4 油田新技术

新一代油藏模拟技术

复杂的地质情况、高昂的资源开发成本促使油藏模拟技术不

断发展。新一代油藏模拟软件采用数百万个非结构化网格模型模

拟渗透率差异较大的地质构造。通过采用更加接近实际情况的模型，

新型模拟软件有助于提高新老油田的最终采收率。

David A. EdwardsDayal GunasekeraJonathan MorrisGareth ShawKevin ShawDominic Walsh英国Abingdon

Paul A. FjerstadJitendra Kikani雪佛龙能源技术公司美国得克萨斯州休斯敦

Jessica Franco道达尔公司安哥拉罗安达

Viet Hoang雪佛龙能源技术公司美国加利福尼亚州San Ramon

Lisette Quettier道达尔公司法国波城

《油田新技术》2011 年冬季刊：23 卷，第 4 期。

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ECLIPSE 和 INTERSECT 是斯伦贝谢公司的商标。

I n te l ®， I n te l386 TM， I n te l486 TM， I tan ium ® 和Pentium® 是英特尔公司的注册商标。

Linux® 是 Linus Torvalds 公司的注册商标。

Windows® 是微软公司的注册商标。

^ 理想化的裂缝延伸横截面视图。通过连续泵入压裂液（虚线箭头）使裂缝沿最小应力面向两边延伸，形成裂缝单翼。

人们对模拟软件的兴趣由来已

久。长期以来人们使用模拟软件对各

种复杂活动进行模拟。模拟可以分成

三个时期－计算机前时期、计算机模

拟形成时期和计算机模拟扩张时期 [1]。

1777 年法国科学家布冯进行的投针实

验是计算机前时期（1777 － 1945 年）

有记载的首次模拟活动。在该实验中，

随机向一个平面上投针，以此估算圆

周率 π[2]。从 1945 年到 1970 年是计算

机模拟形成时期，这个时期人们使用

第一代电子计算机解决军事领域的问

题，应用范围从火炮射击方案到氢弹

开发。扩张模拟时期（从1970年到现在）

最突出的特点是模拟技术的广泛应用。

从游戏到防灾准备乃至人工模拟各种

生命形式，各种模拟活动层出不穷 [3]。

对于那些计算起来比较困难、存在潜

在危险或成本较高的领域的计算机模

拟，工业和政府方面的兴趣不断增长。

油田模拟适合上述所有标准。

石油和天然气模拟涉及的活动范

围很广，从深埋地下的储层到地面的

加工厂，以及最终的经济开发评估（下

一页图）。诸多因素促使当前的生产模

拟计划在尽可能短的时间内获得精确

结果。这些因素包括偏远的生产位置、

复杂的地质构造、复杂的井轨迹、提

高采收率计划、稠油和非常规天然气

开采等。如今作业公司必须快速做出

1950 2000

52011 年冬季刊

^ 生产模拟。油藏工程师分析动态和静态资料（右下），编制油藏模拟的输入资料（左下）。油藏模拟系统的基本任务是分析流体在多孔介质中的流动特征，并估算油井生产动态随时间的变化趋势。获得的资料转交给生产工程师后，建立生产井模型和地面网络模拟系统（左上）。地面工程师根据生产资料和

产出组分资料，在过程模拟系统（右上）的帮助下建立油气加工厂模型。最后，来自所有模拟系统的资料都传输到经济模拟系统中（右）进行经济评估。

投资决定，而且不能仅根据早期井动

态资料制定油田开发计划。如今，作

业公司需要精确模拟油田的各个阶段，

从储层发现到二次开采、直到最终的

废弃。这其中最关注的是储层模拟。 本文描述了用于油藏模拟的工具

和过程，并通过澳大利亚、加拿大和

哈萨克斯坦等地的实例讨论了新一代

油藏模拟软件如何帮助作业公司进行

油藏模拟。

油藏可视化

最早的油藏模器拟可追溯到 20 世

纪 30 年代，属于物理模拟。通过这种

物理模拟，可以直接观察砂岩、油和

水之间的相互作用－一般是在具有透

明侧壁的容器内 [4]。这种早期的物理

模拟器一般在作业公司进行水驱过程

中不清楚油藏动态特征时采用。除了

物理模拟器，科学家们还用了电模拟器，

这种模拟器的原理是电流的流动状态

和储层流体的流动状态之间的相似性。 在 20 世纪 50 年代初期，尽管当

时物理模拟器仍在使用，但研究人员

已开始考虑如何通过分析的方法了解

储层特征。了解生产过程中储层内发

生的情况和疾病诊断过程类似。尽管

拥有来自各种实验室试验的资料，但

医生并不能直接观察疾病的整个发展

过程。他们必须根据实验室结果推断

病人身上发生的情况。油藏工程师面

临的情况和医生一样－他们不能实际

观察地下储层的动态，而是必须依靠

各种资料来分析地下深处具体发生了

什么情况。

油藏工程师用生产数据和其他

资料建立分析模型，分析储层流动及

其他储层特征。在储层模型中，用于

描述流体动态的公式的基本原理早在

一百多年前已为人所知，包括质量守

恒定律、流体力学、两相流热动力平

衡原理 [5]。 把上述原理用于油藏后，得到大

量复杂的非线性偏微分方程。早期用

来描述储层流体动态的分析推论仅限

1. Goldsman D，Nance RE 和 Wilson JR ：“A Brief History of Simulation”，Rossetti MD，Hill RR，Johansson B，Dunkin A 和 Ingalls RG（ 编辑 ）：Proceedings of the 2009 Winter Simulation Conference。美国得克萨斯州奥斯汀（2009 年12 月 13 － 16 日）：310 － 313。

2. 布冯投针实验是已知最古老的研究几何概率问题的实验。实验过程中，将针随机投到一张画有网格线的纸上，然后计算针与直线相交的概率。这个概率与圆周率 π

有直接的关系。有关详细信息，请参见：Weisstein FW ：“Buffon’s Needle Problem”，WolframMathWorld，http://mathworld.wolfram.com/BuffonsNeedleProblem.html（2011 年 7 月 25日浏览）。

3. F reddo l ino PL，Arkh ipov AS，La rson SB，McPherson A 和 Schulten K ：“Molecular Dynamics of the Complete Satellite Tobacco Mosaic Virus”，Structure，14 卷，第 3 期（2006 年 3 月）：437－ 449。

4. Peaceman DW ：“A Personal Retrospection of Reservoir Simulation”，Proceedings of the First and Second International Forum on Reservoir Simulation，奥 地 利 Alpbach（1988 年 9 月 12 － 16 日 和1989 年 9 月 4 － 8 日）：12 － 23。

Adamson G，Crick M，Gane B，Gurpinar O，Hardiman J 和 Ponting D ：“Simulation Throughout the Life of a Reservoir”，Oilfield Review，8 卷，第 2 期（1996 年夏季刊）：16 － 27。

