热采数值模拟

热采数值模拟研究1 热采及模拟器简介作为国内的稠油生产主要基地，辽河油田稠油开发热采方式主要包括蒸汽吞吐、蒸汽驱、蒸汽辅助重力泄油、火烧油层等。

但截止到目前为止，蒸汽吞吐仍然是稠油生产的主要方式，蒸汽驱处于即将工业化推广阶段，而蒸汽辅助重力泄油（SAGD）方式则处于刚刚起步的现场试验阶段，火烧油层则尚未有成功的先例。

本书中着重针对蒸汽吞吐、蒸汽驱及SAGD 的方式热采数值模拟情况进行介绍。

油藏数值模拟是应用计算机研究油、气藏中多相流体渗流规律的新型数值模拟计算方法。

目前，国际上专业石油软件公司或国内著名研究机构都研制发布了具有版权的模拟器。

黑油、组分、热采模型已经日渐成熟，对应多种类型油气藏、不同的开发方式都可以进行相应的模拟研究。

稠油热采主力数值模拟软件主要有加拿大CMG公司STARS软件，美国SSI 公司THERM软件，清华大学NUMSIP软件。

其中STARS软件是目前国际上最为优秀的热采数值模型软件之一，在世界各国得到普遍应用。

CMG数值模拟软件由CMG（Computer Modelling Group Ltd）公司研制发布。

该软件基于面向用户的可视化窗口系统，对模型建立、运行和结果分析统一整合，构建油藏数值模拟研究平台。

与其它软件相比，具有以下两大独特点：整合不同类型油藏，提供先进的窗口界面系统。

CMG软件主要分为以下六大部分，前处理Builder应用程序，后处理Results应用程序，IMEX模拟器，STARS模拟器，GEM模拟器，相态分析程序WinProp。

其中IMEX模拟器主要用于计算模拟注水开发油藏，STARS模拟器用于热采及化学采油油藏的数值模拟计算，GEM模拟器用于组分油气藏的模拟计算。

Builder、Results两大动态可视化系统为用户提供了强大的数据读取功能，使模拟计算的实际应用从大量的人工劳动中解放出来，极大的方便了用户。

CMG提供了先进的研究技术。

①可以完成复杂的工程分析：CMG软件可以对不同类型的油藏进行开发方式、井网井距、合理注入参数研究以及较为可信的开发指标预测，目前稠油油藏工程研究方法相对较少，而CMG软件的数值模拟方法为稠油油藏研究提供了的一种比较成熟可靠的方法。

②三维可视化显示：在模拟计算过程中，通过CMG软件的后处理程序，可以随时观察油藏注采情况及油藏内部动态变化，使油藏工程师掌握油藏开发的整个过程及地下情况。

③更好的有效开发油藏：通过数值模拟历史拟合计算，研究油藏剩余油动态变化、温度及压力变化，对已开发的和未开发的油气藏提高采收率提供有利依据，使勘探开发方面的投资得到充分的利用。

STARS是基于热平衡常数组合、化学反应和地质力学的油藏模拟软件，适用于采收环节的改进模型，包括注蒸汽、溶剂、空气和化学驱。

STARS是行业领先的模拟热采和其他先进工艺的油藏模拟软件。

它强大的反应动力学和地质力学使其成为最完整、最灵活的油藏模拟软件，在研究和实现复杂油气采收环节模拟中具有极大价值。

下面是STARS模拟的油藏工艺列表：热采•蒸气驱•蒸汽吞吐• SAGD -（蒸汽辅助重力驱油）• ES -SAGD -（溶剂增强-蒸汽辅助重力驱油）•热采VAPEX•热水驱、热溶剂驱•火烧油层（注空气）- HTO 和 LTO（高温和低温氧化）- THAI（Toe - to - Heel注空气）•温差注水化学驱•泡沫、乳液和泡沫油• ASP（碱的表面活性剂聚合物）驱•微生物驱，VAPEX地质力学•压实和下沉，岩石破碎•膨胀，变形天然裂缝和水压裂缝储层建模•双孔- 多重连续作用域- 纵向求精•双渗•结合美国Pinnacle技术公司的fracpropt裂缝设计软件•结合裂缝技术有限公司的wellwhiz井、完井和裂缝设计软件STARS的先进特性包括：用户定义的反应动力学STARS允许用户模拟反应动力学用于模拟涉及比例、温度和浓度的过程，譬如火烧油层或ASP驱。

