發展歷史
1953年美國G..H.BUCE等人發表了《孔隙介質不穩定氣體滲流的計算》後，為用數值方法計算油氣藏滲流問題開闢了道路。
三十多年來，由於大型快速電子計算機的迅速發展，大大地促進了數值模擬方法的廣泛套用。
20世紀60年代初期研究了多維多相的黑油模型；20世紀70年代初期研究了組分模型、混相模型和熱力採油模型；
20世紀70年代末期研究各種化學驅油模型。
滿足條件
Coats (1969) 曾經指出, 恰當地套用該方法應滿足以下3 個條件:
(1 ) 很好地陳述了經濟上的重要性。一個典型的問題是選擇注水開發還是自然衰竭開發?
(2 ) 油藏描述及其他要求的輸人數據足夠準確。
(3 ) 研究的問題與非平衡壓力及流體飽和度的時、空分布有很強的相關性, 這一相關性的存在就不能用傳統的分析方法分析求解, 比如物質平衡法。
做數值模擬的原因有許多。從商業角度來看, 最重要的原因就是其產油預測和現金流預測的能力。
油藏研究中, 數值模擬的主要目的就是預測在不同開採方案下的油氣生產情況。這樣來講, 數值模擬是唯一合適的技術。簡單的技術如物質平衡法, 在評價油藏機理上很有用, 但對油藏預測就不適合了。
另一方面, 油藏模擬技術提供了在規定生產條件下的研究油田生產動態的靈活性。所有的市場上銷售的模擬軟體都提供了完善的井管理功能, 允許工程師在產層、井、井組, 儲層及油田等級別上設定施工條件。簡單來講, 這些流程, 不僅可以指定井的具體壓力及產量, 它們還能進行更複雜的工作。比如: 根據一些GOR 或WOR 標準對井實施關井或修井操作, 為與生產設施的生產能力相匹配, 最佳化單井產量, 控制氣產量及注水的速度等。因此, 油藏模擬技術被認為是油藏管理的最佳技術, 其它油藏工程的工具很難提供這種能力。
模型設計
這裡指的是在模擬器選定以後，我們必須設計出一套合適的格線模型。格線模型的設計要受到模擬過程的類型、在非均質油藏中的液體運動的複雜性、選定的研究目標、油藏描述的精確程度以及允許的計算時間和成本預算等因素的影響。格線數目越多，模擬出的單井動態會越精細，但格線數目越多計算的時間會越長，成本越高，有時甚至高到不能令人接受，所以我們經常不得不在研究目標所確定的總框架下，根據允許的計算時間和成本限制，去設計我們的格線模型。
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, 最常用的有以下幾種(Mat tax and Dalton , 1990 ) :
油藏數值模擬(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。
模擬方法
油藏數值模擬油藏數值模擬方法是迄今為止定量地描述在非均質地層中多相流體流動規律的惟一方法。例如許多常規方法要假定油層為圓形的均勻介質，如油藏幾何形狀稍複雜一些，且為非均質介質，則求解非常困難，甚至無法求解。而對油氣藏數值模擬而言，計算形態複雜的非均質油藏和計算簡單形態的均質油藏工作量幾乎是一樣的。因此油藏數值模擬可解決其它方法不能解決的問題。對於其它方法能解決的問題，用數值模擬方法可以更快、更省、更方便、更可靠地解決，並增加其它分析方法的可信度。
一個油氣藏，在現實中只能開發一次。但套用油藏數值模擬，可以很容易地重複計算不同開發方式的開發過程，因此人們可以從中選出最好的開發方法。
因此，對油藏工程師而言，數值模擬給動態分析提供了一種快速、精確的綜合性方法；對管理者而言，數值模擬提供了不同開採計畫的比較結果；對尚無經驗的工程師而言，數值模擬則是有效的培訓工具。
數模研究
數值模擬研究的主要工作程式對一個油氣藏進行綜合的數模研究，往往需要花較大的精力和較長時間（有時會達一年甚至更長的時間），同時還對計算機硬體和技術人員有很高的要求，然而儘管在不同的項目中，面對的問題會千差萬別，但大多數油藏數值模擬的基本研究過程是一樣的。為了使讀者一開始就對數模研究工作有一個明確的整體概念，下面簡要地介紹一下油藏數值模擬的主要工作程式。
