戚志林,黃小亮,雷登生
重慶科技學(xué)院 石油與天然氣工程學(xué)院,重慶 401331
“油藏?cái)?shù)值模擬”課程教學(xué)探討
戚志林,黃小亮,雷登生
重慶科技學(xué)院 石油與天然氣工程學(xué)院,重慶 401331
“油藏?cái)?shù)值模擬”是一門綜合性很強(qiáng)的課程。本文從“油藏?cái)?shù)值模擬”課程的結(jié)構(gòu)設(shè)置特點(diǎn)和該課程在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)際特點(diǎn)分析入手,提出了有助于改變?cè)撜n程目前現(xiàn)狀的教學(xué)方法和思路。
油藏?cái)?shù)值模擬;課程結(jié)構(gòu);教學(xué)方法
數(shù)值模擬也叫計(jì)算機(jī)模擬。它以電子計(jì)算機(jī)為手段,通過數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法,達(dá)到對(duì)工程問題和物理問題乃至自然界各類問題研究的目的。油藏?cái)?shù)值模擬是數(shù)值模擬的一種,是用數(shù)值方法求解描述油藏中的多維多相多組分流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型,以研究油藏中滲流機(jī)理過程,為科學(xué)合理地開發(fā)油氣田提供依據(jù)。
油藏?cái)?shù)值模擬是一門綜合性很強(qiáng)的科學(xué)技術(shù),它涉及的知識(shí)領(lǐng)域很廣,包括油田地質(zhì)學(xué)、油層物理學(xué)、油藏工程學(xué)、采油工程學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和油藏?cái)?shù)值模擬程序[1-2]。因此,要學(xué)好“油藏?cái)?shù)值模擬”這門課程,需要多方面知識(shí)配合,要完成油藏模擬工作,則需要一個(gè)能熟練掌握上述領(lǐng)域且有豐富經(jīng)驗(yàn)的油藏工程專家[3]。鑒于“油藏?cái)?shù)值模擬”課程本身的特點(diǎn)和面向的教學(xué)對(duì)象缺乏工作經(jīng)驗(yàn)的實(shí)際,如何使“油藏?cái)?shù)值模擬”課程成為學(xué)生易于接受且能培養(yǎng)一定實(shí)際操作和判斷能力,就成為教學(xué)的重點(diǎn)。
考慮到“油藏?cái)?shù)值模擬”課程的專業(yè)特性,在課程內(nèi)容設(shè)置中,筆者充分考慮了理論與實(shí)際相結(jié)合的方式,設(shè)置中主要包括了以下特點(diǎn):
從20世紀(jì)50年代起,“油藏?cái)?shù)值模擬”就開始應(yīng)用數(shù)值方法求解油藏內(nèi)復(fù)雜的滲流問題,目前仍然應(yīng)用數(shù)學(xué)模型重現(xiàn)實(shí)際的油藏動(dòng)態(tài),通過流體力學(xué)的方法重現(xiàn)油田開發(fā)的實(shí)際過程。
在模擬過程中,它的基本原理是把生產(chǎn)或注入動(dòng)態(tài)作為確定值,通過調(diào)整模型的不確定因素使計(jì)算的確定值(生產(chǎn)動(dòng)態(tài))與實(shí)際吻合。其數(shù)學(xué)模型,是通過一組方程組,在一定假設(shè)條件下,描述油藏真實(shí)的物理過程。它充分考慮了油藏構(gòu)造形態(tài)、斷層位置、油砂體分布、油藏孔隙度、滲透率、飽和度和流體PVT性質(zhì)的變化等因素。這組流動(dòng)方程組由運(yùn)動(dòng)方程、狀態(tài)方程和連續(xù)方程所組成。
油藏?cái)?shù)值模擬階段準(zhǔn)備的參數(shù)較多,主要有:
(1)油藏地質(zhì)參數(shù):產(chǎn)層構(gòu)造圖,油、氣、水分布圖,油層厚度、孔隙度、滲透率、原始含油飽和度的等值圖等;
(2)流體物理性質(zhì)參數(shù):地面性質(zhì)和地層狀態(tài)下的物性數(shù)據(jù),原始?jí)毫偷貙訙囟葦?shù)據(jù),對(duì)凝析氣田還需要相圖和相平衡的資料;
(3)專項(xiàng)巖心分析資料:油水相滲透率曲線,油氣相滲透率曲線,油層潤(rùn)濕性,吸入和排驅(qū)毛細(xì)管壓力曲線;對(duì)碳酸鹽巖孔隙裂縫雙重介質(zhì)儲(chǔ)層,還需滲吸曲線;
