畢業(yè)設(shè)計（論文）水驅(qū)機理數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)研究

1、摘 要 隨著油田開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，注水開采儲層已廣泛應(yīng)用到油田的采油中來。 本文對斯倫貝謝公司的 eclipse 數(shù)值模擬軟件進行了理論模型和操作方法的研究； 對水驅(qū)油機理、數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)進行了研究；應(yīng)用該軟件分析了影響水驅(qū)油效 果的幾點主要因素，累積注入量一定時，降低注入速度，可提高驅(qū)油效率；當(dāng)油 水相對滲透率曲線整體向右平移，采收率提高；當(dāng)油的相對滲透率曲線不變而水 的相對滲透率曲線降低時，水驅(qū)采收率提高，產(chǎn)液量變化不明顯；潤濕性變化和 潤濕程度對水驅(qū)效果都有影響，親水條件下的采出程度比在親油條件下的高；親 水越強，采出程度越高，親油越強，采出程度越低，但同樣的強弱變化，親水油 藏比親

2、油油藏受到的影響大。 關(guān)鍵詞：eclipse; 數(shù)值模擬；水驅(qū)；黑油模型 abstract as development of oil field exploitation technology, the technology of water flood has been widely applied to oil fields in oil production. this paper studies the eclipse numerical simulation software from schlumberger, including the theory studying and

3、practice operating together. study on the mechanics of water flooding and the theory of numerical simulation. analyze the factor that affects the efficiency of the water flooding by using this software, considering that reducing the velocity of the water flooding as the same field water injection to

4、tal can improve the efficiency of it. when the oil/water relative permeability curve move towards to the right, the recovery increases .water drive recovery efficiency rises, while the oil relative permeability curve stays the same and the water relative permeability curve decreases, the efficiency

5、of water drive recovery increases, the change of the fluid production is slight. the changes of the water cut are in direct ratio to the slope of the water relative permeability curve. the efficiency of water drive was affected by the changes of the wettability and the wetting grade, the recovery ef

6、ficiency of the water-wet reservoir is higher than the oil-wet one in the same condition. the more water-wet rock is, the higher displacement efficiency is. for a oil-wet reservoir, the converse is true. but the effect causing by the changes in the water wet reservoir is more that in the oil wetting

7、 reservoir in the same quantity. key words: eclipse; numerical simulation; water flooding; black oil model 目 錄 第 1 章章 概述概述.1 1.1 本文研究的目的和意義 .1 1.2 國內(nèi)外油藏數(shù)值模擬發(fā)展概況 .1 1.3 油藏數(shù)值模擬技術(shù)現(xiàn)狀 .3 1.4 本文研究的主要內(nèi)容及成果 .5 第第 2 章章 水驅(qū)機理數(shù)值模擬研究水驅(qū)機理數(shù)值模擬研究.6 2.1 數(shù)值模擬基本原理 .6 2.2 兩相滲流基本微分方程及差分方程 .9 2.3 模擬過程概述 .11 第第 3 章章 eclip

8、se 數(shù)值模擬軟件研究數(shù)值模擬軟件研究 .13 3.1 office的主要模塊.13 3.2 office模塊的操作過程.13 第第 4 章章 水驅(qū)效果的影響因素數(shù)值模擬研究水驅(qū)效果的影響因素數(shù)值模擬研究.22 4.1 注入速度對水驅(qū)效果的影響 .22 4.2 相滲平移對水驅(qū)效果的影響 .32 4.3 水相滲曲線的變形對水驅(qū)效果的影響 .33 4.4 油藏潤濕性對采收率的影響.34 結(jié)結(jié) 論論.35 致致 謝謝.36 第 1 章 概述 油藏數(shù)值模擬是結(jié)合物理、數(shù)學(xué)、油藏工程以及計算機程序來預(yù)測各種開采 條件下烴類油藏動態(tài)的一種有效工具。油藏數(shù)值模擬技術(shù)從上個世紀 50 年代開 始研究至今, 已

9、發(fā)展成為一項較為成熟的技術(shù)。在油田開發(fā)方案的編制和確定, 油田開采中生產(chǎn)措施的調(diào)整和優(yōu)化, 以及提高油藏采收率方面, 已逐漸成為一種 不可欠缺的主要研究手段1。本文通過學(xué)習(xí) eclipse 數(shù)值模擬軟件基本知識，而且 利用 eclipse 數(shù)值模擬軟件對一些簡單的油藏問題，水驅(qū)油藏進行模擬，運算。 并對斯倫貝謝公司的 eclipse 數(shù)值模擬軟件的使用方法進行著重的研究。 最終對 其使用方法及各模塊的理論基礎(chǔ)知識，特別是 office 模塊的使用方法和理論基礎(chǔ) 進行學(xué)習(xí)和研究，還應(yīng)用該軟件對影響水驅(qū)效果的幾點主要因素進行了數(shù)值模擬 研究。 1.1 本文研究的目的和意義 針對 eclipse 油

10、藏數(shù)值模擬軟件的理論研究學(xué)習(xí)與實踐操作，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)可 以直接從軟件界面輸入，可不必組成固定格式，比較方案時，可直接復(fù)制模型， 操作簡單，結(jié)果一目了然。office 模塊以動畫顯示和三維顯示來進行前后處理， 讓計算結(jié)果更加可視化。可以有選擇性的輸出各個時間的模擬結(jié)果，并可將結(jié)果 以報告的形式輸出。本文對其理論基礎(chǔ)和實際操作方法及主要功能進行研究和實 踐。并結(jié)合水驅(qū)油的算例，利用 eclipse 軟件對影響水驅(qū)效果的因素進行模擬、 運算。通過對結(jié)果的分析最終對其操作過程熟悉掌握，并總結(jié)了對水驅(qū)油效果產(chǎn) 生影響的幾點主要因素，同時對水驅(qū)油機理及油藏數(shù)值模擬技術(shù)有一個全面深入 的了解。 1.2 國內(nèi)外油