6 油田新技术

^ 油藏模拟演变过程。20 世纪 50 年代初期开始尝试用分析方法描述油藏流体的流动。研究人员开发了偏微分方程，来描述油藏中可压缩流体的一维流动状态（上）。这个方程是基于流体在多孔介

质中流动所遵循的达西定律，加上质量守恒定律推导出来的；它将压力描述为时间和位置的函数。

（关于详细信息，请参见：McCarty DG 和 Peaceman DW ：“Application of Large Computers to Reservoir Engineering Problems”，SPE 844，发表在得克萨斯大学和得克萨斯 A ＆ M 大学 AIME 学生分会联合

会议上，得克萨斯州奥斯汀，1957 年 2 月 14 － 15 日）。最新开发的用于油藏模拟的模型模拟多种

流体组分在油藏中的流体特征，而油藏被划分成大量三维网格（下）。用达西定律、质量守恒定律

和两相流的热动力平衡定律确定用来描述流体进出上述网格的方程式。除了流动速度，该模型还描

述其他变量，包括压力、温度和相饱和度。（关于详细信息，请参见：Cao 等人，参考文献 6）。

于简单模型，而目前的模型模拟的是

复杂情景（下图）[6]。尽管用于构建

油藏模型的方程式很简单，但不能得

出精确解，而且必须用有限差分法进

行求解 [7]。在油藏模拟过程中，存在

模型复杂程度与收敛到一个解的能力

间的权衡。计算能力的提高大大改善

了油藏模拟软件的性能－特别是针对

复杂模型和采用大量网格的情况（下

一页图）[8]。

过去数十年在计算机硬件方面的

进步也使得模拟能力稳步提高 [9]。在

20 世纪 50 年代初期到 20 世纪 70 年

代之间，油藏模拟软件从二维、简单

几何形态发展到三维、实际几何形状

和黑油流体模型 [10]。20 世纪 70 年代，

研究人员引入了组分模型，并将重点

放到提高采收率方面。在 20 世纪 80

模拟可压缩

流体的一维流动

模拟复杂油藏中

n种组分的流体流动

年代，模拟软件发展的重点是复杂油

井管理和裂缝性油藏；在 20 世纪 90年代，采用图形化用户界面使得模拟

软件更加方便易用。到了 20 世纪末，

油藏模拟软件又增加了新的特征，如

局部网格细化、处理复杂几何构造的

能力，并综合了地面设施。现在的模

拟软件已能处理复杂油藏，同时提供

一体化全油田管理方案。这种模型（被

称为新一代模拟软件）充分利用了近

期开发的技术如并行计算技术等。

并行计算－分而治之

目前油藏模拟软件的标志之一是

使用了并行计算系统。并行计算的工

作原理是将大问题如油藏模拟，分解

成小块，然后同时求解－或者说是并

行解决。对提高计算性能的不懈追求

促成了串行处理到并行系统的转变。 20 世纪 80 年代和 90 年代，计算

机硬件设计师依靠提高微处理器的运

行速度来提高计算能力。这种被称为

变频的技术在 2004 年以前一直是决定

处理器处理能力的主要因素 [11]。因为

达到较高频率必须消耗大量电力，变

频技术最终被弃用。设计个人电脑的

硬件设计师开始转向多核处理器－并

行计算的一种形式。 然而，直到 20 世纪 90 年代左右

才开始形成将并行处理引入油藏模拟

软件的想法。在最初的实验中，油田

研究人员使用一台安装了 16 个处理器

的英特尔电脑，结果发现它能有效处

理一个油 - 水模拟模型 [12]。从此开始

普遍使用并行计算机系统进行油藏模

拟。 随着计算设备价格不断下降，通

过网络把单一机器串接成机群，在机

群上运行并行计算系统成为一种标准

做法。多台机器并行作业，作为一个

整体完成一项工作。并行计算的目的

是通过在 n 个处理器以 n 倍快的速度

解决大量的计算问题 [13]。因为诸多原因，

这种理想状态很少能够实现。 对现代油藏模拟软件采用的典型

系统进行直观化表示可能对了解并行

网络的局限性具有指导意义。 这种系

统可能具有几台独立的计算机，通过

集线器和交换机与主控计算机和网络

服务器联网 [14]。

由于单台计算机都负责各自的

油藏部分，它们之间的信息传输到

主控计算机上，并通过网络传输给其

他系统。用并行计算术语的说法，就

是单台处理器是计算系统的并行部分，

而主控计算机则是串联部分 [15]。整体

通讯效果是只能接近但无法实现理

想性能的主要原因。任何计算系统，

包括并行系统，都有一定的局限性。 并行系统能够实现的最高改善

预期以阿姆达尔定律表达 [16]。以一

套模拟程序在一台处理器上需要 10小时完成所有计算任务为例。将这

72011 年冬季刊

^ 计算能力与油藏模拟。在过去 40 年间，计算能力和油藏模拟的发展轨迹很相似。从 20 世纪 70年代到 2004 年，计算机微处理器按照摩尔定律发展，即微处理器（红色圆点）中的晶体管密度大

约每两年增加一倍。油藏模拟在增加能够容纳的网格数量（蓝色条块）方面与计算能力齐头并进。

在过去 10 年中，计算体系结构一直专注于并行处理，而不是简单的增加晶体管的数量或频率。同样，

油藏模拟也将重点转向油藏方程的并行解决方案。

5. Brown G ：“Darcy’s Law Basics and More”，http://bioen.okstate.edu/Darcy/LaLoi/ basics.htm（2011年 8 月 23 日浏览）。

Smith JM 和 Van Ness HC ：Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics， 第 7 版。纽约市：McGraw Hill 出版公司，2005 年。

6. Cao H，Crumpton PI 和 Schrader ML ：“Efficient General Formulation Approach for Modeling Complex Physics”，SPE 119165，发表在 SPE 油藏模拟研讨会上，得克萨斯州 Woodlands，2009 年 2 月2 － 4 日。

7. 有限差分方程用于求解近似解。这种方法从一个基础值开始，以较小的渐进步长得出导数的近似解。

8. 英特尔公司：“Moore’s Law ：Raising the Bar”，美国加利福尼亚州 Santa Clara ：英特尔公司（2005 年 ），ftp://download.intel.com/museum/

Moores_law/Printed_Materials/Moores_Law_Backgrounder.pdf（2011 年 10 月 17 日浏览）。

Fjerstad PA，Sikandar AS，Cao H，Liu J 和 Da Sie W ：“Next Generation Parallel Computing for Large-Scale Reservoir Simulation”，SPE 97358，发表在SPE亚太地区提高采收率国际会议上，吉隆坡，2005 年 12 月 5 － 6 日。

