油燃而声 第35期 | 试井及油气藏的模拟或仿真技术
张烈辉 | 《油气简史》
（第二版 富媒体)
油燃而声 第35期
试井—— 油气藏开发的眼睛
所谓试井，顾名思义，就是对油井、气井或水井进行测试，测试内容包括井口产量、井下压力、温度等。在测试时，改变井的工作制度（关井、开井、增大或减小油嘴直径等），利用各种测试仪表（例如，高精度电子压力计）记录测试过程中的动态变化响应（例如，井下压力、温度数据等），依据适合的流体渗流模型对测试资料进行解释来获得测试层（油、气、水层）和测试井（油、气、水井）的各种物理参数（例如，钻井液造成的伤害程度、渗透率、流动能力等）、生产能力、地层的连通能力的一种动态方法。
测试资料解释就是根据测试井控制区域的油（气）渗流模型模拟出的地层压力随时间的变化曲线，和实测的压力（如井底压力）变化曲线进行对比，调整参数使两者达到一致（可以是人工对比，也可以是计算机自动对比），当两曲线一致时说明建立渗流数学模型时所给出的地层各种参数（如渗透率、流动能力等）和特性就代表了实际地层的参数和特性。
试井是油气藏勘探开发过程中，认识和评价油（气）层及油（气）井特征，确定油（气）层参数的不可缺少的手段，故试井被石油行业誉为“油气藏开发的眼睛”。
试井分为稳定试井和不稳定试井。
01
稳定试井
顾名思义是指地层流体在稳定状态下进行的井测试。测试时，通过改变若干（一般 4~5 次）油井或气井的工作制度（如自喷井改变控制流量的油嘴直径，机械采油井改变泵的冲程、冲次等），在每一工作制度处于相对稳定状态时测出井的稳定产量和稳定的井底压力，然后将这些资料绘制成压力（或压差）与产量的关系曲线（专业上称之为指示曲线），依据曲线形态，确定出产量随压力变化的规律（即数学关系式），根据这个关系式，可以确定井的生产能力、合理工作制度、油气藏的参数（如渗透率、流动系数等）。该方法是确定测试井（或测试层）生产能力的一种动态方法，所以也称之为生产能力试井或产能试井。
不稳定试井
顾名思义是指地层流体在不稳定状态下进行的井测试。处于静止或稳定状态的地层中的流体，若改变其中某一口井的工作制度，例如改变井的产量或井底压力，则在井底造成一个压力扰动，此压力扰动将随着时间的推移而不断向地层传播，直至达到一个新的平衡状态，这种压力扰动的过程是不稳定的，它与油藏、油井和流体的性质有关。因此，在该井或其他井中用仪器将井底压力随时间的变化测量出来后，绘制成各种关系曲线（可以是压力与时间的直角坐标关系、半对数关系、双对数关系）并对曲线上显示的各种特征进行分析，就可以判断井和油藏的特性，这就是不稳定试井的基本原理。
不同油藏结构（如油层边界、形状）、不同油藏参数（如井壁附近钻井、完井过程中钻井液等造成的伤害情况，增产措施改造的效果，流动能力，渗透率等）、不同井型（直井、水平井、压裂井），所测得的井底压力随时间的变化特征也常常有所差异，科学家们正是根据这些变化特征来解释并获得储层及测试井参数信息的。
不稳定试井是确定油气藏类型、求取油气藏参数、判断井底污染状况、分析井措施效果、识别油气藏边界、估算单井控制储量及判断层间或井间连通情况等的重要手段之一。
不稳定试井分为压力降落试井和压力恢复试井。
压力降落试井
该方法是将关闭的井开井生产，测量井的产量和开井后井底压力随时间的变化关系曲线，根据该曲线上的直线段的斜率可以推算获得测试井和测试层特性参数（如渗透率、表皮系数、外边界到井距离等）。
压力恢复试井
压力恢复试井是将井从稳定的生产状态转入关井状态，并测量关井后井底压力随时间的变化关系曲线，根据绘制的关系曲线显示的特征可推算获得测试井和测试层特性参数（如渗透率、表皮系数、地层压力、外边界到井的距离等）。
无论是压力降落或是压力恢复，压差数据在双对数坐标图（纵坐标为压差，横坐标为生产时间）中可得到一条曲线，称之为“双对数曲线”，这条曲线很神奇，因为各种不同类型的油藏在各个不同的流动阶段，均表现出各不相同的形状。因此，石油工程师们就可以通过对双对数曲线进行分析来判断油气藏的类型，并区分各个不同渗流阶段，由于这个缘故，“双对数曲线”又被称之为“诊断曲线”（Log-LogDiagnosis），与医生通过心电图曲线判断人的心脏是否出了问题一样。
油气藏的模拟或仿真技术 ——再现油气藏过去
（生产历史），预知油气藏未来（生产动态）
当人们通过对地球做 B 超的方式（业内称其为地震）找到了一个浸透石油的大岩层 ——油藏后，下一个问题就摆在了油藏工程师面前：如何开采这个油藏？