11、藏數(shù)值模擬發(fā)展概況 油藏數(shù)值模擬始于 20 世紀 50 年代，是隨油藏工程滲流理論、計算數(shù)學(xué)理論 和電子計算機技術(shù)的發(fā)展而形成的一門新興學(xué)科。由于油田開發(fā)基礎(chǔ)理論的發(fā)展 和計算機的廣泛應(yīng)用，使油藏數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用成為可能。經(jīng)驗證明，油藏數(shù) 值模擬方法為油氣田開發(fā)及油藏工程的研究提供了現(xiàn)代化的手段，成為油藏工程 技術(shù)人員的一種不可少的工具。 上個世紀 30 年代人們開始研究地下流體滲流規(guī)律并將理論用于石油開發(fā)，早在 1936 年，schilthuis 推導(dǎo)了“物質(zhì)平衡方程” ，既零維模型，1931 年 muskat 發(fā)表 了“均質(zhì)流體通過多孔介質(zhì)的流動” ，1942 年 buckly 和 le

12、verett 發(fā)表了 “前緣推進理論” ，1949 年 van everdingen 和 hurst 發(fā)表了“拉普拉斯變換對 油藏問題的應(yīng)用” 。這些論文的發(fā)表，初步建立了油藏工程的理論基礎(chǔ)，并開始 應(yīng)用于油田的開發(fā)實踐； 從 1950 年至 1970 年的 20 年間，油藏數(shù)值模擬完成了黑油模型的研究，既 兩相（氣、水）和三相（油、氣、水）黑油模型。這期間發(fā)表了許多論文：對黑 油模型研究與應(yīng)用的主要貢獻有:coast(1969)、meculloch(1969)、weaver(1972)、 dandona 和 morsse(1975);對數(shù)值方法研究的主要貢獻者有：sheldon、stone、

13、和 fagin、macdonala、blair 和 weinaug 等等。上個世紀 50 年代在模似計算的方法 方面，取得較大進展。1953 年 peaceman 等人開始用數(shù)值方法求解復(fù)雜地下滲流 問題，如：“非定常氣體滲流的計算” 、 “拋物型及橢圓型微分方程的數(shù)值解”等等； 上個世紀 60 年代起步，人們開始用計算機解決油田開發(fā)上的一些較為簡單間題， 在這期間，由于計算機的飛速發(fā)展，促進了數(shù)值模擬的發(fā)展。黑油模型應(yīng)用于油 氣田開發(fā)評價、方案的篩選、井網(wǎng)、井距、注水、注氣、采油速度、鉆加密井等 對采收率影響的研究。由于當(dāng)時計算機的速度只有每秒幾萬到幾十萬次，實際上 只能做些簡單的科學(xué)運算；

14、 上個世紀 70 年后主要體現(xiàn)于計算機的快速升級帶動了油藏數(shù)模的迅猛發(fā)展， 大型標量機計算速度達到 100500 萬次，內(nèi)存也高增至約 16 兆字節(jié)。在理論上 黑油模型計算方法更趨成熟，d. w. peaceman 的以及 k. aziz 和 a. settari 的等主要著作都是在這個階段出版的，但仍受到計 算機速度和內(nèi)存的限制，使用的方法一般僅限于 impes 及半隱式等，只能解決 中小型油藏的模擬應(yīng)用問題。也出現(xiàn)了混相驅(qū)、化學(xué)驅(qū)、二氧化碳驅(qū)、蒸汽驅(qū)、 熱水驅(qū)、火燒油層驅(qū)等模擬方法。并考慮解決更為復(fù)雜的多組分相態(tài)在溫度、化 學(xué)劑的影響下原有的物理化學(xué)性質(zhì)問題，以及考慮化學(xué)劑的吸附、降解、乳

15、化和 界面張力的變化、反應(yīng)動力學(xué)和其他熱反映、復(fù)雜的相平衡等等。在實際的模擬 和應(yīng)用中，這些模型和模擬方法得到了檢驗、調(diào)整和進一步的發(fā)展。 早在 1956 年 kniazeff 和 navile 對易揮發(fā)油藏進行了研究，發(fā)表了題為“揮發(fā) 烴兩相流”的論文；1973 年 nolen 對油藏組分模擬進行了研究，發(fā)表了“油層中組 分現(xiàn)象的模擬”一文。其中組分模型就是描述有 n 種碳氫化合物組分的油藏，利 用狀態(tài)方程計算油相和氣相的特性參數(shù)和平衡參數(shù)，計算凝析油藏得采收率以及 評價注二氧化碳、注氮氣或混相驅(qū)等對采收率的影響。 蒸汽驅(qū)中的熱水驅(qū)和火燒油層等熱采模型，主要用于模擬重質(zhì)油的開發(fā)，以 提高油層

16、溫度、降低原油粘度、或使原油蒸餾成氣體而提高原油的采收率。對熱 力開發(fā)特別是蒸汽驅(qū)開發(fā)方面的數(shù)值模擬研究的文章發(fā)表的較多，如 herrera、williams 即 meldau 等分別發(fā)表了關(guān)于蒸汽驅(qū)數(shù)值模擬結(jié)果與油田實際 注蒸汽的動態(tài)進行對比的論文。 化學(xué)驅(qū)模型有聚合物、膠束及堿水驅(qū)、交聯(lián)聚合物、復(fù)合驅(qū)。聚合物驅(qū)動主 要是降低有水流度比，降低水相相對滲透率或增加水相的粘度。膠束表面活 性劑驅(qū)主要是降低油水界面張力。堿水驅(qū)主要是乳化增溶、離子交換、潤濕性轉(zhuǎn) 換、界面張力變化等?；瘜W(xué)驅(qū)存在著復(fù)雜的流體與流體、巖石與流體之間的胡、 互相作用的關(guān)系和物理化學(xué)變化，如吸附、流變學(xué)、離子反應(yīng)、多相流度和

17、轉(zhuǎn)換 的問題。 上個世紀 80 年代則是油藏數(shù)值模似技術(shù)飛躍發(fā)展的年代，解決不同類型油 藏的數(shù)模計算方法及軟件相應(yīng)問世，同時超級向量機的誕生，使計算機速度達到 億次，甚至幾十億次，內(nèi)存高達 1020 億字節(jié)。上個世紀 90 年代特別是后期， 油藏模似軟件各模塊功能也有了驚人的發(fā)展，主要體現(xiàn)為向一體化方面發(fā)展；即 集地震、測井、油藏工程（數(shù)模） 、工藝及地面集輸、經(jīng)濟評價等為一體的大型 軟件方面發(fā)展2。如 vip、eclipse、workbench、star 等模型，多功能一體化。 我國油藏數(shù)值模擬研究始于上個世紀 80 年代，在引進、消化、吸收國外軟 件的同時，也研制出了自己的各類軟件，如黑油

