专利名称：用于多孔介质中的多相流的多尺度方法
技术领域：
本发明一般涉及用于表征地下地层的模拟器，更具体地，涉及使用多尺度方法模拟地下地层内的流体流动的模拟器。
背景技术：
当前的储层模拟器受可用于经常由数百万个网格单元组成的很大的精细尺度 (fine-scale)储层模型的细节的水平拖累。储层模拟的质量非常依赖于储层特性，即孔隙率和渗透率的空间分布。地下地层的渗透率通常呈现出高度可变性和跨越大范围长度尺度的空间异构的复杂结构。因此，开发储层模拟器的大量努力致力于更好地表征储层特性以及为高分辨率模型开发出有效的数值算法。采用多尺度算法的模拟方法在有效模拟具有高度异构介质的地下储层的高分辨率模型方面表现出大有前途。储层模拟中的多尺度手段通常被设计成以诸如孔隙尺度( IOym)到地质尺度(I-IOOkm)的两种尺度设计有效数值算法。例如，建议的一种多尺度方法包括用于模拟异构域中的流动和输运(transport)这两者的嵌套二重网格手段。嵌套网格被应用于沿着流线构建精细尺度流场和求解饱和度方程。一般说来，多尺度方法可以分类成多尺度有限元(MSFE)方法 、混合多尺度有限元(MMSFE)方法、和多尺度有限体积 (MSFV)方法。用于多孔介质中的流动的大多数多尺度手段被设计成从椭圆压强方程中推导出粗尺度(coarse-scale)压强方程，并经由基函数重构精细尺度压强场。然后直接或迭代地从精细尺度下的双曲线(或抛物线)输运方程中解出饱和度。输运方程的粗化 (coarsening)比椭圆压强方程的粗化更具挑战性得多。输运方程的双曲线性质要求强烈依赖于在具有特定基础异构渗透率分布(underlying heterogeneous permeability distribution)的粗尺度网格中的饱和度发展历史的饱和度延拓(prolongation)和限制 (restriction)运算。尤其，由于渗透率的相关长度往往比粗尺度网格尺寸大得多，所以可以以系统变量和/或特征参数的函数形式设计饱和度的通用延拓和限制算子的可能性较小。作为精细网格模拟的可替代计算方法，人们提出了许多手段，但是，这些方法通常会产生较大误差，或被证明只比完全精细尺度网格模拟略微便宜些。需要一种可以用于模拟很大的精细尺度储层模型的更有效的多尺度数值算法。在理想情况下，该方法允许将一种尺度中的物理现象精确内插或外插到一种不同尺度，使得精细尺度的效果被正确地捕捉到粗尺度网格上。
发明内容
按照本发明的一个方面，公开了用在模拟地下储层中的流体流动中的多尺度方法。所述方法包括为地下储层提供模拟模型，所述模拟模型包括定义多个精细尺度单元的精细尺度网格、和定义多个作为所述精细尺度单元的聚集体的粗尺度单元的粗尺度网格。响应于预定饱和特性定义与每个粗尺度单元相对应的饱和区。汇集所述饱和区以获取精细尺度饱和度分布，并响应于所述精细 尺度饱和度分布输出视觉显示。所述饱和特性可以包括通过小于预定数量的注入流体达到饱和，具有小于预定数量的饱和度变化，或具有小于预定数量的注入流体总速度变化。一种类型的饱和区包含通过小于第一预定数量的注入流体达到饱和的粗尺度单元。为这个饱和区确定精细尺度饱和度可以包括将精细尺度饱和度指定成零值。另一种类型的饱和区包含通过至少第一预定数量达到饱和、具有至少第二预定数量的饱和度变化、并且具有至少为第三预定数量的总速度变化的粗尺度单元。为这个饱和区确定精细尺度饱和度可以包括使用施瓦兹重叠(Schwarz-Overlap)方法计算精细尺度饱和度。另一种类型的饱和区包含通过至少第一预定数量达到饱和、具有小于第二预定数量的饱和度变化、并且具有小于第三预定数量的总速度变化的粗尺度单元。为这个饱和区确定精细尺度饱和度可以包括使用响应于精细尺度单元中的注入流体的相对饱和度变化而选择的延拓算子。所述延拓算子可以对局部速度场进行内插，并响应于局部速度场计算精细尺度饱和度，或从粗尺度饱和度内插精细尺度饱和度。本发明的另一个方面包括用在模拟地下储层中的流体流动中的多尺度方法。所述方法包括为地下储层提供模拟模型，所述模拟模型具有定义多个精细尺度单元的精细尺度网格、和定义多个作为所述精细尺度单元的聚集体的粗尺度单元的粗尺度网格。如果通过小于预定数量的注入流体使所述粗尺度单元达到饱和，则将精细尺度饱和度指定成零值。 如果所述注入流体通过至少预定数量使粗尺度单元达到饱和，则使用延拓算子确定精细尺度饱和度。汇集所述粗尺度单元以获取精细尺度饱和度分布，并响应于所述精细尺度饱和度分布输出视觉显示。所述延拓算子可以执行施瓦兹重叠延拓方法，内插局部速度场，并响应于局部速度场计算精细尺度饱和度，或从粗尺度饱和度内插精细尺度饱和度。所述延拓算子可以根据粗尺度单元中的饱和度变化、总速度变化、相对饱和度变化、或它们的组合来确定。本发明的另一个方面包括用在模拟地下储层中的流体流动中的多尺度方法。所述方法包括为地下储层提供模拟模型，所述模拟模型具有定义多个精细尺度单元的精细尺度网格、和定义多个作为所述精细尺度单元的聚集体的粗尺度单元的粗尺度网格。将通过小于第一预定数量的注入流体达到饱和的粗尺度单元的精细尺度饱和度指定成零值。