一种复杂裂缝性油藏流动模拟的方法

摘要

本发明公开了一种复杂裂缝性油藏流动模拟方法，采用双重介质模型模拟微裂缝，采用嵌入式离散裂缝模型模拟大裂缝，并通过大裂缝与微裂缝间的窜流函数，实现嵌入式离散裂缝模型和双重介质模型之间的耦合，建立了嵌入式离散裂缝‑双重介质耦合模型来模拟裂缝性油藏的流动，能精确描述裂缝内流体流动，采用多尺度模拟有限差分法对嵌入式离散裂缝‑双重介质耦合模型进行求解，仅需进行宏观大尺度计算，通过多尺度基函数来刻画小尺度裂缝精细流通特征，在保证计算精度的同时大幅度减少了计算量，增加了计算速度，实现了模拟精度高计算量少的裂缝性油藏流动的模拟。

说明书

技术领域

本发明涉及裂缝性油藏流动模拟的领域，特别涉及一种复杂裂缝性油藏流动模拟的方法。

背景技术

裂缝作为最小的地质构造在地壳中分布广泛，几乎所有的油藏中都存在不同规模的裂缝。据不完全统计，世界上裂缝性油藏约占已探明总储量的一半；在我国，已探明的裂缝性油藏地质储量占总探明储量的28％以上。对于裂缝性油藏流动的模拟成为探索油藏的重要方式，目前，主要有基于双重介质、等效连续介质和离散裂缝三种流动数学模型，双重介质模型认为介质中存在两个平行的渗流系统：裂缝系统为主要流动通道，基岩系统为储集空间，模型在一定程度上刻画出了裂缝优先流特点；等效连续介质模型将整个介质视为一个连续系统，通过等效参数来表征其非均质性；离散裂缝模型则对每条裂缝予以显示表征和模拟，计算精度高、拟真性好。

但是基于双重介质模型假设裂缝系统呈均匀网络状分布，不能真实地反映裂缝的随机性和多尺度性，不适用于裂缝性油藏的精细流动模拟，等效连续介质模型的理论基础为尺度升级理论，本质上是对数学模型进行降阶处理，升级后的大尺度模型人为地抹平了介质的强非均质性和多尺度性，过于宏观简化，不能捕捉小尺度流动特征。离散裂缝模型则对每条裂缝予以显示表征和模拟，计算精度高、拟真性好，但基于传统数值方法的离散裂缝流动数值模拟因计算量太大，仍难以应用于实际。

为了减少计算量，各种减少计算量的方式也应运而生，其中，尺度升级方法虽然能减少计算量，但是不能充分反映油藏的非均质性，计算精度不高。近年来，多尺度数值方法逐渐扩展至裂缝性油藏研究中：Natvig等人基于流线模拟方法，结合多尺度模拟有限差分对离散裂缝性油藏进行了研究，在其研究中，裂缝视被为具有一定开度的高渗透带，需进行精细的非结构化网格划分；随后，Gulbranse考虑溶洞的影响，建立了缝洞性油藏的多尺度混合有限元单相流动数值计算格式，在精细尺度上基于Stokes–Brinkman流动方程来构建多尺度基函数，在溶洞内使用Stokes方程，在基岩和裂缝中使用Darcy方程，但是，在模拟中过渡区域的参数难以确定，因此难以模拟多相流动；这两种方法都是将裂缝视为狭小的高导流通道，需要对裂缝进行精细网格划分，由于裂缝尺寸较小，导致网格数量庞大且裂缝网格与基岩网格尺度差距大，导致计算繁琐。

随后，出现了离散裂缝模型的多尺度伽辽金有限元方法，将裂缝进行降维处理，简化了网格划分过程，但是多尺度伽辽金有限元方法缺有着局部不守恒的缺点，与此同时，Hajibeygi等提出了基于嵌入式离散裂缝模型的迭代多尺度有限体积法，将离散裂缝模型直接嵌入基岩单元中，能够避免复杂的网格划分过程，进一步提高计算效率，然而，多尺度有限体积法需要构建双网格系统，小尺度映射关系复杂，这几种裂缝性油藏多尺度数值方法均无法反映微裂缝对流动的影响，导致不符合实际油藏开发情况。

