喀斯特中油水流动模拟技术研究

工作。1960年代，人们开始用计算机解决油田开发上一些较为简单的问题，主要以黑油模型为主。到1970年代，情况显著改变，主要体现于计算机的快速升级带动了油藏数模的迅猛发展，为此发展了新的模型与技术模拟常规递减和保持压力以外的采油方法。1980年代是油藏数值模拟技术飞跃发展的年代，解决不同类型油藏的数模计算方法及软件相应问世，同时由于高速大容量电子计算机问世，油藏模拟已发展为一门成熟的技术，油藏模拟进入商品阶段，用于衡量油田开发好坏，预测投资效应，提高采收率，对比开发方案，大小企业普遍使用。1990年代后期，油藏模拟软件各模块功能有了惊人的发展，即主要体现为向一体化方面发展：即向集地震、测井、油藏工程（数模）、工艺及地面集输、经济评价等为一体的大型软件方面发展。

油藏数值模拟技术经过几十年的研究有了大的改进，越来越接近油田开发和生产的实际情况，油藏数值模拟技术在油田开发和生产中的应用中，根据油藏工程研究和油藏工程师的需求，不断向高层次和多学科结合方向发展完善。

针对小尺度溶孔裂缝油藏的数值模拟研究始于1975年，克洛斯曼（P.J.Closeman）借助双重介质达西渗流模型，建立了孔、缝、洞三重介质达西渗流模型。冯文光、葛家理在1985年建立了多重介质非达西高速渗流数学模型。对于存储石油的空间极其复杂且尺寸变化大、流动类型多样的大型碳酸盐岩喀斯特油藏，存在复杂的缝洞系统，其内部多种流动方式共存，流体流动及介质间交换规律极其复杂，基于多孔介质的渗流理论的数值模拟技术已经不再适用。多尺度缝洞介质中流体流动数学模型建立、数值计算快速收敛方法等是研究的难点和重点，其仍是具有挑战性的世界级难题，没有成功的经验可以借鉴。

喀斯特油藏三相流体流动数学模型

碳酸盐岩喀斯特油藏储集体类型多样，既有大型溶洞、大裂缝、小裂缝、溶蚀孔洞与微裂缝，流体流动既有洞穴流动也有渗流。针对这种复杂介质流体流动问题，笔者研究团队建立了喀斯特油藏中油-气-水三相流体流动数学模型，具体如下。

（1）建立了三维油-气-水三相喀斯特油藏数值模拟数学模型。喀斯特油藏中大尺度溶洞普遍存在，与常规砂岩不同的是，溶洞内流体流动不符合达两定律，而是洞穴流。洞穴流主要的特征是油水界面整体水平向上抬升，在油水界面经过的区域，洗油效率为100%。所以常规商业数值模拟软件不再适用，需要从数学上重新研究洞穴流动的流动方程，实现渗流和洞穴流的耦合。

油-气-水三相在大溶洞和大裂缝的运动属于自由流动，遵循纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）定律，在微裂缝和溶孔中的运动属于渗流，遵循达西定律。划分了缝洞介质的类型，应用表面张力及界面的形状来考虑裂缝毛管力对多相流动的影响，通过界面追踪方法跟踪多相的界面，建立了相界面方程；依据毛管束模型，建立了缝洞组合物理模型，确定了缝洞内非达西流系数；建立了喀斯特油藏中流体流动的数学模型，其中溶洞内多相流体采用瞬时平衡、重力分离方法。

（2）形成了超深地层喀斯特溶洞中流体流动的模拟方法。针对地质建模给出的溶孔溶缝模型、裂缝模型、溶洞模型，对小型溶洞、小尺度裂缝、溶孔等效处理，对大型溶洞、大尺度裂缝特殊处理。大型溶洞内传导率极大，洞内视为等势体，两相流动时呈现油水瞬时重力分异，对溶洞网格赋予特殊的两相流曲线，来反映“油水瞬时重力分异”的特点。

（3）建立了喀斯特油藏中流体流动与地层固体变形间的处理方法。对于喀斯特油藏储层来说，通过裂缝相连接的溶洞是主要的储集体，裂缝是油水流动的主要通道。油藏的工程作用（如油气开采、注水）将会导致储集层孔隙压力变化、引起岩层固相介质应力的重新分布，使得储集层固相介质发生变形（如裂缝张开或闭合，其中裂缝的闭合具有不可逆性），从而影响到流体在孔隙空间里的流动，即表现为多重介质多相流流固耦合。由于裂缝作为喀斯特油藏的主要通道，对压力变化非常敏感，因此研究喀斯特油藏多重介质多相流流固耦合问题，有着十分重要的意义。

为此针对喀斯特油藏流固耦合问题，提出了一种有限元一有限体积混合的数值计算方法。考虑实际油藏模拟当中计算量问题，建立了一种裂缝溶洞一基质的复合介质变形一渗流耦合的简化计算方法。相比传统解决流固耦合有限元方法，大幅度减少了计算量，提高了喀斯特油藏数值模拟效率。

