低滲油藏壓裂水平井?dāng)?shù)值模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

龔 安 井曉萌 費(fèi) 凡 李華昱 付 彤

（中國石油大學(xué)（華東）計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院 青島 266580）

1 引言

近年來，隨著油氣資源量不斷減少以及國內(nèi)油藏開采成本相對較高，我國油藏開采的現(xiàn)代化程度迫切需要進(jìn)一步地提高。油藏?cái)?shù)值模擬及可視化系統(tǒng)是當(dāng)今石油工業(yè)中油藏分析最有效的工具之一，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)以及油藏工程科學(xué)的不斷發(fā)展，油藏?cái)?shù)值模擬在探索復(fù)雜滲流問題、衡量油田開發(fā)好壞、提高采收率和開發(fā)調(diào)整上具有重大意義。目前常見的油藏?cái)?shù)值模擬商業(yè)軟件有：Eclipse、Vip、More等，這些商業(yè)軟件經(jīng)過長期的發(fā)展和完善能處理大部分的油藏模擬問題。然而，油藏實(shí)際地質(zhì)條件是非常復(fù)雜的，并且在實(shí)際應(yīng)用中也存在著各種各樣的問題。隨著中高品位儲層的油氣資源量不斷減少，低滲油藏已經(jīng)逐漸成為我國油田增產(chǎn)的主要來源，然而上述商業(yè)軟件都是基于廣義達(dá)西定律的黑油模型或組分模型上，在低滲油藏下并不適用［1］。本文針對低滲油藏的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于Windows平臺的低滲油藏壓裂水平井?dāng)?shù)值模擬及可視化系統(tǒng)。

2 油藏模擬系統(tǒng)開發(fā)研究概述

2.1 油藏?cái)?shù)值模擬系統(tǒng)開發(fā)任務(wù)

油藏?cái)?shù)值模擬系統(tǒng)一般包括：前處理系統(tǒng)、油藏?cái)?shù)值模型計(jì)算器、后處理可視化系統(tǒng)這三個部分。前處理系統(tǒng)目的是為計(jì)算提供最直接的輸入數(shù)據(jù)。油藏模擬數(shù)據(jù)是復(fù)雜的，它不僅表現(xiàn)在格式類型上，還在精度、可信度等很多方面都有要求。前處理系統(tǒng)一般包括下面這些模塊：文件管理、控制參數(shù)輸入、網(wǎng)格剖分、輸出控制等；油藏?cái)?shù)值模型計(jì)算器是建立在數(shù)學(xué)模型之上的，它將一套用于描述油藏物理性質(zhì)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為數(shù)值模型，再應(yīng)用各種數(shù)值解法從計(jì)算機(jī)上得到所需結(jié)果；而后處理系統(tǒng)是將這些結(jié)果以各種形式直觀、生動地展示出來，以提高分析效率。

2.2 油藏?cái)?shù)值模擬系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)軟硬件得到了飛速的發(fā)展，這使得油藏?cái)?shù)值模擬系統(tǒng)在普通PC機(jī)上得到很好的支持。普通PC機(jī)的操作系統(tǒng)主要為Win?dows和linux。因?yàn)閘inux環(huán)境下安裝虛擬機(jī)可以支持大多數(shù)語言編寫的程序，所以對開發(fā)語言并沒有嚴(yán)格的要求。

圖形開發(fā)模塊：Xlib、OpenGl、AWT繪圖系統(tǒng)（Java）、VTK、調(diào)用Matlab畫圖模塊進(jìn)行混編等技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議：TCP/IP協(xié)議。

數(shù)據(jù)庫模塊：鑒于數(shù)據(jù)規(guī)模大小、穩(wěn)定性以及使用成本，推薦使用Oracle或者SQL Server。

計(jì)算模塊：計(jì)算模型普遍較為復(fù)雜，其中包含偏微分方程、二次積分等復(fù)雜數(shù)學(xué)公式，為了編程的方便性以及計(jì)算的準(zhǔn)確性，一般均是使用混編技術(shù)進(jìn)行封裝，常見的組合有：C（或C#或C++或Ja?va）+Matlab（或Python或Fortran）。

3 壓裂水平井?dāng)?shù)值模擬平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 油藏?cái)?shù)值模擬模型

目前油田礦場生產(chǎn)實(shí)踐和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，低滲儲層基質(zhì)滲流不符合經(jīng)典的達(dá)西定律，存在較強(qiáng)的非線性滲流現(xiàn)象?？紤]到這種非線性滲流現(xiàn)象的影響，本系統(tǒng)開發(fā)采用了一種新型的油藏模型［1］，它針對低滲、致密儲層的滲流規(guī)律，同時考慮分段壓裂水平井基質(zhì)中的非線性流動、裂縫中的達(dá)西流動、水平井井筒內(nèi)的水力壓降流動，是一種經(jīng)由實(shí)踐檢驗(yàn)準(zhǔn)確率非常高的計(jì)算模型。

