油氣開采的歷史是石油科技進步的演化史，同時也是計算機技術的發(fā)展史。全球范圍內(nèi)以注水開采為主的二次采油技術、提高采收率為目的三次采油技術與以頁巖氣藏為代表的非常規(guī)油氣開采技術越來越起到關鍵性作用。這其中，以計算機為手段的數(shù)值模擬技術在這些油氣藏高效開發(fā)與提高采收率中占據(jù)至關重要的地位。
目前，我國老油田正在經(jīng)歷高含水期，以采出程度高、綜合含水高、綜合遞減高與儲采比低為特征，剩余油分布呈現(xiàn)高度分散、相對集中特點；我國非常規(guī)油氣藏儲量大、埋藏深、超低滲，其中陸域頁巖氣可采資源潛力為 25 萬億立方米，這種從“毛細管中采血”開采方式嚴重著依賴水平井技術完井與多級壓裂技術；油氣藏開采中存在著諸多的不確定性，從地震到地質，從油藏到油井，我們要更精細量化儲量、品質、產(chǎn)能與采收率，進行油藏與生產(chǎn)優(yōu)化研究；這就要以技術集成與一體化平臺為基礎，以現(xiàn)代化油藏經(jīng)營管理為理念，以油藏模擬為生產(chǎn)管理手段，不斷認識與經(jīng)營油氣藏，實現(xiàn)最小化勘探成本、加速增儲上產(chǎn)、最小化操作成本、最大化產(chǎn)能、最大化采收率與延遲報廢時間。
高精度油氣藏模型數(shù)值模擬技術
在傳統(tǒng)的油藏工程中，并沒有考慮儲層空間上的不連續(xù)性與非均質性，油氣藏工程以均質油藏模型為對象，以基本滲流理論為依據(jù)，以實際統(tǒng)計規(guī)律為背景，形成經(jīng)驗解析公式；在傳統(tǒng)的數(shù)值模擬研究中，由于計算機能力限制，通常要先對精細的地質模型進行粗化，部分地質特征就會在不經(jīng)意中被忽視掉，從而導致了空間上認識不足，形成了“定性尚可、定量不足”共識。
在國內(nèi)，絕大多數(shù)的油田以陸相碎屑巖沉積為主，氣田還有大量的海相碳酸鹽儲層與火山巖儲層，并且具有嚴重非均質與較低滲透率特征。油田注水開采過程會過早形成水突破，而氣藏在衰竭開采中也可能會形成較快水鎖或水淹，采收程度往往會較低，不能持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)。為了明細地下流體流動規(guī)律，借助強大的計算機硬件系統(tǒng)與新興的先進數(shù)值求解算法，實現(xiàn)對高精度地質模型進行數(shù)值模擬運算研究，更精細地刻畫油藏特征，更準確地描述油氣水分布規(guī)律。
INTERSECT高級數(shù)值模擬運算器
斯倫貝謝公司 INTERSECT 油氣藏數(shù)值模擬器是于 2000 年開始與美國Chevron 雪佛龍公司一同研發(fā)，集兩家公司油氣藏專家經(jīng)驗、應用數(shù)值分析專長與計算機語言專業(yè)知識；2004 年，法國道達爾公司加入 INTERSECT 稠油 熱 采 模 擬 技 術 的 研 發(fā)；2005 年 斯倫貝謝專家正式在 SPE 文獻上論述了INTERSECT 模擬器中的求解技術；2010 年釋放第一個商業(yè)化版本并陸續(xù)被許多用戶應用；2012 年 Total 道達爾公司正式成為了 INTERSECT 合作伙伴。INTERSECT 是當前最先進的油氣藏數(shù)值模擬運算器，以 Petrel RE為其前后處理環(huán)境，與 Petrel 地震解釋與地質建模完美無縫連接。
AMG-CPR 代數(shù)多重網(wǎng)格與壓力殘差預處理技術 伴隨矩陣方法是求解梯度計算的最有效的方法，與基于梯度計算的優(yōu)化技術相結合，可以用來求解生產(chǎn)預測問題與歷史擬合問題；這個將被求解的伴隨矩陣則是全隱式模擬器中雅可比 Jacobi 矩陣的轉制矩陣，是一個線性方程組。對于大型或復雜的油藏模型來說，廣義上的預處理方法求解伴隨矩陣方程被證明是不可行的，不容易收斂，計算非常耗時；需要更有效的方法加速收斂，提高運算效率。
約束壓力殘差 CPR（Constrained Pressure Residual） 預 處 理 求 解 技術 是 由 Wallis 在 1983 年 提 出 的，而 Nested-factorization“ 造 巢” 分解技術也于 1983 年由 Appleyard 提出， 后 者 則 是 在 ECLIPSE 中 被 廣 泛采用的技術；而前者衍生出的 JALS解法也于 2008 年被引入至 ECLIPSE Thermal 熱采模擬中。
在 2005 年，斯倫貝謝、斯坦福大學、Wallis 咨詢公司與雪佛龍公司專家將約束壓力殘差CPR 預處理技術與代數(shù)多重網(wǎng)格 AMG（Algebraic Multigrid）線性解法器相結合，更高效地求解復雜地質模型中的壓力方程，表現(xiàn)出了卓越的性能；并引入至 INTERSECT 模擬器中；隨后，并將 AMG-CPR 技術與靈活的廣義最小化殘差 FGMRES 技術相結合，加速收斂，減少線性迭代次數(shù)，更有效地求解伴隨矩陣。
