流線數(shù)值模擬技術(shù)在火燒山油田優(yōu)化配注中的應(yīng)用

劉艷紅，萬文勝，王曉強，郭新江，高敬善，羅　強

（1.中國石油新疆油田分公司準東采油廠，新疆阜康831511;2.新疆準東石油技術(shù)股份有限公司，新疆阜康831511）

流線數(shù)值模擬技術(shù)在火燒山油田優(yōu)化配注中的應(yīng)用

劉艷紅1，萬文勝1，王曉強1，郭新江2，高敬善1，羅強1

（1.中國石油新疆油田分公司準東采油廠，新疆阜康831511;2.新疆準東石油技術(shù)股份有限公司，新疆阜康831511）

用傳統(tǒng)的生產(chǎn)動態(tài)分析法不能對配注進行優(yōu)化，實現(xiàn)井網(wǎng)快速、合理配注。為此，利用Eclipse軟件FrontSim流線模擬器的流線注水有效性管理技術(shù)，可實現(xiàn)井組快速合理配注。該方法克服了傳統(tǒng)人工進行單井組配注的不確定性和復(fù)雜性，通過實例應(yīng)用，達到了整體井網(wǎng)快速優(yōu)化配注、提高注水波及效率的目的。

準噶爾盆地；火燒山油田；流線數(shù)值模擬；PFM技術(shù)；優(yōu)化配注

傳統(tǒng)生產(chǎn)動態(tài)分析中以注水井為中心的注水狀況分析主要包括3個方面：①分析注水量、吸水能力變化及其對油田生產(chǎn)形勢的影響；②分析分層配水的合理性；③分析注水見效情況，確定見水層位和來水方向等。這3個方面都需要結(jié)合大量的動靜態(tài)資料進行分析。但由于油藏的非均質(zhì)性等原因，注水井和生產(chǎn)井之間的對應(yīng)關(guān)系并不一定與設(shè)計井網(wǎng)匹配；井組采用的單井劈分系數(shù)較簡單；油田的實際監(jiān)測井點較少，多數(shù)井是依靠鄰井資料來綜合推斷，有很大的不確定性；油水井靜態(tài)及動態(tài)資料的對比分析相當繁瑣。對相當多一部分井不同時期來水方向與層位的判斷非常困難，且每次分析只能考慮一個井組的情況，不能預(yù)測到各井組調(diào)水后相互之間的影響等。因此，用傳統(tǒng)人工分析配注有其固有的復(fù)雜性和不確定性。本文使用Eclipse流線數(shù)模流線注水有效性管理技術(shù)，實現(xiàn)了整體井網(wǎng)快速的合理配注。

1　流線數(shù)值模擬配注方法

1.1流線數(shù)值模擬原理

流線模擬適合于以減少無效注水，提高注水井注水利用率為目的的油藏注采井網(wǎng)評價。流線模擬結(jié)果與傳統(tǒng)油藏工程技術(shù)結(jié)合，可以作為油藏管理的重要工具[1]。目前，已形成以流線模型為核心的若干商業(yè)軟件與大型數(shù)值模擬軟件結(jié)合進行油藏數(shù)值模擬，主要有Eclipse的FrontSim與ResAssist的3DSL流線模型。用三維流線模型模擬水驅(qū)剩余油飽和度分布的基本思路是，先求流體在連續(xù)多孔介質(zhì)中的壓力場和流速場，后求流線（流體的流動軌跡），最后求出任一流線中任一點的含油飽和度[2-5]。流線模擬法同傳統(tǒng)的有限差分法存在著相當大的差別，在有限差分法中流體是沿網(wǎng)格流動，而流線模擬法中流體是沿流線流動（圖1）。當應(yīng)用于油藏模擬中時，由于油藏中流體的流動具有較強的非線性特征，有限差分法會因其對網(wǎng)格大小和方位的敏感性，受到非線性時間步控制的嚴重影響；而流線模擬是在基本網(wǎng)格上建立壓力方程，對流線進行正交運算，得出壓力等勢面，由此建立一個自然運移網(wǎng)絡(luò)（即流線場），液體沿著流線在壓力梯度方向運移，而不是在網(wǎng)格內(nèi)運動。這樣用流線來描述流體流動的特征，更接近流體的真實流動情況，其求解過程更加穩(wěn)定。因流線法受網(wǎng)格大小和方向的影響較小，可以采用較大的時間步進行計算。此外，由于流體沿著沒有交叉的流線移動，其求解還可以簡化為一系列一維流線模擬的綜合[6-8]。

圖1　有限差分法（a）與流線法（b）流體流動路徑對比（據(jù)文獻［9］修改）

流線模擬具有以下特點：①速度快；②易于形象地顯示注水井與生產(chǎn)井的流動耦合關(guān)系；③更好地確定泄油面積；④易于評定復(fù)雜地質(zhì)統(tǒng)計模型的級別；⑤易于對整個油田模型進行整體注采優(yōu)化；⑥加速生產(chǎn)動態(tài)歷史擬合過程[10]。