怎样才能做到少花钱、多采油？钻多少井？在什么地方钻井？是否需要注水、注气来保持地层压力、多置换些油出来等？是注水开发效果好还是注气开发效果好？是五点法注水还是九点法注水效果好？是钻水平井、分支井还是钻直井？是产量开大一点还是开小一点？这既是个技术问题，也是个经济问题，是一个技术有效性和经济可行性之间的平衡问题，说到底，是个开采方式的优化问题。显然，要做好这个优化，前提条件是要彻彻底底地认识要开采的油藏。
目前，石油工作者认识油气藏的方法有类比法、直接观测法、实验方法和数学方法（试井，也是一种数学方法）等，在具体使用时均存在着诸多局限性。例如，直接观察法成本太高，投入大。数学方法是基于大量生产数据的经验统计或者是基于地层和流体参数均值化概念建立起来的“零”维模型，看成是一个“罐”，未考虑实际油气藏三维空间流体和岩石物性参数的不同以及随时间的变化等。实验方法，虽然是在实验室造一个相似的油藏模型，通过在模型上反复进行不同试验，从中到规律、找到方法、找到开采方案指导实践，但也是困难重重。首先是怎样才能做到数学意义上的相似；其次，是它的高温高压。尤其是后者，在实验室条件下，很难大规模实现。通常能做的也就是仅考虑油藏的局部，或将三维油藏简化成一维来处理，很少有将整个油藏（近似地）搬到实验室的情况。因此说，实验室的物理模拟方法也有很大的局限性。大家都知道，一个油藏只有一次开采机会，不可能让你从头再来开采许多遍，让你反复试验从中找出最佳方案。
这些方法对于油气藏某一局部的认识或某一阶段的预测可能是可行的，但是对于复杂的油气藏全生命过程的认识、预测却是无能为力的。怎么办？还有没有更好的替代方法呢？
试问，对于勘探一个新发现的油气藏，我们可以像科幻电影一样预知它投入采掘后未来 10 年、20 年、50 年油气藏三维空间任意位置的压力变化、油气水分布情况吗？能够预知边、底水的运移、推进情况吗？对于一个已经开发了 10年、20 年、50年 的 油 气 藏，我 们 可 以 像看电影一样重现或回放这 10 年、20 年、50 年采掘历史中的一点一滴吗？例如，再现过去的 10年、20 年、50年 油 气 藏 三 维空 间 中 任 意 位置 的 压 力、 油气水分布，油—水、 气 — 水 界面的上升 情 况以 及 水 窜、 水侵情况？
目前，在气藏开发中广泛使用的油气藏模拟技术，就能很好地回答上述一系列问题。它很好地实现了油气藏开发历史的再现和未来的生产预测，该技术也称之为油气藏的仿真技术。
实际上，地下油气藏模拟或仿真技术与自然界中的很多仿真的原理是很类似的。
大家都知道风力发电吧，风力发电设备中最重要的部件就是那几个风力叶片，其直径可达70m，相当于20层楼房的高度，由于其长径比很大，所以很容易被折断。
为了知道叶片的工作寿命到底有多长，最可靠最直接的办法就是对其在真实工作环境下进行实验，但是投入的时间和金钱会很多（比如我们要加工一套完整的样机，然后将它运送到指定地点，再组装、运行、测试、拆除、运回等，如果中途运行出现问题需要修理估计会更麻烦），因此大多数情况我们选择先进行模拟，就是将叶片的运动和受载情况简化为一系列数学公式（运动学方程、动力学方程、物理方程、几何方程等）和物理参数（没有参数我们还可以创造新的参数，比如各种无量纲的物理量）。在拥有上述一系列公式的基础上，把它们数值化，把时间、空间上连续变化的问题分解成一个个在某段时间某段空间上不同的小问题，这样我们的计算机就可以求解了。至于怎么让模拟收敛，误差小，计算速度快，这就是比较高深的知识，涉及许多的算法（有现成的各种算法，当然也有根据自身需求量身打造的算法）。
至于求解工具，当然不是自己手算，最常用的是计算机编程，Matlab，C++, Fortran等是我们十分常用的编程工具。当然市场上也有很多现成、已经被模块化的商业软件，如 Ansys、Abaqus、Eclipse 等。