9. Watts JW ：“Reservoir Simulation ：Past，Present，and Future”，SPE 38441，发表在 SPE 油藏模拟研讨会上， 达拉斯，1997 年 6 月 8 － 11。

10. 在黑油流体模型中，组分并不随流体采出而发生变化。关于详细信息，请参见：Fevang Ø，Singh K 和 Whitsun CH ：“Guidelines for Choosing Compositional and Black-Oil Models for Volatile Oil and Gas-Condensate Reservoirs”，SPE 63087， 发表在 SPE 技术年会暨展览会上，达拉斯，2000 年 10 月 1 － 4 日。

11. 缩放或缩放能力是一个系统或工艺毫不费力地处理较大量或不断增加的工作量的特征性能。关于详细信息，请参见：Shalom N ：“The Scalability Revolution ：From Dead End to Open Road”，GigaSpaces（2007

1970103

104

104

105

106

107

108

109

105

106

107

108

8086

286

386

486

II

4

2

1980 1990 2000 2010

10 小时的总时间分成 9 小时的并行

分量和 1 小时的串行分量。针对这个

例子，阿姆达尔定律认为无论向并

行计算部分分配多少台处理器，最

短执行时间都不会少于 1 小时。 因为计算速度决定于串行通讯

的效果，油藏模拟过程中对于给定

问题，总是存在一个最佳处理器个数。

尽管系统的数据管理和内勤部分是

无法实现理想状态的主要原因，还

有其他因素影响计算速度，包括处

理器间的负载平衡程度、带宽以及

系统各部分内部拥堵和延迟引起的

问题。要通过并行计算解决油藏模

拟问题必须使用针对并行作业设计

的软件和硬件。

新一代模拟软件

自 2000 年后，石油工程师可以

选择多种油藏模拟软件。由于模拟软

件数量众多，SPE 设立了很多研究项

目用于比较分析各种模拟软件 [17]。尽

管这些模拟软件各不相同，但他们的

基础结构都相同，都依靠串行计算和

简单网格。ECLIPSE 模拟软件就是其

中一例 [18]。过去 25 年来，ECLIPSE模拟软件一直是模拟软件的标杆，并

且不断更新，能分析各种油藏特征。

但和微处理器一样，油藏模拟软件

也遇到这样一个问题－过去熟悉的

工具可能不再适合目前某些油田开

发难题。

科学家们已经开发出了新型油

藏模拟工具－新一代模拟软件－它

将模拟技术更广泛地用于处理目前

油田中存在的日益复杂的问题。

上述模拟软件充分利用了几项

新技术，包括并行计算、高级网格

技术、现代化软件工程和高性能计

算硬件等。选择新一代模拟软件还

是老一代模拟软件取决于油田的复

杂程度和商业需求。如果目标油藏

需要大量网格单元精细描述复杂的

地质特征，局部要求网格细化，或

者渗透率差异较大，则应考虑使用

新一代模拟软件。

年 2 月 ），http://www.gigaspaces.com/files/main/Presentations/ByCustomers/white_papers/FromDeadEndToOpenRoad.pdf（2011 年 9 月 13 日浏览）。

Flynn LJ ：“Intel Halts Development of 2 New Microprocessors”，The New York Times（2004 年5 月 8 日），http://www.nytimes.com/2004/05/08/business/inte l-halts-deve lopment-of-2-new-microprocessors.html（2011 年 9 月 13 日浏览）。

12. Wheeler JA 和 Smith RA ：“Reservoir Simulation on a Hypercube”，SPE Reservoir Engineering，5 卷，第 4 期（1990 年 11 月 1 日）：544 － 548。

13. 提高加速比是提高并行计算效率的一项常用措施。加速比定义为一台处理器花费的时间除以 n 台处理器花费的时间。并行效果也可以效率表达，即加速比除以处理器个数。

14. Baker M ：“Cluster Computer White Paper”，英国

朴茨茅斯：朴茨茅斯大学（2000年 12月 28日），http://arxiv.org/ftp/cs/00040004014.pdf（2011 年 7月 16 日浏览）。

并行配置中的每台计算机可能是单核处理器，也可能是多核处理器。每核定义为一个并行处理器，能以系统的一个独立部分承担计算任务。

15. 串行分量一般称为数据管理和内勤板块。

16. Barney B ：“Introduction to Parallel Computing”，https//computing.llnl.gov/tutorials/parallel_comp/（2011 年 9 月 13 日浏览）。

17. Christie MA 和 Blunt MJ ：“Tenth SPE Comparative Solution Project ：A Comparison of Upscaling Techniques”，SPE 66599，发表在 SPE 油藏模拟研讨会上，休斯敦，2001 年 2 月 11 － 14 日。

18. Pettersen Ø ：“Basics of Reservoir Simulation with the Eclipse Reservoir Simulator”，挪威卑尔根：贝尔根大学数学系讲义（2006 年），http://www.scribd.com/doc/36455888/Basics-of-Reservoir-Simulation（2011 年 9 月 13 日浏览）。

8 油田新技术

^ 多段井模型。针对井筒每一段的节点，利用新的井模型计算出总流入量 ∑FIN 和总流出量 ∑FOUT，包括井筒和油藏内被连接网格单元间的所有流量。假设是三相黑油模拟，每一井段将有三项质量守