問題的定義：開展油藏數模工作的第一步，是確定研究的目標和範圍。即首先要給本次數模研究一個明確的定位，明確本次模擬要解決的主要問題是什麼，需要研究哪些油藏動態特性，這些項目的完成對油藏的經營管理者會產生什麼影響等等。從而根據項目的要求進行數值模擬研究程式設計，並收集有關的油藏基礎地質、流體及生產動態數據。
數據的檢查
一旦把數據收集起來以後，必須對這些來自不同渠道的數據進行鑑別，再組織和再檢查，看收集到的數據是否足夠，是否都合格。如果取得的數據，依靠經驗和評價方法進行修正和補充後仍不合要求，那就需要修正或重新確定研究目標。
研究方法選擇
確定了研究目標，並收集到了研究所必需的數據後，接下來的工作就是對模擬模型進行選擇，即確定用哪種模擬模型對該問題最為有效。並不是所有的情況下都需要對油藏進行整體模擬，例如在研究錐進、指進、超低產問題時，就應採用單井、剖面或平面模型，這樣會大大節省計算成本。通常影響研究方法選擇的因素有多種，但其中有三條是最重要的：一是能否找到針對你研究問題的相應模擬器；二是解決你面對的具體油藏模擬問題時，常常因為需要反映井和開採設施對開採過程的影響，而必須對你選定的模擬器作某些修改，你必須具備這種能力；三是研究所允許的時間、計算機、人力及經費的限制，即不允許突破規定的時間和成本的限制。
程式修改
選擇好模擬器並設計出了格線模型後，常常因為要達到我們要處理的問題的所需效果，而不得不對手邊已有的程式作某些修改，最常見的是修改井管理程式和模擬結果的編輯和輸出程式。
歷史擬合
這是油藏模擬中的一項極其重要的工作。因為一個油藏模型被建立起來以後，它是否完全反映油氣藏實際，並未經過檢驗。只有利用將生產和注入的歷史數據輸入模型並運行模擬器，再將計算的結果與油氣藏的實際動態相比，才能確定模型中採用的油氣藏描述是否是有效的。若計算獲得的動態數據與油藏實際動態數據差別甚遠，我們就必須不斷地調整輸入模型的基本數據，直到由模擬器計算得到的動態與油藏生產的實際動態達到滿意的擬合為止。由於歷史擬合調整參數的目的是為了把真實油藏的描述搞得儘可能精確，所以，它是油藏模擬中不能缺少的重要步驟。
模擬使用的模型，顯然應當與實際油藏是相似的。若描述油藏的數值模擬所採用的數據與控制油藏動態的實際數據存在明顯差異，則將導致模擬結果出現嚴重失真。遺憾的是，在未經試驗以前，我們對模型的準確程度，以及應該修改哪些參數才能保證它與實際油藏相似，知之甚少。在這種情況下，最有效，也是最經常採用的一種驗證方法，就是模擬油藏過去的動態，並將模擬計算結果與油藏的過去實際動態作對比，這就是歷史擬合工作。歷史擬合能幫助我們發現和修改油藏描述數據的錯誤，以使模型更加完善，並驗證油藏描述的可靠性。如果修正後的模型模擬計算動態與油藏過去的歷史動態能達到一致，且油藏描述又是合理的，那么，應當說，歷史擬合本身就是一種有效的油藏描述方法。
歷史擬合的目的就是依據測量的產量和壓力數據為準, 儘可能正確地再現油田的生產歷史。這種檢查應該在油田和井的基礎上進行。
擬合的參數包括靜壓力、含水率、氣油比。而產量是作為歷史數據直接輸入模型的。以下將簡要討論一些要進行歷史擬合的主要參數。
1 .壓力
幾乎所有的油藏都有靜態井底壓力數據( SBHP) , 這些數據必須與模型輸出的結果相比較, 但應該記住, 實測壓力與直接計算出的壓力是不一致的, 因為這兩種數據代表油藏中不同部分的數據(分別為井泄流半徑和格線塊內的數據) 。大多數模擬軟體允許對計算值進行一些修正以便與實測數據對比。
