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大型、复杂、高精度的油气藏模型数值模拟技术

□ 李宝全 / 斯伦贝谢科技服务(北京)有限公司

前言

油气开采的历史是石油科技进步的演化史,同时也是计算机技术的发展史。在2000年以前,以衰竭式开采为主的一次采油技术基本满足了全球石油的供应;但是进入2010年以后,随着经济发展对石油需求的日益剧烈,全球范围内以注水开采为主的二次采油技术、提高采收率为目的三次采油技术与以页岩气藏为代表的非常规油气开采技术越来越起到关键性作用。而在我国,这种供需矛盾日益突出,原油对外依存度高达55%,这就要求对老油田剩余油进行细致挖潜、对非常规油气藏进行深入研究以及对深海领域油气藏进行精细描述。

目前我国的油气藏开发研究大致形成了下面8项关键技术与研究目标:(1)以早期分层注水与分阶段逐步调整为特征的综合水驱管理技术;(2)以聚合物驱、聚表二元驱与碱表聚三元复合驱为主体的化学驱提高采收率技术;(3)以高分辨率地震解释与井震约束建模的复杂断块油气藏滚动开发技术;(4)以超前注水、整体压裂与井网井距优化为特征的低渗透油气田高效开发技术;(5)以蒸汽吞吐、蒸汽驱、蒸汽辅助重力驱为特征的热化学驱稠油开发技术;(6)以丛式井、大位移井以及复杂结构井为特征的海洋油气田开采技术;(7)以碳酸盐岩、火山岩复杂气藏以及凝析气藏注气为特征的配套天然气开采技术;(8)当前以地质甜点与工程甜点为目的、以多级压裂、地应力分布为特征的非常规油气藏开发技术。在这些研究技术中,油气藏数值模拟技术扮演着举足轻重的角色,可以用来进行油气藏开采机理研究、油气生产动态跟踪与地质描述特征校正,也可以用于开发方案可行性论证,进行现代油气藏经营管理。

一、高精度油气藏模型数值模拟技术

在传统的油藏工程中,并没有考虑储层空间上的不连续性与非均质性,油气藏工程以均质油藏模型为对象,以基本渗流理论为依据,以实际统计规律为背景,形成经验解析公式;在传统的数值模拟研究中,由于计算机能力限制,通常要先对精细的地质模型进行粗化,部分地质特征就会在不经意中被忽视掉,从而导致了空间上认识不足,形成了“定性尚可、定量不足”共识。那么什么是精细油气藏数值模拟技术?我们可以用这样一个比喻来描述,可以把先前的医学X光透视技术认为是传统的数值模拟技术,可以把当前的医学CT扫描技术当作是精细数值模拟技术,那么从X光透视到CT扫描就是随着病情复杂程度而进行医用选择;而当前我国石油行业的“病情”也在蔓延,这也就需要对油气藏进行全区高精度模拟研究,深入理解流体流动规律,提出更高效的开发方案,最大化采收程度与经济效益。

 

在油气藏开发与动态预测中,油藏数值模拟在高效开发与提高采收率中占据至关重要的地位。在国内,绝大多数的油田以陆相碎屑岩沉积为主,气田还有大量的海相碳酸盐储层与火山岩储层,并且具有严重非均质与较低渗透率特征。油田注水开采过程会过早形成水突破,而气藏在衰竭开采中也可能会形成较快水锁或水淹,采收程度往往会较低,不能持续稳产。为了明细地下流体流动规律,借助强大的计算机硬件系统与新兴的先进数值求解算法,实现对高精度地质模型进行数值模拟运算研究,更精细地刻画油藏特征,更准确地描述油气水分布规律。

目前,我国老油田正在经历高含水期,以采出程度高、综合含水高、综合递减高与储采比低为特征,剩余油分布呈现高度分散、相对集中特点;我国非常规油气藏储量大、埋藏深、超低渗,其中陆域页岩气可采资源潜力为25万亿立方米,这种从“毛细管中采血”开采方式严重着依赖水平井技术完井与多级压裂技术;油气藏开采中存在着诸多的不确定性,从地震到地质,从油藏到油井,我们要更精细量化储量、品质、产能与采收率,进行油藏与生产优化研究;这就要以技术集成与一体化平台为基础,以现代化油藏经营管理为理念,以油藏模拟为生产管理手段,不断认识与经营油气藏,实现最小化勘探成本、加速增储上产、最小化操作成本、最大化产能、最大化采收率与延迟报废时间。