(4)單井和分層分區(qū)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和有關(guān)測(cè)試資料;
(5)油田建設(shè)和經(jīng)濟(jì)分析的有關(guān)數(shù)據(jù)。
在數(shù)值模擬過程中主要經(jīng)過一下過程完成數(shù)值模擬:
(1)建立數(shù)學(xué)模型:依據(jù)所需研究的滲流問題,由達(dá)西定律和物質(zhì)守恒方程和狀態(tài)方程,有時(shí)還有能量守恒方程等組合起來,建立相應(yīng)的偏微分方程組,加上相應(yīng)的邊界條件和初始條件,構(gòu)成描述滲流過程的數(shù)學(xué)模型。
(2)建立差分方程:用數(shù)學(xué)方法求解偏微分方程式,首先必須把偏微分方程離散化成為代數(shù)方程組。油藏?cái)?shù)值模擬中最常用的離散方法是差分法,也已開始研究有限元法,但尚未普遍應(yīng)用。
(3)數(shù)值法求解:解代數(shù)方程組常用的方法有直接解法和各種迭代法,如超松弛法、強(qiáng)隱式法、交替方向迭代法等。在方程組內(nèi)所要求解的未知量主要是相的壓力及其飽和度。求得壓力和飽和度后,即可算出其他所需的開發(fā)指標(biāo)。通常所用的解法有三種方法:①隱式方法求壓力,顯式方法求飽和度;②聯(lián)立求解隱式壓力、隱式飽和度;③隱式壓力和隱式飽和度的逐次求解法。還有各種處理非線性項(xiàng)的半隱式和全隱式方法,近年來還發(fā)展了在各結(jié)點(diǎn)上自動(dòng)調(diào)整隱式程度和自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格密度的各種自適應(yīng)解法。
(4)計(jì)算程序設(shè)計(jì):將所研究的問題和求解的方法,按照一定的算法語(yǔ)言編制計(jì)算機(jī)運(yùn)算的步驟,成為計(jì)算機(jī)軟件。
(5)運(yùn)算和結(jié)果整理:按程序要求輸入計(jì)算參數(shù)。經(jīng)運(yùn)算后可以得到分布在油藏內(nèi)足夠多的各結(jié)點(diǎn)上的數(shù)值解,用曲線或圖表輸出,經(jīng)整理后即可用來解答所需求解的問題。近年來還發(fā)展了輸出彩色圖像的方法,能直觀地用各種彩色來表示驅(qū)油過程。
隨著高速、大容量電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展,油藏?cái)?shù)值模擬方法日益廣泛地應(yīng)用于研究各種類型油藏的合理開發(fā)問題,包括:
(1)技術(shù)決策研究:油田開發(fā)中的重大技術(shù)決策可先在模型上研究其效果。
(2)進(jìn)行敏感性分析:如注水時(shí)間的早晚、保持油藏壓力的水平、產(chǎn)量的大小對(duì)最終采收率的影響等。
(3)開發(fā)方案編制和最優(yōu)方案選擇:包括最佳井網(wǎng)布置、層系劃分、保持壓力開采的必要性及其方法選擇、開發(fā)指標(biāo)的預(yù)測(cè)、經(jīng)濟(jì)效益等提供分析方法,并能定量地表達(dá)不同方案的效果。
(4)在眾多的方案對(duì)比中,可選擇出最優(yōu)方案。
(5)動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)和開發(fā)調(diào)整研究;
(6)對(duì)于已投入開發(fā)的油田,通過歷史擬合預(yù)報(bào)油田動(dòng)態(tài),進(jìn)行生產(chǎn)分析,研究剩余油飽和度分布狀況,可以此確定加密井的井位、層系調(diào)整及效果預(yù)測(cè)等改善油田開發(fā)效果的方法。
(7)用于單井動(dòng)態(tài)分析,如研究底水錐進(jìn)等問題。
根據(jù)“油藏?cái)?shù)值模擬”課程結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用原有的教學(xué)方法,已經(jīng)不能適應(yīng)教學(xué)的需求,加強(qiáng)教學(xué)環(huán)節(jié)的具體化,顯得非常必要。
油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)其實(shí)就是一門仿真模擬技術(shù)應(yīng)用于油藏實(shí)際開發(fā)中,對(duì)該門課程教學(xué)中也是對(duì)油藏工程更加理論與直觀的表述,在以下幾個(gè)方面擁有明顯的特點(diǎn):
