油气开采的历史是石油科技进步的演化史，同时也是计算机技术的发展史。全球范围内以注水开采为主的二次采油技术、提高采收率为目的三次采油技术与以页岩气藏为代表的非常规油气开采技术越来越起到关键性作用。这其中，以计算机为手段的数值模拟技术在这些油气藏高效开发与提高采收率中占据至关重要的地位。

 

目前，我国老油田正在经历高含水期，以采出程度高、综合含水高、综合递减高与储采比低为特征，剩余油分布呈现高度分散、相对集中特点；我国非常规油气藏储量大、埋藏深、超低渗，其中陆域页岩气可采资源潜力为 25 万亿立方米，这种从“毛细管中采血”开采方式严重着依赖水平井技术完井与多级压裂技术；油气藏开采中存在着诸多的不确定性，从地震到地质，从油藏到油井，我们要更精细量化储量、品质、产能与采收率，进行油藏与生产优化研究；这就要以技术集成与一体化平台为基础，以现代化油藏经营管理为理念，以油藏模拟为生产管理手段，不断认识与经营油气藏，实现最小化勘探成本、加速增储上产、最小化操作成本、最大化产能、最大化采收率与延迟报废时间。

 

高精度油气藏模型数值模拟技术

 

在传统的油藏工程中，并没有考虑储层空间上的不连续性与非均质性，油气藏工程以均质油藏模型为对象，以基本渗流理论为依据，以实际统计规律为背景，形成经验解析公式；在传统的数值模拟研究中，由于计算机能力限制，通常要先对精细的地质模型进行粗化，部分地质特征就会在不经意中被忽视掉，从而导致了空间上认识不足，形成了“定性尚可、定量不足”共识。

 

在国内，绝大多数的油田以陆相碎屑岩沉积为主，气田还有大量的海相碳酸盐储层与火山岩储层，并且具有严重非均质与较低渗透率特征。油田注水开采过程会过早形成水突破，而气藏在衰竭开采中也可能会形成较快水锁或水淹，采收程度往往会较低，不能持续稳产。为了明细地下流体流动规律，借助强大的计算机硬件系统与新兴的先进数值求解算法，实现对高精度地质模型进行数值模拟运算研究，更精细地刻画油藏特征，更准确地描述油气水分布规律。

 

INTERSECT高级数值模拟运算器

 

斯伦贝谢公司 INTERSECT 油气藏数值模拟器是于 2000 年开始与美国Chevron 雪佛龙公司一同研发，集两家公司油气藏专家经验、应用数值分析专长与计算机语言专业知识；2004 年，法国道达尔公司加入 INTERSECT 稠油 热 采 模 拟 技 术 的 研 发；2005 年 斯伦贝谢专家正式在 SPE 文献上论述了INTERSECT 模拟器中的求解技术；2010 年释放第一个商业化版本并陆续被许多用户应用；2012 年 Total 道达尔公司正式成为了 INTERSECT 合作伙伴。INTERSECT 是当前最先进的油气藏数值模拟运算器，以 Petrel RE为其前后处理环境，与 Petrel 地震解释与地质建模完美无缝连接。

 

AMG-CPR 代数多重网格与压力残差预处理技术 伴随矩阵方法是求解梯度计算的最有效的方法，与基于梯度计算的优化技术相结合，可以用来求解生产预测问题与历史拟合问题；这个将被求解的伴随矩阵则是全隐式模拟器中雅可比 Jacobi 矩阵的转制矩阵，是一个线性方程组。对于大型或复杂的油藏模型来说，广义上的预处理方法求解伴随矩阵方程被证明是不可行的，不容易收敛，计算非常耗时；需要更有效的方法加速收敛，提高运算效率。

 

约束压力残差 CPR（Constrained Pressure Residual） 预 处 理 求 解 技术 是 由 Wallis 在 1983 年 提 出 的，而 Nested-factorization“ 造 巢” 分解技术也于 1983 年由 Appleyard 提出， 后 者 则 是 在 ECLIPSE 中 被 广 泛采用的技术；而前者衍生出的 JALS解法也于 2008 年被引入至 ECLIPSE Thermal 热采模拟中。

 

在 2005 年，斯伦贝谢、斯坦福大学、Wallis 咨询公司与雪佛龙公司专家将约束压力残差CPR 预处理技术与代数多重网格 AMG（Algebraic Multigrid）线性解法器相结合，更高效地求解复杂地质模型中的压力方程，表现出了卓越的性能；并引入至 INTERSECT 模拟器中；随后，并将 AMG-CPR 技术与灵活的广义最小化残差 FGMRES 技术相结合，加速收敛，减少线性迭代次数，更有效地求解伴随矩阵。

 

