油气藏数值模拟
《油藏数值模拟》第一章绪论
计算初始条件下油藏压力及流体的 分布状况。
怎么做油藏模拟?
(1)问题定义
(2)数据检查 (3)模型建立 (4)初始化 (5)历史拟合 (6)动态预测 (7)报告编写
通过拟合产量、含水、压力等指 标，进行模型计算与实际油藏动 态的对比分析，反演油藏地质模 型，认识油藏动态变化规律及油 藏压力、剩余油分布状况。 在可接受的历史拟合精度基础上 ，预测开发部署（或调整措施方 案）下的油藏未来生产动态。
为什么要进行油藏数值模拟?
1. 油气藏的复杂性
地质特征复杂：裂缝、断层、尖灭、非均质、隔夹层、多层
油气水关系复杂：多个压力系统、多个流体界面、油气水间互 流体特征复杂：三维三相、三维四相、复杂的相态变化、多组分 2.油气藏开发的复杂性 通过各种措施增加产量和利润，是一个复杂的多因素决策过程
存在地质和工程的不确定性，需要进行完备的风险评估
部动态预测。 能考虑油藏的复杂几何 数值模 形状、非均质性、岩石 和流体性质变化、井网 方式和产量等因素，是 拟 法： 迄今为止油藏动态研究 中考虑因素最多的一种 方法。
忽略非均质性和动态参的
决策：提出措施或方案
为什么要进行油藏数值模拟?
由于研究和开发一个油田是一个复杂的综合性科学技术问
题，人们靠经验和利用一些简单的计算公式、物质平衡、玛斯
开采 过程
非线性偏 微分方程
非线性 代数方程
②建立数值模型
线性 代数方程
①建立数学模型
Ａ、通过质量/能量守恒方程、状 态方程、运动方程、辅助方程建立 基本方程组。 B、根据所研究的具体问题建立相 应的初始和边界条件。
A、通过离散化将偏微分方程组转换为有限差分方程组。 B、将非线性系数线形化，得到线形代数方程组。
油藏数值模拟应用及未来发展趋势
实现可视化与交互性
三维可视化
通过三维可视化技术，将油藏模型以三维图像的方式呈现出来，使得研究人员和决策者能够更直观地理解和分析 油藏动态。
交互式界面
开发交互式界面，使得用户能够更方便地进行模型构建、参数调整和模拟运行等操作。通过友好的用户界面，无 需深入了解底层代码和技术细节，就能够进行油藏数值模拟工作。
评估增产措施效果
利用数值模拟可以评估各种增产措施的效果，为 选择最佳的增产方案提供支持。
03
油藏数值模拟未来发展趋 势
提高模拟精度
地质模型精细化和 参数标定
通过更高精度的地质建模和参 数标定，提高模拟的准确性。 利用更多的地质、地球物理和 测井数据，对模型进行更精确 的约束和校准。
复杂流动机制的考 虑
油藏数值模拟在多学科交 叉领域的应用
与地球科学结合
地球物理学应用
利用地震数据和地球物理方法进行地质构造分析，为油藏模拟提供更准确的地 质模型。
地质统计学应用
应用地质统计学方法对地质数据进行处理和分析，为油藏模拟提供更准确的地 质模型和储层参数。
与工程设计结合
油藏工程应用
利用数值模拟方法进行油藏工程设计，如井网布置、采收率预测等，为油藏开发方案提供科学依据。
通过数值模拟可以了解地下流体的流动规律，为提高 采收率提供技术支持。
降低开发成本
利用数值模拟可以优化开发方案，从而降低开发成本 。
应用于油气生产
生产过程优化
利用数值模拟可以优化油气生产过程，如产量的 分配、生产时间的控制等，从而提高生产效率。
油、气藏数值模拟数据收集及前处理
气藏小层分层及物性数据表
序号 9 9 9 9 井号 陕159 陕159 陕159 陕159 层系 石炭系 马六段 马五1 1 马五1 2 3172.2 顶部井深(m) 底部井深(m) 3172.2 厚度 (m) 层位 解释结果 有效厚度 孔隙度 含气饱和度 总渗透率 基质渗透率
3177
4.8
9
陕159
2、油藏描述数据
这部分内容有网格定义； 地质建模提供的构 这部分内容有 网格定义； 地质建模提供的 构 网格定义 孔隙度、渗透率、有效厚度场； 造、孔隙度、渗透率、有效厚度场；渗流模式的 选择；岩石压缩系数。 选择；岩石压缩系数。
3、流体组分性质数据
气体高压物性数据表
由于原油所处的 地下条件和地面条 件不同，致使地层 原油在地下的高压 高温下具有某些特 征。这些特征由 PVT表示。