恒方程和一项压降方程。模拟过程中求解井的方程，同时求解其他油藏方程，计算出每段的压力、

流速和流体组分。

除适用于处理复杂油田外，新

一代模拟软件呈现给作业者的另一

项突出优势是速度。许多油藏模拟

工作都面临计算难题，如果使用老

一代模拟工具，需要花费数小时或

数天才能完成。而新一代模拟软件

在模拟复杂油藏方面能将计算时间

减少一个数量级甚至更多。这就使

作业者能够及时且更有信心地做出

油田开发决策，从而最大程度地提

高效益，降低风险。运行周期越短，

运行次数就越多，反过来又使作业

者能更深入地了解油藏特征，更详

细地掌握地质不确定因素对生产的

影响。运行时间短也使得作业者更动

态化地使用模拟软件－利用新资料、

新信息能够更精确地评估开发计划，

优化开发设计。 INTERSECT 油藏模拟软件是目

前已经投入应用的新一代模拟工具

之一，由斯伦贝谢和雪佛龙合作开发，

该研究项目于 2000 年末启动 [19]。从

2004 年到 2011 年，道达尔公司也加

入这一合作项目，协助研究人员开

发软件的热动力能力。研究阶段及

随后的开发阶段结束后，斯伦贝谢

于 2009 末年推出了 INTERSECT 模拟

软件。该系统将几项新技术集成到一

个系统包中，包括新井模型、高级

网格化、可扩展并行计算基础、高

效线性求解程序、高效油田管理等。

为充分了解该模拟软件，最好是分

别了解每个组成部分，下面先从新

井模型开始介绍。

多段井模型

INTERSECT 模拟软件采用新的多

段井模型描述井筒中的流体流动状

态 [20]。多年来，井筒情况变得日趋

复杂。用来模拟井筒情况的模型必

须能够反映其实际设计情况，并且

能够处理各种不同的情形和设备状

况。这些情况包括分支井、向井流

动控制装置、水平井段、斜井和环

空流动等。老的常规井模型将井视

为一个流体组分均一的混合罐，因

此反映的是总体向井流动状态。新

的多井段模型克服了这种近似方法，

允许每一分支产生不同的混合流体。 通过将整个井筒划分成多个一

维井段，这一新的多井段模型能够

详细描述井筒流体状态。每一段由

一个节点和一段管组成，可能与油

藏网格有 0 处、1 处或多处连接（上

图）。井段的节点被置于距离井口最

远的一端，段管代表从这一段的节

点到朝向井口的下一段节点之间的

流动路径。用来定义指定井的段管

和节点数只受具体被模拟井复杂程

度的限制。也可把节点置于沿井筒

中间点上，在这些点上油管结构或

井斜发生了变化。另外还可增加一

些段用来模拟阀或向井流动控制设

备。具体井的最佳段数需要在数值

模拟的速度和精确度之间作出权衡。 多段井模型的一个优点是能够

灵活处理各种类型的井，包括分支

井和大位移井。这一模型也能处理

不同类型的向井流动控制设备、封

隔器和环空流等情况。然而，新的

多段井模型只是 INTERSECT 模拟软

件及类似软件的第一步。下一步要

19. DeBaun D，Byer T，Childs P，Chen J，Saaf F，Wells M，Liu J，Cao H，Pianelo L，Tilakraj V，Crumpton P，Walsh D，Yardumian H，Zorzynski R，Lim K-T，Schrader M，Zapata V，Nolen J 和Tchelepi H ：“An Extensible Architecture for Next Generation Scalable Parallel Reservoir Simulation”，SPE 93274，发表在 SPE 油藏模拟研讨会上，休斯敦，2005 年 1 月 31 日－ 2 月 2 日。

关于新一代模拟软件的另外一个实例，请参见：Dogru AH，Fung LSK，Middya U，Al-Shaalan TM，Pita JA，HemanthKumar K，Su HJ，Tan JCT，Hoy H，Dreiman WT，Hahn WA，Al-Harbi R，Al-Youbi A，Al-Zamel NM，Mezghani M 和Al-Mani T ：“A Next-Generation Parallel Reservoir Simulator for Giant Reservoirs”，SPE 119272， 发表在 SPE 油藏模拟研讨会上，得克萨斯州Woodlands，2009 年 2 月 2 － 4 日。

20. Youngs B，Neylon K 和 Holmes J ：“Multisegment Well Modeling Optimizes Inflow Control Devices”，World Oil，231 卷，第 5 期（2010 年 5 月 1 日）：37 － 42。

Holmes JA，Byer T，Edwards DA，Stone TW，Pallister I，Shaw G 和 Walsh D ：“A Unified Wellbore Model for Reservoir Simulation”，SPE 134928，发表在 SPE 技术年会暨展览会上，意大利弗洛伦萨，2010 年 9 月 19 － 22 日。

21. DeBaun 等人，参考文献 19。

22. Weisstein FW ：“Traveling Salesman Problem”，Wolfram MathWorld，http://mathworld.wolfram.com/TravelingSalesmanProblem.html（2011 年 10月 12 日浏览）。

23. Karypis G，Schloegel K 和 Kumar V ：“ParMETIS－ Parallel Graph Partitioning and Sparse Matrix Ordering Library”，http://mpc.uci.edu/ParMetis/manual.pdf（2011 年 7 月 7 日浏览）。

Karypis G 和 Kumar V ：“Parallel Multilevel k-way Partitioning Scheme for Irregular Graphs”，SIAM Review，第 41 卷，第 2 期（1999 年 6 月）：278 － 300。

24. Fjerstad 等人，参考文献 8。

25. Hesjedal A ：“Introduction to the Gullfaks Field”，http://www.ipt.ntnu.no/~tpg5200/intro/gullfaks_introduksjon.html（2011 年 9 月 26 日浏览）。

92011 年冬季刊

^ 油藏网格。油藏模拟软件可按非结构化方式（左上）或结构化方式（右下）排列网格。结构化网格是六面体（立体）单元，按照统一、可重复的方式排列。非结构化网格由多面体单元组成，多面

体单元具有不同数量的面，排列顺序可能无法辨别。采用这两种网格都可将油藏按照无空白、无重

叠方式进行划分。如果结构化网格井周围具有大量经过细化的局部网格，通常按照非结构化网格处理。

同样，如果结构化网格中出现大量断层时，因为没有建立相邻的连接，就变成了非结构化网格。

^ Gullfaks 油田域分解。Gullfaks 油田断层复杂，油田中布置了很多井，井身结构非常复杂，从而形成了复杂的油藏连通结构和多种泄油方式。模拟软件综合考虑了上述所有因素，创建了复杂的非结