如有可能, 應建立某一參照深度的壓力分布圖並與油井的靜壓等壓圖比較, 來檢查油田全區壓力分布情況。這一比較是有用的, 可以得到一個全油田範圍內壓力分布狀況和壓力梯度變化, 而這從單井分析是很難得到的。除了井底靜壓力, 其他一些壓力數據也可用來檢查模型對壓力的模擬效果。比如: 油管頭靜壓和流壓(ST HP 和FT HP)。這些測量數據有數量大的優勢, 但較難進行處理, 因為處理這類數據需要具備完井過程中流體靜態和動態壓力變化規律的知識。
2 .產水數據
模型中模擬的產水情況應再現油田的實際觀察值, 包括見水時間及含水率變化情況。應該一口井一口井來檢查, 但最好繪製出含水飽和度圖並與水進狀況圖相比較。通過比較可以得到全區驅替過程的情況, 而且可以幫助找到關鍵井( 通常為靠近水進前緣的井) , 而對於關鍵井要找出合適的擬合。為了平衡開採和流體的注人, 還要檢查和調整整個油田的含水剖面。
3 .產氣數據
當壓力降到泡點以下, 能否正確再現產氣曲線對任何油藏模型都是關鍵的一點。由於其壓縮性大, 產氣量很大程度上控制著油藏能量。
如果預測與實際生產曲線有偏差, 就說明pVt 的描述也許有問題, 或者是相對滲透率曲線有問題, 再次要強調的是所有結果應一口井一口井地檢查, 而且也應進行全區的檢查。如果存在主要氣頂和次要氣頂, 並且在研究的前面階段已經確定了氣頂的位置, 這時就要與氣飽和度圖進行對比。如果兩種圖件一致, 這就能保證分離過程能在模型中正確地再現。
並沒有一個標準的歷史擬合程式, 每個油田都是不同的。如地質結構、油藏機理、井數、生產歷史、開發方案等。因此, 每個研究都只能用自己的解決程式解決自己的問題。但一些步驟或多或少可適用於大多數的模擬研究。
模擬過程中的第一步是確立需要調整的關鍵參數和關鍵井。
油藏數值模擬所謂關鍵參數就是那些具有很大不確定性並對最終結果影響大的那些參數。確定關鍵參數一般關係到油藏中主要的能量機理。在水驅油藏中, 典型的關鍵參數有水層的導水性和儲水量, 但對溶解氣驅油藏, 典型的關鍵參數則是氣油相對滲透率。
另一個關鍵參數當然是滲透率, 滲透率對所有油藏都是重要的。關鍵井就是油田中生產狀況典型的井, 其生產曲線在模型中必須準確再現。在井比較少的情況下, 比如少於20 口井, 實際上所有井都應被當作關鍵井而且都應在模型中再現它們的生產情況。如果井數眾多, 如老油田, 歷史擬合所有井實際上不太可能, 而且最終結果也不一定更準確。
確定關鍵井要依據幾個因素, 生產歷史長並且有典型的含水率及氣油比變化趨勢, 有較完整的測井系列、取心及壓力數據, 井位也應是油田具有代表性的位置。另外, 正在生產的井應被當作關鍵井。
確定關鍵井和關鍵參數可以使工程師進行歷史擬合的工作容易一些。下面是擬合壓力歷史, 然後進行飽和度歷史擬合。
油藏數值模擬(1 ) 壓力擬合。這一階段包括油藏整體能量平衡的調整。圖( Saleri , et al ., 1988)是一個簡單的壓力擬合方案。首先應建立的壓力分布和油藏中的壓力梯度, 然後再進行單井擬合。為了提高壓力擬合效果, 滲透率是最主要的要調整的變數。
(2 ) 飽和度擬合。這一步驟中, 對油藏流體分布進行擬合, 依據見水( 氣)的時間以及見水(氣) 後相關的生產剖面的變化。
首先要從調整全區油田的生產狀況開始, 然後集中在關鍵井的表現。滲透率是控制水淹時間的重要參數, 水淹後的產水及油氣比主要受相對滲透率曲線控制。油藏歷史擬合常是儲量研究中最耗時的部分, 有時是讓人灰心喪氣的。實際上不可能有完美的擬合, 因此油藏工程師在做結論時, 常要判斷歷史擬合的結果是否令人滿意。
動態預測
產量預測通常是油藏一體化研究的最後一步。本質上這一工作的目的就是具體給出可視化的在不同開發策略下未來油田的表現, 以及為項目的經濟評估建立生產曲線。