18、模型、雙重均質(zhì)模型、化學(xué)驅(qū)模 型、聚合物驅(qū)模型、交聯(lián)聚合物驅(qū)模型、混相驅(qū)、微生物驅(qū)模型等等。 目前油藏數(shù)值模似軟件基本上形成了一套能處理各種類型油氣藏和各種不同 開采方式的軟件系列3。 （1）黑油模型已被廣泛用于各種常規(guī)油氣藏的模擬； （2）裂縫模型可用來解決除砂巖以外的灰?guī)r,花崗巖,凝灰?guī)r和變質(zhì)巖的裂縫 性油氣藏開發(fā)問題； （3）組分模型用于凝析氣藏,輕質(zhì)油和揮發(fā)油藏的開發(fā)設(shè)計和混相驅(qū)的研究； （4）熱采模型用于稠(重)油油藏蒸氣吞吐,蒸汽驅(qū)和就地燃燒的設(shè)計； （5）化學(xué)驅(qū)模型用于在注入水中添加聚合物,表面活性劑,堿等各種化學(xué)劑進 行三次采油提高采收率的計算和設(shè)計。 1.3 油藏數(shù)值模擬技術(shù)

19、現(xiàn)狀 油藏數(shù)值模擬技術(shù)自產(chǎn)生以來，為推動其發(fā)展的相關(guān)技術(shù)研究從來沒有停止。 特別是近幾年來，隨著模擬技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的增強,這種研究以更大的投入、更大 的規(guī)模呈現(xiàn)；關(guān)聯(lián)學(xué)科，特別是計算機技術(shù)的進步為模擬技術(shù)的發(fā)展起到了巨大 的推動作用。因此, 目前油藏模擬的技術(shù)水平得到了顯著的提高4。 1. 3.1 并行算法 并行算法是一些可同時執(zhí)行的諸進程的集合,這些進程互相作用和協(xié)調(diào)動作從 而達到給定問題的求解5。并行算法首先需合理地劃分模塊，其次要保證對各模 塊的正確計算，再次為各模塊間通訊安排合理的結(jié)構(gòu)，最后保證各模塊計算的綜 合效果。并行機及并行軟件的開發(fā)和應(yīng)用將極大地提高運算速度，以滿足網(wǎng)格節(jié) 點不

20、斷增多的油藏數(shù)值模型。在并行計算機上使用并行數(shù)值解法是提高求解偏微 分方程的計算速度,縮短計算時間的一個重要途徑6，7。在共享內(nèi)存的并行機上把 一個按向量處理的通用油藏模擬器改寫成并行處理是容易的，但硬件擴充難；分 布內(nèi)存并行機編程較共享式并行機困難，但硬件擴充容易，關(guān)鍵是搞好超大型線 形代數(shù)方程組求解的并行化。并行部分包括輸入輸出、節(jié)點物性、構(gòu)造矩陣、節(jié) 點流動及井筒等8。 1.3.2 軟件平臺技術(shù)的應(yīng)用 軟件平臺技術(shù)的實現(xiàn)是目前油藏模擬軟件最具時代特征的技術(shù)標志。通過軟 件平臺技術(shù), 油藏模擬軟件實現(xiàn)了工作站軟件一體化, 建立了跨專業(yè)的綜合軟件 系統(tǒng)。 （1）工作站軟件一體化的實現(xiàn) 90

21、年代后 western atlas、cmg、geoquest 和 ssi 等都推出了一體化的工作 站軟件。它們使前后處理程序與主模型程序組合在一個軟件上, 使用公用內(nèi)部數(shù) 據(jù)庫, 數(shù)據(jù)使用方便。 （2）綜合軟件系統(tǒng)的建立 risc 工作站的發(fā)展不但促進了油藏模擬技術(shù)的發(fā)展, 同樣也引起了石油工業(yè) 其他專業(yè)領(lǐng)域的變革, 這樣的結(jié)果勢必引起各個專業(yè)之間更迫切希望產(chǎn)生更加緊 密的聯(lián)系下, 有一個共同的軟硬件開發(fā)環(huán)境和標準, 并通過數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用, 使各專 業(yè)間的數(shù)據(jù)資源共享, 各專業(yè)的研究人員利用同一軟件系統(tǒng),進行研究成果的交流。 1.3.3 前后處理技術(shù) 交互式模型數(shù)據(jù)輸入、多組流體特性 pvt 數(shù)

22、據(jù)輸入、交互式圖形處理與網(wǎng)格 設(shè)計、智能化幫助查錯、模擬運行進程監(jiān)控、完成數(shù)據(jù)報告與模擬圖形、三維可 視化技術(shù)等。 1.3.4 模擬技術(shù)與方法 油藏數(shù)值模擬是通過建立描述油藏中流體滲流規(guī)律的數(shù)學(xué)模型, 利用計算機 對模型進行數(shù)值求解實現(xiàn)的。 （1）一體化的多功能模型：由于油藏儲層性質(zhì)和流體性質(zhì)的不同, 油藏模擬 的模型分為不同的類型: 描述一般油藏的黑油模型; 描述裂縫性儲層油藏的裂縫 模型; 描述凝析氣藏的組分模型; 描述稠油油藏的熱采模型9。早期不同的模型是 以各自獨立的單個軟件出現(xiàn)的, 這不利于使前的油藏模擬軟件將以往的軟件改造 成模塊化、集成化的模式, 形成一體化的多功能模型。 （2）