构化网格，为油藏划分做准备（左）。图中黑色细线表示单个网格单元的边界；竖线（洋红色）代表井。

不同颜色代表不同的含油饱和度，从高到低分别用红色到蓝色表示。针对一次 8 个处理器的模拟过

程，用油藏划分算法把非结构化网格分割成 8 个域（右）。在划分后的油藏中，不同颜色表示不同域。

图中只出现了 7 种颜色－还有一个域在油藏的下面，从这个角度无法看到。域划分的主要标准是保

证每个并行处理器的计算量相同。

将油藏划分成被称为域的小块。

域和并行、可扩展求解程序

计算油藏内的流体流动情况是

油藏模拟过程中最困难的部分－即

便对于采用了并行计算硬件的模拟

软件也是如此。潜在油藏网格单元的

数量比可用的处理器数量多很多倍。

因此完全可将油藏网格划分成称为

域的区域，并向每个区域分配一个

独立的处理器进行并行计算。把结

构化卡迪尔网格划分成包含相等单

元数量的段，同时尽量减小其表面积，

可能是一个直接简单的过程 ；然而，

划分现实的非结构化网格则比较困

难（右图）。必须使用现实网格来模

拟含有复杂断层和层段油藏的非均

质特征。这类网格还必须有足够的

细节来描绘不规则特整体，如水前缘、

气体突破、热前缘和近井锥进等情况。

这些不规则体通常通过局部网格细

化进行捕捉。划分具有复杂特征体

和大量局部细化体的非结构化网格

并非易事 ；为解决这一问题，新一

代模拟软件通常采用划分算法 [21]。 划分非结构化网格的目的是把

网格划分成多个小段或域，使得每

个并行处理器负担相等计算量。计

算非结构化网格的最优分区比较困

难，而且这一解决方案很不直观。

油藏分区问题和组合数学中的“旅

行商问题”相似。“旅行商问题”是

寻找一条旅行者单次走过一组城市

中每个城市的最短路径 [22]。旅行商

只关心如何尽量减少旅行时间，而

油藏分区必须遵循问题的物理特征。

因此，INTERSECT 模拟软件应用了

ParMETIS 油藏分区算法 [23]。通过分

析在北海挪威领域内 Gullfaks 油田进

行的模拟工作可知，把复杂的油藏

网格划分成能够均衡并行计算工作

量的做法的优势显而易见 [24]。

Gullfaks 油田发现于 1979 年，由

挪威国家石油公司经营，是一个构

造复杂的海上油田。油田内共有 106口井，日产油大约 30000 方（189000

Gullfaks Gullfaks

桶）[25]。该油田地下构造含有很多断

层，斜井和水平井穿断层钻进。进

行 INTERSECT 模拟时，把油田分割

成几个域，以便估算均衡计算工作

量需要的并行处理器个数（上图）。

和采用 8 个处理器的 ECLIPSE 模

拟过程相比，INTERSECT 方法将计

算时间减少了五分之一之多。增加处

10 油田新技术

^ 矩阵结构。线性化油藏模拟方程的矩阵一般是分散、不对称的（左）。没有标记的空间代表无方程的矩阵位置，而每个点代表与一个变量相关的一个方程的导数（右）。红色正方形中的 9 个点（右）

分别代表气相、水相和油相质量守恒方程。非对角线上的点（左）代表相邻层内油藏单元与其相邻

单元间的连通方程。垂直坐标轴和水平坐标轴附近的点（左）代表井方程。

^ 数值解。一组完整的基本油藏方程可写成有限差分形式（上）。这些方程描述了每个网格单元内的因变量，如压力、温度、饱和度和摩尔分数，如何随时间变化。这些方程也包括很多油藏属性项，

包括孔隙度、孔隙体积、粘度、密度和渗透率（参见 DeBaun 等人，参考文献 19）。这组方程的数

值解采用图中所示的 Newton-Raphson 法求出。剩余函数 R(x)（因变量的某个函数）在 x0（黑色虚

线标注的坐标位置）和 x0 加上一个小增量（图中没有显示）的位置计算。这样，通过外推法可计

算导数或切线（黑色），预测剩余值在 x1 处是否趋向于 0。在 x1 处计算出的另一个导数预测剩余值

在 x2 处是否趋向于 0。这一过程经过多次迭代，直到计算出的连续 R(x) 值与规定的公差一致。导数

线与其相应 x 值交集上的轨迹点描述了剩余值随每次连续迭代变化的路径（红色）。

理器数量同样能减少模拟时间，同

时还证实能进一步扩大模拟范围。

正确划分域只是新一代油藏模

拟新方法的部分内容。一旦油藏单元

被分割以平衡并行处理器的工作量，

模型必须对一大组油藏和井方程进

行数值求解。这些针对油藏和井的

0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000

10,000

8,000

6,000

4,000

2,000

0

2,550

2,550

2,560

2,570

2,580

2,590

2,570 2,590

剩余

函数

，R(

x)

公差

解变量x

26. Cao H，Tchelepi HA，Wallis J 和 Yardumian H ：“Parallel Scalable Unstructured CPR-Type Linear

Solver for Reservoir Simulation”，SPE 96809， 发表在 SPE 技术年会暨展览会上，达拉斯，2005 年 10 月 9 － 12 日。

27. 线性求解程序消耗大量系统资源。在一个典型 INTERSECT 案例中，求解程序可能占用60% 的中央处理器（CPU）时间。

28. Güyagüler B，Zapata VJ，Cao H，Stamati HF 和Holmes JA ：“Near-Well Subdomain Simulations for Accurate Inflow Performance Relationship Calculation to Improve Stability of Reservoir-Network Coupling”，SPE 141207，发表在 SPE 油藏模拟研讨会上，得克萨斯州Woodlands，2011年 2月 21－ 23日。

由此产生的模拟方程表现出不同的

特点。压力场方程表现为长程耦合，

往往是椭圆形的，而饱和度方程或

质量守恒方程一般更局部化，是双

曲线型的。INTERSECT 模拟软件采

用了高效求解程序，以便得到这些

方程系统的可扩展解 [26]。首先对方

程进行预处理，使它们可以更容易

地进行数值求解。通过代数预处理，

将系统分解成子系统，然后根据每个

子系统的具体特点进行求解，这种

方法有助于获得最终解。形成的油

藏方程通过迭代方法进行数值求解，

直到整个系统，包括井和地面设施，

收敛到一个解（左下图）[27]。 与目前的模拟软件对比，该求解

软件大大改善了扩展能力和模拟性

能。这种高扩展求解软件的主要优点

是在适应各种油田情况的一般框架

中，它不但能处理结构化网格，也能

处理非结构化网格（下一页，上图）。

油田管理工作流程

改善的油田管理工作流程是

INTERSECT 模拟软件包中的一部分。

油田管理任务包括地面设施的设计

和更改、敏感性分析和经济评估等。

传统的油田管理任务被分配到各种

模拟系统之中－包括油藏模拟系统、

工艺设备模拟系统和经济评估模拟

系统。在传统的工作流程中，模拟

系统相互隔离，导致油田管理计划

并非最优。

方程组成了一个大而稀疏的矩阵（上

图）。 尽管模拟软件产生的方程适合

于平行计算，但通常不容易求解。

增大求解难度的几个因素包括系统

规模大、不连续各向异性系数、非

对称特征、耦合井和非结构化网格。

112011 年冬季刊

^ INTERSECT模拟可扩展能力。该模拟系统已成功用于各种海上和陆上油田，包括大型凝析油田和复杂断层油田。可扩展能力－表示为在 16 个处理器上

的运行时间除以在 n 个处理器上的处理时间－是处理器数量的函数。图中

的对角线（虚线）表示理想的扩展能力。

^ 多油藏耦合。通过网络链接，油田管理模块可将油藏 A、油藏 B 以及地面设施（中）连接起来。在本例中，油藏 A（左下）采用台式微机 Windows系统平台上运行的 ECLIPSE 模拟软件，而油藏 B（右下）采用在 Linux 并行