二、从地震解释到生产的一体化平台

我们深切地知道,从油气藏的发现、评价到生产、废弃,这是一个滚动勘探与开发的过程,通过不同学科之间的深入与协同,不间断地加深认识,并逐渐地在逼近“真实”的油气藏。同时运用现代的计算机技术,在三维可视化虚拟世界中研究并还原油气藏开发全过程,更高效进行油气藏经营管理。在这其中,要涉及各个专业领域研究,如地震构造解释与叠前叠后反演、测井解释与地层对比、沉积微相与裂缝特征描述、储量定量化与油藏工程分析、数值模拟运算与开发生产优化,这里是连锁反应、环环相扣、互为因果、不断反复。

斯伦贝谢公司提供了一个拥有专业独立知识产权、高度集成化、运转高效的、从地震到生产一体化研究的Petrel平台。当前,在Petrel 油藏工程界面下,实现了油气藏数值模拟过程界面化操作与成果应用,以INTERSECT与ECLIPSE模拟器为幕后计算引擎,完成从地震到生产的不确定性研究,最终获得最优化开发方案。

三、INTERSECT高级数值模拟运算器

斯伦贝谢公司INTERSECT油气藏数值模拟器是于2000年开始与美国Chevron雪佛龙公司一同研发,集两家公司油气藏专家经验、应用数值分析专长与计算机语言专业知识;2004年法国Total道达尔公司加入INTERSECT稠油热采模拟技术的研发;2005年斯伦贝谢专家正式在SPE文献上论述了INTERSECT模拟器中的求解技术;2010年释放第一个商业化版本并陆续被许多用户应用;2012年Total道达尔公司正式成为了INTERSECT合作伙伴。INTERSECT是当前最先进的油气藏数值模拟运算器,以Petrel RE为其前后处理环境,与Petrel地震解释与地质建模完美无缝连接。

1、AMG-CPR代数多重网格与压力残差预处理技术

我们知道伴随矩阵方法是求解梯度计算的最有效的方法,与基于梯度计算的优化技术相结合,可以用来求解生产预测问题与历史拟合问题;这个将被求解的伴随矩阵则是全隐式模拟器中雅可比Jacobi矩阵的转制矩阵,是一个线性方程组。对于大型或复杂的油藏模型来说,广义上的预处理方法求解伴随矩阵方程被证明是不可行的,不容易收敛,计算非常耗时;需要更有效的方法加速收敛,提高运算效率。

约束压力残差CPR(Constrained Pressure Residual)预处理求解技术是由Wallis在1983年提出的,而Nested-factorization “造巢”分解技术也于1983年由Appleyard提出,后者则是在ECLIPSE中被广泛采用的技术;而前者衍生出的JALS解法也于2008年被引入至ECLIPSE Thermal热采模拟中。在2005年,斯伦贝谢、斯坦福大学、Wallis咨询公司与雪佛龙公司专家将约束压力残差CPR预处理技术与代数多重网格AMG (Algebraic Multigrid)线性解法器相结合,更高效地求解复杂地质模型中的压力方程,表现出了卓越的性能;并引入至INTERSECT (IX)模拟器中;随后,并将AMG-CPR技术与灵活的广义最小化残差FGMRES技术相结合,加速收敛,减少线性迭代次数,更有效地求解伴随矩阵。

经过严格对比与测试,Nested-factorization “造巢”分解技术在多数常规模型上是非常成功的,这也是ECLIPSE引用它的主要原因;而ILU分解技术与Jacobi直接求解技术则表现很差;但CPR约束压力残差控制方法具有很强的竞争力,尤其是在热采、非结构化网格与非均质性这样的复杂问题上;而AMG-CPR结合则具有更好的并行扩展性,尤其适用于大型、复杂的油气藏模型。