（4）改进了目前数值解法，大幅度提高了计算速度。喀斯特油藏非均质性强，整个油藏用间接求解压力、饱和度计算速度慢，为此综合全隐式和隐式求压力显式求解饱和度两种算法的优点，对于井单元、饱和度、压力变化较大的单元，采用全隐式算法进行计算；对于饱和度、压力变化较小的单元，采用隐式求压力显式求解饱和度算法进行计算，实现了模拟器缝、洞、井自适应隐式算法，并进一步形成了线性方程组稀疏矩阵的块结构存储和对角优化技术，提高了计算速度和收敛性。

针对喀斯特油藏模型的尺度变化大，导致喀斯特油藏模拟的计算量成倍增长，计算时间远大于常规砂岩油藏数值模拟。因此，开展了多CPU并行计算的研究。形成了全过程并行计算模式，即网格划分、数据输入和存储、组装雅可比矩阵、求解线性方程均并行处理，实现了数值模拟高速并行计算。

（5）建立了喀斯特油藏辅助自动历史拟合方法。历史拟合是油藏模拟中一项重要的工作。因为一个油藏模型被建立起来以后，是否完全反映油气藏实际，并未经过检验。只有利用将生产和注入的历史数据输入模型并运行模拟器，再将计算结果与油气藏实际动态相比，才能确定模型中采用的油气藏描述是否有效。快速、高效地进行历史拟合是油藏模拟技术发展的客观要求，也是实现油田高效开发的关键手段。历史拟合指的是一个参数调整的过程，其主要是通过调整地质模型参数来拟合实际生产动态数据，使得数字化的油藏符合实际开发状态，保证再现开发过程的正确性，为后期开发方案的预测提供基础。

自动历史拟合是以降低实际油藏与所建地质模型的动态变化的差异为目标，以计算机为手段，通过最优化算法自动反演和校正油藏地质模型，匹配区块内各井的生产开发指标，该方法正逐渐成为未来油藏模拟的发展趋势。为此建立了喀斯特油藏历史拟合方法。

一是建立了辅助自动历史拟合数学模型。突破了传统历史拟合目标函数只注重生产动态数据匹配效果，而忽视先验地质认识的局限性，从而使得反演得到的地质模型参数更加符合油藏实际地质统计规律。二是形成了辅助自动历史拟合数学模型计算方法。结合先验地质信息和统计学方法，形成了自动历史拟合求解方法；进一步改进了基于遗传算法的优化算法，大大提高算法的收敛效率。

喀斯特油藏数值模拟器助力油藏开发

针对油藏尺度下缝洞介质的数值模拟问题编写了“喀斯特油藏数值模拟平台”；针对溶洞流、裂缝流及渗流多场耦合计算问题编写了“喀斯特油藏高精度数值模拟软件”；针对油藏物性参数求取难的问题编写了“喀斯特油藏辅助历史拟合及生产优化软件”；同时设计了喀斯特油藏数值模拟器前后处理功能，以可视化的方式为油藏数值模拟准备输入数据，为模拟器输出的结果提供可视化显示、分析工具。最后，将这些软件统一集成到“油藏数值模拟可视化软件”平台。实现了喀斯特油藏数值模拟数据处理及三维可视化功能，形成了高效数据压缩、模型快速可视化技术。该软件平台主要功能具体如下。

（1）实现了不同类型储集体储量计算及分类评价功能。定量分析剩余油在不同储集体中的分布情况，针对不同储集体进行分类评价。

（2）实现了模拟过程实时监控功能。便于用户观察计算进度及每个时间步的拟合情况。如果发现计算偏差大，可以及时终止，减少不必要的运算。

（3）实现了多窗口联动功能，分析水驱油规律更加便捷。二维生产曲线与三维属性联动，快捷分析生产过程中产量变化与底水锥进（或注入水驱油）过程。三维属性联动，便于对比分析不同属性与储集体类型之间的空间分布关系。

喀斯特油藏数值模拟方法解决了缝洞介质中流体流动模拟技术问题，已经应用于油田生产实践中。在运行过程中，为塔河油田开发生产发挥了积极的作用。

（1）采用喀斯特油藏模拟器进行了105个喀斯特油藏区块注水开发机理研究，揭示了不同缝洞组合体注水开发机理及剩余油分布特征，同时开展了井间连通性研究，确定了典型喀斯特油藏区块的井间连通关系。结合生产动态提出了缝注洞采、交互注采、厚致密体之上同层注采、避免断裂两边注采等开发方式，这些注水开发方式已成为塔河喀斯特油藏注水开发设计的基本模式，指导了塔河油田喀斯特油藏的注水开发。

（2）采用喀斯特油藏模拟器对塔河油田典型喀斯特油藏区块进行了数值模拟研究，提出了喀斯特油藏开发技术政策及注水调整方案，实验区实施后阶段增油51.4万吨，实现经济利润8.6亿元。

关键词：喀斯特油藏 碳酸盐岩 油水流动 数值模拟

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