集群上运行的 INTERSECT 系统。在微软 Windows 台式机上运行的地面网络

模拟程序管理该网络的地面设施（右上）。控制所有模拟系统的油田管理模

块（上）可在台式机或本地主机上运行。

INTERSECT 模拟系统中的油田

管理（FM）模块采用了一系列工具、

算法、逻辑和工作流程，将所有不

同模拟程序耦合一起，并使其协调

运行，从而克服了传统方法的弱点，

大大提高了整个系统的灵活性。例如，

该模块可将两个独立的海上气藏连

接到同一个地面处理设施进行模拟

和评估 [28]。 在最上层，该模块执行一项或多

项策略，这些都是整个框架的重点。

策略由指令列表和可选平衡措施组

成，可以涵盖可能影响生产的各种

情况。此类策略可能包括那些影响

地下产出能力的因素如油藏性能、

井性能和采收方法等。影响生产的

其他策略可能包括地面能力和经济

可行性。选择策略后，油田管理模

块使用工具创建一套完整的油田拓

扑形式，包括井、完井装置和向井

流动控制装置等。一旦确定了策略，

并制定出油田拓扑方案，该模块就

根据作业目标和局限因素制定井平

衡措施和潜在油田拓扑变更。油田

管理工作流程的一个重要特征是能

够控制在不同机器、不同操作系统、

不同地点运行的多个模拟系统（右

下图）。

雪佛龙公司及其合作伙伴在澳

大利亚近海一个大型天然气项目的

开发过程中使用了 INTERSECT 模拟

系统。这一项目投资很大，因而要

求使用新一代模拟系统，以确保其

在非均质地质条件特别严重的大量

非结构化油藏网格上快速运行。

更好的决策－减少不确定因素

Gorgon 项目是雪佛龙公司、荷

兰皇家壳牌公司和埃克森美孚公司

合资经营的项目，负责将产自澳大

利亚西北外海大型气田的天然气生

产成液化天然气，用于出口 [29]。该

项目将产自 Gorgon 和 IO/Jansz 气田

的海底天然气通过海底管道输送到

距海岸约 50 公里（31 英里）的巴罗

岛（下一页，上图）。作业者雪佛龙

公司目前正在巴罗岛建造一座处理

能力达 1500 万英吨 (1520 万公吨 ) 的

16 50

n 100 150 200 250 300

2

4

6

8

10

12

14

16

18

16 n

INTERSECT

AECLIPSE

BINTERSECT

12 油田新技术

^ 澳大利亚海上的 Gorgon 项目。Gorgon 项目包括 Gorgon 和 IO/Jansz 海底气田。这些气田距澳大利亚大陆外海 150 － 220 公里（93 － 137 英里）。产出的天然气经由深水管道（黑色）输送到据海岸大

约 50 公里的巴罗岛。在那里，原始天然气经过分离 CO2，并液化处理后，用油轮出口，或通过管道

输送到大陆用于民用。在澳大利亚本土内，来自巴罗岛的天然气经过现有管道（蓝色）集输。这条

现有管道还集输附近其他气田的天然气。

^ CO2 处理。天然气从 Gorgon 项目（左）各个气藏产出后，输送到位于 LNG 厂（中）附近的脱 CO2 处理设施。脱 CO2 后的天然气（橘色）输送到液化站及相关民用天然气厂（图中未显示），而剥离出的 CO2（蓝色）经过压缩后被回注到地下 2.5 公里（1.6 英里）深处未使用的盐水层进行处理。CO2 存

