CN104182558A - 一种缝洞野外露头水驱油数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种缝洞野外露头水驱油数值模拟方法，属于油气田开发领域。本发明方法包括：(1)地质模型刻画，得到数值化地质模型；(2)对步骤(1)得到的数值化地质模型进行网格剖分；(3)数值模拟后处理。利用本发明方法得到的模拟结果与实际油田的生产规律基本吻合，并能够得到缝洞油藏注水替油机理及剩余油分布规律。

Description

一种缝洞野外露头水驱油数值模拟方法

技术领域

本发明属于油气田开发领域，具体涉及一种缝洞野外露头水驱油数值模拟方法。

背景技术

油藏数值模拟技术研究始于20世纪30年代，到了50年代在石油工业方面得以应用，70年代开始进入商品化阶段，而80年代油藏数值模拟又向完善、配套、大型多功能一体化综合性软件飞跃发展，进入90年代，进一步完善了油藏数值模拟技术，发展了双重介质油藏数值模拟技术，并向大型一体化软件发展，跨入21世纪，油藏数值模拟的发展更趋向于描述更准确、计算速度更快、计算结果更准确方向发展，进一步发展了多重介质等模型，并将并行计算应用到油藏数值模拟中。近年来，油藏模型、网格剖分以及数值求解方法也都取得了很大提高，油藏数值模拟已成为油田开发研究，解决油田开发决策问题的有力工具。在衡量油田开发好坏、预测投资、对比油田开发方案、评价提高采收率方法等方面应用都极为广泛。

世界上已发现的油气储量有一半以上来自碳酸盐岩油气储集层，而缝洞型碳酸盐岩油藏作为其中的一种特殊类型，也在我国乃至世界的油气资源中也占有很大的比重。缝洞型碳酸盐岩油藏属于非常规油气藏类型，其储量规模大，可以形成大型油气藏，也是世界碳酸盐岩油藏生产的重要组成部分。

近十多年来，研究对象为碎屑岩的油藏数值模拟，其相关的理论与技术研究均基于多孔介质理论，已经取得了巨大的发展，形成了工业化技术应用。针对缝洞型油藏储集空间复杂，主要为孔、缝、洞，且孔、缝、洞存在不同的介质组合，其流动规律与模拟方法因介质组合不同而不同。

缝洞型油藏储量规模大和开采难度高的矛盾决定了深入开展该油藏渗流机理、开采方案优化和剩余油分布规律研究的重要性。目前这方面的研究主要集中在概念模型的数值模拟试验和物理模拟试验，提出了缝洞油藏特有的开采特征和提高采收率的方法，取得了许多有价值的成果，对缝洞型油藏的开发具有一定的指导意义，但是目前的研究手段存在以下不足或缺陷：

(1)数值模型

由于提出的缝洞组合模式有限并且过于简化，不能很好地反映真实的储层介质情况，使得概念模型与实际模型存在较大差别，模拟结果所反映的规律和特征不具普遍性。

(2)物理模型

物理模拟试验一般采用岩心或储层的物探结果为原型，根据相似性原理制作物理模型。该方法受大为因素影响较大，同时试验温度、流体粘度及注入(开采)速率等参数的选取难以把握。此外，物理模拟试验可重复性差、试验周期较长、所花费的人力物力资源较大。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种缝洞野外露头水驱油数值模拟方法，通过刻画缝洞型储集体野外露头地质模型，结合数值模拟手段，实现对不同缝洞组合的开采机理的研究，分析开采特征，总结剩余油分布规律，优化开采方式，提出不同地质模型的最优开采模式。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种缝洞野外露头水驱油数值模拟方法，包括：