固体颗粒的孔隙空间
裂缝和孔洞空隙空间的简化图形
注：分层数据及物性数据来源于测井解释
油藏小层分层及物性数据表
层 位 小 层 1 模 拟 层 1 2 2 3 Y8 4 3 5 4 1 6 7 8 Y9 2 9 10 3 11 12 Y1 0 13 1 14 15 1378.9 1390.1 1390.1 1406.5 11.2 16.4 1326.8 1328.8 1333.8 1339.5 1342.5 1348.1 1358.1 1368.0 1372.4 1328.8 1333.8 1339.5 1342.5 1348.1 1358.1 1368.0 1372.4 1374.4 2.0 5.0 5.7 3.0 5.6 10.0 9.9 4.4 2.0 泥 泥 泥 油 油水 油 泥 泥 干 水 水 16.9 120 120 19.6 18.2 18.2 57.2 40.3 40.3 159 436 19.0 19.2 60.4 38.8 1260.5 1261.9 1267.4 1276.6 1277.5 1282.2 1283.8 1306.5 1308.6 1312.9 1322.9 1261.9 1267.4 1276.6 1277.5 1282.2 1283.8 1306.5 1308.6 1312.9 1322.9 1350.0 1.4 5.5 9.2 0.9 4.7 1.6 1.6 12.1 4.3 10.0 27.1 干 泥 水 泥 水 水 水 泥 含油 水 水 水 70 115 115 16.2 16.3 16.3 40.5 25.4 25.4 41.8 41.8 20.2 16.0 16.0 14.7 27.1 27.1 33.6 5.5 11.0 40.7 1322.3 1326.8 4.5 1319.0 1322.3 3.3 油 水 251 493 17.1 16.9 53.1 35.2 1252.4 1254.6 1254.6 1260.5 2.2 5.9 华74-7 顶深 1310.2 1315.0 底深 1315.0 1319.0 砂 厚 4.8 4.0 有效 泥 油 251 17.1 53.1 渗 孔 饱 顶深 1245.2 1249.2 底深 1249.2 1252.4 砂 厚 4.0 2.9 华74-9 有效 泥 含油 水 干 泥 3.8 7.0 16.0 11.6 47.9 38.9 渗 孔 饱
油气藏数值模拟原理
- 时间方程来拟合生产历史数据。
一旦选定了递减模型，历史生产数据就可以通过选择递减参数Di和b来拟合。由 此，就可以使历史生产数据与产量 - 时间方程之间的误差得到最小化。应用适 当的方程将历史数据外推就可以进行油藏动态预测。
递减曲线法
统计法
统计方法使用一些经验关系来预测油藏动态。这些经验关系来自对大量油藏过去生
发中后期剩余油分布和采收率预测、经济效益预测以及对整个
油田开发的重大问题进行决策的一门有效的工具。
类比法 实验方法 数学方法
模 拟 法
传统的模拟方法
在钻井前，当受到某些方面的限制或是不能获取有关
类比法
利用已开发油藏的特
数据时，油藏工程师进行经济预测的唯一方法就是类 比法。在该方法中，处于同一地质盆地或省份，或是 具有相似岩石物理性质的油藏将用来预测目标油藏。 这种方法可以估计开采因素、初始产量、递减率、井 网布置和油藏开采机理。将两个相似油藏进行对比并 采用类似的开发策略就能得到可靠的结果。但是，如 果考虑到不同的开发策略，这种方法将遇到困难，并 且，无法判断敏感性因素。
Numerical Reservoir Simulation
油气藏数值模拟原理
西南石油学院 主讲 张烈辉
第一章 绪
论
开发方式 井网、井数、井距 采油速度 开发方案优选 确定开发方案
油田开发初期
油田开发中后期
确定剩余油、气分布 优选增产措施
确定提高采收率的方法
制定开发调整方案
磨溪气田雷一1气藏中亚段顶面构造图
物 理 模 拟
就是根据同类现象和相似现象的一致性，利用物理模型来
观察和研究其原型或原现象的规律性.
