油氣開(kāi)采的歷史是石油科技進(jìn)步的演化史，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展史。全球范圍內(nèi)以注水開(kāi)采為主的二次采油技術(shù)、提高采收率為目的三次采油技術(shù)與以頁(yè)巖氣藏為代表的非常規(guī)油氣開(kāi)采技術(shù)越來(lái)越起到關(guān)鍵性作用。這其中，以計(jì)算機(jī)為手段的數(shù)值模擬技術(shù)在這些油氣藏高效開(kāi)發(fā)與提高采收率中占據(jù)至關(guān)重要的地位。
目前，我國(guó)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(chǔ)采比低為特征，剩余油分布呈現(xiàn)高度分散、相對(duì)集中特點(diǎn)；我國(guó)非常規(guī)油氣藏儲(chǔ)量大、埋藏深、超低滲，其中陸域頁(yè)巖氣可采資源潛力為 25 萬(wàn)億立方米，這種從“毛細(xì)管中采血”開(kāi)采方式嚴(yán)重著依賴(lài)水平井技術(shù)完井與多級(jí)壓裂技術(shù)；油氣藏開(kāi)采中存在著諸多的不確定性，從地震到地質(zhì)，從油藏到油井，我們要更精細(xì)量化儲(chǔ)量、品質(zhì)、產(chǎn)能與采收率，進(jìn)行油藏與生產(chǎn)優(yōu)化研究；這就要以技術(shù)集成與一體化平臺(tái)為基礎(chǔ)，以現(xiàn)代化油藏經(jīng)營(yíng)管理為理念，以油藏模擬為生產(chǎn)管理手段，不斷認(rèn)識(shí)與經(jīng)營(yíng)油氣藏，實(shí)現(xiàn)最小化勘探成本、加速增儲(chǔ)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(bào)廢時(shí)間。
高精度油氣藏模型數(shù)值模擬技術(shù)
在傳統(tǒng)的油藏工程中，并沒(méi)有考慮儲(chǔ)層空間上的不連續(xù)性與非均質(zhì)性，油氣藏工程以均質(zhì)油藏模型為對(duì)象，以基本滲流理論為依據(jù)，以實(shí)際統(tǒng)計(jì)規(guī)律為背景，形成經(jīng)驗(yàn)解析公式；在傳統(tǒng)的數(shù)值模擬研究中，由于計(jì)算機(jī)能力限制，通常要先對(duì)精細(xì)的地質(zhì)模型進(jìn)行粗化，部分地質(zhì)特征就會(huì)在不經(jīng)意中被忽視掉，從而導(dǎo)致了空間上認(rèn)識(shí)不足，形成了“定性尚可、定量不足”共識(shí)。
在國(guó)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(chǔ)層與火山巖儲(chǔ)層，并且具有嚴(yán)重非均質(zhì)與較低滲透率特征。油田注水開(kāi)采過(guò)程會(huì)過(guò)早形成水突破，而氣藏在衰竭開(kāi)采中也可能會(huì)形成較快水鎖或水淹，采收程度往往會(huì)較低，不能持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)。為了明細(xì)地下流體流動(dòng)規(guī)律，借助強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)與新興的先進(jìn)數(shù)值求解算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)高精度地質(zhì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬運(yùn)算研究，更精細(xì)地刻畫(huà)油藏特征，更準(zhǔn)確地描述油氣水分布規(guī)律。
INTERSECT高級(jí)數(shù)值模擬運(yùn)算器
斯倫貝謝公司 INTERSECT 油氣藏?cái)?shù)值模擬器是于 2000 年開(kāi)始與美國(guó)Chevron 雪佛龍公司一同研發(fā)，集兩家公司油氣藏專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)、應(yīng)用數(shù)值分析專(zhuān)長(zhǎng)與計(jì)算機(jī)語(yǔ)言專(zhuān)業(yè)知識(shí)；2004 年，法國(guó)道達(dá)爾公司加入 INTERSECT 稠油 熱 采 模 擬 技 術(shù) 的 研 發(fā)；2005 年 斯倫貝謝專(zhuān)家正式在 SPE 文獻(xiàn)上論述了INTERSECT 模擬器中的求解技術(shù)；2010 年釋放第一個(gè)商業(yè)化版本并陸續(xù)被許多用戶應(yīng)用；2012 年 Total 道達(dá)爾公司正式成為了 INTERSECT 合作伙伴。INTERSECT 是當(dāng)前最先進(jìn)的油氣藏?cái)?shù)值模擬運(yùn)算器，以 Petrel RE為其前后處理環(huán)境，與 Petrel 地震解釋與地質(zhì)建模完美無(wú)縫連接。