3.2 系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)

1）前處理系統(tǒng)。該模塊主要是進(jìn)行項(xiàng)目文件管理、參數(shù)數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)格劃分。用戶在前處理系統(tǒng)中可以對井的數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪改查，可以對各種數(shù)據(jù)格式的文件進(jìn)行格式統(tǒng)一。現(xiàn)今各種數(shù)據(jù)格式（如Simbest數(shù)據(jù)、Vip數(shù)據(jù)等等）繁雜，基于這種現(xiàn)狀，本系統(tǒng)在解決數(shù)據(jù)兼容性問題時選擇將各種數(shù)據(jù)類型通過函數(shù)轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的矩陣格式以便核心計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算。此外，本系統(tǒng)還支持從EXCEL、TXT文檔中讀取已經(jīng)編輯好格式的數(shù)據(jù)，還集成了對數(shù)據(jù)單位格式統(tǒng)一的功能。

2）產(chǎn)能計(jì)算。主要根據(jù)前處理模塊得到數(shù)據(jù)通過核心計(jì)算組件來計(jì)算出各水平井各裂縫在不同時間不同條件下的產(chǎn)量。

3）參數(shù)優(yōu)化。該系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并且應(yīng)用核心算法進(jìn)行計(jì)算可以對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以得到最高產(chǎn)量，降低產(chǎn)油成本，對實(shí)踐有巨大指導(dǎo)意義。

4）圖形顯示及動畫模擬。該系統(tǒng)在使用時為了方便用戶更直觀地分析油藏和油井，對油藏實(shí)現(xiàn)了2D、3D模型可視化，對水平井實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)能變化動態(tài)展示、壓力及壓力梯度場動態(tài)展示、壓力等值線等多種功能。

圖1 軟件架構(gòu)

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，即Client/Server（客戶機(jī)/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)［2～3］，主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及軟件系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)庫采用微軟公司的SQL Server 2008平臺，它是一種廣泛使用的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲和管理能力。

油藏?cái)?shù)據(jù)庫的關(guān)系模式如下。

1）油藏表：保存油藏名稱、油藏編號、包含水平井?dāng)?shù)、開始日期、結(jié)束日期、創(chuàng)建人員等，其中油藏編號是主鍵；

2）油井表：保存基本信息如：油井名稱、油井編號、坐標(biāo)、類型、描述、裂縫條數(shù)、所屬油藏名稱等，其中油井編號為主鍵；

3）公共參數(shù)表：保存每一口井的孔隙度、初始滲透率、地層原始壓力、油層厚度、原油粘度、原油密度等，其中油井編號為主鍵；

4）裂縫參數(shù)表：保存每條裂縫的裂縫半長，裂縫寬度、裂縫間距、滲透率以及裂縫的坐標(biāo)信息。

5）用戶表：保存用戶ID、登錄名、密碼、第二密碼、權(quán)限。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

由于各種數(shù)據(jù)格式文件繁多，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換功能。其主要思想是對不同的關(guān)鍵字分別進(jìn)行處理，這其中又涉及到文件中關(guān)鍵字的順序、數(shù)據(jù)單位的變換、數(shù)組的排列與重新組合、默認(rèn)項(xiàng)的重新設(shè)置等復(fù)雜因素的影響。由于從Txt和Excel中提取數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)較為簡單，本文以VIP格式轉(zhuǎn)換為例，其工作主要流程如下：1）打開一個VIP格式文件。2）逐行讀取數(shù)據(jù)，如若為空行或者注釋行則跳過讀取下一行，若為文件尾則結(jié)束。3）如若該行中包含有關(guān)鍵字，則對關(guān)鍵字進(jìn)行提取，并且進(jìn)行關(guān)鍵字?jǐn)?shù)據(jù)字典的查詢。根據(jù)查詢結(jié)果判定數(shù)據(jù)行是否可以進(jìn)行處理，如果可以處理，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)處理功能模塊；如若不能處理，則跳過該關(guān)鍵字并且記錄入日志，進(jìn)入下一行處理。

在數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套數(shù)據(jù)字典，并且設(shè)計(jì)了關(guān)鍵字類對關(guān)鍵字進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝。VIP格式轉(zhuǎn)換的主要工作是在VIPParsing類中實(shí)現(xiàn)的，其主要操作如下：

void Vip_processing（）；//打開VIP格式文件，進(jìn)行掃描提取關(guān)鍵字

Keyword Kd_search（const Csting&）；//查詢關(guān)鍵字?jǐn)?shù)據(jù)字典，返回一個關(guān)鍵字對象

void Parsingsting（const Csting&，int）；//將一個字符串行轉(zhuǎn)換為一個字符串?dāng)?shù)組

……

4.2 核心計(jì)算

油藏模擬計(jì)算模型一般較為復(fù)雜，其中包含較多且復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算（如隱式積分、偏微分方程組等），用java、c++、c#這種常用開發(fā)語言較難實(shí)現(xiàn)并且計(jì)算速度較為緩慢，因此本系統(tǒng)的核心計(jì)算模塊采用Matlab語言編寫，將之打包成dll庫混編入程序，更高效地在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了油藏?cái)?shù)值模型。