(1)地质模型刻画，得到数值化地质模型；

(2)对步骤(1)得到的数值化地质模型进行网格剖分；

(3)数值模拟后处理。

所述步骤(1)包括：

(11)、将露头剖面照片导入机械制图软件，然后将图片的边长设为实际露头剖面的大小；

(12)、对图片中的裂缝、溶洞形态和轮廓进行矢量化采集得到点数据，该点数据包括代表裂缝中心线的点列和溶洞边界的点列；

(13)、地质模型数值化，检查已经矢量化的裂缝和溶洞图像，对于孤立裂缝，应该从模型中剔除，然后将此处用基质填充；对于孤立溶洞，结合溶蚀特征和露头体中裂缝发育特征添加连接裂缝，最终形成一套缝洞相互连通的数值化地质模型；

(14)、将步骤(12)得到的所有点数据导出，按照网格剖分软件所要求的数据格式准备溶洞、裂缝、模型边界文件。

所述步骤(2)包括：

(21)、将步骤(14)得到的溶洞、裂缝、模型边界文件导入网格剖分软件，对基质部分采用的矩形网格的尺寸是对溶洞部分采用的网格尺寸的5到10倍；设置网格的排列方向φ和长宽比λ，所述排列方向φ是与x轴的夹角，所述长宽比λ＝Δx/Δy，Δx表示长，Δy表示宽；

(22)、对溶洞部分应采用正六边形网格进行剖分，设置网格的排列方向φ，所述排列方向φ表示与x轴的夹角；

(23)、对裂缝部分采用矩形网格进行剖分；

(24)、将步骤(21)到(23)产生的点集生成对应的网格，所述每个点对应各自的网格中心。

所述步骤(24)是这样实现的：

以已有点集作为三角剖分的所有***点，生成三角形，连接所有三角形的内心形成网格。

所述步骤(3)是这样实现的：

将步骤(2)得到的网格剖分后的数值化地质模型导入等效多重介质数值模拟器进行计算，得到计算数据，所述计算数据包括各个时间步的油、气、水相的饱和度和压力，然后将所述计算数据和步骤(2)得到的网格信息同时导入后处理软件，该处理软件能够显示缝洞网络***不同时刻的饱和度场和压力场，并形成动画，同时，能够生成含水率曲线、日产油曲线和累积产油曲线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)利用本发明方法计算得到的结果与物理模拟相吻合；

(2)本发明形成一套缝洞型油藏野外露头数值模拟方法，模拟结果与实际油田的生产规律基本吻合，并得到缝洞油藏注水替油机理及剩余油分布规律。

(3)本发明是开展缝洞型油藏及该类型地下水开采深入研究的一种有效手段，因此主要应用于缝洞型油藏或缝洞型地下水开采机理研究，并且对实际油田或地下水开发均具有一定的指导意义，具有很好的实际应用价值。由于目前国内外无类似方法，因此该方法的应用前景较好。

附图说明

图1，缝洞型油藏野外露头缝洞组合模式刻画；对缝洞型油藏野外露头的缝洞组合模式进行抽象和概念化，得出缝洞连通***。

图2，裂缝网格剖分参数设置；对裂缝进行网格剖分时的参数设置，实现对裂缝的精细模拟。

图3，是实施例模型

图4，是油水分布图。

图5，是累产油曲线

图6，是水率曲线。

图7，缝洞型油藏野外露头网格剖分图。

图8，裂缝-溶洞网格剖分图。

图9，油饱和度分布图-底水单井开采。

图10，油饱和度分布图-边水单井开采。

图11是本发明方法的步骤框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

缝洞型油藏储集体介质类型复杂、尺度变化大、流动类型多样，对该类油藏的开采机理研究、剩余油分布规律总结及开采方式优化具有很大的挑战性，目前的研究方法主要集中在物理模型试验，而采用数值模型试验，并能真实反映缝洞型油藏储集体复杂介质的研究方法目前尚属空白。

已有研究表明，缝洞型油藏储集空间以溶洞为主，溶洞是主要储油空间，裂缝是次要储集空间，基质基本不具备储油能力，人们往往更关心溶洞和裂缝中流体的流动过程，为此在出图时将溶洞和裂缝单独显示(通过关键字标识分别属于溶洞、裂缝和基质的网格，后处理时可根据关键字进行显示)(如图4所示)，能够更加清楚地展示缝洞中剩余油分布情况(如图7所示)，生成的动画能够直观地反映不同位置的裂缝及不同尺寸的溶洞在整个***中对流体的控制作用。