1.2PFM優(yōu)化配注

FrontSim與3DSL的流線模擬結(jié)果都能夠提供流體運移軌跡（流線）和單井劈分系數(shù)，解決了注采井間注水流線分布規(guī)律的不確定性，這就可以解決現(xiàn)場簡單井組劈分系數(shù)的問題[11]。Eclipse軟件FrontSim流線模擬器的流線注水有效性管理（Pattern Flood Man?agement，簡稱PFM）技術(shù)還能夠完成自動優(yōu)化配注，解決動態(tài)配注的復(fù)雜性問題[12-14]。

（1）PFM優(yōu)化配注原理PFM能根據(jù)注水井和受效油井之間的洗油效率（“流管”中油份量的多少）進行注水量調(diào)整，實現(xiàn)自動配注。優(yōu)化配注的方法是：通過流線的計算結(jié)果，算出每條流管所波及區(qū)域的含油率，通過該流管所屬井組注水波及效率的計算，得出該井組的注水效率。如果注水效率太低，則增加配注量；如果含油率太低而注水太多，則減小配注量。計算過程如下。

通過流線的計算結(jié)果，可以得到每條流線所穿過的體積

即新時間步流線波及的體積為當前時間步波及體積的函數(shù)。

井在下一個時間步的流量（包括注水量和產(chǎn)油量）為

即當前井的流量等于以該井為源點或者匯點的流線所波及體積之和。對于每個注采井對，權(quán)重系數(shù)Wi按照下式進行估算

（4）式和（5）式中，βmax是β的有效參數(shù)上限值[9]。

該算法可以在模擬的每個時間步實現(xiàn)，對每個時間步的注水井注水量進行實時優(yōu)化，從而在預(yù)先設(shè)置好的不同時間步進行配注計算，得到不同階段的有效配注量，解決傳統(tǒng)人工配注難以判斷不同時期來水方向與層位的問題，達到快速優(yōu)化配水的目的。

（2）PFM技術(shù)應(yīng)用特性①只能在第2個時間步及其往后設(shè)置PFM，即PFM需要之前有一個時間步計算的流線結(jié)果作為參考數(shù)據(jù)；②設(shè)置PFM時，自動選擇前一個時間步的注水量作為當前使用PFM功能時水井的注入能力；③PFM可能會跟其他井組控制產(chǎn)量或者注入量沖突，但是單井的定量控制和油藏體積控制條件會被保留生效不作修改；④單井的定流壓控制或者限制控制保留生效；⑤單井和井組的經(jīng)濟限制條件（單井經(jīng)濟極限控制、井組經(jīng)濟極限控制）照常生效；⑥井組中的生產(chǎn)井控制方式設(shè)置的井組產(chǎn)量目標和限制照常生效；⑦在某個時間步可以使用單井生產(chǎn)控制方式設(shè)置令PFM功能結(jié)束，使井和井組控制返回之前的設(shè)置。

2　應(yīng)用實例

2.1油藏概況

準噶爾盆地火燒山油田H14油藏于1987年投入開發(fā)試驗，1988年采用350 m井距反九點注采井網(wǎng)全面投入開發(fā)，沒有穩(wěn)產(chǎn)期，從1990開始進入快速遞減期，截至2012年6月，綜合含水率70%，采出程度24.15%，存水率0.65，水驅(qū)指數(shù)1.55.油藏面臨綜合含水率高、剩余油分布復(fù)雜的現(xiàn)狀。密閉取心表明：剩余油縱向上呈條帶狀分布，注入水指進現(xiàn)象明顯，裂縫兩側(cè)基質(zhì)剩余油飽和度較高，基質(zhì)水驅(qū)油效率依然偏低。

2.2優(yōu)化方案設(shè)計

利用火燒山油田H14油藏已有的黑油數(shù)模模型，進行數(shù)據(jù)追加及擬合后，在Eclipse軟件下直接調(diào)用FrontSim流線模擬器進行計算，得到能直觀反映注入水流線運動變化規(guī)律的流線結(jié)果圖（圖2）。兩次結(jié)果對比：Eclipse的E100黑油模擬器完成擬合需用8 h，而Frontsim流線模擬器完成擬合只需20 min，且擬合結(jié)果要好于黑油模擬器的擬合結(jié)果。這說明Fron?tsim流線模擬器的確具有速度快、易于形象顯示注水井與生產(chǎn)井流動耦合關(guān)系等特點，能進一步完成以往數(shù)模不易完成的單井配注工作[15]，實現(xiàn)數(shù)值模擬的相關(guān)成果在油藏動態(tài)上的深度轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

圖2　火燒山油田H14油藏井組流線分布

在流線模型基礎(chǔ)上，設(shè)計了無PFM和有PFM兩種預(yù)測方案進行對比。使用PFM優(yōu)化的方案預(yù)測油量要比不使用PFM優(yōu)化的方案高（圖3）；2個方案全區(qū)注水量相同（圖4）。使用PFM優(yōu)化的方案注水量不變、油量上升，優(yōu)化方案的預(yù)測效果明顯較好。