油气藏数值模拟的新方法及其应用
油气藏数值模拟的新方法及其应用随着现代工业的快速发展，石油和天然气依然是人类社会的燃料主力，石油和天然气的产量和储量是衡量一个国家经济实力的重要因素。
而油气藏数值模拟则是石油工业不可或缺的分支之一。
它通过计算机程序处理复杂的地质数据及工程参数，预测油气藏的开发效果和采油方案，是油田开发中的核心技术之一。
本文将从油气藏数值模拟的基本原理、方法和应用方面进行探讨。
一、油气藏数值模拟的基本原理油气藏数值模拟是指通过数学模型和计算机模拟技术，模拟油气藏的物理过程，预测油气藏的储量、产量及开采规律等，并通过对数值模拟结果的分析和诊断，确定最优化的开发方式和采油措施。
数值模拟方法是以油藏为研究对象，从宏观、微观和纳米尺度上分析油、气、水在油藏中的运移方式和动态行为，考虑地质、力学、物理、化学、热力学等多个方面因素的综合作用，建立数学模型，并通过数值计算，模拟油藏物理、化学、生物等多个层面的过程，并根据实际开发情况进行反馈和调整。
总之，油气藏数值模拟的核心原理是通过建立基于真实地质情况和实际工程数据的数学模型，对油气藏内部流体状态，如压力、温度、相态变化、流量、相对渗透率、孔隙度、渗透率等进行数值模拟，以实现油藏储量、构成、分布、产量和生命周期等方面的全面且科学的预测。
二、油气藏数值模拟的主要方法油气藏数值模拟主要包括有限差分法、有限元法、特征线法、边界元法等。
1. 有限差分法有限差分法是目前应用最广泛的油气藏数值模拟方法。
它是以石油、天然气藏中流体的物理、化学性质和地质结构参数作为输入条件，以压力和流量作为输出条件，利用有限差分法的离散化方法，通过一系列的数值计算，求解一组偏微分方程组，得到油气藏中流体的压力、温度、相态、饱和度等变化情况。
2. 有限元法有限元法是建立在有限元方法的基础上，对油气藏动态流体作用现象进行分析模拟的一种数值方法。
它通过将石油、天然气藏结构进行划分，将各区域的流体性质和物理参数进行离散化，建立控制方程和状态方程，运用有限元法，通过一系列步骤求解得到流体的压力、温度、饱和度等参数的变化情况。
凝析油气藏拟组分数值模拟方法
凝析油气藏拟组分数值模拟方法
油气藏拟组分数值模拟法是一种综合分析油气藏的有效方法，能够反映油气藏的实际状况，为下一步的油气藏开发提供有效的参考依据。
本文通过对油气藏拟组分数值模拟法的原理、建模要点、应用及限制条件进行综合分析，以期为研究者提供参考。
油气藏拟组分数值模拟法是一种基于岩石物理学和化学特性的油气藏数值模拟方法，它的建模要素大体包括岩石物理参数、油气聚集参数、油气藏流体参数和油气藏开发参数等。
一般来说，岩石物理参数包括岩石孔隙度、渗透率和渗压系数等，而油气聚集参数则包括聚集压力、聚集能和聚集温度等。
油气藏流体参数则包括地层压力、原油的密度、原油的沸点高度和原油的黏度等。
最后，油气藏开发参数则包括开发方式、开发技术和开发效果等。
油气藏拟组分数值模拟法的应用可大致分为油藏实际状况分析、油藏开发方案分析和油藏开发效果预测等三个方面。
首先，借助拟组分数值模拟法，可以分析油气藏的实际状况，例如油气藏的渗流特性、聚集状态、藏层水驱状态、开发效果和开发方案等。
其次，拟组分数值模拟法还可以分析油气藏的开发方案，比如油气藏的开发效率、开发成本、开发技术等。
最后，借助拟组分数值模拟法，可以对油气藏的开发效果进行预测，例如预测开发后油气藏的残存油气量及残存油气的质量状况等。
综上所述，油气藏拟组分数值模拟法是一种综合分析油气藏的有效方法，可以反映油气藏的实际状况，为油气藏开发提供有效的参考依据。
虽然该方法也存在一定的局限性，但是它仍然是分析油气藏的重要工具。
油田油藏数值模拟技术的研究与应用
油田油藏数值模拟技术的研究与应用油田油藏是我国的重要能源资源之一，其开采和管理对于国家经济的发展具有极其重要的作用。
而油田油藏数值模拟技术则是现代油田油藏管理的重要工具之一。
本文将会从油田油藏数值模拟技术的基本原理、模拟方法以及应用案例等方面进行探讨。
1. 油田油藏数值模拟技术的基本原理油田油藏数值模拟技术是基于理论模型的油藏动态分析方法，其基本原理是将油藏的数学模型转换为计算机的数值模型，利用适当的计算方法，对油藏动态进行精细的模拟计算。