2、更加高效的并行剖分技术

单纯的非线性方程组与线性方程组求解方法的改进不能满足油藏数值模拟应用要求,基于现代集群技术与并行运算技术可以更显著提高油气藏数值模拟的性能,更好地满足油气田开发应用需求。常规相对直接的区域剖分方法,通常沿垂直于X或Y方向将笛卡尔网格分割成若干个区域,每一个区域包含大致相同数量的网格数,同时最小化每一个区域表面积。但是,实际上网格不仅要反映岩石构造性质,如断层、层位;同时要充分捕捉流体过渡区域,如水相前缘、气体突破、温度分布以及近井水锥。此时,从网格区域剖分开开始,IX就是一个先天性的非结构化的模拟器。INTERSECT引入了ParMETIS进行区域剖分,这是一个被证明的、并被广泛应用的区域剖分方法库,可以快速解决对大系统的区域剖分问题,其实本身它也是一个并行算法。我通常会将线性系统里非常连通的网格保留在同一个计算处理器中。一个启发式的做法是选择出高连通性或高权重网格,然后扩展至周围网格,但这也可能产生多中组合。在IX中利用网格之间传导率来指导并行区域剖分,因为传导率则是两个网格之间关联性的非常好的指标,在负载平衡准则中对每一个连接赋上权重。井数与井位在高效并行运算中是一个非常大的挑战,这些井通常不是均匀分布的,同时完井也是跨越广泛的距离。因此,井的处理方法是:第一,是在网格并行剖分时,尽可能确保井在同一个计算处理器求解区域内,但是可能会导致负载不平衡问题;第二是采用将并行井问题与网格分离技术,井是第一级的并行实体,只在井轨迹连接的处理器区域内并行求解。

3、更加严格的方程收敛性控制标准

通常在很多的模拟器中,黑油模拟器的收敛判断标准与组分模拟器的判断标准不一样。黑油模拟器采用的是F(x) 绝对值要足够的小,要小于设置的界限;组分模拟器收敛准则是靠∆x足够小进行判断;但是INTERSECT采用的是两者组合的模式,也就是说F(x) 与∆x都要足够小,同时INTERSECT中对求解变量压力、饱和度、摩尔分数变化都做了更严格的收敛控制标准。

4、基于XML格式与C++语言程序

INTERSECT不是基于传统的Fortran公式翻译程序语言进行编制,而是采用面向对象C++高级计算机语言,继承了处理运行速度快、类层次结构设计、标准定义严谨细致与语法思路分明并相互应的优势;同时以灵活的XML格式传送与携带数据信息。

四、典型应用实例

这里,INTERSECT油藏数值模拟器主要用来求解诸多复杂的地质、油藏与生产井问题,如:不粗化的精细油气藏地质模型、具有大量的开发井数全油田模型、多分枝井与复杂结构井流动特征、稠油油藏热力采油全区模拟与蒸汽腔刻画、聚合物为代表三次采油技术驱油效应、基于非结构化网格的水平井多级压裂技术、凝析气藏/挥发油藏与CO2混相驱中组分变化规律以及油藏、井筒与管网一体化耦合应用。

1. 应用实例-碳酸盐岩

这是一个带气顶的碳酸盐岩油藏,此地质模型共有230万网格,150多口井,25年生产历史;因为是双重介质模型,所以存在大量的非相邻连接,对油藏数值模拟而言,是一个非常大的挑战。

从计算结果上看,INTERSECT模拟器32路并行运算只需1.1小时,64路并行仅需0.7小时,表现出卓越并行效率;就标准模拟器而言,32路并行运算则需要18小时。

对比INTERSECT与ECLIPSE结果,则会发现全区压力、全区油气水产量、全油田含水率与全油田气油比都与ECLIPSE标准模拟器保持了高度的一致性。

2. 应用实例-凝析气藏

这是一个凝析气田,总储量为10万亿立方米,深度约4000米,储层压力超60兆帕,温度为108摄氏度,凝析油含量为400克/立方米;地质模型具有很强的非均质性,平均渗透率为1豪达西,平均孔隙度为16%,共490万网格,1100口井;流体共8个组分,共28个平衡分区,2个PVT分区;预测32年。

从计算结果上发现,INTERSECT模拟器32路并行只需4个小时即可完成数值模拟运算,而这个值是8路并行运算时间的近3倍,表现出了良好的并行扩展性。

3. 应用实例-复杂井

INTERSECT中运用了多段井模型技术描述复杂井的拓补结构,可以更准确地诠释水平井、多分枝井以及具有井下工具的复杂结构井。

INTERSECT数值模拟器可以更高效地对非结构化网格模型进行求解运算,从而可以更好地解释近井地带流体运移特征与以及评估页岩气藏水平井多级压裂后效果与压力及流体分布规律。

结论

斯伦贝谢INTERSECT自适应模拟器具有非常高效的并行运算性能,统一支持结构化网格与非结构化网格;能够对上亿、甚至10亿网格模型进行数值求解;能够满足大型、复杂、高度非均质油气藏模拟运算需求,使油藏工程师真正实现与地质工程师共享地质模型精度的梦想;同时基于Petrel平台,真正实现地震与地质、地质与油藏一体化综合研究,更高效、深入、细致挖掘全油气田开发生产潜力。

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