更加高效的并行剖分技术 单纯的非线性方程组与线性方程组求解方法的改进不能满足油藏数值模拟应用要求，基于现代集群技术与并行运算技术可以更显著提高油气藏数值模拟的性能，更好地满足油气田开发应用需求。常规相对直接的区域剖分方法，通常沿垂直于X 或 Y 方向将笛卡尔网格分割成若干个区域，每一个区域包含大致相同数量的网格数，同时最小化每一个区域表面积。

 

但是，实际上网格不仅要反映岩石构造性质，如断层、层位；同时要充分捕捉流体过渡区域，如水相前缘、气体突破、温度分布以及近井水锥。此时，这种并行剖分模式并行运算效率则并不显著。INTERSECT 从网格区域剖分开开始，就是一个先天性的非结构化的模拟器，这里引入了 ParMETIS 区域剖分技术；这是一个被证明、并被广泛应用的区域剖分方法库，可以快速解决对大系统的区域剖分问题。我通常会将线性系统里非常连通的网格保留在同一个计算处理器中。一个启发式的做法是选择出高连通性或高权重网格，然后扩展至周围网格，但这也可能产生多中组合；在 INTERSECT 中利用网格之间传导率来指导并行区域剖分，因为传导率则是两个网格之间关联性的非常好的指标。同时 INTERSECT

可以更高效地对跨剖分区域水平井进行求解。

 

更加严格的方程收敛性控制标准 通常在很多的模拟器中，黑油模拟器的收敛判断标准与组分模拟器的判断标准不一样。黑油模拟器采用的是 F(x) 绝对值要足够的小，要小于设置的界限；组分模拟器收敛准则是靠 ∆x 足够小进行判断；但是 INTERSECT 采用的是两者组合的模式，也就是说 F(x) 与 ∆x都要足够小，同时 INTERSECT 中对求解变量压力、饱和度、摩尔分数变化都做了更严格的收敛控制标准。

 

典型应用实例

 

这里，INTERSECT 油藏数值模拟器主要用来求解诸多复杂的地质、油藏与生产井问题，如：不粗化的精细油气藏地质模型、具有大量的开发井数全油田模型、多分枝井与复杂结构井流动特征、稠油油藏热力采油全区模拟与蒸汽腔刻画、聚合物为代表三次采油技术驱油效应、基于非结构化网格的水平井多级压裂技术、凝析气藏 / 挥发油藏与 CO2 混相驱中组分变化规律以及油藏、井筒与管网一体化耦合应用。

 

碳酸盐岩应用实例 这是一个带气顶的碳酸盐岩油藏，此地质模型共有230 万网格，150 多口井，25 年生产历史；因为是双重介质模型，所以存在大量的非相邻连接，对油藏数值模拟而言，是一个非常大的挑战。从 计 算 结 果 上 看，INTERSECT模拟器 32 路并行运算只需 1.1 小时，64 路并行仅需 0.7 小时，这其中表现出卓越并行效率；就标准模拟器而言，32 路并行运算则需要 18 小时（如图 6）。

 

对比 INTERSECT 与 ECLIPSE 结果，则会发现全区压力、全区油气水产量、全油田含水率与全油田气油比都与ECLIPSE 标准模拟器保持了高度的一致性。

 

凝析气藏应用实例 这是一个凝析气田，总储量为 10 万亿立方米，深度约 4,000 米，储层压力超 60 兆帕，温度为 108 摄氏度，凝析油含量为 400克 / 立方米；地质模型具有很强的非均质性，平均渗透率为 1 豪达西，平均孔隙 度 为 16%， 共 490 万 网 格，1,100口井；流体共 8 个组分，共 28 个平衡分区，2 个 PVT 分区；

 

预测 32 年。从计算结果上发现，INTERSECT模拟器 32 路并行只需 4 个小时即可完成模拟运算，而这个值是 8 路并行运算时间的近 3 倍，表现出了良好的并行扩展性。

 

复杂井应用实例 INTERSECT 中运用了多段井模型技术描述复杂井的拓补结构，可以更准确地诠释水平井、多分枝井以及具有井下工具的复杂结构井。INTERSECT 数值模拟器可以更高效地对非结构化网格模型进行求解运算，从而可以更好地解释近井地带流体运移特征与以及评估页岩气藏水平井多级压裂后效果与压力及流体分布规律。

 

斯伦贝谢 INTERSECT 自适应模拟器具有非常高效的并行运算性能，统一支持结构化网格与非结构化网格；能够对上亿、甚至 10 亿网格模型进行数值求解；能够满足大型、复杂、高度非均质油气藏模拟运算需求，使油藏工程师真正实现与地质工程师共享地质模型精度的梦想；同时基于 Petrel 平台，真正实现地震与地质、地质与油藏一体化综合研究，更高效、深入、细致挖掘全油气田开发生产潜力。