23、精確化網(wǎng)格技術(shù)：油藏數(shù)值模擬需要建立一套網(wǎng)格系統(tǒng)以實現(xiàn)對油氣 藏空間的離散化, 通過離散空間中的網(wǎng)格塊反映油藏的地質(zhì)特征和動態(tài)情況10。 傳統(tǒng)的常規(guī)矩形網(wǎng)格系統(tǒng)目前仍較為普遍地應(yīng)用, 但在某些情況下, 它對于順應(yīng) 精細化油藏描述的發(fā)展, 更準確地反映油藏的構(gòu)造特征、儲層特征和動態(tài)現(xiàn)象, 尚存在一定的局限性11。為此, 針對不同類型的問題, 發(fā)展了不同的網(wǎng)格技術(shù), 形 成了精確化網(wǎng)格技術(shù)系列。如局部網(wǎng)格加密、雜交網(wǎng)格、非規(guī)則多變形網(wǎng)格、角 點技術(shù)、非鄰近網(wǎng)格連結(jié)等技術(shù)。 （3）數(shù)值求解方法：油藏模擬數(shù)值求解的基本過程包括三部分: 模型的離散 化; 離散模型的線性化; 線性系統(tǒng)的求解。數(shù)值求解方法

24、的研究也緊密圍繞上述 三部分內(nèi)容展開, 為達到數(shù)值求解精度高、速度快、穩(wěn)定性強的目的, 三方面均 有深入研究并有很大的發(fā)展。 1.4 本文研究的主要內(nèi)容及成果 本文針對 eclipse 油藏數(shù)值模擬軟件進行了理論研究學(xué)習(xí)與實踐操作，通 過學(xué)習(xí)，學(xué)會創(chuàng)建相關(guān)實例，管理和控制模擬運行，分析模擬結(jié)果，和創(chuàng)建模擬 結(jié)果報告。并應(yīng)用此軟件模擬黑油模型以來研究水驅(qū)效果產(chǎn)生影響的主要因素。 本文回顧了數(shù)值模擬在油藏方面的發(fā)展歷史，并在此基礎(chǔ)上闡明了目前油藏數(shù)值 模擬的技術(shù)現(xiàn)狀。 水驅(qū)效果影響因素的研究成果表明當(dāng)累積注水量一定，降低注入速度，可提 高驅(qū)油效率；當(dāng)油水相對滲透率曲線整體向右平移，采收率提高；當(dāng)油

25、的相對滲 透率曲線不變而水的相對滲透率曲線降低時，水驅(qū)采收率提高，產(chǎn)液量變化不明 顯；而含水率的變化與水的相對滲透率曲線的斜率成正比；潤濕性變化和潤濕程 度對水驅(qū)效果都有影響，親水條件下的采出程度比在親油條件下的高；親水越強， 采出程度越高，親油越強，采出程度越低，但同樣的強弱變化，親水油藏比親油 油藏受到的影響大。 第 2 章 水驅(qū)機理數(shù)值模擬研究 2.1 數(shù)值模擬基本原理 以滲流力學(xué)為基礎(chǔ)建立數(shù)值模型，即通過一組方程組，在一定的假設(shè)條件下， 考慮油藏構(gòu)造形態(tài)、斷層位置、砂體分布、儲層孔滲飽等參數(shù)的變化；流體高壓 物性變化；不同巖石類型；不同滲流驅(qū)替特征曲線（相滲） ；井筒垂直管流等描 述油

26、藏真實的物理過程。主要包括：運動方程、狀態(tài)方程和連續(xù)方程。 2.1.1 運動方程 （1）達西定律 考慮重力作用下單相流達西定律： dgp k v （2-1） 考慮重力作用下多相流達西定律： dg p k k v o o o ro o （2-2） dg p k k v w w w rw w （2-3） dg p k k v g g g rg g （2-4） 式中 w、o、g-水、油、氣相的下標； -滲流速度矢量v k-絕對滲透率 -相對滲透率 r k -相對密度 -粘度 -密度 z-垂向坐標 p-壓力 相壓力之間聯(lián)系用毛管壓力體現(xiàn)。 油水毛管壓力： （2-5） wocw ppp 油氣毛管壓力：

27、（2-6） ogcg ppp 相對滲透率和毛管壓力是飽和度的函數(shù)，可寫為： )( wrwrw skk )( grgrg skk )( ororo skk )( wcwcw skp （2-7）)( gcgcg skp 、和均可由油水和油氣兩相流動實驗數(shù)據(jù)取得，惟有需要 rw k rg k cw p cg p ro k 應(yīng)用 stone 公式計算： （2- )()( )( )()()()( srgwrw wirrow grggrogrwwrow ro sksk sk sksksksk k 8） 式中 -束縛水飽和度； wir s -油水兩相時油相相對滲透率； row k -油氣兩相時油相相對滲透率

28、。 rog k （2）相中組分 油、氣、水三種組分在三相中的存在關(guān)系可用表 2-1 表示 表 2-1 不同組分在各相中的部分密度 組 分水 相油 相氣 相 水組分 w 油組分o o 氣組分g o g -油組分在油相中的密度，簡稱油密度； o o -氣組分在油相中的密度，簡稱溶解氣密度。 g o 油相密度與部分密度的關(guān)系： o g o o oo （3）產(chǎn)量項 井點產(chǎn)量項可用以下公式表示： )(zzpp k piq bhwbh w wrw w )(zzpp k piq bhobh o o oro o o )(zzpp k piq bhobh o g oro g o （2-9） )(zzpp k p

29、iq bhgbh g grg g c e zk pi ln 2 （2-yx e 2 . 0 10） 式中-井基準面深度上的井底壓力， bh p bh z 、-網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 x、y、z 方向步長。xyz 2.1.2 連續(xù)性方程 研究流入流出單元體中質(zhì)量的變化方程。根據(jù)物質(zhì)平衡原理，流入單元體中 的流體流量減去流出單元體流體流量等于單元體流體質(zhì)量變化。 油 （2-11） t s a x va oooxo 水 （2- t s a x va wwwxw 12） 將達西定律代入連續(xù)性方程得出油、水的流動方程： 油 )()( b s t aq x d g x p b k ak xo o voo o o o r