本发明涉及缝洞型油藏数值模拟技术，属于油气田开发领域。缝洞型碳酸盐岩油藏具有极强的非均质性、复杂的储集空间结构、油水关系和流体流动特征等，这些都给此类油藏的开发带来了许多的技术难题，使得缝洞型碳酸盐岩油藏的开发在国内外仍处于探索阶段。目前正处在研究阶段的方法主要有概念模型的数值试验和物理模拟试验。数值试验一般采用单缝洞组合或有规律的缝洞组合模式概念模型，实际的储层在缝洞形态大小及空间配位关系上远比这复杂，得出的认识可能和实际情况差别较大。物理模拟试验对于开展深入研究具有一定的指导意义，但是物理模拟试验本身具有局限性，包括受人为因素影响很大，试验参数的选取困难，尤其是实现超深条件下的高温高压，因而难以客观地反映真实的地下流场和剩余油分布情况。本发明以缝洞型油藏典型野外露头为研究对象，按照实际比例刻画出缝和洞的空间展布和形态大小(如图1所示)，真实地反映了缝洞型油藏复杂介质特征，采用局部正交网格对地质模型进行空间离散，结合有限体积法，建立精细地质模型。所采用的流体物性参数(包括高压物性数据、相渗曲线、压缩系数、粘度与压力的关系)均来自塔河油田所采集的数据。在数值计算上，采用自适应隐式方法(AIM方法)，该方法能自动或选择性地处理牛顿迭代中离散、非线性物质平衡方程问题的隐式解，可以大幅度减少计算机运行空间和减低对存储空间的要求。综上所述，该方法无论在缝洞储层介质的描述上，还是对油藏流体参数的选取上，与实际模型都具有很好的逼近。同时对于缝洞的空间离散、后处理中对缝和洞中的流场、饱和度图及压力分布图的显示以及大型线性方程组的快速求解，都具有其优越性。因而，本发明是开展缝洞型油藏的深入研究的一种有效手段，并且对实际油田开发具有一定的指导意义，具有很好的实际应用价值。

如图11所示，本发明包括以下步骤：

1)地质模型刻画；

针对岩溶型碳酸盐岩储集体与砂岩储集体不同，主要由洞穴、溶蚀孔洞及裂缝组成，其结构特征复杂，组合关系多样，结合不同的碳酸盐岩基质及其岩溶程度选取不同的缝洞组合野外露头。结合露头剖面的实际情况，精确地刻画出溶洞边界，同时确定各条裂缝位置，客观反映露头的缝洞空间形态和组合模式。模型刻画的具体方法和步骤如下：

1、将露头剖面照片导入机械制图软件，按实际露头剖面的大小设定照片的尺寸，具体实施时，在机械制图软件中利用zoom(图片缩放)命令将图片边长设为实际露头的边长。

2、对图片中的裂缝和溶洞形态和轮廓进行矢量化采集，具体实施时，首先在机械制图软件中利用pline(画线)命令描述溶洞边界和裂缝中心线，然后利用list(列表)命令导出这些点的坐标数据。

3、地质模型数值化，检查已经矢量化的裂缝和溶洞图像，对于孤立裂缝，应该从模型中剔除(由于孤立裂缝在流体流动中不起作用，因此用基质填充)，减少数值计算量。对于孤立溶洞，结合溶蚀特征和露头体中裂缝发育特征添加连接裂缝，最终形成一套缝洞相互连通的数值化地质模型，如图1所示。

4、将第2步得到代表裂缝中心线的点列和溶洞边界的点列(即所有“点数据”)导出，裂缝、溶洞和模型范围边界按需要的格式准备各自的输入数据文本文件，形成溶洞、裂缝、模型边界文件。具体格式为：