相之间的物质传递一定程度上取决于流体的流动速度，可以用来模拟乳剂裂解和泡沫驱的形成。

STARS也可以模拟多个固体反应。

用户定义的组分公式用户定义组分能够以三种流体相（油、气、水）和以一种非流体相（固体、吸附液体、俘获液体）之中的一种或全部形式出现。

每个组分可以是一个纯的化合物、几个化合物的组合、或者一系列连续分布的化合物。

一个组分也可以是物质的特定形式，如油相中的小气泡、用于模型特殊过程。

弥散组份模型STARS中弥散组份／稳定弥散模型是指模拟一个组分悬浮于一个携带相之中。

这个模型用来模拟：•聚合物和凝胶•乳液和泡沫•悬浮颗粒•沥青沉淀、凝聚、沉降和堵塞井模型-源／汇、半分析和离散化模型完全的耦合井筒模型需要三个模型：A 标准的源／汇模型B 井内流体力学和热损失的半分析井眼模型C 单一或双重循环流动的水平井离散化井筒模型：- 长时间多次瞬变反应- 粘滞压力降- 多相流动- 传热热流动•多相注入-多流体注入•分支井网格功能选项•基本网格选项：笛卡尔坐标、角点赋值、径向坐标和无固定结构的坐标•笛卡尔坐标、角点坐标、径向坐标和混合坐标的局部网格加密（LGR）•９点法和５点法详尽的岩石流体交互作用定义STARS能够模拟标准的相对渗透率和毛细管压力函数，也可以确定一系列岩石-流体数据，用于在局部的组份组成、界面张力及毛细管数之间插值。

岩石力学模型•三维和二维岩石力学方程•标准的弹性／塑性处理•膨胀／再压实，压实／反弹地表下沉／抬升，弹性／塑性变形•变形，剪膨胀性•应变硬化，井筒加载／卸载•压实渗透率影响•双渗体系中的岩石力学2.数值模拟的基本过程数值模拟研究的基本过程（软件研制人员）：建立数学模型——即描述地下油、气、水及注入剂渗流规律的一组偏微分方程数值模拟模型——对偏微分方程离散化、线性化大型稀疏线性方程组解——直接解法和迭代法计算机模型——将数值模型编成适合计算机求解的程序模拟计算结果的可视化前后处理。

数值模拟研究的基本过程（应用人员）：建立三维地质模型（构造、储层及其物性参数）岩石、流体高压物性资料（相渗曲线、毛管压力曲线、PVT资料等）井的属性、射孔状况、生产极限条件等时间段的划分以及动态模型的建立作业运行、模拟计算结果分析研究。

图数值模拟研究流程图3.数值模拟技术的应用在当前的开发形势下，如何准确描述剩余油的地下分布情况，并采取相对应的积极有效的调整措施是改善油田整体开发效果急待解决的一个难题。

而数值模拟方法是对新区产能预测及老区调整方式优化的一个重要手段，在稠油开发经验欠完善的条件下，利用油藏数值模拟方法可对区块进行储量核实、开采方式优选、井网井距优选、注采参数优化、调整方式研究、开发动态跟踪、开发指标预测等，已经成为油藏工程研究核心技术之一，在新区块开发部署、老区块综合调整、开发方式转换研究、新方式新技术的应用发挥着重要作用。

2.1数模技术在剩余油分布研究中的应用不同于常规开采的稀油油藏，对于热采稠油油藏，由于开发过程中注入了蒸汽等热介质，因此在计算过程中更注重于油藏的能量交换问题，计算工作量由此而大幅度增加，迭代的收敛性明显降低。

