油藏數值模型是指油藏數值模擬中建立的各種模型，主要包括黑油模型、組分模型、熱模型等。
基本介紹
- 中文名：油藏數值模型
- 外文名：Reservoir numerical model
- 專業：石油工程
- 學科：油藏數值模擬
- 分類：黑油、組分和熱模型
- 目的：研究剩餘油等油藏參數
模擬模型的設計,模型的幾何形態,分類,建立模擬的格線系統,模型建立,
模擬模型的設計
一旦做出進行模擬研究的決定，接下來的一步就是設計模擬模型。這一階段意味著要選擇幾何模型，一維、二維還是三維，和用哪種模擬模型，比如黑油模型、組分模型、混相模型、熱采模型，還是化學模型等。
因此，有一系列的因素要考慮到，下面簡單列出一些:
(1)油藏的開採過程。這是最重要的一個參數，因為模型必須重現油藏的主要驅動機理。這會影響到所用的模型種類和細節的詳細程度。例如，當主要驅動機理為油水驅替過程，黑油模擬就可以了，但另一方面，模型必須在水平方向和垂直方向上都有足夠精確才能恰當地再現驅替前緣的複雜幾何形態。
(2)可用資料的質量與種類。這些會影響到模型可以細緻到何種程度，根據很少的和質量差的數據建立的複雜油藏及流體描述，可能會嚴重誤導並產生不真實的結果。
(3)需要解答問題的類型。大多數的研究中，要求的是相對簡單的結果，油、氣、水生產曲線。這種情況下，即使油藏內發生複雜的烴相互作用，黑油模擬模型可能就足夠有效了。然而，對同一油藏，如果產出物的相組成也被要求模擬的話，就必須進行組分模型的模擬。最終結果的精度要求也將影響模型的設計。
(4)可用資源。研究工作必須考慮到人力、金錢及技術資源，不考慮整體的工作量、人員水平、軟體、硬體和預算的限制，就開始研究工作是危險的。
這一初始分析將對確定某一具體研究所要求的複雜程度會有幫助。基本原則就是模型設計階段應該得到一個能夠滿足研究目的最簡單的模型。
模型的幾何形態
模型設計的第一步是定義模型的幾何形態。有數種幾何模型可以套用(右圖)，最常用的有以下幾種(Mattax and Dalton, 1990)
(1)一維模型。這種模型在油田研究中從未用過，因為它們不代表實際的油藏幾何形態，並且不能模擬驅替過程。但它們可用於研究模型對某種油藏參數變化的敏感性，以及實現油藏岩石物理性質的動態放大。
(2)二維剖面模型。它們用在垂向驅替過程的研究中，例如，邊水注采或頂部氣注采的研究。
(3)平面二維模型。這種模型可用在研究油藏中流體的流動以平流為主，與垂向的非均質性無關時的情況。這種模型主要用在注水模式的研究中，也可用在研究重力作用可忽略的溶解氣驅油藏。大多數情況下，這些模型須用偽函式來代表垂直流動。
(4)徑向模型。這種模型限制在井周圍的地區，並且通常用來評價具有大垂直梯度的單井生產行為。典型的套用是研究直井或水平井中的水和氣的錐進作用。
(5 )三維模型。這是最常用的模型。它們可以解釋油藏中實際地質及岩石物理性質的分布，因此，可用在有嚴重的水平或垂向的非均質儲層中。總的來說適用在地質比較複雜難於用二維模型進行描述的地區。理論上講，這些模型可用來表示油藏中的任何採收過程，唯一的限制是總格線數，也就是描述的細緻程度的限制。
顯然，全油田三維模型是綜合研究的選擇，因為整個油藏可以被有效地建模。而且，這種方式可綜合所有能獲得的靜態信息和動態信息。
但並不是所有情況下都需要進行全油田建模研究，特別是那些大的老油氣田。因為要處理的數據量和數據質量使建立可靠的模型很困難。這種情況下，用小範圍的現象研究，結合傳統的油藏工程方法也許是明智的選擇。