寻找一种既能减少计算量，又拥有较高计算精度的裂缝性油藏模拟方法势在必行。

发明内容

本发明的目的是，为了克服现有的裂缝性油藏模拟方法的技术缺陷，得到一种既能减少计算量，又拥有较高计算精度的裂缝性油藏模拟方法，提供了一种复杂裂缝性油藏流动模拟的方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种复杂裂缝性油藏流动模拟的方法，包括如下步骤：

根据微裂缝和大裂缝内渗流的特点建立嵌入式离散裂缝-双重介质耦合模型；

根据裂缝性油气藏实际地质材料，确定油气藏中的大裂缝、水力裂缝以及微裂缝分布情况，建立复杂裂缝性油藏几何模型；

采用正交网格对建立复杂裂缝性油气藏几何模型进行多尺度网格划分，得到包括大尺度粗网格子系统和小尺度细网格子系统的多尺度网格系统；

基于所述多尺度网格系统，采用多尺度模拟有限差分法对嵌入式离散裂缝-双重介质耦合模型进行求解，实现对复杂性裂缝性油藏流动的模拟，获得大裂缝和微裂缝下油藏的流动信息。

所述建立嵌入式离散裂缝-双重介质耦合模型的具体步骤包括：

对尺寸较小的微裂缝建立双重介质模型；

对尺寸较大的大裂缝建立嵌入式离散裂缝模型；

根据油藏流动的压力与速度的连续条件，实现嵌入式离散裂缝模型和双重介质模型的耦合，建立模拟复杂性裂缝性油藏流动的嵌入式离散裂缝-双重介质耦合模型。

对所述微裂缝建立的所述双重介质模型为：

▽·(vⁿ)+(-1)F＝qⁿ(1)

vⁿ＝-λⁿKⁿ▽pⁿ(2)

其中，n＝1或2，分别代表双重介质模型里面的基岩系统和裂缝系统，vⁿ系统内流体流动速度，F为两个系统间的窜流量，qⁿ为系统内源汇项，λⁿ代表系统内流体总体流度；Kⁿ代表系统绝对渗透率张量，pⁿ为系统内流体压力，α_m为基岩系统的形状因子，K^m为基岩系统的绝对渗透率张量，λ^m代表基岩系统内流体流度系数，p^m代表基岩压力，p^f代表裂缝压力，λ^f代表裂缝系统内流体流度系数。

对所述大裂缝建立的所述嵌入式离散裂缝模型为：

其中，k_F为大裂缝渗透率，p_F为大裂缝压力,μ为流体粘度，q_F为大裂缝源汇项，q_Ff为两个系统间的窜流量，q^FF表示相交裂缝单元之间的窜流量，δ_FF表示大裂缝单元是否与其他裂缝单元相交，若大裂缝单元与其他裂缝单元相交δ_FF＝1，否则δ_FF＝0，V_F分别是裂缝单元的体积。

所述采用正交网格对建立复杂裂缝性油气藏几何模型进行多尺度网格划分的步骤具体包括：

根据研究区域大小，确定各个空间方向的细网格步长和数量，对裂缝性介质进行小尺度精细网格剖分，其中基岩与微裂缝为一套结构化网格系统，将大裂缝直接嵌入到结构化网格系统中，根据大裂缝与结构化网格的相交情况形成一套裂缝小尺度细网格系统，所述结构化网格系统和所述裂缝小尺度细网格系统共同组成了小尺度细网格子系统；所述小尺度细网格子系统包含了岩石特性与流体流动特性；

在细网格的基础上使用负载平衡算法构建大尺度粗网格子系统，大尺度粗网格子系统中的大尺度粗网格单元由相互连接的小尺度细网格子系统中的小尺度细网格单元组成；

由大尺度粗网格子系统和小尺度细网格子系统组成多尺度网格系统。

优选地，所述大尺度粗网格子系统包括一套基岩与微裂缝粗网格系统，和一套裂缝粗网格系统。

优选地，循环所述大尺度粗网格子系统中的所有大尺度粗网格单元，获取每个大尺度粗网格单元中的离散裂缝几何信息，包括裂缝的中心点位置、开度、倾角、与粗网格单元边界面的相交信息，以及裂缝间的相交信息；用类似的方法获得细网格单元中的几何信息，以及粗网格单元和细网格单元的从属信息，为后续计算做准备。