①主范围文件，文件后缀为.bnd

Domainbound  --关键字，唯一

Y₁  Y₂  --模型顶、底部高程

x₁  y₁  --范围边界第1点的坐标

x₂  y₂  --范围边界第2点的坐标

……

x_n-1  y_n-1  --范围边界第n-1点的坐标

x_n  y_n  --范围边界第n点的坐标

②子范围文件(局部加密文件)，后缀名为.bnd

bound***  --关键字，包含bound的字符串，命名不能重复

其余同上

③子范围文件(局部加密文件)，后缀名为.fut

Fracz1  --裂缝名，任意由数字、字母及下划线组成的字符串，命名不能重复

n₁  h₁  --n₁为描述裂缝的散列点数，h₁为所在平面的高程

x₁  y₁  --散列点1的坐标

x₂  y₂  --散列点2的坐标

……

x_n1  y_n1  --散列点n₁的坐标

n₂  h₂  --n₂为描述裂缝的散列点数，h₂为所在平面的高程

x₁  y₁  --散列点1的坐标

x₂  y₂  --散列点2的坐标

……

x_n2  y_n2  --散列点n₂的坐标

n₃  h₃  --n₃为描述裂缝的散列点数，h₃为所在平面的高程

x₁  y₁  --散列点1的坐标

x₂  y₂  --散列点2的坐标

……

x_n3  y_n3  --散列点n₃的坐标

2)网格剖分技术

对地质模型的空间离散(即网格剖分)一直是数值模拟研究的一项难题。由于网格剖分方式直接影响到模型的精确程度、计算的复杂程度和模拟的可靠程度，因而多数情况下，网格剖分的合理性成为整个模拟成功的关键。

本发明采用非结构局部正交网格技术，对模型区域进行空间离散，通常用矩形网格剖***缝，六边形网格剖分溶洞，裂缝网格的宽度可根据实际裂缝大小适当进行等效放大，一般在几毫米到几厘米之间，裂缝网格单元的长度与宽度比一般控制在30∶1之内。溶洞的剖分网格可以根据计算速度要求适当加粗，靠近裂缝附近，网格逐步细化，使其与裂缝网格的粗细实现平滑过渡。网格剖分的具体方法和步骤如下：

1、将准备好的溶洞、裂缝、模型边界文件(从地质模型刻画中的第4步得到的)导入软件(如可使用美国劳伦斯伯克利实验室开发的网格剖分软件WinGridder)，对基质部分(露头体中除溶洞和裂缝外的部分为基质部分)采用大的矩形网格，基质部分为非重点研究区域，可采用溶洞网格尺寸的5到10倍的尺寸，减少总网格数，可以设置网格的排列方向和长宽比，即可根据具体问题设置网格的排列方向φ(与x轴的夹角，φ＝0表示沿x轴方向)和长宽比λ(λ＝Δx/Δy，λ＝1表示网格为正方形)，得到表示基质的点集。

2、对溶洞部分应采用六边形网格(正六边形网格)，以减少网格取向效应，可以设置网格的排列方向，即可以设置网格的排列方向φ(与x轴的夹角，φ＝0表示沿x轴方向)。

3、裂缝一般为矩形网格，做裂缝网格时要按以下过程输入数据：

如图2所示，根据野外测量数据所得每条裂缝的宽度，将这些参数列入参数表Width(宽度)，考虑各条裂缝的弯曲程度设置沿裂缝走向上的点间距(可以通过尝试不同的值，直到得到代表裂缝的网格沿走向具有较好的衔接过渡。一般弯曲程度越大该取值越小。)，其中MinDis(裂缝间最小距离)是做三维网格时，设置裂缝是否为垂直裂缝所用的参数，作为二维模型，该参数可以为任何正数。

4、将第一步到第三步产生的点集(每个点对应各自的网格中心)生成对应的网格(以已有点集作为三角剖分的所有***点，生成三角形，连接所有三角形的内心形成网格)，至此，网格剖分已经完成(如图3所示)。