油藏的数学模型通常包括地质学、储层物理性质、流体性质等多个方面的参数，数值模拟的目标就是通过计算机模拟得出油藏内部的流动状态、压力分布以及物质的运移规律等信息，为油田采油作业的优化和管理提供依据。
2. 油田油藏数值模拟技术的模拟方法油田油藏数值模拟主要包括三个步骤：建模、数值解法与模拟计算。
建模是模拟的第一步，要求对油藏地质结构、储层参数等进行精细化的描述和建模，以便进行后续的计算分析。
数值解法则是决定油藏动态计算精度与计算速度的关键因素，常用的数值方法包括有限差分法、有限元法、谱元法等。
在模拟计算过程中，还需要对计算结果进行验证和校正，保证模拟结果的准确性与可靠性。
3. 油田油藏数值模拟技术的应用案例油田油藏数值模拟技术作为现代油藏开采与管理的重要工具，其应用范围涉及到石油勘探开发、油藏评价和采油设计等多个方面。
以下列举几个优秀的应用案例：案例一：东淮低渗透油田强化采油模拟东淮低渗透油田是我国重要的石油资源产区之一，其塔河油田采油难度大，生产水油比较高，在此前提下，利用油藏数值模拟技术，进行强化采油模拟分析。
结果显示，通过有针对性的采油方式，采出潜在储量约1.2亿桶，取得了卓越的技术经济效益。
案例二：渤海湾盆地高压气藏开发数值模拟渤海湾盆地是我国主要的天然气区之一，其中高压气藏开发难度大，需采用先进的技术手段进行分析。
因此，借助油藏数值模拟技术的建模与数值解法，对高压气藏进行了模拟计算，为盆地的开发提供了实用的技术支持，有效地提高了勘探的效率和开采的质量。
CBM-SIM–非常规油气藏数值模拟软件
CBM-SIM –非常规油气藏数值模拟软件CBM-SIM是任何想提高非常规油气藏采收率的公司必备的油藏工程软件。
它是石油工业界公认的用于裂缝性油气藏、煤层气藏、页岩气藏、砂岩及碳酸盐岩油气藏的数值模拟软件。
CBM-SIM是研究非常规油气资源勘探和开发的关键技术之一，是研究非常规油气储集、运移和产出规律，确定非常规油气储层特征、非常规油气井作业制度与气产量之间关系的有效手段，其研究结果可为非常规油气资源开发潜力的评价和开发工程方案的优化提供科学决策依据。
为精确模拟裂缝性油气藏中的基岩孔隙度及煤层气和页岩气的解析吸附效应，CBM-SIM具有模拟三孔隙度、双渗透率的功能。
CBM-SIM还具有模拟注二氧化碳或氮气提高煤层气或页岩气采收率的功能。
CBM-SIM使用现代的数值求解技术及全隐式井筒算法。
CBM-SIM的基本特证是一个用于非常规油气藏及黑油油藏的三维、两相、多组份、全隐式有限差分数值模拟软件。
●三孔隙度/双渗透率：严格处理流体在双渗透率网络(基岩和裂缝) 中的解析吸附、扩散及达西流动规律。
●两组份气体解析吸附：使用扩展兰米尔等温吸附方程定义多组份自由气和吸附气之间的非线性关系为甲烷含量的函数。
●两相流模型：模拟油气藏中的任何两相流动，包括气-水、油-水和气-油。
●复杂油藏模拟：模拟含水域（边水和底水）对油气藏开发的影响。
模拟煤层气开发过程中由于基岩含气量及压力的变化对裂缝渗透率及基岩收缩的影响。
也可模拟水力压裂裂缝及洞穴完井。
●全三维模型：精确处理厚油气藏、层间连通及不连通的层状油气藏。
Klein International, Inc.1CBM-SIM是一个用于油气藏开发规划、油气藏生产动态模拟（历史拟合及产量预测）的油藏工程软件。
其应用范围如下：●裂缝性油气藏：模拟煤层气藏、裂缝性页岩气藏、致密砂岩气藏、碳酸盐岩油气藏。
●提高非常规气采收率：模拟注二氧化碳或氮气以提高页岩气、煤层气的采收率。
●储气库：模拟储气库中气体的采出和注入。
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油相基本流动方程：
•o
k kro uo
po
oD
t
o
So
q~o
水相基本流动方程：
•w
kkrw uw
pw
wD
t
wSw
q~w
辅助方程
So Sw 1 Pc(Sw) Po Pw f (Sw)
数值模型的建立：微分方程的离散化 时间与空间离散
导数的差商逼近
五点差分格式
i,j+1
i-1,j
i,j
i+1,j
i,j-1