30、o （2- 13） 水 )()( b s t aq x d g x p b k ak xw w vww w w w rw （2- 14） 其中 osc w vw osc o vo q q q q,分別代表地面條件下單位體積油藏巖石中注入或采出油 和水的體積流量。 2.1.3 狀態(tài)方程 為求解上述兩個方程中的兩個未知數(shù) p、sw，引入狀態(tài)方程： 1s s wo （2- 15） pppwocow （2-16） 解上述方程通過把微分方程離散化變代數(shù)形式來求解。 2.2 兩相滲流基本微分方程及差分方程 兩相滲流基本微分方程： t s qp k k x o o oo o ro )( )( （2- 17）

31、 t s q p k k x w w w w w rw w )( )( （2-18） pppwoc （2-19） 1s s wo （2-20） 差分方程： 油相： p t v q t ss vptpt p t v ttttptpt n joi n joi ji joi n n joi n joi o jijoioyjjoioxi joi n joi ji oyjoyjoxioxijoioxijoioyj , , , , , 1 , ,1, 2 1 , 1 2 1 , , , 2 1 2 1 2 1 2 1 , 1 2 1 1, 2 1 )( （2- 21） 式中 xx hy t ii oxi

32、j oxi 1 2 1 2 1 2 xx hy t ii oxi j oxi 1 2 1 2 1 2 yy h x t jj oyji oyj 1 2 1 2 1 2 yy h x t jj oyji oyj 1 2 1 2 1 2 hy x qq hy xv j i ojoi j iji , , 水相： p t v q t ss vptpt p t v ttttptpt n jwi n jwi ji jwi n n jwi n jwi w jijwiwyjjwiwxi jwi n jwi ji wyjwyjwxiwxijwiwxijwiwyj , , , , , 1 , ,1, 2 1 ,

33、1 2 1 , , , 2 1 2 1 2 1 2 1 , 1 2 1 1, 2 1 )( （2- 22） 式中 xx hy t ii wxi j wxi 1 2 1 2 1 2 xx hy t ii wxi j wxi 1 2 1 2 1 2 yy h x t jj wyji wyj 1 2 1 2 1 2 yy h x t jj wyji wyj 1 2 1 2 1 2 hy x qq j i wjwi , 2.3 模擬過程概述 2.3.1 定義油藏網(wǎng)格 模擬網(wǎng)格是利用地質(zhì)構(gòu)造圖和儲層厚度或三維物性模型建立的。網(wǎng)格信息也 包括井位置和完井情況。 在geoquest模擬過程中，可采用由cps

34、-3創(chuàng)建的地圖或grid和模擬網(wǎng)格程序包 （如：grid或flogrid）等來實現(xiàn)該目的。在使用flogrid時也可用property3d來建 立模型，并建立模擬網(wǎng)格。eclipse office能建立矩形和角點網(wǎng)格。 2.3.2 油藏描述 網(wǎng)格定義過后，應(yīng)將流體和巖石的物性賦給每個網(wǎng)格。而滲透率和孔隙度通 常是從測井和巖心分析中得到的，有時采用地質(zhì)統(tǒng)計來估計井間的物性值。巖石 物性如孔隙度和滲透率，有效網(wǎng)格，和別的區(qū)域定義可通過geoquest產(chǎn)品（如： grid,flogrid,flogeo和scal）來賦值。 除巖石物性之外，油藏描述還必須包括模型中每種流體的物性。對于黑油模 型，它由各

35、種流體物性（如油，水，氣等）的表（用表表示物性參數(shù)的壓力函數(shù)） 所組成。組分模型按照狀態(tài)方程或氣液平衡值來描述流體物性（描述在任一溫度 和壓力下的液體和氣體物性）。黑油物性可用pvti或在eclipse office中建立相 關(guān)式來確定，組分和熱力模型的pvt可用pvti來建立。 除pvt數(shù)據(jù)外，還必須定義巖石和流體相互作用系數(shù)（如：相對滲透率和毛 管壓力），它們?yōu)橐欢黧w的飽和度的函數(shù)。其數(shù)據(jù)來自實驗室的特殊巖心分析 （scal），而在沒有實驗室數(shù)據(jù)時常采用相關(guān)式。 油藏初始壓力和流體的飽和度數(shù)據(jù)來自測井資料和不穩(wěn)定試井。飽和度分布 通常通過定義流體接觸面來模擬（如：goc，woc，wgc）

36、并允許利用毛管壓 力數(shù)據(jù)來求解油藏條件。在這種情況下，可把飽和度分布圖用作qc工具。 pvt，scal和初始數(shù)據(jù)可在利用grid,flogrid,scal的模擬網(wǎng)格中應(yīng)用到。 eclipse office也提供了一種簡單的方法來給模擬網(wǎng)格賦值。 垂向流動動態(tài)（vfp）表一般用于定義井底壓力到井口壓力的關(guān)系，這些關(guān) 于井底壓力和井口壓力的表利用到了流量，流體物性和組分，以及套管和油管特 征。vfp表通過井口或別的非井底壓力（模擬過程中）來控制油井。我們可以利 用eclipse office提供的關(guān)鍵字編輯器手工輸入或vfpi來創(chuàng)建。 在該步中還要求提供布井位置，生產(chǎn)情況，事件和時步數(shù)據(jù)等。另外，

37、與時 間相關(guān)的數(shù)據(jù)在eclipse office中還可以手工輸入。 2.3.3 選擇模擬模型 接下來的步驟是選擇恰當(dāng)模擬模型。模型可按經(jīng)典分為黑油模型或組分模型。 使用那一種模型主要取決于模擬過程所包含的流體類型和他們的物性。例如：對 于較高的濕氣，凝析氣，以及揮發(fā)油，黑油模型通常不會給出精確的結(jié)果。 另一個重要的因素是油藏的裂縫和井，如：天然裂縫和水力壓裂裂縫，井的 類型（如：垂直井，水平井，斜井等），另外還要考慮一些特殊的情況的模擬(如： 熱采過程、eor過程、流線模擬等)。 geoquest提供的模型有：黑油、組分、熱采以及流線模型等，并且完全兼容 在eclipse office中。 2

