精细油藏数值模拟研究现状及发展趋势

精细油藏数值模拟研究现状及发展趋势

教师：***

学生：扎紫拉

学号：**********

中国石油大学（北京）

前言

油藏数值模拟是一门工程应用学科。它立足于流体在多孔介质中的渗硫理论，利用数值物理方法，通过编制计算机软件来求解油藏流体渗硫问题。油藏数值模拟技术自20世纪50年诞生至今，随计算机应用数学和油藏工程的发展而不断发展，目前已成为油田开发方案设计，动态分析和油藏开发中后期方案调整的有效工具，在各油田开发生产中得到了广泛应用。

油藏数值模拟是油藏管理环节中必不可少的部分。油藏管理的根本是在一个良好开发的油田中决定采用什么样的油气开采方式来获得最大的经济效益。要想达到油藏管理的基本目标，油藏数值模拟是最精密复杂的可行方法。开展数值模拟研究有许多原因。从商业的角度考虑，可能最重要的一点是油藏模拟可以进行大概的现金流动预测。数值模拟从产量的方面预测经济效益。将产量和价格结合起来就可以估计将来的现金流动。

表1.数值模拟的原因

油气藏是在单一圈闭中具有同一个压力系统的油气聚集单元。在原始条件下，油气藏处于平衡状态 ; 当受到干扰（如打井，生产）时，原来的平衡状态被打破，油气藏处于动态变化中。油气藏从投入开发到最后废弃就是一个不断变化的动态过程。

描述或实现油气藏动态变化的过程称为模拟（或仿真）。要描述或实现这一动态变化，可以有两种方法：

(1)采用物理实体的方法，称为物理模拟;

简称双模

(2)采用数学描述的方法，称为数学模拟;

物理模拟是指根据同类现象或相似现象的一致性，利用某种模型来观察和研究其

原型或原现象的规律性。物理模型包括相似模型和单元模型两种。

数学模拟是指用数学模型来进行研究，即通过求解某一物理过程的数学方程组来

研究这个物理过程变化规律的方法。数学模型的核心问题是把地层流体在孔隙介质中

的渗流机制描述清楚，并施加一定的初始，边界条件，则可以相应的求出地下流体的

压力，饱和度等参数，

从而认识地下流体运动的规律。数学模型有3类：水电相似模型，解析模型，数值模型。

一.油藏数值模拟的主要内容

藏数值模拟的主要内容可以概括为三大部分，即建立数学模型（Mathematical Model ），数值模型（Numerical Model）和计算机模型（Computer Model ）。

1.建立书数学模型，就是要建立一套描述油藏中

流体渗流的偏微分方程组一起构成一格完整的数学模型。

2.建立数值模型，即对所建立的数学模型进行数值求解，一般要经过以下三个步骤：

（1）离散化，将连续的偏微分方程组转化成离散的有限差分方程组，即将连续

函数变为离散函数。

（2）线性化，将有限差分方程组中的非线性系数项性化，从而得到线性代数方

程组。对线性代数方程组进行求解，包括直接求解法和迭代求解法。

（3）建立计算机模型，就是将各种数学模型的过程编制成计算机程序，以便通过计算机计算得到所需要的结果。计算机模型中包括资料输入，系数矩阵和常数项的形成，多种解法和结果的输出等。工业性应用的计算机模型称为计算机软件。

油藏数值模拟是应用计算机模拟系统描述油藏中流体流动的。计算机模拟系统通常是一个或多个计算机程序。

进行油藏数值模拟时，首先要建立能够反映油藏实际状况的地质模型，包括油藏构造，几何形态，储层基本性质，流体性质及分布等，然后输入油藏的实际生产动态资料数据进行拟合计算。若计算结果与实际生产动态不吻合，则修改前面输入的地质模型后重新计算，一直到计算结果与实际动态相吻合，则前面修正的地质模型即为对油藏的正确描述。

图1. 不同学科领域对油藏数值模型的作用

二.油藏数值模拟的技术现状

油藏数值模拟技术从20世纪50年代开始出现到今天，已经经历了半个多世纪的发展，特别是20世纪80年代以来，随着计算机，应用数学和油藏工程学科的不断发展，油藏数值模拟技术得到了不断的发展和广泛的应用。下面从各个方面总结目前的油藏数值模拟技术现状。

数值模拟

模型 地震解释 岩石物理学 流体性质 地质模型 油井

设备 油管特性曲线

模型网格

的影响 观测结果和生产数据

解释的标定

并行算法

并行算法是一些可同时执行的诸进程的集合，这些进程互相作用和协调动作，从

而对给定问题进行求解。并行算法首先需要合理的划分模块，其次要保证对各模块的

正确计算，再次要为各模块间通讯安排合理的结构，最后要保证各模块计算的综合效果。

并行机及并行软件的开发和应用将极大地提高运算速度，以满足网格节点不断增

多的油藏数值模型。在并行计算机上使用并行数值解法是提高求解偏微方程的计算速度，缩短计算时间的一个重要途径。在共享内存的并行机上把一个按向量处理的通用

油藏模拟器改写成并行处理时容易的，但硬件扩充难;

分布内存式并行机编程较共享内存式并行机困难，但硬件扩充容易，关键是搞好

超大型线性代数方程组求解的并行化。并行部分包括输入输出，节点物性，构造矩阵，节点流动及井筒计算等。在并行计算方法上，有效的并行方法是区域分解方法。该方

法不仅应用于黑又模型，而且已应用到组分模型，局部网格加密和水平的计算，为实

现软件的并行法，针对并行模拟过程中如何静态负载平衡提出了一种做法，即好的负

载平衡不一定在最初实现，应在计算过程中就计算工作量动态调配各处理器的任务量，使各处理器的计算量基本相等，这些做法已在模拟器中实现，并在8个节点的

IBM/SP2及32个节点的IPSC/860 机上试算，并行销率分别达70%及80%。

网格技术

随着三维地质模型的引入，网格技术已向精确化方向发展，为了模拟各种复杂的

油藏，砂体边界或断层，渗透率在垂向上或水平方向上的各向异性。一及近井地区的

高速，高压力梯度的渗硫状态，近年来发展了局部网格加密，角点网格，PEBI网格等。当然，快中心网格计算速度快，收敛性好，结果精确，但无法真实描述油藏的构造。角点网格是用一个网格8个节点的坐标来表示网格的。该技术改变了矩形网格模

拟断层只能以台阶形式顺着网格走的情形，有效地改善了模拟精度，可以很好地描述

油藏，比如断层的走向，不规则边界等，但其非正交待性严重影响了求解的精度。控

制体积有限元网格（CVFE）是将油藏按一定规则剖分为若干个三角形以后，把三角形

的中心和各边的中点连接起来所形成的网格，它是一种非正交网格。垂直等分线排比

网格（PEBI），其剖分方法是将油藏分成若干三角形后，使三角形各边的垂直等分线