Apply material balance equation for oil and water for each gridblock
F a c e i-1 /2
(i, j+ 1 )
F a c e j+ 1 /2 F a c e i+ 1 /2
Water is Blue
Production decisions are more effective with simulation
History Match for Well, 2-14 (Water Cut & GOR)
Initial Sw
Year 12
Initial Sw
Waterflood Year 12
Large Indonesian field 4km x 8km Eight sands, faulted, several hundred feet thick 60 years of history Severe loss of production
Support Geological & Engineering Analysis
油藏研究方法
直接观察法
如钻观察井、井下测试、井下电视、岩心实验 、开辟生产实验区等)
模拟法
模拟法
模拟法
物模
数模
数学模 拟
数学模型求解方法
解析法
数值方法
数值模拟
油气藏数值模拟
—科学开发油气田的关键技术
利用计算机模型模拟仿真油气复杂开发过程，动态重现 开发历史，预测未来开发动态，可在计算机上“多次” 模拟开发过程，进行油田开发方案优选、产量和地层压 力动态预报、寻找开发中后期剩余油分布和采收率预测 、经济效益预测以及对整个油田开发的重大问题进行决 策的一门有效的工具。
production
2. Propane K-value adjusted to match bitumen-
propane saturation data. K pure C3 = 1.00 ; K
adjusted = 1.44
3. Heavy oil data chosen as average data for
一阶导数的 差商逼近
考察函数u(x), 其自变量的一阶导数可定义为 下面的各种极限：
u
u(x x) u(x)
lim
x x0
x
u u(x) u(x x)
lim
x x0
x
u lim u(x x) u(x x)
x x0
2x
前差商 后差商 中心差商
二阶偏导数的差商逼近
混合二阶 差商逼近
Recommends work over for wells Each well goes from 4 BOPD to 400 BOPD Field now matches simulator forecast
Cut Away of Reservoir - See Inside
Oil is Red
油藏流体及其与岩石作用的复杂性
岩石非均质性及孔隙结构（孔道大小、孔隙之间关系） 油、气和水的组分各不相同，各组分间存在相间传质， 流体性质随温度、压力的变化很大 油层中的流体与岩石相互作用产生物理化学现象如扩散 、吸附等 各种提高采收率方法的使用，如热力采油、化学驱、混 相驱以及各种增产措施如酸化等
e32 p7 f32
d42
b42 a42
e42
p8
f
42
d13
a13 c13
p9 f13
d23
b23 a23 c23
p10
f 23
d33
b33 a33 c33 p11 f33
d43
b43
a43
p12
f 43
dij bij aij ci
eij
( u ) x x
(
u)
|x1x 2
u(x
x ) x
u(
x)
|x1 2
x
u(x) u(x x) x
x x
1 (x x)
2
油油藏藏
有效 网格
网格系统
(i,j)
b
。
。。 a
(i,j)
无效网格
•有限差分方程的建立 空间离散
考虑二维椭圆型微分方程：
x
(x
p ) x
y
(y
p y
)
q(x,
y,
数值模拟的基本过程
建立数学模型
建立一套描述油藏流体渗流的偏微分方程组 。完整的数学模型包括定解条件（初始条件 和边界条件）。
建立数值模型
偏微分 方程组
非线性有限 差分方程组
线性代数 方程组
离散化
线性化