38、.3.4 求解壓力和飽和度值歷史擬合 油藏模擬器是用于計算流體飽和度和網(wǎng)格壓力隨時間的變化。若已知生產(chǎn)情 況，調(diào)整模擬以使井的產(chǎn)量或注入量以及模擬預(yù)測的壓力與油田的實際數(shù)據(jù)大慨 一致。這是一個反復(fù)迭代的過程，稱為“歷史擬合”。歷史擬合過程通常涉及改變 模擬中可信度最低值（如：孔隙度、滲透率、相對滲透率等）和將模擬預(yù)測的結(jié) 果與已知的產(chǎn)量和壓力值進行比較。雖然現(xiàn)代模擬器如simopt通過鑒定那些會對 結(jié)果產(chǎn)生重大影響的參數(shù)來加快確定解與不同油藏和流體參數(shù)的敏感性，但經(jīng)驗 和實驗仍常用在這一過程中。 2.3.5 預(yù)測和優(yōu)化將來的產(chǎn)量 一旦模擬的模型被調(diào)整好，則可添加將來的井和適當(dāng)?shù)募s束條件并且運行

39、模 型直到油藏枯竭。這可能是當(dāng)前操作的簡單延續(xù)或采取提高采收率的措施（如： 鉆加密井或采用不同的驅(qū)替和保持地層壓力的措施）。通常從眾多的開發(fā)方案中 選出“最好”的方案來繼續(xù)開發(fā)油藏。 eclipse office也提供了建立和分析優(yōu)化油藏開發(fā)方案的工具。 第 3 章 eclipse 數(shù)值模擬軟件研究 3.1 office 的主要模塊 eclipse office包含五個主要的模塊：case manager, data manager, run manager, result viewer和report generator. （1）data manager data manager使用戶可以使用

40、所有的模擬器和基本部分 flogrid，schedule，scal和pvti的關(guān)鍵字。 （2） case manager case manager主要保持運行和圖形顯示間的關(guān)系。 （3）run manager run manager提供了啟動、監(jiān)視和控制模型運行的環(huán)境。run可在單機或基于 服務(wù)器上運行。使用run manager可以監(jiān)視曲線和解顯示的進程，如果是不要求 的結(jié)果，那么終止運行。 （4） result viewer result viewer顯示二維或三維的模擬結(jié)果。也可以顯示解的結(jié)果和取代graf來 顯示曲線圖形。來自多個運行的結(jié)果也可以同時顯示以達到比較的目的。 （5） re

41、port generator report generator用于創(chuàng)建來自總結(jié)文件或prt文件的相關(guān)信息的報告 3.2 office 模塊的操作過程 利用數(shù)值模擬軟件來進行計算研究時，首先要做的就是在被研究的油藏上 “切下”需要研究的部分，建立地質(zhì)模型，取出其中的一部分井組作為研究的對象， 將地質(zhì)模型分割為一定數(shù)量的網(wǎng)格，根據(jù)軟件的要求給出相關(guān)的資料。 office 模塊可作為一個完整的模擬環(huán)境，對于前期地質(zhì)模型的建立和網(wǎng)格的 設(shè)計，諸如網(wǎng)格數(shù)量、所處深度、尺寸、位置、坐標等資料的確定，可通過其它 軟件（如 geoquest 模擬軟件）設(shè)定。 3.2.1 數(shù)據(jù)資料準備 1.打開新文件 2.模型

42、的定義 3.grid 部分網(wǎng)格參數(shù)的輸入 4.pvt 部分流體的定義 5.scal 部分飽和度的定義 6.初始化部分對模型進行初始化 7.region 部分數(shù)模區(qū)域資料 8.schedule 部分有關(guān)井的資料 9.summary 部分定義模型需要輸出的關(guān)鍵字 3.2.2 data manager 界面 圖 3-1 data manager 主界面 圖 3-2 pvt 屬性定義 圖 3-3 相對滲透率曲線定義 3.2.3 模擬過程的運行 在 office 的界面上點擊 run manager，選用 submit/runs 命令或直接點擊， 運行模擬過程，并通過 log 窗口監(jiān)測運行過程，獲得有關(guān)

43、模擬的信息。 選擇 monitor/summary vectors 將所選的輸出參數(shù)展示在坐標圖上，為每一個 報告時間步生成一個圖表，利用 lineplot/field/production rate 可展示模擬得到的 油、氣、水的產(chǎn)率曲線，運行完成之后退出此界面。 圖 3-4 run manager 主界面 圖 3-5 run manager 運行計算界面 3.2.4 log widow 界面 圖 3-6 log 窗口界面 3.2.5 result viewer 界面 圖 3-7 模擬得到的油、水、氣產(chǎn)液速度對比曲線 3.2.6 報告和結(jié)果的生成 1、模擬的報告 在 office 界面下點擊

44、 report，選擇 file/open current case/prt.打開模擬過 程的 prt 文件，在 report 的下拉菜單中選擇 errors，添加到列表生成報告（如果 運行過程是成功的，則在 report generator module 界面下的 errors 顯示為灰白 色） ，點擊 output 得到報告的具體內(nèi)容。 如果運行過程是成功的，在 report 的下拉菜單中選擇 prt reports，在 reports 選項中選擇要輸出的時間段，在 keyword 選項中選擇要輸出的關(guān)鍵詞，添 加到列表，得到一個可利用的報告在這里，操作者可根據(jù)自己的需要，點擊界面 下部的

45、write 按鈕，將所生成的報告以文件的形式輸出來。如圖 3-8 所示 圖 3-8 模擬結(jié)果報告 2、模擬的結(jié)果 選擇 office 界面下的 result 選項，在菜單 file 中選擇 open current case/summar 打開無格式的報告，進入 extract/load summary vectors 界面，選 中界面頂部的 read all summary vectors 和 read all reports 選項，點擊 load 按 鈕。在 result viewer module 界面下選擇 lineplot/field/production rate 就可看到 油、氣

46、、水的參數(shù)關(guān)系圖。通過 lineplot 下拉菜單的 user或直接點擊來選擇需 要輸出的參數(shù)，使它們互相結(jié)合在同一坐標系中，形成關(guān)系曲線 。 圖 3-9 輸出的參數(shù)曲線 圖 3-10 模擬結(jié)果的二維視圖 圖 3-11 模擬結(jié)果的三維視圖 第 4 章 水驅(qū)效果的影響因素數(shù)值模擬研究 4.1 注入速度對水驅(qū)效果的影響 4.1.1 一次水驅(qū) 三個相似的巖心柱飽含重油和束縛水。接著每個巖心柱分別以特定驅(qū)注入速 度 20 ml /h、10 ml /h、1 ml /h 進行水驅(qū) 。這相當(dāng)于前緣速度分別為 0.21 m/d，0.42 m/d,0.02 m/d 。這些巖心柱的性質(zhì)是顯示在表 1,采收率曲線如

