状与展望
化学驱新技术及华北油田化学驱现状与展望
杜慧丽;游靖;李凤群;张田田;高珊珊;王玥;路淼森;赵紫印;唐雅娟
【期刊名称】《精细石油化工进展》
【年(卷),期】2024(25)2
【摘要】化学驱是大幅提升油田采收率的重要技术。
化学驱理论和技术持续创新,应用规模不断扩大,其中聚合物驱矿场提高采收率约14%,二元复合驱和三元复合驱矿场提高采收率均在18%以上,纳米驱油技术预期采收率可达80%以上,中相微乳液驱表面活性剂体系性能不断突破,矿场取得良好增油效果。
针对华北油田复杂断块砂岩油藏的实际情况,采用以可动凝胶为主的深部调驱技术,进一步提高了油田采收率。
为进一步提高华北油田采收率,可以在深化油藏剩余油分布规律认识的基础上,加强基础理论研究,推动化学驱技术的持续创新和有序接替,配套开发化学驱地面工程,以期实现油田开发的可持续发展。
【总页数】7页(P5-10)
【作者】杜慧丽;游靖;李凤群;张田田;高珊珊;王玥;路淼森;赵紫印;唐雅娟
【作者单位】华北油田公司工程技术研究院;华北油田公司第三采油厂;华北油田公司勘探开发研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TE3
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5.抢占世界化学驱油技术“制高点”——记“国家卓越工程师团队”、中国石油大庆油田化学驱油技术研发团队
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大规模油藏数值模拟软件并行计算技术及在Beowulf系统上的应用进展
２００６年６月数值计算与计算机应用第２期大规模油藏数值模拟软件并行计算技术及在ＢｅＯＷｕｌｆ系统上的应用进展¨’曹建文刘洋孙家昶姚继锋潘峰（中国科学院软件研究所并行计算实验室北京１０００８０）摘要本文主要介绍了大规模油藏数值模拟并行计算技术在国内的研究进展，提供了精细油藏模拟在国产Ｂｅｏｗｕｌｆ系统上的计算实例和应用效果，给出了百万网格点规模的油藏应用算例在不同处理器规模下的数值模拟计算结果与性能分析，并实现了一个针对海量数据可视化的三维图、二维图、表格显示的后处理显示系统．关键词：高性能计算，油藏数值模拟，并行计算，非线性方城求解器，预处理，Ｂｅ０１ｗｕｌｆ系统，可视化ＴＨＥＰＡＲＡＬＬＥＬＣＯＭＰＵＴＩＮＧＴＥＣＨＮＩＱＵＥ０ＦＬＡＲＧＥＳＣＡＬＥＰＥＴＲＯＬＥＵＭＲＥＳＥＲＶＯＩＲＳＩＭＵＬＡＴｌ０ＮＳＯＦＴＷＡＲＥＡＮＤＩＴ’ＳＡＤＶＡＮＣＥＩＮＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬＴＥＳＴＣＡＳＥＳ０ＮＢＥＯＷＵＬＦＳＹＳＴＥＭＳＣａｕＤＪｉａｎＷｅｎＬｉｕＹａＬｌｌｇＳｕｎＪｉａｃｈａｎｇＹａｏＪｉｆｂＩｌｇＰａｎＦｅｎｇ（Ｐｏｍｌｆｅｌ∞＂妒珏抚咖三０６Ｄｍ幻阿，血ｓｔ姑钍￡ｅＤ，Ｓ妒伽。
