Введение к работе
Актуальность темы. В современном мире с учетом уменьшения запасов углеводородов ключевым пунктом при разработке месторождений становится как можно более точное описание гидродинамических процессов, происходящих в пористых пластах. Сведения об этих процессах принято получать с помощью компьютерного моделирования. Поскольку нефти и газы представляют собой природные многокомпонентные системы, состоящие преимущественно из углеводородных соединений, все более востребованными становятся многокомпонентные модели.
Традиционно считается, что в залежах могут присутствовать три основные фазы пластовой жидкости: нефть, газ и вода. Такое представление обусловлено теми соображениями, что все три фазы могут присутствовать в пласте изначально или же вода/газ нагнетаются в нефтяной пласт с целью вытеснения содержащейся в нем нефти. Поэтому при моделировании пластового течения его необходимо рассматривать как трехфазное.
Структуры месторождений часто представляют собой сложную систему трещин (с высокой проницаемостью и малой пористостью) и пористых блоков (с низкой проницаемостью и большой пористостью). Такие пласты получили название трещиновато-пористых пластов. Свойства скелета залежи также необходимо учитывать при моделировании пластового течения.
Компьютерное моделирование направлено на то, чтобы объединить термодинамические расчеты состояния системы с гидродинамическими и при этом учесть свойства породы рассматриваемого пласта. Такой подход эффективен для решения реальных задач,- возникающих при разработке месторождений, в частности, для решения задачи трехфазной фильтрации в трещиновато-пористом пласте.
Существующие в настоящее время компьютерные модели физических процессов, протекающих в пласте, охватывают почти все практически важ-
ные случаи. Такие модели реализованы в виде большого числа коммерческих программ, которые используются при проектировании разработки месторождений. Однако для случаев сильно неоднородных пластов, моделирование которых выполняется с использованием большого числа ячеек (порядка 106), время счета даже на современных вычислительных машинах может составлять сутки и более. Иногда такие временные затраты оказываются недопустимыми, и проблема уменьшения времени расчетов выдвигается на передний план.
При компьютерном моделировании важно исследовать общие закономерности и основные особенности процессов пластового течения. Это позволит изменить и дополнить общепринятые модели таким образом, чтобы сократить время расчетов без значительной потери точности.
Актуальность задачи компьютерного моделирования процессов повышения нефтеотдачи определила выбор цели диссертационной работы.
Целью диссертационной работы является разработка и программная реализация методик моделирования трехфазных течений в нефтяных пластах с помощью линий тока для задач многокомпонентной фильтрации с учетом свойств фазовых диаграмм и для задач фильтрации в трещиновато-пористых пластах.
В качестве объекта исследования при моделировании рассматривается процесс вытеснения нефти из пористого пласта путем нагнетания газа или воды. В одних случаях массообмен между нефтью и газом, представляющими собой смесь углеводородных компонент, учитывается, в других (например, в процессе фильтрации в трещиновато-пористых пластах) - не учитывается, и тогда говорят о моделях нелетучей нефти.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:
формулирование общей задачи моделирования трехфазного многокомпонентного течения в трещиновато-пористом пласте и выделение двух
частных задач;
преобразование трехмерной модели трехфазного многокомпонентного течения в пористом пласте в модель с использованием линий тока (постановка задачи 1);
преобразование трехмерной модели трехфазного течения в трещиновато-пористом пласте в модель с использованием линий тока (постановка задачи 2);
разработка методик решения задачи 1 и задачи 2;
разработка программного модуля для решения этих задач на основе предложенных методик и включение его в коммерческий пакет FrontSim (Schlumberger);
численное исследование предложенных моделей и методик на тестовых примерах.
Методы исследования. При решении указанных задач использовались: элементы теории механики сплошных сред (уравнения сохранения массы, основы подземной гидродинамики); методы математической физики; элементы теории разностных схем; методы объектно-ориентированной разработки программных средств; методы системного программирования.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработана методика моделирования с применением развиваемого в настоящее время подхода к использованию аппроксимации .границы двухфазной области на фазовой диаграмме при решении гидродинамических задач;
разработана методика моделирования многофазных многокомпонентных течений в пористых пластах с использованием комбинации линий тока и альтернативного описания фазового равновесия;
разработана методика моделирования, в которой комбинируется использование линий тока и модели двойной пористости для трехфазной фильтрации в трещиновато-пористых пластах;
разработан программный комплекс для решения указанных задач с использованием предложенной методики.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Использование аппроксимации границы двухфазной области на фазовой диаграмме в решении задачи композиционного моделирования с учетом сжимаемости.
-
Модель и методика решения задач трехфазного многокомпонентного течения в пористом пласте с использованием линий тока.
-
Модель и методика решения задач трехфазного течения в трещиновато-пористом пласте с использованием линий тока.
-
Программная реализация методик решения вышеуказанных задач трехфазной фильтрации.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
представленные методики ориентированы на применение их при разработке нефтяных месторождений, когда стоит вопрос о повышении нефтеотдачи с помощью закачки воды или газа, в том числе если газ представляет собой многокомпонентную смесь;
создан программный продукт для моделирования сжимаемых и несжимаемых двух- и трехфазных течений в трещиновато-пористых пластах - модуль, включенный в коммерческий пакет FYontSim (Schlumberger), реализующий моделирование пластовых течений с помощью линий тока;
создан программный продукт для моделирования сжимаемых трехфазных многокомпонентных течений в пористых пластах - модуль, предназначенный для включения в коммерческий пакет FrontSim (Schlumberger).
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях: АТСЕ (San Antonio, USA, 2006), ECMOR X (The Netherlands, Amsterdam, 2006), Научной конферен-ции аспирантов, молодых преподавателей и сотрудников вузов и научных организаций (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, Москва, 2004), Научно-технической конференции и выставке (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, Москва, 2007). Они обсуждались на научных семинарах лабораторий механики сложных жидкостей и физической газовой динамики (ИПМех РАН, Москва), кафедры прикладной математики и компьютерного моделирования Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина (Москва), а также в различных научных и технологических центрах Schlumberger (Москва, Кэмбридж, Ставангер). На основе результатов, полученных в диссертационной работе, в рамках контракта с компанией "Schlumberger Moscow Research" был создан и успешно внедрен дополнительный модуль к программе FrontSim.
Публикация результатов работы. По материалам диссертации опубликовано 7 работ.
Проводимые исследования поддерживались грантами Американского Фонда Гражданских Исследований и Разработок RGO-1389-MO-03 на проект "Альтернативный подход к композиционному моделированию" (2003-2004) и RUM1-1566-MO-05 "Совершенствование модели поведения нефтегазового коллектора с использованием методики линий тока (Альтстрим)" (2005-2007).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и одного приложения. Основ-
ная часть работы изложена на 112 страницах текста, содержит 2 таблицы и 39 рисунков. Список литературы содержит 100 наименований.