47、圖 4-1 所 示。 表 4-1 一次氺驅(qū)的有關(guān)參數(shù)和采收率 ow (ml/h) l （cm） pv (cm3) （fraction） k (d) sw (%) ooip （cm3） rot (%ooip) rafterbt (%ooip) 2017.2071.750.3662.7610.3364.348.1916.49 1016.9568.700.3562.7910.6161.4112.3921.06 117.5571.010.3552.7910.3463.679.6325.33 圖 4-1 不同注入速度的采收率 圖 4-2 含油飽和度的變化 在早期開采的速度是很高注入量少于 1 孔隙體積(

48、pv)時，這個時間對應(yīng)的 見水前階段。注入水通過低阻力孔道，使得在水驅(qū)的早期就見水。圖 4-1 顯示在 見水后很多的油后仍可采出。為了比較在一個相同的注入體積，三個以不同的速 度注水的巖心的采收率，表 4-1 中見水后采收率值是注水量外推到 5 個孔隙體積 (pv)時的。 表 4-1 列出了三個實驗見水前和見水后的采收率。在第一個孔隙體積的水注 入時，巖心內(nèi)形成了很高的壓力梯度，在注入速度最大時，壓力梯度也達到最大。 然而，仍然沒有足夠的證據(jù)顯示注入速度和在見水后時的采收率的關(guān)系。見水時 的采收率是確定的，因為采收率的因素在采液曲線開始下降。在統(tǒng)計這些數(shù)據(jù)存 在著系統(tǒng)誤差，特別是在注入速度很低

49、時曲線是很平緩，就更容易出現(xiàn)。即使存 在這種不確定的因素，也能證實粘滯即使有 10 倍強也不能對見水后的采收率產(chǎn) 生影響。像水驅(qū)前緣的不穩(wěn)定性和粘性“指進”等因素抵消了將較高的粘滯力的改 良的效果，總的來說，見水后的油的采收率很低。 從圖 4-1 可以得出一個更重要的結(jié)論：在見水后的采收率和減少注入速度有 明顯的關(guān)系。三個巖心在水驅(qū)中壓降都很小，說明在見水后的采收率 不是由于 粘滯力的作用。而是在較低的注入速度下，此時粘滯力雖對采收率有點貢獻但毛 管力的作用更加的明顯，毛管力起到的了提高采收率的主要作用。如果在見水前 采收率不能有效的提高，那么特別是在一次采油后的二次注水開發(fā)中，見水后的 采收

50、率就是需要考慮的最重要的參數(shù)了。在圖 4-1 中見水后最佳的采收率是可以 通過低速的注水來實現(xiàn)的。 必須強調(diào)的是在這三個巖心的水驅(qū)中，在見水后的采收率的提高主要是在含 水率大于 90%時。即使是在毛管力很大時，大部分的水相僅僅是通過水相連續(xù)的 吼道。所以見水后的采收率很低，這就要求在現(xiàn)場油田中要處理好、利用好水驅(qū) 用的水。一個很重要的檢測項目是含水率（或者是歸一化的產(chǎn)油量）在很慢的注 水速度下對注入速度不敏感。這就更進一步證明，毛管力可以對提高水驅(qū)的效率。 可以推測，吸滲作用的影響可以用來解釋產(chǎn)量的變化，但是需要更進一步證 實見水后的產(chǎn)量的提高的確是由于吸滲作用引起的。為了進一步證實這種假設(shè),

51、在 水驅(qū)的過程需要記錄 ct 圖像資料。圖 4-2 的描繪了在快速注水和低速注水時， 油的飽和度隨著巖心柱的長度的變化而變化的情況。液體的飽和度的主要通過 ct 圖像的密度來體現(xiàn)的。隨著水驅(qū)替油，水相的密度是增大的。在相同的位置 拍攝的 ct 圖像（在相同的孔隙度下），水相的密度增大是和那個位置油相的飽 和度的減小直接相關(guān)的。圖 4-2 的 y 軸其中分別表示，原始含油飽和度和即時的 油相飽和度。油相的飽和度發(fā)生越大的變化說明有越多的油被驅(qū)替出。 在高速的注水條件下，有更多的入口端的油被驅(qū)出。（因為圖中的 在這 個區(qū)域更大的）。在見水前，由于水相的注入故油相不能很快的流出。隨著巖心 中壓力的上

52、升，水相在入口端處聚集，所以油相在這個區(qū)域的變化較其他區(qū)域更 大。在高速注水的條件下，水在巖心中很快形成“指進”，見水后的水相就從這些 低阻的孔道通過。采收率在這些區(qū)域就會比較的低。 相反，在低注入速度的整條曲線上，原油的驅(qū)替較為穩(wěn)定、均一。這個過程 比較重要的是：在見水后，水減少從那些低阻的水道通過而從先前繞過的孔道通 過。這樣，波及的范圍就會較大，整體的采收率也會比較的高。 高速和低速注水的橫截面的 ct 圖像顯現(xiàn)的含水飽和度是不同的（圖 4-3）。 高速和低速注水的含水飽和度分別在圖 4-3 的左部分和右部分。對于每個巖心， 一組的圖像顯示的是巖心不同位置的情況，注入端在左側(cè)，產(chǎn)出端在右

53、側(cè)。每排 代表不同的時間，所以隨著水驅(qū)的進行，輸出的圖像就代表水驅(qū)前緣的位置。第 一排的圖像是在束縛水時獲得的，最后一排的圖像是在水驅(qū)完成時獲得的。 圖 4-3 ct 圖像顯現(xiàn)的含水飽和度 在高注入速度的水驅(qū)過程中，高含水地區(qū)（圖中黑色）在第三個時間段發(fā)展 成為整個巖心這就是水的“指進”導(dǎo)致很快見水。這些低阻力帶的周圍是一小 塊一小塊的中度的含水飽和度（圖中是明亮的），最外面的是飽含油的部分（圖 中是灰色）。隨著水驅(qū)進行，水的飽和度在水低阻力帶的周圍的一小部分增加。 在高速的注水下，見水后的采收率的提高主要靠驅(qū)替水低阻力帶孔道周圍的原油 被驅(qū)替走或剝落下來。 在低速注入水的情況下，含水飽和度在