建立计算机模型 将各种数学模型的计算方法编制成计
算机程序，用计算机计算各种结果。
渗流数学模型的建立
Example Cases
Light Oil - Ecuador
Waterflood operation Identify poorly swept areas Value of additional oil $30 - 40 MM US Cost of study $250 M US Profitability ratio 140:1
实际上就是通过渗流微分方程方程，借用大型计算机， 计算数学的求解，结合油藏地质、油藏描述、油藏工程 、试井等学科再现油田开发的过程，由此来解决油田实 际问题。
Why Simulation ?
Evaluating Reservoir Management Strategies
Simulation: Why Oil Companies Buy
New well drilled without simulation produces only water Simulation determines what can be done - success or abandon Saves field, saves operator
Support Geological & Engineering Analysis
Only way that simulation will match performance of primary & waterflood is to use well damage factor in the simulator
Support Geological & Engineering Analysis
5. Straight lines rel perms
6. Temperature effects included
7. Diffusion of C3 into Oil D = .12 cm2/h
Additional Concepts
It is less expensive to add hydrocarbons from existing reservoirs than to find new ones. Simulation can increase recovery by at least 5% over the short term and even more over the longer term. Simulation provides a tool to evaluate field management strategies.
(i-1 , j)
(i, j)
y
(i+ 1 , j)
(i, j-1 )
x
F a c e j- 1 /2
计算传导率（ Transmissibility）
Consists of two parts Geometric part (flow area) Saturation and pressure dependent part (mobility)
VAPEX – ATHABASCA OIL – LAB
ASSUMPTIONS:
1. The two step process: asphaltene
precipitation and heavy oil production, is
modeled as one step process: heavy oil
Design of processes Transfer of of laboratory process to the field Design of field pilots Design & optimization of new field operations
Correct Mistakes
p)
0
y
x
re s e rv o ir's b o u n d a ry
5
4
3
y
j 2
1
1234567
x
i
P ro d u c tio n w e ll In je c t io n w e ll
Aerial View of a Reservoir with Superimposed Grid