3)数值模拟后处理技术

对模拟结果(将所建地质模型导入KASTERSIM模拟器(等效多重介质数值模拟器)进行计算，得到各个时间步的油、气、水相的饱和度和压力)采用曲线、等值线图、动画进行合理有效的展示十分必要，本发明还包括缝洞型油藏野外露头数值模拟方便适用的后处理技术，将网格剖分软件WinGridder(该软件由美国劳伦斯伯克利实验室开发)生成的网格信息和KASTERSIM模拟器(该模拟器由中国石化石油勘探开发研究院油田开发所开发)计算所得数据同时导入后处理软件Ahead Petroleum(该软件由中国石化石油勘探开发研究院油田开发所开发)，就能方便显示缝洞网络***各饱和度场和压力场(可生成动画)，含水率曲线、日产油曲线和累积产油曲线)。

为了验证本发明方法的效果，根据对油藏数值模拟方法研究结果，开展了相应的物理实验，注水驱替油物理实验，模型如图3所示，其油水分布图如图4所示，通过本发明方法进行了物理模拟以及水驱油物理实验，实验结果如图4所示，从曲线可以看出，结果基本一致，拟合率达到95％，从而验证了方法的正确性。实施例通过本发明的数值模拟方法和物理实验模拟得到的累产油和含水曲线分别如图5和图6所示，从结果可以看出基本一致，通过计算拟合率达到95％。采用相同的参数进行数值模拟，结果如图7至图10所示，图7是对缝洞型油藏野外露头缝洞组合的精细刻画，采用局部正交网格技术进行网格剖分，得到整个区域的网格，图8是只保留裂缝和溶洞的网格，展示本发明对裂缝和溶洞的网格处理的效果，图9是底水条件下，采用单井开采，生产井含水率达到98％时油饱和度分布图，图10是边水条件下，采用单井开采，生产井含水率达到98％时油饱和度分布图，通过比较可以得出数值模拟实验与物理实验趋势一致，从而验证了本发明方法的正确性。

具体来说，利用本发明方法主要的模拟步骤如下：

①缝洞型油藏野外露头的缝洞组合进行精细刻画，形成一套只包含缝和洞的网格，建立数模网格模型；

②依据塔河油藏精细描述的结果，建立油藏基本参数、岩石和流体高压物性等数据文件，包括MESH(网格)、INFILE(输入文件)、INCON(初始条件)数据文件；

③根据塔河油田实际油田参数并分类，调整参数(包括井位、井数、射孔深度、水***置、水体能量大小、溶洞孔渗参数等)形成不同的开采模式；

④输出曲线图、饱和度图及压力分布图，对各方案从产液量、产油量、含水率、采出程度等几个方面进行对比分析；

⑤结合拟合结果，对各参数进行敏感性分析、分析水驱油特征及剩余油分布特征：首先将各参数按照由小、中、大设置，然后开展模拟计算，最后根据计算结果分析该参数对水驱油特征和剩余油分布的影响。