一體化研究隊伍的所有努力, 包括油藏描述及模擬, 在這一階段會聚在一起, 對最好的開發策略必須進行分析, 並最終提交給管理層短期、中期和長期的開發方案。考慮到這項技術存在複雜性, 模擬模型所給出的產量對於每一種情況都會有所不同, 簡單的預測研究幾天就可以完成, 但是對於比較複雜的研究, 根據模型的大小和其複雜程度, 所執行的油氣井管理程式和所要進行預測的次數等情況的不同, 可能會花費幾個月的時間。
獲得了好的、可以接受的歷史擬合後，就可利用該模型來預測油氣藏未來的生產動態。預測的內容包括：原油、天然氣和水的產量，氣油比與油水比的動態，油藏壓力的變化動態，液體前緣位置，對井設備和修井的要求，區域采出程度，估計油氣藏最終採收率等。預測的結果將作為我們進行開發與管理決策的重要依據。這裡所指出的是，動態預測的準確性，明顯地取決於我們採用的模型的正確性和油藏描述的準確性與完整性。因此，花一定的時間與精力對模擬的結果進行評估，判斷它是否達到了預期的研究目的，是十分必要的。
第一步是確定要預測的具體方案。預測方案的界定要從預測階段的一開始就進行, 但需要注意的是, 隨著研究工作的進展, 根據前面預測方案運行的結果, 可界定更多的預測方案。預測方案的數量及類型顯然取決於具體研究的要求和時間要求, 但在實踐中, 一般先定義一個基本預測方案。這一基本預測方案應與油田在普遍生產條件下進行連續生產的狀態相對應, 而且作為基準, 隨後的所有預測結果都應與它相比較。
對以後預測方案的界定都應以改善生產及注入曲線為目的, 也就是要提高最終採收率及加速開發現有儲量。所以, 應測試大量的預測方案( 加密井鑽井、實施二次採油項目等) , 同時還要考慮到現有(未來) 的基礎設施、注入流體( 水、氣、CO2 等) , 以及各種財政上的限制等各種條件。前幾個階段的研究成果應能提供一個相互一致的基礎, 以便對可能的建議進行初步的篩選。
任何時候確定一個預測方案的工作都是應該與管理層、經濟學者、生產和設備等部門密切合作。這將保證不會在那些不現實的預測方案的模擬上浪費時間。
為了能夠模擬油田未來的生產,這些原則應同時適用於地面設施及每口井。這些原則就是準則或約束條件, 它代表了油田預計的生產條件。地表限定條件一般包括最大油氣水產量、注水或注入量及壓力、最小油管壓力和最大氣油比。單井的限定條件為最大油水比、氣油比或總產液量及最小產油量。現代模擬軟體可以靈活地設定生產條件。
不確定性評估
油藏數值模擬在許多研究中, 都要對與計算儲量及生產曲線相關的總體的不確定性做出評價。從純粹技術角度來看, 問題就會簡化成為輸入一些不同的參數, 建立一些模型, 而把每個參數變化所得到的結果作為一種參考, 這些參數值可能是樂觀也可能是悲觀的。通過這種方法, 就能產生一系列的生產曲線, 如圖 , 然後從這些曲線就可以計算出整體上的不確定性。無論如何, 要建立一個具有統計學意義的一套預測方案不是一件容易的事, 任何情況下,這都要看油田的開採處在那個階段。
(1 ) 未開發油田。對新油田來說, 沒有生產數據做歷史擬合, 要建立一組有意義的預測曲線, 就需要進行大量不同方案的預測。理論上講, 對於研究過程中碰到的所有參數都應做出不確性的評價, 包括油藏參數、生產及設施的限制條件。而且不應簡單地每次僅變化一個參數,因為參數間相互依賴現象是永遠存在的( Ove rberg , et al ., 1992 )。
總體上講, 這種敏感性研究需要運行的預測方案數量非常大, 經常是實際工作中不可能實現的。簡單的辦法是集中在那些對油藏有關鍵影響的參數。另外也可以依據經驗進行參數設計來減少要運行的預測方案的數量。
(2 ) 已開發油田。對已經開發的具有開發歷史的油田, 對其未來動態的不確定性進行評估會更加困難。由於歷史擬合階段已經在某種程度上修正了大多的靜態和動態油藏參數, 需要研究的參數就只有井眼動態參數及地表生產限制條件了。雖然可以認為這樣把問題簡化了, 但是歷史擬合的非唯一性卻影響了在預測階段所作出的不確定性評價的實際代表性。