储地层的状况由地震测量和监测井进行监测（右）。

0

0 50

50

IO/Jansz

Gorgon

LNGGorgon

Dampier Bunbury

Gorgon

CO2

CO2

CO2

LNGLNG

从一开始就清楚 ：开发这一商业案

例的工程师们需要知道该项目的产

出量及时间。解决这一问题的方案

就是进行大范围油藏建模和模拟。

雪佛龙的一套内部串行模拟系统具

有囊括 Gorgon 各个储层的精细网格

模型，进行某些模拟时，每次运行

需要花费 13 － 17 小时。在项目初期，

雪佛龙就决定要及时跟进项目开发

进展须迁移至 INTERSECT 模拟系统。

一些计算机模型只需要少量输

入数据，但油藏模拟软件并非如此。

这些模拟系统需要大量数据集，一

般使用专门开发的数据迁移程序把

数据从一种模拟系统迁移到另一个

系统。针对 Gorgon 项目，雪佛龙

使用了内部迁移软件把输入资料从

他们的内部模拟系统迁移到相应的

INTERSECT 输入数据集中。在美国

的休斯敦和圣拉蒙数据中心，用这

些数据开发历史拟合案例 [31]。研究

结果表明两种模拟软件得出的结果

相同，不过各自占用的CPU时间不同。

在澳大利亚珀斯的雪佛龙作业中心，

在高性能平行计算机群上重复进行

了上述过程。 随着在澳大利亚的雪佛龙项目

组开始高级项目规划，INTERSECT模拟软件的模拟时间减少了一个多

数量级。在 Gorgon 气田对 15 口井

和 287000 个油藏网格单元进行模拟，

用内部模拟程序串行计算时间为 6－ 8 小时，而用具有良好扩展能力的

INTERSECT 软件计算时间减少到了

10 分钟以下。

除了这一模拟，雪佛龙公司还用

INTERSECT 系统在 Gorgon 地区的其

他气田进行模拟，包括 Wheatstone气 田、IO/Jansz 气 田 和 West Tryal Rocks 气田。使用了黑油模型和组分

模型进行模拟，覆盖网格单元 45000－ 140 万个。利用珀斯中心的机群，

INTERSECT 模拟软件在这些案例上

的计算时间从 2 分钟到 20 分钟不等，

具体耗费时间取决于案例情况。

LNG 厂，准备将成品天然气出口到

日本和韩国的客户。雪佛龙公司的

工程师们很清楚该项目的一大难题

是如何处置从原始天然气中分离出

的大量 CO2[30]。雪佛龙公司打算首先

在 LNG 厂分离出 CO2，然后将其埋藏

到巴罗岛地下（下图）。通过分布在

巴罗岛三个钻井中心周围的 9 口注入

井，Gorgon 地区每日可回注 620 万

方（2.2 亿英尺 3）CO2。

毕竟涉及到数十亿美元的投资

和 LNG 收入，雪佛龙及其合作伙伴

132011 年冬季刊

^ Surmont项目。Surmont油砂项目在加拿大艾伯塔省麦克默里堡的东南，位于大型 Athabasca 油砂区块内。根据本区块地貌特征和上覆层的深度，

Athabasca的油砂可从地面开采，或利用蒸汽辅助方法如SAGD进行生产。

利用能够快速计算的新一代油

藏模拟软件在地质规模模型上进行

油藏模拟，在 Gorgon 气田加快了决

策分析，加强了不确定因素管理。

减少模拟时间

对道达尔公司在加拿大 Surmont油砂项目来说，减少油藏模拟的执

行时间也是一项重要的考虑因素。

Surmont 项目在加拿大艾伯塔省麦克

默里堡东南约 60 公里（37 英里）的

Athabasca 油砂分布区域内，由康菲

加拿大公司和道达尔勘探与生产加

拿大公司联合经营（右图）[32]。项

目从 2007 年启动，日产稠油 4293 方

（27000 桶）；预计到 2012 年达到最高

产量 16536 方 / 日（104000 桶 / 日）。

在 Surmont 油田，通过蒸汽辅

助重力泄油（SAGD）技术，从未固

结油藏中开采出高粘度沥青。生产

过程中，通过水平井注入高温蒸汽，

被蒸汽加热后的沥青在重力作用下

通过与注蒸汽水平井平行且位于注

蒸汽井下面的水平生产井采出。通常，

一个蒸汽室对应一口注蒸汽井和一

口生产井， 一个 SAGD 作业点覆盖附

近几对井。

从模拟的观点看，从 SAGD 作业

开始时，蒸汽室彼此独立，模拟可

以在单一 SAGD 井对上执行。随着加

热和泄油过程的进行，因为压力连通、

气窜和水层间的相互影响，各井对

不再保持独立。一项典型 SAGD 开

发项目如果包括所有井，会使模型

中的单元数量迅速增加到数百万个，

这种大规模的模型用商用热采驱油

模拟软件进行计算，无法在合理时

间内完成 [33]。道达尔用 INTERSECT新一代模拟软件模拟了 Surmont 全油田 9 对 SAGD 井。

该模型对粘度为 150 万 mPa.s（150 万 cp）的稠油油藏 170 万个非

均质单元进行了模拟描述 [34]。模型

考虑了外来热源和汇合情况来描述

上覆层和下伏层物质间的相互作用。

通过控制最大蒸汽流速、最大排液

量和最小井底压力（BHP）控制生产

<

井。通过控制最大注蒸汽流速和最

大井底压力控制注蒸汽井。

利用并行计算机群，道达尔公司

使用 INTERSECT 系统模拟了 Surmont项目前三年的 SAGD 生产动态。为

了测试软件的运行速度和扩展能力，

道达尔公司在不同硬件配置（1 －

32 个处理器）的并行机群上使用了

INTERSECT 系统。测试结果表明使

用 INTERSECT 系统能够快速处理这

种大规模非均质模型，足以有效辅

助作业公司制定开发决策。

例如，由 16 个处理器组成的

机 群 用 INTERSECT 模 拟 软 件 执 行

29. Flett M，Beacher G，Brantjes J，Burt A，Dauth C，Koelmeyer F，Lawrence R，Leigh S，McKenna J，Gurton R，Robinson WF 和 Tankersley T ：“Gorgon Project ：Subsurface Evaluation of Carbon Dioxide Disposal Under Barrow Island”，SPE 116372， 发表在 SPE 亚太石油及天然气会议暨展览会上，澳大利亚珀斯，2008 年 10 月 20 － 22 日。

30. Gorgon 气田产出的原始天然气 CO2 含量约为14%。

31. 为确保两种油藏模拟软件模拟结果相同，用户可以使用一种称为历史拟合的技术。每种模拟软件都在相同情况下运行，比较油或气的产量（随时间变化）。如果结果匹配，两

种情况就认为是相等的。这种方法还可用来在具有长期生产数据的油田对模拟软件进行校验。

32. Handfield TC，Nations T 和 Noonan SG ：“SAGD Gas Lift Completions and Optimization ：A Field Case Study at Surmont”，SPE/PS/CHOA 117489，发表在 SPE 国际热采作业和稠油研讨会上，卡尔加里，2008 年 10 月 20 － 23 日。

33. 道达尔公司最初尝试用一种商用的热采模型模拟 Surmont 作业。但模拟时间非常漫长，长达 45 小时，因此使用这一方法不现实。

34. 用两种视组分（一种为轻质，另一种为重质）模拟原油成分。

Surmont

Athabasca

0

0 200

200

14 油田新技术

^ 蒸汽室。Surmont 项目布置的 9 个蒸汽室在油砂油藏底部附近深 300 米（984 英尺）处。蒸汽室间的水平间距约 100 米（328 英尺），延伸 1000 米（3281 英尺）左右。每个蒸汽室对应两口井－一口

注蒸汽井（洋红色），一口平行的生产井（图中未显示）。用 INTERSECT 模拟软件模拟热采过程如

SAGD，得出了蒸汽室中的动态温度信息。在 Surmont，蒸汽室中心温度（红色区域）超过 230OC （446OF），边缘为环境温度（蓝色区域）。沿蒸汽室长度方向上的间隙反映了油砂中的渗透率差异。作业者监测

了生产过程中蒸汽室内的温度变化。尽管蒸汽室相对较小，但 SAGD 工艺效果还是很显著。一旦蒸

汽室达到到油藏顶部，热效率下降，因为此时热量向上覆层传递。

Surmont 案例，2.6 小时完成计算任

务 [35]。并行扩展能力也很好－比用

16 台处理器进行串行计算的速度快

10 倍。除了预测 SAGD 项目的流动

特性外，该软件系统还能提供重要变

量的动态变化信息，如蒸汽室内的压

力和温度变化（下图）。在 Surmont油砂项目准备全面实施 INTERSECT技术之前，道达尔公司使用最新版

本的 INTERSECT 模拟系统确认了上

述结果。

节约资源

随着作业公司继续向偏远地区

进军寻找油气资源，新一代模拟软件

可辅助项目规划和资源开发。雪佛

龙公司在哈萨克斯坦里海海岸上的

Tengiz油气田就是这样一个典型案例。

Tengiz 油气田是埋深较深的超大型天

然裂缝性碳酸盐岩油气田，油柱高度

约 1600 米（5250 英尺），日产油量达

79500 方（50 万桶）[36]。Tengiz 油气

田很广阔，覆盖面积约 440 公里 2（170英里 2），原始地质储量估计为 41 亿

方（260 亿桶）。

雪佛龙公司在模拟 Tengiz 油藏

过程中面临的挑战是油田的地质构

造非常复杂，而且需要将随油气采出

的大量 H2S 回注到地下。这就要求将

详细的地质信息和裂缝性油藏和非

裂缝性油藏明显不同的流动特征信

息结合起来进行分析。为了帮助目

前的油田管理，支持未来的产量增加，

雪佛龙公司开发了一项覆盖 16 口生

产井的 INTERSECT 案例。所创建的

模型包含 370万个非结构化网格单元，

12000 多条裂缝 [37]。在 Tengiz 油气田

使用新一代模拟软件让雪佛龙公司

明显感受到效率得到提高 ；曾经耗

时 8 天的模拟过程如今只用 8 个小时

就得以完成 [38]。输入的数据越接近

实际条件，获得的产量预测结果越精

确，因此工程师们能制定更好的决策。

除了用于新油田开发外，新一代模

拟软件还可以帮助提高老油田的采

收率。

世界能源市场在很大程度上依

赖于中东的超大油藏。其中最大的

Ghawar 油藏于 1948 年发现，目前已

开采了 60 年 [39]。Ghawar 油藏长 250公里（155 英里），宽 30 公里（19 英里）。

对 Ghawar 这样大规模的油藏进行数

值模拟很不容易，原因是必须精细划

分网格，通过高分辨率数据才能获

得油藏的非均质特征。使用精细小

网格尺寸能减少放大引起的误差（下

一页图）。

沙特国家石油公司为了精确掌

握所拥有的 Ghawar 及其他超大油藏

10 66 122 178 234

35. 这一案例采用了 16 个处理器－ 4 个四核微型芯片处理器。

36. Tankersley T，Narr W，King，G，Camerlo R，Zhumagulova A，Skalinski M 和 Pan Y ：“Reservoir Modeling to Characterize Dual Porosity，Tengiz Field，Republic of Kazakhstan”，SPE 139836，发表在 SPE 里海碳酸盐岩技术大会上，哈萨克斯坦 Atyrau，2010 年 11 月 8 － 10 日。