AMG-CPR 代數(shù)多重網(wǎng)格與壓力殘差預(yù)處理技術(shù) 伴隨矩陣方法是求解梯度計(jì)算的最有效的方法，與基于梯度計(jì)算的優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，可以用來(lái)求解生產(chǎn)預(yù)測(cè)問(wèn)題與歷史擬合問(wèn)題；這個(gè)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(zhuǎn)制矩陣，是一個(gè)線性方程組。對(duì)于大型或復(fù)雜的油藏模型來(lái)說(shuō)，廣義上的預(yù)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(jì)算非常耗時(shí)；需要更有效的方法加速收斂，提高運(yùn)算效率。
約束壓力殘差 CPR（Constrained Pressure Residual） 預(yù) 處 理 求 解 技術(shù) 是 由 Wallis 在 1983 年 提 出 的，而 Nested-factorization“ 造 巢” 分解技術(shù)也于 1983 年由 Appleyard 提出， 后 者 則 是 在 ECLIPSE 中 被 廣 泛采用的技術(shù)；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(xué)、Wallis 咨詢公司與雪佛龍公司專(zhuān)家將約束壓力殘差CPR 預(yù)處理技術(shù)與代數(shù)多重網(wǎng)格 AMG（Algebraic Multigrid）線性解法器相結(jié)合，更高效地求解復(fù)雜地質(zhì)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(shù)與靈活的廣義最小化殘差 FGMRES 技術(shù)相結(jié)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(shù) 單純的非線性方程組與線性方程組求解方法的改進(jìn)不能滿足油藏?cái)?shù)值模擬應(yīng)用要求，基于現(xiàn)代集群技術(shù)與并行運(yùn)算技術(shù)可以更顯著提高油氣藏?cái)?shù)值模擬的性能，更好地滿足油氣田開(kāi)發(fā)應(yīng)用需求。常規(guī)相對(duì)直接的區(qū)域剖分方法，通常沿垂直于X 或 Y 方向?qū)⒌芽柧W(wǎng)格分割成若干個(gè)區(qū)域，每一個(gè)區(qū)域包含大致相同數(shù)量的網(wǎng)格數(shù)，同時(shí)最小化每一個(gè)區(qū)域表面積。
但是，實(shí)際上網(wǎng)格不僅要反映巖石構(gòu)造性質(zhì)，如斷層、層位；同時(shí)要充分捕捉流體過(guò)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(shí)，這種并行剖分模式并行運(yùn)算效率則并不顯著。INTERSECT 從網(wǎng)格區(qū)域剖分開(kāi)開(kāi)始，就是一個(gè)先天性的非結(jié)構(gòu)化的模擬器，這里引入了 ParMETIS 區(qū)域剖分技術(shù)；這是一個(gè)被證明、并被廣泛應(yīng)用的區(qū)域剖分方法庫(kù)，可以快速解決對(duì)大系統(tǒng)的區(qū)域剖分問(wèn)題。我通常會(huì)將線性系統(tǒng)里非常連通的網(wǎng)格保留在同一個(gè)計(jì)算處理器中。一個(gè)啟發(fā)式的做法是選擇出高連通性或高權(quán)重網(wǎng)格，然后擴(kuò)展至周?chē)W(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(dǎo)率來(lái)指導(dǎo)并行區(qū)域剖分，因?yàn)閭鲗?dǎo)率則是兩個(gè)網(wǎng)格之間關(guān)聯(lián)性的非常好的指標(biāo)。同時(shí) INTERSECT
可以更高效地對(duì)跨剖分區(qū)域水平井進(jìn)行求解。
更加嚴(yán)格的方程收斂性控制標(biāo)準(zhǔn) 通常在很多的模擬器中，黑油模擬器的收斂判斷標(biāo)準(zhǔn)與組分模擬器的判斷標(biāo)準(zhǔn)不一樣。黑油模擬器采用的是 F(x) 絕對(duì)值要足夠的小，要小于設(shè)置的界限；組分模擬器收斂準(zhǔn)則是靠 ?x 足夠小進(jìn)行判斷；但是 INTERSECT 采用的是兩者組合的模式，也就是說(shuō) F(x) 與 ?x都要足夠小，同時(shí) INTERSECT 中對(duì)求解變量壓力、飽和度、摩爾分?jǐn)?shù)變化都做了更嚴(yán)格的收斂控制標(biāo)準(zhǔn)。