所述采用多尺度模拟有限差分法对嵌入式离散裂缝-双重介质耦合模型进行求解的具体步骤包括：

确定超样本单元尺寸及单元中离散裂缝几何信息，并结合超样本单元技术求解局部流动方程获得多尺度基函数；

基于多尺度原理，使用多尺度基函数构建大尺度刚度矩阵，在此基础上形成大尺度流动方程并求解，从而获取水相压力方程的宏观大尺度解；

根据大尺度解和小尺度解的映射关系，构建映射矩阵，并结合宏观大尺度解，获得小尺度精细解。

所述确定超样本单元尺寸及单元中离散裂缝几何信息的具体步骤包括：循环所述大尺度粗网格子系统中的所有大尺度粗网格单元，根据裂缝尺度信息确定超样本单元的尺寸，并获取超样本单元中的离散裂缝几何信息，包括裂缝的中心点位置、开度、倾角、超样本单元边界面的相交信息，以及裂缝间的相交信息。

所述求解局部流动方程获得多尺度基函数的具体步骤包括：以相邻的两个大尺度粗网格单元为局部区域，在局部区域上求解流动方程获得多尺度基函数：当大尺度粗网格单元中仅包含微裂缝时，使用双重介质模型计算多尺度基函数；当大尺度粗网格单元中既包含微裂缝又包含大裂缝时，使用耦合模型并结合超样本技术计算多尺度基函数，使每一条粗网格边界对应一个多尺度基函数。

获得所述宏观大尺度解和所述小尺度精确解的具体步骤包括：

循环所述大尺度粗网格子系统中的大尺度粗网格单元，将多尺度基函数组装为大尺度流动方程并求解，从而获取水相压力方程的宏观大尺度解，包括大尺度粗网格单元的压力场和单元界面的速度场；

基于多尺度基函数，求取大尺度与小尺度间对应的映射矩阵：A是将所有速度基函数作为列向量的矩阵，B是粗网格到细网格的变换单元，若第j个粗网格包含第i个细网格，则B_ij＝1，否则B_ij＝0；因此，大尺度的速度v^c与小尺度的速度v^f、及大尺度的压力p^c与小尺度的压力p^f有如下映射关系：

v^f≈Av^c,p^f≈Bp^c(5)

将宏观大尺度流动解代入上述映射关系，反演得到小尺度细网格单元的压力及其界面的速度；

在此基础上，采用有限体积法求解小尺度细网格单元的水相饱和度方程，从而获取整个裂缝介质的精细流动特征；

所述小尺度细网格单元的水相饱和度方程为：

v_w＝f_w[v+Kλ_n·▽p+Kλ_n(ρ_w-ρ_n)G](7)

其中，φ为介质孔隙度，S_w为湿相饱和度，p为流体压力，v_w为润湿相流速，q_w为润湿相源汇项，f_w为含水率，v为流体总流速，K为渗透率张量，λ_n为非润湿相流度，ρ_w为润湿相流体密度，ρ_n为非润湿相流体密度，G为重力加速度项。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

发明公开了一种复杂裂缝性油藏流动模拟的方法，针对油气藏汇中同时存在微裂缝，大裂缝的情况，采用双重介质模型模拟微裂缝，采用嵌入式离散裂缝模型模拟大裂缝，建立了嵌入式离散裂缝-双重介质耦合模型来模拟裂缝性油藏的流动，能精确描述裂缝内流体流动，因为多尺度模拟有限差分法具有良好的局部守恒性，且能够处理任何复杂网格，采用多尺度模拟有限差分方法对嵌入式离散裂缝-双重介质耦合模型求解，仅需进行宏观大尺度计算，通过多尺度基函数来刻画小尺度裂缝精细流通特征，保证计算精度的同时大幅度减少了计算量，为油田级别复杂裂缝油气藏模拟提供了一种高效准确的方法，能够以较少的时间准确描述裂缝性油气藏流动规律，实现油气藏的开发动态模拟，为油气藏的高效开发提供技术支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种复杂裂缝性油藏流动模拟的方法的一个实施例的流程图。