37. Tengiz 模拟也将油藏和井模型与地面分离设施匹配起来，以便最大程度提高处理厂的能力，这也是开发规划工作的一部分。

38. 雪 佛 龙 公 司：“Envisioning Perfect Oil Fields，Growing Future Energy Streams”， Next*，第 4 期（2010 年 11 月）：2 － 3。

针对热采过程中的油田级模型，雪佛龙公司

也采用了 INTERSECT 系统降低运行时间。有关详细信息，请参见：Lim K-T 和 Hoang V ：“A Next-Generation Reservoir Simulator as an Enabling Tool for Routine Analyses of Heavy Oil and Thermal Recovery Process”，WHOC 论文 2009-403，发表在世界稠油大会上，委内瑞拉拉克鲁斯港，2009 年 11 月 3 － 5 日。

39. Afifi AM ：“Ghawar ：The Anatomy of the World’s Largest Oil Field”，Search and Discovery（2005年 1 月 25 日 ），http://searchanddiscovery.com/documents/2004/afifi01/（2011年9月29日浏览）。

40. Dogru 等人，参考文献 19。

41. Dogru AH，Fung LS，Middya U，Al-Shaalan TM，Byer T，Hoy H，Hahn WA，Al-Zamel N，Pita J，Hemanthkumar K，Mezghani M，Al-Mana A，Tan J，Dreiman W，Fugl A 和 Al-Baiz A ：“New Frontiers

in Large Scale Reservoir Simulation”，SPE 142297，发表在 SPE 油藏模拟研讨会上，得克萨斯州Woodlands，2011 年 2 月 21 － 23 日。

42. Dogru AH ：“Giga-Cell Simulation”，The Saudi Aramco Journal of Technology（2011 年春季刊）：2 － 7。

43. Farber D ：“Microsoft’s Mundie Outlines the Future of Computing”，CNET 新闻（2008 年 9 月 25 日）http://news.cnet.com/830113953_3-10050826-80.html（2011 年 8 月 4 日浏览）。

44. Dogru 等人，参考文献 41。

45. Bridger T ：“Cloud Computing Can Be Applied for Reservoir Modeling”，Hart Energy E&P（2011 年3 月 1 日 ），http://www.epmag.com/Production-Drilling/Cloud-Computing-Be-Applied-Reservoir-Modeling_78380（2011 年 8 月 11 日浏览）。

152011 年冬季刊

^ 网格分辨率。面网格尺寸在捕捉油藏非均质特征、消除放大引起的误差方面起到重要作用。图中罗马斗兽场的俯视照片就诠释了这一概念。如果目标区域是斗兽场的场地（左上图虚线框），用 50 米 x 50 米（164 英尺 x 164 英尺）的网格就能分辨出所要求的区域。采用较大的网格，250 米 x 250 米（820英尺 x 820 英尺）（右图虚线框）能分辨出包括车道、街道、景观及与目标区无关的其他特征体。对罗马斗兽场这一案例来说，采用较大的网格来捕获

与斗兽场相关的特征会引入误差。

的特征，开发了新一代油藏模拟软

件 [40]。在其中一项 Ghawar 黑油模拟

过程中，针对 42 米（138 英尺）长、

间距为 1.5 米（5 英尺）的 51 个地层

使用了 10 多亿个网格单元 [41]。利用

大型并行计算系统，这一模型模拟

了 Ghawar 油藏长达 60 年的生产史，

用时只有 21 小时 [42]。

获得结果与先前采用 250 米（820英尺）的网格和指定生产计划模拟

的结果进行了对比。老模型得出的

结论是经过二次采油后无剩余油，

而新模型结果表明有剩余油带，通

过加密钻井或其他方法可进行开采。

这个例子表明新一代油藏模拟系统

能增加资源采收量。 新一代模拟软件的主要目标是

通过减小网格尺寸和放大更彻底地

描述油藏特征，除此之外，科学家们

还在开发其他创新技术。首先应当

进行的是进一步完善用户界面，增

加新硬件。

经过改善的用户界面采用空间计

算概念。空间计算依靠多核处理器、

并行程序设计和云计算，从而形成一

个通过语言和手势控制的虚拟世界 [43]。

目前正对这一概念进行测试，验证能

否通过手势和语音命令而非传统的

鼠标来控制大型油藏的模拟 [44]。为

了测试这一概念，在房间内装上摄

像机和传感器，连接到墙上的大屏

幕和桌子上的虚拟显示器。工程师

用手势和语言控制模拟软件的输入

和输出。如果需要，还能通过网络

和其他地方的工程师和科学家以协

同方式共同使用该软件系统。这类

系统具有很大应用潜力－它往往掩

盖计算机系统的复杂性，并允许工

程师和科学家与油藏模拟过程自由

互动。 正如空间计算的概念能改善用

户界面一样，利用超越现场并行计算

机群的新硬件概念将有助于提高油

藏模拟能力。并行计算机机群成本

较高，相应的基础设施复杂，维护

比较困难。一些作业公司发现通过

云计算与多个地方的多个机群进行

通讯可能是有效的方法 [45]。采用这

种方法，作业公司可根据形势需要

增加系统能力，而不是仅仅依靠固

定数量的硬件。通过一个“瘦客户端”

如便携机或台式机，用户可和云系

统进行通讯。目前已开发出采用这

种技术的油藏模拟工具，未来会开

发出更多类似工具。 多个领域正涌现出油藏模拟新

技术。首先就是新一代油藏模拟系统，

对复杂油田进行模拟时它提供的模

拟结果更精确，用时更少。其他技

术如空间计算和云计算也呼之欲出，

这两种技术可使科学家和工程师与

模拟系统自由互动，并能随意提高

硬件能力。这些先进技术使得作业

公司能进行更准确的预测，从而做

出更好的油田开发决策。 － DA

Oilfield Review WINTER 11/12 Intersect Fig. 15ORWNT11/12-INT 15

250 m

50 m

©2011 Google-Imagery ©2011 Digital Globe, GOIEYE

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