通過應(yīng)用PFM技術(shù)完成了全區(qū)30個井組的自動配注，得到各井組每個時間步（按月、季、年）的優(yōu)化注水量，PFM優(yōu)化預(yù)測方案計算結(jié)束，即完成了流線PFM快速優(yōu)化配注的過程。較常規(guī)的動態(tài)配水方法，既不需要考慮井組的劈分系數(shù)，也不用對比無測試井點的產(chǎn)吸剖面資料，更不需要分析各井組調(diào)水后互相之間的影響情況，完全克服了傳統(tǒng)手工進行單井組配注的不確定性和復(fù)雜性，真正實現(xiàn)了快速優(yōu)化配注的目的。

2.3現(xiàn)場實施與效果分析

FrontSim流線配注試驗于2012年7月開始現(xiàn)場實施，根據(jù)油田實際情況，選取北部連片分布的7個井組作為試驗井組，試驗井組共計下調(diào)配注量40 m3/d（表1）。

圖3　研究區(qū)日產(chǎn)油預(yù)測結(jié)果對比

圖4　研究區(qū)日注水預(yù)測結(jié)果對比

表1　動態(tài)配注與流線PFM優(yōu)化配注對比m3/d

從表1中可見，有2口井PFM和動態(tài)配注差較大，主要是因為流線配注方法不僅考慮了平面的連通性，還考慮了縱向上的非均質(zhì)性，是以提高注水效率為目的的自動優(yōu)化配注量。截至2012年11月，統(tǒng)計的16口油井數(shù)據(jù)表明：單井日產(chǎn)油量上升的有11口，含水率下降的有10口，合計日產(chǎn)增油9.7 t.通過試驗結(jié)果可以看到，PFM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動配注，在剩余油富集區(qū)增加注水量，提高注水井的掃油面積；在水淹、水竄區(qū)減少注水量，減少無效注水循環(huán)。

從試驗井組的見效情況看（圖5），流線配注效果是在實施后逐漸顯現(xiàn)的，在第5個月（2012年11月）達到最高峰，然后增產(chǎn)效果逐漸下降，至2013年2月回到調(diào)注前的水平；結(jié)合現(xiàn)場實施操作的可行性，可考慮將流線數(shù)模配水的合理周期定在6個月。

圖5　試驗井組流線配注見效周期

3　結(jié)論

（1）Eclipse的數(shù)模成果從E100黑油模擬器轉(zhuǎn)為Frontsim流線模擬器，操作簡單，運算速度快。

（2）對于無監(jiān)測資料的井點，應(yīng)用流線數(shù)模PFM技術(shù)能提供精細配注依據(jù)。

（3）PFM技術(shù)克服了傳統(tǒng)手工進行單井組配注的不確定性和復(fù)雜性，可實現(xiàn)整體井網(wǎng)優(yōu)化配水、提高注水波及效率的目的。

符號注釋

i——時間步編號，無因次；

j——與井連接的所有流線編號，無因次；

n——與井連接的流線總條數(shù)，無因次；

q——井的流量，m3/d；

Vi——每條流線所穿過的體積，m3；

Wmin，Wmax——分別為權(quán)重系數(shù)的下限值和上限值，無因次；

Wlim——權(quán)重系數(shù)的限制值，無因次；

Wi——權(quán)重系數(shù)，無因次；

α——調(diào)整指數(shù)，α＞1，無因次；

β——與控制方式相關(guān)的管束參數(shù)，通常取值為0~1，無

因次；

βmax——管束參數(shù)上限值，無因次；

βavg——管束參數(shù)平均值，無因次。

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Application of Streamline Numerical Simulation Technique to Optimization of Water Injection Allocation in Huoshaoshan Oilfield,Junggar Basin

LIU Yanhong1,WAN Wensheng1,WANG Xiaoqiang1,GUO Xinjiang2,GAO Jingshan1,LUO Qiang1
(1.ZhundongProduction Plant,XinjiangOilfield Company,PetroChina,Fukang,Xinjiang 831511,China; 2.XinjiangZhundongPetroleum Technology Company Ltd,Fukang,Xinjiang 831511,China)

The traditional production performance analysis is not used for optimization of water injection allocation,realizing rapid and ra?tional allocation for the well group.Using the pattern flood management(PFM)of FrontSim simulator in Eclipse software,such a problem can be well solved.This method avoids the uncertainty and complexity of artificial water injection allocation in well group.The case study shows that using this method can rapidly achieve water injection allocation optimization of the entire well pattern and thus enhance the wa?ter flood sweep efficiency.

Junggar basin;Huoshaoshan oilfield;streamline numerical simulation;PFM technique;optimized water injection allocation

TE311

A

1001-3873（2015）01-0094-04DOI：10.7657/XJPG20150119

2014-07-08

2014-12-02

劉艷紅（1970-），女，山東榮成人，高級工程師，油氣田開發(fā)，（Tel）0994-3836182（E-mail）Liuyanh@petrochina.com.cn.