(1)形象性:油藏?cái)?shù)值模擬能創(chuàng)造一個(gè)與實(shí)際近乎相同的特性環(huán)境。
(2)交互性:油藏?cái)?shù)值模擬過程中,學(xué)生與研究對(duì)象能進(jìn)行交互,可以大大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)學(xué)生與模擬對(duì)象之間可以有多維信息交互作用,學(xué)生從定性和定量綜合集成的虛擬環(huán)境中,可以獲得對(duì)研究對(duì)象的感性和理性的認(rèn)識(shí)。
(3)全面性:油藏?cái)?shù)值模擬軟件可充分考慮實(shí)際環(huán)境中的各種因素,避免由于特定條件而導(dǎo)致的操作結(jié)果的單一取向。
(4)安全性:油藏?cái)?shù)值模擬在觀察與操練上有絕對(duì)的安全性。不會(huì)因有錯(cuò)誤操作而造成損失。
(5)節(jié)約性、高效性:為了減少盲目性,使用油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)來做嚴(yán)密的科學(xué)計(jì)算,用數(shù)學(xué)模型原理再現(xiàn)油藏地下真實(shí)動(dòng)態(tài),可以反復(fù)多次開發(fā),求得合理開發(fā)油田定性的半定量的解,這樣時(shí)間短花錢少。無論是新手還是行家,每個(gè)人都能更快、更好、低耗地學(xué)習(xí)油藏開發(fā)。
上述特點(diǎn)都能使學(xué)生對(duì)“油藏?cái)?shù)值模擬”課程有更加清晰和直觀的認(rèn)識(shí),對(duì)油藏的開發(fā)有了更深入的了解,增加了自身的專業(yè)素養(yǎng)。
“油藏?cái)?shù)值模擬”課程具有包含知識(shí)量大、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn),為有效開發(fā)油氣田提供了重要的工具。要讓學(xué)生學(xué)好油藏?cái)?shù)值模擬課程,需從以下幾方面著手。
油藏?cái)?shù)值模擬是一門綜合性很強(qiáng)的科學(xué)技術(shù),它涉及的知識(shí)領(lǐng)域很廣,首先需要學(xué)生對(duì)包含的基礎(chǔ)課程進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí),包括數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)語(yǔ)言等。
油藏?cái)?shù)值模擬是專業(yè)性很強(qiáng)的學(xué)科,對(duì)專業(yè)方面的課也有較高的要求。因此,學(xué)生還得加強(qiáng)專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí),包括:“油田地質(zhì)學(xué)”、“油層物理學(xué)”、“油藏工程學(xué)”、“采油工程學(xué)”、“油藏?cái)?shù)值模擬程序等”。
油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)其實(shí)就是將仿真模擬技術(shù)應(yīng)用于油藏實(shí)際開發(fā)中,是通過數(shù)值模擬軟件CMG、Eclipse等將油氣田真實(shí)情況反應(yīng)在計(jì)算機(jī)上面。為了能更好地對(duì)油藏進(jìn)行整理和調(diào)整,通過理論學(xué)習(xí)知道影響油氣田開發(fā)指標(biāo)的因素,能合理的調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù),達(dá)到最佳效果。同時(shí)須以軟件作為橋梁,將油氣田直觀的展現(xiàn)在學(xué)生面前,能有一個(gè)定性與定量的認(rèn)識(shí),讓學(xué)生獲得對(duì)研究對(duì)象的感性和理性的認(rèn)識(shí)。