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虑到大规模并行处理的特点，利用区域分解的思想，将求解区域剖分为若干子区域，从而采用了区域分解类的预处理选项一加法Ｓｃｌｌｗａｒｚ．每个子区域内部充分利用局部性质，采用纯代数结构的预处理不完全ＬＵ分解，子区域之间采用粗网格校正．与油藏模拟物理背景相关的预处理和与代数结构、并行处理相关的预处理之间，采用多步法的处理手段（类似于区域分解中的乘法Ｓｃｈ嗡ｒｚ，迭代算法中的Ｇａｕ８８一Ｓｅｉｄｅｌ迭代），将它们有机联系起来，使得它们之间相互配合，优势互补，对整体的预处理系统而言，呈现出叠加效果，从而形成一个整体的预条件子“系统”【１３Ｊ．§４．硬件配置对计算性能的影响以深腾１８００为代表的Ｂｅｏｗｕｌｆ并行计算系统，一个典型的特点是，每个计算节点上配置了双路处理器．这种硬件配置模式往往会给并行程序的性能评估带来波动，从而造成测试人员感觉上的困惑．在这种计算平台上考虑并行计算性能，需要区分“单节点单进程”和数值计算与计算机应用２００６年“单节点双进程”（在每个计算节点上同时运行两个进程）两种模式．事实上，这两种并行配置模式会给并行计算绝对性能的评估带来显著的影响．我们利用ＰＲＩＳＶ２．１对实例１进行数值模拟，它需要内存量仅为５１２ＭＢ，读写文件的频率较低，单进程的读文件总量小于４０ＭＢ，写文件总量小于６０ＭＢ．明显地，它不会出现内存ｓｗａｐ，Ｉ／Ｏ操作瓶颈，Ｉ／０比重大等干扰因素．计算结果见表１．处理器节点数目１进程／处理器节点２进程／处理器节点１１７．３０１８．２７２１１．９９８。
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万方数据
软件天地中文核心期刊‘徽计算机信息＇（测控自动化｝２００７年第２３卷第１０－１期
对整个油｛葭进行网格划分后，将所有网格块的质量平衡方点，这样保证了一定的空何局部性和静态的负载平衡．每个节程鬟妻至：耋毒黑髦油。
！：兰黧；！置：善篇薯鼍亍点拥有Ⅳ‰，＝笋盟＋‰甜同格块，其中Ｎａ—ＬＩ，。
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一个不定常非线性偏微分组．其中未知量数目为Ｎ・（Ｎ—Ｎ一２），…’。
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Ｎ为网格敦．其初始条件是零时刻的物理场分布，其边界条件是分配刊子区域的网格数．Ｎｎｏ【，Ｙ，ｚ）是ｘ、Ｙ、Ｚ方向上的总网格在边界上投有流体的流人和流出，利用上述给定的初始条件和数，Ｎ倒＾，ｙ，ｚ）是问题分解在ｘ、Ｙ、Ｚ方向的处理器数，Ｎ。
柚是边界条件就可以对整个方程组进行求解。
子空间在给定方向上的邻近子区域数。
一个１５ｘ２０ｘ６的油藏化学复合驱果用的是Ｉｍｐｅｓ法。
其基本思路是在一个时间划分，假定可用的处理嚣数为１２，则处理器的排列方式可能是步长内只把压力作为变量，而在方程中出现的饱和度，组分浓３ｘ４×１．那么各于区域数组的维数是７ｘ７ｘ６。
图２显示了网格度等都取前一时刻的值，即只对压力变量形成系数矩阵。
求解的划分和各子区域阿格块数的兰系。
ＵＴＣＨＥＭ的并行实现应
出压力后再利用各种化学关系显式地求解其它变量。
对于压力方程，空间差分选用一鼢向前差分和二阶中心差分，采用雅克比共轭梯度法进行求解。
压力方程求解之后．得到了全场各十网格点的压力变量，然后显式求解各点舶饱和度和备组分浓度。
图１是化学复合驱程序运行流程图。
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雾、————／ｌ％自目ｔ≮：ｉ卜｝．Ｊ—Ｔ———————７—赢亍、ｒ一‘—－————一氟；孙圈１化学复合驱程序运行过程
图２油藏网格划分简单示例