地下油气藏的模拟或仿真技术，和我们刚刚提到的风力发电模拟是一模一样的思路，都不是实体模型，都是利用计算机来求解数学模型。地下油气藏的数学模型描述了地下流体（油、气或水）开采过程中的流动规律。不同油气藏蕴含的机理或者说蕴含的渗流特征、渗流规律不同，油气藏的数学模型就不同。不同的油气藏数学模型反映了发生在油气藏中的最重要的物理过程，包括油、水、气三相流动，不同相态之间的质量转移，考虑了黏滞力、毛细管压力和重力对流体流动的影响。此外，在模型中，岩石性质（例如，孔隙度、渗透率、各向异性、润湿性等）、流体性质（例如，流体黏度、压缩系数、密度等）以及相对渗透率特性在空间和时间上的变化都得到了精确的体现。简言之，油气藏模拟或仿真技术就是将各种描述地下流体流动规律的数学模型的求解编制成计算机程序，利用计算机进行计算，得到所需要的各种结果，实际上就是在计算机上展示一个油气藏开发的全生命过程，这种计算机程序就是通常所说的油气藏模拟器。油气藏模拟或仿真，由于是在计算机上进行，因此可以“多次”模拟开发过程，其优点是廉价、快速、功能强大、适用范围广泛，是开展油气田开发重大决策的一项有效工具，是支撑复杂油气田开发的一项重要技术和手段。对于新油（气）田，它可以模拟不同开发方式的全过程、得到不同结果，通过比较，得到最优方案；对于老（气）油田，能在计算机上用较短的时间重现和预演以几十年为周期的油（气）田开发过程，把脉油（气）田，了解问题所在、潜力所在以及三维空间或剖面上剩余油气的分布，预测未来开发趋势、预测采收率，进行经济评价预测，给出下步优化调整意见。
此外，借助计算机和图形显示技术，可以将地下油气在地层中的复杂运移过程直观地呈现出来，犹如一个巨大的透视镜一样，让人们可以直观观察到地下储层的多孔介质和流体在其中的流动过程。
未来的油气藏数值模拟
油气藏数值模拟技术是油气藏实现科学开发的必要手段，贯穿油气藏开发的每一环节。伴随着石油勘探开发、流体力学、计算数学和计算机科学的进步，作为现代油气藏工程发展的集中体现，油气藏数值模拟将得到空前发展。未来的油气藏数值模拟将会出现以下特点。
（1）计算规模将呈数个量级增长，大量应用GPU 并行计算技术和云计算。
随着计算机的发展，油气藏数值模拟经历了数百网格到数百万网格的计算规模。近年来，兴起的 GPU 并行技术和云计算技术，大幅度提高了油气藏数值模拟的计算能力，行业进入亿万网格的计算规模。未来随着量子计算机的发明，油气藏数值模拟有望进入兆级规模。计算规模的变化将引起油气藏数值模拟质量的变化：采用更多更精细的油气藏模型，实现油气藏的精细模拟而让模拟结果更可靠 ; 推动油气藏数值模拟从宏观尺度转向介观、微观尺度，由连续孔隙介质转向离散孔隙介质，由对连续流体的模拟转向对分子群团的模拟，油气藏数值模型更接近真实油气藏。
（2）油气藏数值模拟功能将更为全面，应用更为广泛，模拟的油气藏越来越复杂，油气藏开发决策高度依赖数值模拟结果。
在功能上，未来的油气藏数值模拟将集成越来越多的功能，一方面现有的黑油模型、组分模型、热采模型、化学驱模型等不断完善，另一方面新的流动模型不断涌现，例如，描述出砂、煤粉、结蜡、硫沉积等固体颗粒的油—气—水—固模型，反映跨尺度介质的管流—渗流—分子运动混合模型。
地质—地球物理—地质建模—工程—数模一体化技术，成为研究复杂油气藏全生命过程的重要研究手段，得到普遍应用。
与人工压裂技术结合，实现多相流体渗流场、岩石应力场、温度场、化学场的“四场”耦合模拟，更全面地反映流体、岩石在压裂过程中的相互作用，帮助设计更有效的压裂方案提高压裂效果，并对压裂结果进行更为有效的监测；采油工程、集输工程结合，实现油气藏地层—油井井筒—集输管线的一体化模拟，结合监测设备和 5G 信息技术，准确连续地预测和监测不同时刻油气水产量、管柱压力、温度等数据参数，结合人工智能技术、机器人和无人机等现代 / 未来科技，实现油气田的无人化管理。
（3） 油气藏数值模拟技术进入人工智能时代。
当前的油气藏数值模拟对于人类而言是一项繁重的脑力和体力工作，尤其数值模拟的历史拟合环节用时最多，占时超过 70%。实现有效的拟合一般需要工程师对油气藏有深入的了解，并且需要大量的尝试。自动拟合技术就是让计算机代替人类工作的一项技术，但该项技术还不成熟，目前只能起到一定的辅助作用，是行业未来发展的方向和热点。基于大数据驱动的深度学习是人工智能方法进行油气藏数值模拟的另外一类方法，这类方法的模拟并不依赖于传统的渗流理论，方法的核心是基于海量数据，通过深度学习方法建立数据与数据之间的非线性关系，其优点在于计算效率高，可以实现千万口井规模油气藏的快速模拟，但可靠性低。该类方法也是石油工业界的研究热点，涌现了很多算法，但所有的方法中，采用油气藏数值模拟提供数据样本让机器学习的方法，可靠性最高。
我们下期再见！
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图文来源 | 《油气简史》
绘图 |侯雪梅
编辑 | 张心怡
责编 | 石娇杨 张心怡
审核 | 刘仲铭