更加高效的并行剖分技術 單純的非線性方程組與線性方程組求解方法的改進不能滿足油藏數(shù)值模擬應用要求，基于現(xiàn)代集群技術與并行運算技術可以更顯著提高油氣藏數(shù)值模擬的性能，更好地滿足油氣田開發(fā)應用需求。常規(guī)相對直接的區(qū)域剖分方法，通常沿垂直于X 或 Y 方向將笛卡爾網(wǎng)格分割成若干個區(qū)域，每一個區(qū)域包含大致相同數(shù)量的網(wǎng)格數(shù)，同時最小化每一個區(qū)域表面積。
但是，實際上網(wǎng)格不僅要反映巖石構造性質，如斷層、層位；同時要充分捕捉流體過渡區(qū)域，如水相前緣、氣體突破、溫度分布以及近井水錐。此時，這種并行剖分模式并行運算效率則并不顯著。INTERSECT 從網(wǎng)格區(qū)域剖分開開始，就是一個先天性的非結構化的模擬器，這里引入了 ParMETIS 區(qū)域剖分技術；這是一個被證明、并被廣泛應用的區(qū)域剖分方法庫，可以快速解決對大系統(tǒng)的區(qū)域剖分問題。我通常會將線性系統(tǒng)里非常連通的網(wǎng)格保留在同一個計算處理器中。一個啟發(fā)式的做法是選擇出高連通性或高權重網(wǎng)格，然后擴展至周圍網(wǎng)格，但這也可能產(chǎn)生多中組合；在 INTERSECT 中利用網(wǎng)格之間傳導率來指導并行區(qū)域剖分，因為傳導率則是兩個網(wǎng)格之間關聯(lián)性的非常好的指標。同時 INTERSECT
可以更高效地對跨剖分區(qū)域水平井進行求解。
更加嚴格的方程收斂性控制標準 通常在很多的模擬器中，黑油模擬器的收斂判斷標準與組分模擬器的判斷標準不一樣。黑油模擬器采用的是 F(x) 絕對值要足夠的小，要小于設置的界限；組分模擬器收斂準則是靠 ?x 足夠小進行判斷；但是 INTERSECT 采用的是兩者組合的模式，也就是說 F(x) 與 ?x都要足夠小，同時 INTERSECT 中對求解變量壓力、飽和度、摩爾分數(shù)變化都做了更嚴格的收斂控制標準。
典型應用實例
這里，INTERSECT 油藏數(shù)值模擬器主要用來求解諸多復雜的地質、油藏與生產(chǎn)井問題，如：不粗化的精細油氣藏地質模型、具有大量的開發(fā)井數(shù)全油田模型、多分枝井與復雜結構井流動特征、稠油油藏熱力采油全區(qū)模擬與蒸汽腔刻畫、聚合物為代表三次采油技術驅油效應、基于非結構化網(wǎng)格的水平井多級壓裂技術、凝析氣藏 / 揮發(fā)油藏與 CO2 混相驅中組分變化規(guī)律以及油藏、井筒與管網(wǎng)一體化耦合應用。
碳酸鹽巖應用實例 這是一個帶氣頂?shù)奶妓猁}巖油藏，此地質模型共有230 萬網(wǎng)格，150 多口井，25 年生產(chǎn)歷史；因為是雙重介質模型，所以存在大量的非相鄰連接，對油藏數(shù)值模擬而言，是一個非常大的挑戰(zhàn)。從 計 算 結 果 上 看，INTERSECT模擬器 32 路并行運算只需 1.1 小時，64 路并行僅需 0.7 小時，這其中表現(xiàn)出卓越并行效率；就標準模擬器而言，32 路并行運算則需要 18 小時（如圖 6）。
對比 INTERSECT 與 ECLIPSE 結果，則會發(fā)現(xiàn)全區(qū)壓力、全區(qū)油氣水產(chǎn)量、全油田含水率與全油田氣油比都與ECLIPSE 標準模擬器保持了高度的一致性。
凝析氣藏應用實例 這是一個凝析氣田，總儲量為 10 萬億立方米，深度約 4,000 米，儲層壓力超 60 兆帕，溫度為 108 攝氏度，凝析油含量為 400克 / 立方米；地質模型具有很強的非均質性，平均滲透率為 1 豪達西，平均孔隙 度 為 16%， 共 490 萬 網(wǎng) 格，1,100口井；流體共 8 個組分，共 28 個平衡分區(qū)，2 個 PVT 分區(qū)；
預測 32 年。從計算結果上發(fā)現(xiàn)，INTERSECT模擬器 32 路并行只需 4 個小時即可完成模擬運算，而這個值是 8 路并行運算時間的近 3 倍，表現(xiàn)出了良好的并行擴展性。
復雜井應用實例 INTERSECT 中運用了多段井模型技術描述復雜井的拓補結構，可以更準確地詮釋水平井、多分枝井以及具有井下工具的復雜結構井。INTERSECT 數(shù)值模擬器可以更高效地對非結構化網(wǎng)格模型進行求解運算，從而可以更好地解釋近井地帶流體運移特征與以及評估頁巖氣藏水平井多級壓裂后效果與壓力及流體分布規(guī)律。
斯倫貝謝 INTERSECT 自適應模擬器具有非常高效的并行運算性能，統(tǒng)一支持結構化網(wǎng)格與非結構化網(wǎng)格；能夠對上億、甚至 10 億網(wǎng)格模型進行數(shù)值求解；能夠滿足大型、復雜、高度非均質油氣藏模擬運算需求，使油藏工程師真正實現(xiàn)與地質工程師共享地質模型精度的夢想；同時基于 Petrel 平臺，真正實現(xiàn)地震與地質、地質與油藏一體化綜合研究，更高效、深入、細致挖掘全油氣田開發(fā)生產(chǎn)潛力。
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