典型應(yīng)用實(shí)例
這里，INTERSECT 油藏?cái)?shù)值模擬器主要用來(lái)求解諸多復(fù)雜的地質(zhì)、油藏與生產(chǎn)井問(wèn)題，如：不粗化的精細(xì)油氣藏地質(zhì)模型、具有大量的開(kāi)發(fā)井?dāng)?shù)全油田模型、多分枝井與復(fù)雜結(jié)構(gòu)井流動(dòng)特征、稠油油藏?zé)崃Σ捎腿珔^(qū)模擬與蒸汽腔刻畫(huà)、聚合物為代表三次采油技術(shù)驅(qū)油效應(yīng)、基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的水平井多級(jí)壓裂技術(shù)、凝析氣藏 / 揮發(fā)油藏與 CO2 混相驅(qū)中組分變化規(guī)律以及油藏、井筒與管網(wǎng)一體化耦合應(yīng)用。
碳酸鹽巖應(yīng)用實(shí)例 這是一個(gè)帶氣頂?shù)奶妓猁}巖油藏，此地質(zhì)模型共有230 萬(wàn)網(wǎng)格，150 多口井，25 年生產(chǎn)歷史；因?yàn)槭请p重介質(zhì)模型，所以存在大量的非相鄰連接，對(duì)油藏?cái)?shù)值模擬而言，是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。從 計(jì) 算 結(jié) 果 上 看，INTERSECT模擬器 32 路并行運(yùn)算只需 1.1 小時(shí)，64 路并行僅需 0.7 小時(shí)，這其中表現(xiàn)出卓越并行效率；就標(biāo)準(zhǔn)模擬器而言，32 路并行運(yùn)算則需要 18 小時(shí)（如圖 6）。
對(duì)比 INTERSECT 與 ECLIPSE 結(jié)果，則會(huì)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(biāo)準(zhǔn)模擬器保持了高度的一致性。
凝析氣藏應(yīng)用實(shí)例 這是一個(gè)凝析氣田，總儲(chǔ)量為 10 萬(wàn)億立方米，深度約 4,000 米，儲(chǔ)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(zhì)模型具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性，平均滲透率為 1 豪達(dá)西，平均孔隙 度 為 16%， 共 490 萬(wàn) 網(wǎng) 格，1,100口井；流體共 8 個(gè)組分，共 28 個(gè)平衡分區(qū)，2 個(gè) PVT 分區(qū)；
預(yù)測(cè) 32 年。從計(jì)算結(jié)果上發(fā)現(xiàn)，INTERSECT模擬器 32 路并行只需 4 個(gè)小時(shí)即可完成模擬運(yùn)算，而這個(gè)值是 8 路并行運(yùn)算時(shí)間的近 3 倍，表現(xiàn)出了良好的并行擴(kuò)展性。
復(fù)雜井應(yīng)用實(shí)例 INTERSECT 中運(yùn)用了多段井模型技術(shù)描述復(fù)雜井的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，可以更準(zhǔn)確地詮釋水平井、多分枝井以及具有井下工具的復(fù)雜結(jié)構(gòu)井。INTERSECT 數(shù)值模擬器可以更高效地對(duì)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型進(jìn)行求解運(yùn)算，從而可以更好地解釋近井地帶流體運(yùn)移特征與以及評(píng)估頁(yè)巖氣藏水平井多級(jí)壓裂后效果與壓力及流體分布規(guī)律。
斯倫貝謝 INTERSECT 自適應(yīng)模擬器具有非常高效的并行運(yùn)算性能，統(tǒng)一支持結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；能夠?qū)ι蟽|、甚至 10 億網(wǎng)格模型進(jìn)行數(shù)值求解；能夠滿足大型、復(fù)雜、高度非均質(zhì)油氣藏模擬運(yùn)算需求，使油藏工程師真正實(shí)現(xiàn)與地質(zhì)工程師共享地質(zhì)模型精度的夢(mèng)想；同時(shí)基于 Petrel 平臺(tái)，真正實(shí)現(xiàn)地震與地質(zhì)、地質(zhì)與油藏一體化綜合研究，更高效、深入、細(xì)致挖掘全油氣田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)潛力。
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