３并行模型及关键技术
化学复合驱并行模型采用单程序多数据（ＳＰＭＤ）程序模型．利用区域分解方法使得多个计苒节点同时求解一个单一的模拟问题．各计算节点通过消息传递对必要的数据进行通信。
３．Ｉ初始化
执行开始时．主节点（ＮＯＤＥ０）将整个模拟空间的网格块在各处理节点之间划分．每十节点接收必要的同格数据．来保证节点内部的计算。
该划分是有主节点控制的，这个阶段它的主要职责是保证整个网络和计算的负载均衡。
３２网格划分
并行宴现的主要目的是降低执行时间和解决大规模计算嚣要的内存不足问题。
对于第二个问题，并行程序改变了原始串行程序中的数组大小，只分配子区域计算所需的内存。
即子区域的空间加一个厨绕在其周围的信封空间佃２中的ｌ！！；影网格）．信封空间用来接收来之相邻区域的数据。
网格块划分机制将连续编号的舟格映分配给虚拟计算节用区域划分技术，模拟期间各处理节点和其相邻节点需要一定的共享数据（图中阴髟部分）。
不同子区域上的模榴可以作为一个独立的问题并行的执行，也就是在不同的数据集上同步执行相同的运算（ＳＰＭＤ）。
因为每一个子区域的计苒需要槲邻区域上的一些数据，相邻节点之间在指定的同步点上进行显式的消息传输。
３．３Ｉ／ｏ控制
在这个实现方案中，ＹＯ是通过一个指定节点（ＮＯＤＥＯ）串行控制的。
程序初始阶段。
Ｉ／０节点负责读人输人数据并将数据划分到各子区域。
在程序输出阶段。
Ｉ／Ｏ节点综合所有节点发送给它的部分运算结果，然后写入到磁盘文件。
这样的控制方式带来两个缺点：一是因为指定了Ｉ／Ｏ控制节点．在它读＾输人数据时候其它节点都在等待：二是在输出阶段、其它节点都向Ｉ／０节点发送数据，１１０节点成为消息传递的瓶颈。
３＿４基于区域分解法的线性解法器
串行ＵＴＣＨＥＭ中雅克比共轭梯度法线性解法器的并行救宰不是很好。
本文采用一种基于加法Ｓｃｈｗａｒｚ两条件子的共轭梯度区域分解算法。
对于线性系统Ａｐ＝ｂ，Ａ是压力矩阵，Ｐ是未知压力向量，ｂ是边界向量值。
在每一次求解迭代ｎ中．预条件残余向量足通过求解Ｍｚ“＝，得到，其中，是当前残余量．也就是ｒｋｂ—Ａｐ。
，一是预条件残余量，Ｍ是预条件矩阵。
在加法Ｓｃｈｗａｒｚ方法中，是不需要Ｍ矩阵的．因为通过下进步骤可以计算出矩阵Ｍ“和＾
ｆ１）将整个问题的残余和系数矩阵分配到扩展子区域上（包括藿叠边界同格块）。
在每个扩展子区域上用统一的狄利克雷边界条件求解Ａ一＝一。
在扩展子区域边界和全局区域边界一致的地方，使用原始边界条件。
｛２）计算完所有的子区域后，将局部结果相加构成全局顶条件子残余。
４测试结果及结论
试验环境为基于ＳＭＰ的千亿次计算机机群系统．其中１６个计算结点各拥有２个ＩｎｔｅｌＸｅｏｎ２８ＧＨＺＣＰＵ、２Ｇ内存．节点之间由干兆以太网同连接，该集群的计算理论峰值为１７９２亿次，ＩＮＰＡＣＫ实测峰值为９９５亿次。
经过多组测试．改造后的并行程序与原串行程序的运算结果完全一致。
被并行模块（压力方程组求解）在１６个节点取得６．４的加速比。
图３中的曲线可以看出随着网格规模的增加，所取得的加速比和效率有所提高，说蹦数据规模越大越能体现并行效果。
测试结果证明区域分解算磕应用与大规模偏微分方程组求解能够取得很好的加速效果。
但实际的应用问题往往并不是耶么简单．需要很好的策划各计算节点的负载平衡问题和节点间数据通信的代价。
尤其是节点之间的通信问题。
一２５０—３６０无１年邮局订阅号：８２．９４６万方数据
万方数据。