另一些情況下，幾種模型相結合的方式證明是一種可靠的方法。例如:二維現象研究的結果與隨後的粗略一些的全油田三維模型相結合。流線模型也可以與三維模型相結合，Brink-manetal .(1999)介紹了一個優秀的多相注CO2開採模型建立的實例。
分類
不同模擬器用來代表不同類型的油藏機理。模擬器的選擇基本上依賴於原始油藏流體的性質及主要的採收過程。如果不考慮很少用到的化學模型，基本的模擬器是黑油、組分和熱模擬器。
(1)黑油模型。這種等溫模型用於不相溶的油氣水共存的油藏。黑油模型把烴看作由兩個部分構成，如油和氣，並且液相的氣體遵循壓力相關的溶解法則。油和氣的組成僅是壓力和時間的函式。這些模型可以再現大多的油藏機理，包括溶解氣驅、氣頂驅、水驅、注水和注氣。通過定義飽和壓力和深度的關係，這些模型也可處理pVt特性的垂向上的變化。通過定義不同的平衡區域，這些模型也可以處理p Vt在水平方向上的變化。
(2)組分模型。在等溫組分模型中，烴相由N個成分組成，它們之間的作用是壓力和成分的函式，通過EOS(狀態方程)表示。烴成分數量N通常依賴於對最終結果的細節要求來決定，但受到實際計算時間的限制，通常在3 ^-7之間。只要烴的相構成及性質在泡點和露點之下，隨溫度變化明顯，就要用到這一模型。用到這一模型的典型情況為揮髮油、凝析氣藏、循環注氣或注CO2開採。
(3)熱模型。如果油藏中的溫度有變化，就套用這一模型。熱模型中的主要參數通常為水(液相或蒸汽相)、輕烴和重烴相，流體特性可用溫度和壓力的函式來描述，這些模型可模擬循環注蒸汽、連續注蒸汽或更複雜的過程，如就地燃燒加熱等。
最後一類模型為雙介質模型(裂縫和基質)，模型中的儲層由兩個相互作用的部分組成(裂縫和基質)，其各自有自己的特性。這一模型可以用在黑油模型或組分模型中，一般用兩種設定，如雙孔隙度或雙滲透率，這要看流體基質中是否可以流動。這一模型主要用在有自然裂縫的油藏中。
建立模擬的格線系統
選擇和建立格線是模擬工作的基本組成部分，特別是對地質特徵複雜的油藏。格線選擇正確與否對結果的準確性、模擬所需時間及資源都有很大影響。
在綜合油藏研究中，建立格線是相當重要的，因為油藏的地質結構、內部及外部的幾何形態都要載入到模型中。也就是在這一階段，來決定在不損害最終結果的前提下，地質結構可以簡化到何種程度。
地質學工作者可用的格線通常有幾種，如傳統的直角坐標格線、三維角點格線和更複雜的複合格線。無論那種情況，所選擇的幾何表述都要考慮一系列的地質及動態問題。
無論從外部結構還是內部的非均質性來看，油氣儲層通常表現出非常複雜的地質特徵。為得到可靠的結果，模擬格線必須充分再現這些幾何特徵。
油藏發育邊界是第一個也是最需要定義的幾何因素。格線必須包括整個的含油氣區，如果有活動的水層系統，就還應包括較大的含水區域。如果油藏中不存在滲透率的各向異性，外部形態同時也定義了格線的方向。
另一個要考慮的重要方面是油藏內部的非均質性。構造特徵，如斷層、封堵斷層或具有高連通性的斷層，必須體現在模型中，如果要得到正確的油藏中的流體分布，斷層的斷距也應該詳細地體現在模型當中。如果存在逆斷層，就應考慮用複雜的格線化技術，特別是在斷面的傾角傾向很重要的情況下。
同樣在垂向上如果存在橫向分布廣泛的隔層，則它們也應在模型中體現出來，並確定幾何描述反映出這種油藏非均質性。橫向延伸的油藏邊界，如水浸界面或泥岩隔層，劃分出單個的流體單元，因此，應作為單個模擬層來建模。地層的複雜性，如尖滅，也應體現出來。
右圖是一個具有地質地定向模擬格線，體現了複雜的地層模型，包括有上超層序，預計這些現象將對流體流動方向有很重要的影響。為了恰當地體現出這種複雜性，建立了40多個垂向分層。