图2为本发明提供的一种复杂裂缝性油藏流动模拟的方法的另一个实施例的流程图。

图3为本发明提供的一种复杂裂缝性油藏流动模拟的方法的相邻网格上的多尺度基函数的构建示意图

图4为本发明提供的一种复杂裂缝性油藏流动模拟的方法的复杂裂缝性油藏几何模型示意图。

图5为本发明提供的一种复杂裂缝性油藏流动模拟的方法的多尺度网格系统示意图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种复杂裂缝性油藏流动模拟的方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，作为一种可实施方式，一种复杂裂缝性油藏流动模拟的方法，包括如下步骤：

S1、根据微裂缝和大裂缝内渗流的特点建立嵌入式离散裂缝-双重介质耦合模型；

S2、根据裂缝性油气藏实际地质材料，确定油气藏中的大裂缝、水力裂缝以及微裂缝分布情况，建立复杂裂缝性油藏几何模型；如图4所示，复杂裂缝性油藏几何模既包括大尺度粗裂缝又包括小尺度细裂缝。

S3、采用正交网格对建立复杂裂缝性油气藏几何模型进行多尺度网格划分，得到包括大尺度粗网格子系统和小尺度细网格子系统的多尺度网格系统；

S4、基于所述多尺度网格系统，采用多尺度模拟有限差分法对嵌入式离散裂缝-双重介质耦合模型进行求解，实现对复杂性裂缝性油藏流动的模拟，获得大裂缝和微裂缝下油藏的流动信息。

如图2所示，作为另一种可实施方式，步骤S1所述建立嵌入式离散裂缝-双重介质耦合模型的具体步骤，包括：

对尺寸较小的微裂缝建立双重介质模型；

对尺寸较大的大裂缝建立嵌入式离散裂缝模型；

根据油藏流动的压力与速度的连续条件，实现嵌入式离散裂缝模型和双重介质模型的耦合，建立模拟复杂性裂缝性油藏流动的嵌入式离散裂缝-双重介质耦合模型。

对所述微裂缝建立的所述双重介质模型为：

▽·(vⁿ)+(-1)F＝qⁿ(1)

vⁿ＝-λⁿKⁿ▽pⁿ(2)

其中，n＝1或2，分别代表双重介质模型里面的基岩系统和裂缝系统，vⁿ系统内流体流动速度，F为两个系统间的窜流量，qⁿ为系统内源汇项，λⁿ代表系统内流体总体流度；Kⁿ代表系统绝对渗透率张量，pⁿ为系统内流体压力，α_m为基岩系统的形状因子，K^m为基岩系统的绝对渗透率张量，λ^m代表基岩系统内流体流度系数，p^m代表基岩压力，p^f代表裂缝压力，λ^f代表裂缝系统内流体流度系数。

对所述大裂缝建立的所述嵌入式离散裂缝模型为：

其中，k_F为大裂缝渗透率，p_F为大裂缝压力,μ为流体粘度，q_F为大裂缝源汇项，q_Ff为两个系统间的窜流量，q_FF表示相交裂缝单元之间的窜流量，δ_FF表示大裂缝单元是否与其他裂缝单元相交，若大裂缝单元与其他裂缝单元相交δ_FF＝1，否则δ_FF＝0，V_F分别是裂缝单元的体积。

步骤S3所述采用正交网格对建立复杂裂缝性油气藏几何模型进行多尺度网格划分的步骤具体包括：

根据研究区域大小，确定各个空间方向的细网格步长和数量，对裂缝性介质进行小尺度精细网格剖分，其中基岩与微裂缝为一套结构化网格系统，将大裂缝直接嵌入到结构化网格系统中，根据大裂缝与结构化网格的相交情况形成一套裂缝小尺度细网格系统，所述结构化网格系统和所述裂缝小尺度细网格系统共同组成了小尺度细网格子系统；所述小尺度细网格子系统包含了岩石特性与流体流动特性；