本发明涉及缝洞型油藏数值模拟技术，属于油气田开发领域。缝洞型碳酸盐岩油藏具有极强的非均质性、复杂的储集空间结构、油水关系和流体流动特征等，这些都给此类油藏的开发带来了许多的技术难题，使得缝洞型碳酸盐岩油藏的开发在国内外仍处于探索阶段。目前正处在研究阶段的方法主要有概念模型的数值试验和物理模拟试验。数值试验一般采用单缝洞组合或有规律的缝洞组合模式概念模型，实际的储层在缝洞形态大小及空间配位关系上远比这复杂，得出的认识可能和实际情况差别较大。物理模拟试验对于开展深入研究具有一定的指导意义，但是物理模拟试验本身具有局限性，包括受人为因素影响很大，试验参数的选取困难，尤其是实现超深条件下的高温高压，因而难以客观地反映真实的地下流场和剩余油分布情况。本发明以缝洞型油藏典型野外露头为研究对象，按照实际比例刻画出缝和洞的空间展布和形态大小，真实地反映了缝洞型油藏复杂介质特征，采用局部正交网格对地质模型进行空间离散，结合有限体积法，建立精细地质模型。所采用的流体物性参数(包括高压物性数据、相渗曲线、压缩系数、粘度与压力的关系)均来自塔河油田所采集的数据。在数值计算上，采用自适应隐式方法，该方法能自动或选择性地处理牛顿迭代中离散、非线性物质平衡方程问题的隐式解，可以大幅度减少计算机运行空间和减低对存储空间的要求。综上所述，该方法无论在缝洞储层介质的描述上，还是对油藏流体参数的选取上，与实际模型都具有很好的逼近。同时对于缝洞的空间离散、后处理中对缝和洞中的流场、饱和度图及压力分布图的显示以及大型线性方程组的快速求解，都具有其优越性。因而，本发明是开展缝洞型油藏的深入研究的一种有效手段，并且对实际油田开发均具有一定的指导意义，具有很好的实际应用价值。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (5)

1.一种缝洞野外露头水驱油数值模拟方法，其特征在于：所述方法包括：

(1)地质模型刻画，得到数值化地质模型；

(2)对步骤(1)得到的数值化地质模型进行网格剖分；

(3)数值模拟后处理。

2.根据权利要求1所述的缝洞野外露头水驱油数值模拟方法，其特征在于：所述步骤(1)包括：

(11)、将露头剖面照片导入机械制图软件，然后将图片的边长设为实际露头剖面的大小；

(12)、对图片中的裂缝、溶洞形态和轮廓进行矢量化采集得到点数据，该点数据包括代表裂缝中心线的点列和溶洞边界的点列；

(13)、地质模型数值化，检查已经矢量化的裂缝和溶洞图像，对于孤立裂缝，应该从模型中剔除，然后将此处用基质填充；对于孤立溶洞，结合溶蚀特征和露头体中裂缝发育特征添加连接裂缝，最终形成一套缝洞相互连通的数值化地质模型；

(14)、将步骤(12)得到的所有点数据导出，按照网格剖分软件所要求的数据格式准备溶洞、裂缝、模型边界文件。

3.根据权利要求2所述的缝洞野外露头水驱油数值模拟方法，其特征在于：所述步骤(2)包括：

(21)、将步骤(14)得到的溶洞、裂缝、模型边界文件导入网格剖分软件，对基质部分采用的矩形网格的尺寸是对溶洞部分采用的网格尺寸的5到10倍；设置网格的排列方向φ和长宽比λ，所述排列方向φ是与x轴的夹角，所述长宽比λ＝Δx/Δy，Δx表示长，Δy表示宽；

(22)、对溶洞部分应采用正六边形网格进行剖分，设置网格的排列方向φ所述排列方向φ表示与x轴的夹角；

(23)、对裂缝部分采用矩形网格进行剖分；

(24)、将步骤(21)到(23)产生的点集生成对应的网格，所述每个点对应各自的网格中心。

4.根据权利要求3所述的缝洞野外露头水驱油数值模拟方法，其特征在于：所述步骤(24)是这样实现的：

以已有点集作为三角剖分的所有***点，生成三角形，连接所有三角形的内心形成网格。

5.根据权利要求4所述的缝洞野外露头水驱油数值模拟方法，其特征在于：所述步骤(3)是这样实现的：

将步骤(2)得到的网格剖分后的数值化地质模型导入等效多重介质数值模拟器进行计算，得到计算数据，所述计算数据包括各个时间步的油、气、水相的饱和度和压力，然后将所述计算数据和步骤(2)得到的网格信息同时导入后处理软件，所述后处理软件能够显示缝洞网络***不同时刻的饱和度场和压力场，并形成动画，同时，能够生成含水率曲线、日产油曲线和累积产油曲线。