另外要考慮的重要一點是上面所講的一般評價不確定性的程式是建立在無偏差參數估算的假設基礎上的, 例如: 無系統誤差。但已有的文獻表明, 某種程度的偏差總是會影響到工程估算的(Bru sh , et al ., 1982) , 有趣的是, 大多數情況下偏差會對估算的影響是樂觀的。
對未開發和已開發的油田, 不確定性評估都是一項非常複雜、現實中通常是難以做到的工作。最好的情況下, 現實中只能做到部分的評價, 而且局限於標準油藏研究。Mu skat ( 1949 )在談到被認為是油藏工程聖典的地質和動態數據的不確定性時說: 這種具體數據的唯一性, 以及對實際產層的可套用性, 是一些假設情況, 而它充其量不過是一個難題。50 年後我們仍就面對同樣的難題, 估計值的不確定性仍是個不確定的問題。
報告的形成
數模研究的最後一步是將計算出的結果進行系統地整理，得出明確的結論，形成一個清楚、簡明的報告。報告的格式，根據研究目的的不同，可以是一份簡單的專題報告，也可以是一套具有大量文字、數據、圖表及多幅彩色附圖的多卷報告。然而，無論報告的形式和長短如何，它們都應當以恰當的篇幅、充分的論據，清楚地陳述研究所使用的模型、計算的依據以及得到的主要結果與結論。
模擬介紹
流線方法油藏模擬簡介
對於絕大多數油田來講，進行油藏數值模擬研究的目的最終都是為了要對油田未來的動態作出預測。它預測的可以是某一油氣藏在不同的開發條件下的動態，也可以是同一油藏在不同描述下的動態。動態預測是數值模擬中非常有意義的部分。它可以使我們在油田開採前就能了解到某口井、井組、甚至整個油田，在不同開發方式下的生產動態情況。可以計算許多方案，然後從中選出一個最適合的方案作為實施方案。此外、動態預測還為我們提供了展示新方案的潛在效益的可能性。
隨著油田的不斷開發，油藏的儲層非均質性加劇，流體性質變差、流體分布不斷發生變化，特別是對於中高滲油田高含水油藏，油藏流場發生較大變化，形成優勢流場。此時，重力效應和縱向非均質性是水驅開採的重要參數，其在流體的分布和運移過程起重要作用。通過流線方法，建立流體沿流線運移，形成一個自然運移網路，追蹤油、氣、水在油藏中的移動，流體沿著流線在壓力梯度方向運移，而不是在格線塊內運動，所以與傳統的油藏數值模擬方法相比，流線模擬技術能更好地認識地下流體的分布、運移和認清剩餘油分布，對改善油田開發效果和提高採收率提供科學依據。
另外，傳統的油藏數值模擬技術一般都是在油藏中劃分的塊中心格線的基礎上採用有限差分方法進行空間離散化，在每一個離散的時間步，需要在所有的空間離散格線上求解整個數學模型，計算速度比較慢，雖然近年來，計算機技術快速發展，但現代的油藏描述技術已經可以建立符合實際的大型油藏地質模型，為了達到所需的精確度，需要許多的格線單元，同時，地質非均質性的精確模擬也需要大量的格線單元，有限差分法模擬對於這些有成百上千口井，幾十萬個格線塊及較長的生產歷史的大型油藏難度較大，暴露出其三個缺點：一是模擬速度慢，二是數據污染，三是計算精度低。所以很有必要尋找一種快速準確的計算方法來對油藏數學模型進行求解。
流線模擬技術是通過將三維模擬模型還原為一系列的一維線性模型，同時還可以進行流體流動計算，具有處理更大數量級數據的計算優勢。在驅替過程中保持明顯的驅替前緣和減少格線方位影響的特點，提高了模擬精度。三維流線模型比常規模擬方法適用性強、優勢多：
1、速度;
2、易形象地顯示/概念化注入井採油井的流動耦合;
3、更好地確定泄油麵積;
4、易於評定複雜的地質 地質統計模型的級別;
5、易於綜合整個油田模型;
6、生產動態加速擬合;
7、有潛在的優勢,是一種更精確的解法。
所以流線方法是一種適合於現代油藏模擬的計算方法，流線模擬結果與傳統的油藏工程技術（如標準有限差分法模擬）結合起來作為油藏管理工具具有重要意義。