在细网格的基础上使用负载平衡算法构建大尺度粗网格子系统，大尺度粗网格子系统中的大尺度粗网格单元由相互连接的小尺度细网格子系统中的小尺度细网格单元组成；

计算裂缝与粗细网格间的相交信息，包括裂缝与网格单元交点的坐标，裂缝所属的网格单元等，形成多尺度网格系统。

优选地，所述大尺度粗网格子系统包括一套基岩与微裂缝粗网格系统，和一套裂缝粗网格系统。

优选地，循环所述大尺度粗网格子系统中的所有大尺度粗网格单元，获取每个大尺度粗网格单元中的离散裂缝几何信息，包括裂缝的中心点位置、开度、倾角、与粗网格单元边界面的相交信息，以及裂缝间的相交信息；用类似的方法获得细网格单元中的几何信息，以及粗网格单元和细网格单元的从属信息，为后续计算做准备。

如图5所示，获得的多尺度网格系统中，大尺度粗网格子系统中大尺度粗网格单元和小尺度细网格单元的几何形状，二维问题中为矩形，三维问题中为正交六面体，每个大尺度粗网格单元包括若干个相互连接的小尺度细网格单元。

步骤S4中所述采用多尺度模拟有限差分法对嵌入式离散裂缝-双重介质耦合模型进行求解的具体步骤包括：

确定超样本单元尺寸及单元中离散裂缝几何信息，并结合超样本单元技术求解局部流动方程获得多尺度基函数；

基于多尺度原理，使用多尺度基函数构建大尺度刚度矩阵，在此基础上形成大尺度流动方程并求解，从而获取水相压力方程的宏观大尺度解；

根据大尺度解和小尺度解的映射关系，构建映射矩阵，并结合宏观大尺度解，获得小尺度精细解。

所述确定超样本单元尺寸及单元中离散裂缝几何信息的具体步骤包括：循环所述大尺度粗网格子系统中的所有大尺度粗网格单元，根据裂缝尺度信息确定超样本单元的尺寸，并获取超样本单元中的离散裂缝几何信息，包括裂缝的中心点位置、开度、倾角、超样本单元边界面的相交信息，以及裂缝间的相交信息。

所述求解局部流动方程获得多尺度基函数的具体步骤包括：如图3所示，为了保证局部守恒，以相邻的两个大尺度粗网格单元Ω_i和Ω_j为局部区域，在局部区域上求解流动方程获得多尺度基函数ψ_ij：当大尺度粗网格单元中仅包含微裂缝时，使用双重介质模型计算多尺度基函数；当大尺度粗网格单元既包含微裂缝又包含大裂缝时，使用耦合模型并结合超样本技术计算多尺度基函数，使每一条粗网格边界对应一个多尺度基函数。

获得所述宏观大尺度解和所述小尺度精确解的具体步骤包括：

循环所述大尺度粗网格子系统中的大尺度粗网格单元，将多尺度基函数组装为大尺度流动方程并求解，从而获取水相压力方程的宏观大尺度解，包括大尺度粗网格单元的压力场和单元界面的速度场；

结合多尺度基函数和多尺度原理，组装大尺度流动方程；

将多尺度基函数组装为大尺度流动方程的方式为：获得多尺度基函数后，要将其分为两部分：

满足

其中，Ω_ij为相邻大尺度粗网格单元，E为组成Ω_ij的小尺度细网格单元。

基于多尺度基函数，求取大尺度解与小尺度解间对应的映射矩阵：A是将所有速度基函数作为列向量的矩阵，B是粗网格到细网格的变换单元，若第j个粗网格包含第i个细网格，则B_ij＝1，否则B_ij＝0；因此，大尺度的速度v^c与小尺度的速度v^f、及大尺度的压力p^c与小尺度的压力p^f有如下映射关系：

v^f≈Av^c,p^f≈Bp^c(5)

将宏观大尺度流动解代入上述映射关系，反演得到小尺度细网格单元的压力及其界面的速度；

在此基础上，采用有限体积法求解小尺度细网格单元的水相饱和度方程，从而获取整个裂缝介质的精细流动特征；

所述小尺度细网格单元的水相饱和度方程为：

v_w＝f_w[v+Kλ_n·▽p+Kλ_n(ρ_w-ρ_n)G](7)

其中，φ为介质孔隙度，S_w为湿相饱和度，p为流体压力，v_w为润湿相流速，q_w为润湿相源汇项，f_w为含水率，v为流体总流速，K为渗透率张量，λ_n为非润湿相流度，ρ_w为润湿相流体密度，ρ_n为非润湿相流体密度，G为重力加速度项。

本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。