4.2.1 Matlab計(jì)算組件

Matlab是matrix&laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實(shí)驗(yàn)室）。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。本系統(tǒng)的核心計(jì)算就是基于Matlab編寫的，以其中一個多裂縫壓力干擾函數(shù)為例：

function f=F（x，y，i，j，t，fai，ct，h，k0，miu）

yitay=k0/（fai*miu*ct/86.4）；

yitax=yitay；

g=@（deta）（（1。/（4*x（i）*sqrt（pi*yitay。*（t-deta））））.*exp（（-（y（j）-y（i））^2./（4*yitay*（t-de?ta））））.*（erf（x（i）./（2*sqrt（yitax*（t-deta））））））；

f=（quadl（@（beta）g（beta），0，1））/（fai*ct*h）；//對一個時間步隱式積分

系統(tǒng)的產(chǎn)能計(jì)算、壓力及壓力梯度計(jì)算、參數(shù)優(yōu)化等功能均是建立在Matlab計(jì)算組件上，通過復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型［1］設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。

4.2.2 Matlab與.Net混編

Matlab擁有一些.Net平臺所沒有的強(qiáng)大的科學(xué)函數(shù)庫，并且可以直接提供給.net使用，將Matlab與.net混編可以提高生產(chǎn)力，提高開發(fā)效率和增加代碼的復(fù)用率。Matlab與.Net混編的步驟主要如下。

1）在Matlab中編寫好M函數(shù)；

2）輸入deploytool命令，選擇.Net Assembly，編譯為dll文件；

3）在開發(fā)項(xiàng)目中添加生成的dll文件引用，進(jìn)行調(diào)用操作。

4.2.3 多線程技術(shù)

線程是指進(jìn)程中的一條執(zhí)行路徑（控制流），它包含獨(dú)立的堆棧和CPU寄存器狀態(tài)，每個進(jìn)程內(nèi)允許包含多個并行執(zhí)行的路徑，這就是多線程［4～5］。多線程技術(shù)可以很好地提升軟件計(jì)算速度與效率，使軟件在處理大型數(shù)據(jù)時擁有更快地速度。示例代碼如下：

Thread th=new Thread（new ThreadStart（On?GuoTeng））； /*新建線程*/

th.Start（）；//開始線程

th.IsBackground=true；//設(shè)置為后臺線程

th1.Abort（）；//終止線程

/*自定義函數(shù)*/

public void Compute（）

｛

while（true）

｛/*詳細(xì)代碼*｝

｝

4.3 繪圖及動畫技術(shù)

系統(tǒng)在可視化展示模塊中對于各類統(tǒng)計(jì)圖使用了.Net平臺下的最常用的開源控件ZedGraph，ZedGraph有很多優(yōu)點(diǎn)：它可以動態(tài)生成，不用保存文件，可以減少IO的讀寫消耗，能快速簡潔地實(shí)現(xiàn)多種二維統(tǒng)計(jì)圖。在畫各類統(tǒng)計(jì)圖時只需調(diào)用Zedgraph函數(shù)，傳遞參數(shù)設(shè)置必要的屬性即可快速畫出各類統(tǒng)計(jì)圖。

系統(tǒng)在繪制油藏2D、3D模型及水平井壓力圖、水平井壓力梯度等各種圖時采用了GDI+繪圖技術(shù)，通過自定義函數(shù)繪制出所需圖片再經(jīng)由Pic?turebox控件進(jìn)行展示，由于系統(tǒng)的自定義畫圖函數(shù)較為復(fù)雜，本文不展示具體代碼。

動畫展示指定時間段內(nèi)的壓力變化時，僅需調(diào)用System.Windows.Forms.Timer控件，在Timer_Tick事件中切換圖片即可實(shí)現(xiàn)動畫效果。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

系統(tǒng)采用Visual Studio 2010集成開發(fā)環(huán)境，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器則采用SQL Server 2008關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)架構(gòu)采用C/S結(jié)構(gòu)。圖2～圖4分別為公共參數(shù)界面、產(chǎn)能計(jì)算和水平井壓力圖界面。

圖2 水平井公共參數(shù)模塊圖

圖3 水平井產(chǎn)能計(jì)算模塊圖

圖4 水平井壓力場模擬模塊圖

6 結(jié)語

本文針對低品味油藏?cái)?shù)值模擬軟件較少的問題，基于低滲油藏的特點(diǎn)，采用了多線程技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了低滲油藏壓裂水平井?dāng)?shù)值模擬系統(tǒng)，在理論研究和指導(dǎo)實(shí)踐生產(chǎn)中有廣闊的應(yīng)用前景和一定的研究價值。