54、整個巖心都是較為均一的增加。必須 指出的是：水驅(qū)開始后仍然很快就見水了，說明這不是簡單因為粘滯力下降。由 ct 圖像可以看出，是因為即使在見水后（粘性“指進”理論就不再適用了）整個巖 心的含水飽和度上升十分緩慢。中度的含水飽和度分布在巖心的所有部位，接著 是高含水飽和度分布在巖心的大部分區(qū)域。正因如此，在巖心的全部部位都是高 含水飽和度（圖 4-2）。隨著毛管力作用的增加，水就可以驅(qū)替可動的原油形成 整體較好的驅(qū)替效率。 4.1.2 二次水驅(qū) 低注入速度可以形成在整個巖心有較好的驅(qū)替效果，這點可以從脫氣原油的 注水動態(tài)看出。不過在見水前，粘滯力在產(chǎn)量中也有些作用（表 4-1 所示）。因 為有少

55、量的氣體在一次水驅(qū)中起脫出，所以在二次水驅(qū)中見水前的采收率要更低 些。所以，實驗要研究的是相同的驅(qū)油理論能否適用二次水驅(qū)。 用前面所述的方法準備兩個大巖心（標記為 a,b）。但是用氣原油而不是脫 氣原油驅(qū)替水相直到束縛水飽和度。在二次水驅(qū)之前這些巖心已經(jīng)經(jīng)過一次采油 了。這些巖心的性質(zhì)和一次采油的采收率在表 4-2 中。為了比較在同樣條件下的 一次采油和二次采油，在同樣尺寸的巖心 c 中進行一次水驅(qū)，只是巖心飽含的是 脫氣原油（和表 4-1、巖心 a、b 的含有飽和度一樣）。巖心 c 的性質(zhì)在表 4-2 中。 表 4-2 氣原油替水相直到束縛水飽和度 sandpackabc length(cm

56、)115118115 diameter(cm)8,898,898,89 pore volume(cm3)2,5922,6802,477 porosity(fraction)0,3630,3660,348 permeability(d)3.03.83.9 swf(fraction)0.0890.0860.081 ooip(cm3)2,3602,4512.277 solution gor11.612.4na live oil viscosity4,2453,759na depletion rate2.42.4na primary recovery20.427.0na 利用文獻中的方程可以計算出在一

57、次采油結(jié)束時的含氣飽和度。這個方法類 似于分析水驅(qū)脫氣原油系統(tǒng)：在束縛水一定的條件下，同一截面內(nèi)隨著含氣飽和 度的增加及含水的飽和度的下降，密度也隨之下降。圖 4-4 的曲線是含氣飽和度 和在不同時間下整段巖心 a 的關(guān)系。其中長度=100 是表示巖心的生產(chǎn)段端。 值得一提的是，自由氣最先是在整個巖心段。這意味著在整個巖心段都有脫 氣現(xiàn)象，這也在以前很多關(guān)于液體研究被測出。在更長的巖心中，氣體只有在靠 近生產(chǎn)端時才從原油中脫離出來。這個不規(guī)則的含氣飽和度曲線可能是由在巖心 中連續(xù)的掃描的微小的不同或者是巖心的非均質(zhì)性引起的。但是總的來說，有個 很明顯的趨勢：含氣飽和度在巖心的生產(chǎn)端增大（也就是

58、更好的產(chǎn)量）。這個飽 和梯度在更長的巖心就更明顯。在一次采油結(jié)束時，整個巖心段自由氣的含量在 0.18-0.30。 圖 4-4 含氣飽和度和在不同時間下整段巖心 a 的關(guān)系 在巖心 b 中也有相同的結(jié)果，整個巖心段自由氣的含量在 0.18-0.30。可以得 出的結(jié)論是：在兩個巖心中自由氣體很多，在整個巖心中含氣飽和度分布不是很 均勻。如果在儲層的規(guī)模上，注水井比生產(chǎn)井多，那情況將和上述的脫氣原油的 情況類似。在圖 4-4 中整個巖心段都是高含氣飽和度是代表一種“最糟糕的情形” 或是一種生產(chǎn)井和注水井之間有低阻的滲流孔道例如條蟲狀氣孔。水相開始驅(qū)替 這些飽含油和大量天然氣的孔隙。 水相以固定的速

59、度注入（前面的是速度是 0.011m/d）。從圖 4-5 可以看出， 壓力恢復(fù)到大約 70kpa，然后見水后下降。巖心 c 在一次采油中，壓力恢復(fù)到 220kpa 時見水。從表 4-2 可知這些巖心的孔隙度和滲透率，以及在水驅(qū)開始時的 油粘度都很相近。不同 的是在見水前的最大壓力，表明在巖心中飽含有粘稠的 油相，注入水將自動選擇最低阻力的孔道（也就泄油的途徑）通過，這主要取決 于巖石的潤濕性。氣體比油相的易流動以及一些氣泡聚集成串，這些區(qū)域的具有 就高的流度比。 圖 4-5 水驅(qū)開始時的油粘度 在二次水驅(qū)是壓力首先是升高的，意味著在整個巖心段的含氣飽和度雖然很 高但是氣相不是連續(xù)相。但是，一次

60、水驅(qū)和二次水驅(qū)的重大不同點是見水時并沒 有伴隨著產(chǎn)量的提高。所以，盡管氣相不是連續(xù)相，較高的含氣飽和度導(dǎo)致液相 重新分布及只產(chǎn)水不產(chǎn)油。在這種情況下，在見水后，油是在很高的含水率下產(chǎn) 出的。 表 4-3 巖心 a 和 b 的注入量和產(chǎn)液量 ab pore volume2,5922,680 oil produce during prinary depletion 481.10661.34 difference between injected254.67272.33 volume of gas displaced254.67272.33 gas saturation remaining0.087