在教學(xué)中,如果教師只是以軟件作為演示對(duì)象,學(xué)生只會(huì)很枯燥、無所收獲的瀏覽而過,不能建立自身的認(rèn)知印象。鑒于此,建立數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)室刻不容緩,購(gòu)置相關(guān)的教學(xué)軟件,讓學(xué)生能親自動(dòng)手,親自掌握相關(guān)的數(shù)據(jù)和操作方法。最終能制訂出相關(guān)的油氣田開發(fā)方案,培養(yǎng)學(xué)生的成就感,加深對(duì)課程的理解程度。
相當(dāng)一部分學(xué)生在學(xué)習(xí)完一門課程以后,就將該課程扔在一邊再也不去學(xué)習(xí),針對(duì)有興趣的同學(xué)應(yīng)該建立一個(gè)長(zhǎng)期學(xué)習(xí)的機(jī)制和給這部分學(xué)生能深入繼續(xù)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì),主要可以在以下幾方面做一些工作:(1)成立油藏?cái)?shù)值模擬學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì),增強(qiáng)相互帶動(dòng)性;(2)教師利用現(xiàn)場(chǎng)課題設(shè)立相關(guān)課題指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行油氣田實(shí)際開發(fā)方案設(shè)計(jì);(3)在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中加入相關(guān)數(shù)值模擬的內(nèi)容。
通過多方面知識(shí)的融會(huì)貫通,“油藏?cái)?shù)值模擬”課程將改變教師不好教、授課比較費(fèi)勁、學(xué)生不好學(xué)、學(xué)習(xí)積極性不大的現(xiàn)狀。 隨著油藏?cái)?shù)值模擬學(xué)科不斷地發(fā)展,新的教學(xué)方法和理念將不斷地涌現(xiàn),課堂教學(xué)內(nèi)容和形式將不斷地改進(jìn)和提高。要培養(yǎng)高素質(zhì)油藏?cái)?shù)值模擬人才適應(yīng)油氣田開發(fā)的需要,必須促使教學(xué)工作者積極吸收新知識(shí),大膽嘗試新的教學(xué)形式,加強(qiáng)科學(xué)研究,提高自身業(yè)務(wù)素質(zhì)和文化、思想修養(yǎng),以適應(yīng)油氣田開發(fā)的需要,提高教學(xué)效果。
[1] 劉鵬程.采取多種教學(xué)措施提高“油藏?cái)?shù)值模擬”課程的教學(xué)效果[J].中國(guó)地質(zhì)教育,2009,(3):114-116.
[2] 馮其紅.油藏工程教學(xué)中啟發(fā)式教學(xué)方法的探索與實(shí)踐[J].中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報(bào),2007,(6):55-58.
[3] 張烈輝.油氣藏?cái)?shù)值模擬基本原理[M].北京:石油工業(yè)出版社,2005.
On the Teaching of Numerical Reservoir Simulation
QI Zhi-lin, HUANG Xiao-liang, LEI Deng-sheng
ChongQing University of Science and Technology, ChongQing 401331, China
The numerical reservoir simulation is a very complex subject.This paper researched numerical simulation of reservoir characteristics about structure of curriculum, analyzed the actual application characteristics of the course in the field, and ultimately proposed useful teaching methods and ideas to change the current status of the course.
numerical reservoir simulation; curriculum structure; teaching methods
G642
A
1006-9372 (2011)02-0090-03
2011-01-19。
戚志林,男,副教授,主要從事油氣田開發(fā)及數(shù)值模擬研究和教學(xué)工作。