在目前的技术条件下，对稠油区块整体模拟仍存在较大的难度，因此对于稠油油藏剩余油分布研究仍是基于物质守恒原理基础上的油藏工程计算方法。

为此针对不同类型的油藏，配合数值模拟油层动用状况选择合适的单井产量劈分方法则成为决定研究结果准确与否关键因素。

（1）层状油藏吞吐剩余油分布对于层状油藏，稳定的隔夹层对油井的生产动态影响较大，油藏层间流体的交换难度显著增大。

油井的吸入及产出流体均基本上来自射开层位的本身，并且油藏动用程度的主要影响因素是油层有效厚度和储层的有效渗透率。

无论是数值模拟的研究结果还是现场的吸汽及产液剖面的检测结果均表明了这一点。

图层状油藏吞吐剩余油分布模拟场图因此针对这类油藏，其单井产量劈分所采用的方法是基于射开井段地层系数Kh的方法，即：pniiiiipiNhkhkN⨯⨯⨯=∑=1)(（2）厚层块状油藏剩余油分布厚层块状油藏油井的生产动态特征则明显区别于层状油藏，油井进入高轮次吞吐阶段以后，直井蒸汽超覆的现象极其严重，现场观察井的井温监测资料看，其蒸汽超覆的高度最大可达到30m以上。

油井的动用井段不再局限于射开的层位，若仍然沿用层状油藏的产量劈分方法势必将造成较大误差。

图块状油藏现场井温监测结果为了寻求块状油藏剩余油分布研究的方法，通过数值模拟研究后发现，对于粘度较大的稠油油藏，在原始地层条件下原油基本不具备流动能力，只有在油藏被有效加热以后油层才能够得以有效动用。

块状油藏实际的油层动用厚度远远大于油井的射开井段。

依据数值模拟研究的结果，若将油层温度超过原油拐点温度作为判定其是否被动用的标准，则可计算出各单井的实际动用范围。

图块状油藏吞吐动用状况场图按照研究精度的要求，依据各地质小层所占据的油井加热体积的比例可对其产量进行合理劈分。

pniiipiNVVN⨯=∑=1由此可得出单井控制小层剩余地质储量为piiriNNN-=其中oiooiiBShdN/2ρϕ⨯⨯⨯⨯=利用上述方法对蒸汽吞吐开发方式下产量的劈分不仅考虑了油层温度升高对油井流入动态的影响，同时避免了因蒸汽超覆而带来的劈分误差。

因此是一种更适合于块状稠油油藏的剩余油研究方法。

（3）边底水油藏的水侵规律研究对于边底水油藏，水侵规律研究是剩余油分布研究的重要内容之一。

通过数值模拟研究发现，边水油藏和底水油藏的水侵方式有着其各自的特征。

图块状底水油藏及层状边水油藏的水侵特点模拟图对于块状底水油藏，由于油井投产后产生压降漏斗，油层与底水之间产生垂向压差，压差随着离开井筒距离的增加而减小，导致水油界面的高度沿着侧向降低，呈现水锥的形状。

其水锥的底面半径小，仅与油井的加热半径相当，锥体倾角比较陡。

对于层状边水油藏，油藏层间动用程度的差异导致边水沿着某一单层或某几个单层逐步向油藏的主体部位侵入。

油井所处沉积相带、油藏层间非均质性及地层单层的亏空程度是造成边水侵入两大主要因素。

2.2数模技术在开发设计及调整中的应用作为油藏工程设计的重要辅助手段之一，目前数值模拟技术在稠油老区综合调整、普通稠油水驱、蒸汽驱、非混相驱、蒸汽辅助重力泄油、特殊油藏的开发方案设计等稠油开发领域均得到了较广泛的应用。

针对各种不同的热采开发方式，模拟研究的侧重点有所不同，针对蒸汽吞吐的方式，影响开发效果的关键因素为周期注汽强度、注汽速度及注汽井底干度，对于蒸汽驱及SAGD的方式，转驱时机、注汽速度、注汽干度、采注比等操作参数是决定汽腔能否形成及整体开发效果的关键因素。

（1）蒸汽驱开发方案的设计与跟踪调整齐40块是国内开展的首例中深层蒸汽驱试验重点工程，数值模拟技术在试验跟踪分析、发现和分析实施中存在的问题、及时提出调整措施和建议、确保试验获得预期效果等方面发挥了重要的作用。