在數值模擬中，正確的綜合地質模型只能通過在格線中充分體現油藏的內外邊界來實現。過分的簡化將不能體現出與儲層單元複雜結構相關聯的流體流動特性。就細緻程度而言，油藏地質複雜性的分析對格線建立提出了一些基本的要求，但要正確再現所觀察到的油田的動態特性，就必須考慮到動態問題，這也許會要求對模擬格線的細緻程度進行修改。實際上，甚至對一些相對均質的儲層，格線都要進行細化來正確體現油藏中的流體流動特徵，特別是存在多相流動情況下。
在XY平面上，提高模擬格線的精細程度主要依賴於生產井的數量。一般假設相鄰井間至少要有2個或3個格線(注采井對之間甚至更多)，這樣才能正確再現驅替過程，減少數值分散的問題。有些情況下，特別是井網分布不規則，生產井周圍的地區可以局部加密格線。
在垂直方向上，分層應達到能夠模擬與粘度和重力相關的過程，如指狀水進、氣體超溢。對後一情況，如果用粗的垂向格線，氣體分離以及流向儲層構造高部位的過程就不能正確地在模型中建立，生產井中的GOR表示就會是錯誤的。
在正確地考慮了油藏的地質及動態因素後，就可以考慮選擇格線的幾何形態及大小了。在實踐中，有兩種基本的格線形態供選擇:直角坐標和角點坐標。
直角坐標格線是以格線塊為中心的，按直角坐標系，把所有格線塊在三維空間對齊就構成了完全正交的格線。由於簡單和容易建立，這是最老的也許仍是最常用的格線。
在角點幾何系統中，每個格線塊的角點都有具體的坐標，而不是塊中心的坐標。這樣，最終格線不一定是正交的，這樣可以正確地表示儲層的地質情況。另外，這種類型的格線，理論上要求在每一格線塊表面都要有所有參數的變化梯度。由於大多數模擬器不具備這一附加的因素，在實際套用中就應限制格線的局部變化等，否則在其最終計算結果中會引起很大的誤差。
另一個有關模擬格線的要點是，有可能在油氣田的不同部位用不同大小的格線塊。這一特點對不少油氣田都有意義，因為在油藏的某些地方要求計算的越準確越好，而另外一些地區如油藏外圍或水層則不必要有很精確的計算。這樣的好處是可以很大程度減少格線的數量，因此可以減少機時。
所有現有的建格線的軟體都可以具體設定行和列的數量，因而建立起叫Tartan的格線(要注意限定外圍格線變形。單格線形態係數(△X、△Y)的最大值應小於3)。一些更複雜的例子當中，可以在已有的格線內對有關區域局部加密，通常要加密的區域為飽和度和壓力變化快的地方。從計算角度來說，局部加密的格線(LGR)的要求更高，但可以有更大的靈活性。
最後，要提的一點是，最近一些年，大家正努力發展和套用更複雜的幾何形態的格線，如Voronoi和PEBI格線。之所以有如此發展，是由於有關石油的其他一些學科的發展:
(1)複雜的井眼幾何形態。複雜的井眼幾何形態在實踐中正日益變得常見(水平井、三維井、多底排油井)。要正確描述這些複雜井周圍的流體，就需要採用適當的格線化技術。
(2)複雜的地質模型。最近的地質建模的發展，使得可以對具有複雜幾何形態的油藏進行詳細的描述，包括逆斷層。把如此複雜地質結構轉化成模擬模型就需要複雜精密的格線化技術。
Aziz K(1993)介紹了可以用在油藏模擬實踐中的不同標準的模擬格線。從目前來看，這一領域的趨勢是複合格線的套用，這種格線把油藏不同區域所用的不同幾何形態的格線組合起來而最佳化流體流動的求解及實際求解時間。右圖給出了一個套用實例。
模型建立
數值模擬所描述的油田開發模型分為三部分, 即地質靜態模型、流體性質及分布模型、生產動態模型。充分利用油藏精細描述提供的數據體和圖件, 建立起描述油藏地質特徵的靜態模型, 主要參數包括構造分布、斷層封閉性、儲層參數、砂層厚度、有效厚度分布等。在形成模型過程中, 採用等值線和井點參數作為基礎數據, 考慮斷層與砂岩尖滅線等邊界條件得到靜態地質模型。