对于通过至少为第一预定数量的注入流体达到饱和、具有至少为第二预定数量的饱和度变化、并且具有至少为第三预定数量的总速度变化的粗尺度单元，使用施瓦兹重叠方法计算精细尺度饱和度。对于通过至少第一预定数量的注入流体达到饱和、具有小于第二预定数量的饱和度变化、并且具有小于第三预定数量的总速度变化的粗尺度单元，使用延拓算子内插精细尺度饱和度。汇集饱和区以获取精细尺度饱和度分布。可以跨过一系列时间步长重复这个过程，以便模拟地下储层中的流体流动，并且可以响应于模拟流体流动输出视觉显示。所述延拓算子可以响应于精细尺度单元中的注入流体的相对饱和度变化来选择。 所述延拓算子可以内插局部速度场，并响应于局部速度场计算精细尺度饱和度，或从粗尺度饱和度内插精细尺度饱和度。
图1是代表根据本发明，划分成2D精细尺度网格(实线)，初级(primal)粗尺度网格(粗实线)、和二重(dual)粗尺度网格(虚线)的地下储层的区域的例图。图2是代表根据本发明，划分成具有九个相邻粗尺度单元(1-9)的初级粗尺度网格、和具有四个相邻二重粗尺度单元(A-D)的二重粗尺度网格的地下储层的区域的例图。图3是根据本发明的延拓和限制运算的示意图。图4是示出用在根据本发明的采用多尺度方法的储层模拟器中的步骤的流程图。图5是示出用在根据本发明的采用将粗尺度单元划分成三个饱和区的多尺度方法的储层模拟器中的步骤的流程图。图6是详细示出如何根据本发明，为饱和区构建精细尺度饱和度的流程图。图7A-C是示出参考解决方案(7A)、未使用输运计算自适应的原先多尺度有限体积解决方案(7B)、和根据本发明的使用自适应输运计算的多尺度手段解决方案(7C)的压强分布的比较的例图。图8A-C是示出参考解决方案(8A)、未使用输运计算自适应的原先多尺度有限体积解决方案(8B)、和根据本发明的使用自适应输运计算的多尺度手段解决方案(8C)的饱和度分布的比较的例图。图9A-C是示出根据本发明的自适应输运计算的自适应性质的例图。图10是示出根据本发明的生产过程中的累计采油和油分数(oil fraction)的比较的例图。图11是示出根据本发明的对数正态渗透率场的例图。图12A-C是示出参考解决方案(12A)、未使用输运计算自适应的原先多尺度有限体积解决方案(12B)、和根据本发明的使用自适应输运计算的多尺度手段解决方案(12C) 的压强分布的比较的例图。图13A-C是示出参考解决方案(13A)、未使用输运计算自适应的原先多尺度有限体积解决方案(13B)、和根据本发明的使用自适应输运计算的多尺度手段解决方案(13C) 的饱和度分布的比较的例图。图14A-C是示出根据本发明的自适应输运计算的自适应性质的例图。图15是示出根据本发明的生产过程中的累计采油和油分数的比较的例图。图16是示出根据本发明的渗透率场的例图。图17A-C是示出参考解决方案(17A)、未使用输运计算自适应的原先多尺度有限体积解决方案(17B)、和根据本发明的使用自适应输运计算的多尺度手段解决方案(17C) 的压强分布的比较的例图。图18A-C是示出参考解决方案(18A)、未使用输运计算自适应的原先多尺度有限体积解决方案(18B)、和根据本发明的使用自适应输运计算的多尺度手段解决方案(18C) 的饱和度分布的比较的例图。图19A-C是示出根据本发明的自适应输运计算的自适应性质的例图。图20是示出根据本发明的累计采油和油分数的比较的例图。
具体实施例方式本文所述的本发明的实施例一般涉及有效确定地下储层中的多相流引起的精细尺度饱和度、尤其是用在储层模拟器中的多尺度方法。如本文将更详细描述的，利用饱和度的输运方程的自适应粗尺度算子克服支配方程的双曲线特征，即，饱和度前沿与基础异构渗透率分布的复杂非线性相互作用。支配方程和离散化公式在体积Ω上，像地下地层中的油和水那样的异构域中的二相不可压缩流在数学上可以通过下式表示
权利要求
1.一种用于模拟地下储层中的流体流动的多尺度方法，所述方法包含(a)为地下储层提供模拟模型，所述模拟模型包括定义多个精细尺度单元的精细尺度网格、和定义多个作为所述精细尺度单元的聚集体的粗尺度单元的粗尺度网格；(b)定义与每个粗尺度单元相对应的饱和区，所述饱和区响应于预定饱和特性；(c)为每个饱和区确定精细尺度饱和度；(d)汇集所述饱和区以获取精细尺度饱和度分布；以及(e)响应于所述精细尺度饱和度分布输出视觉显示。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述预定饱和特性包括通过小于预定数量的注入流体达到饱和。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述预定饱和特性包括具有小于预定数量的注入流体饱和度变化。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述预定饱和特性包括具有小于预定数量的注入流体总速度变化。
5.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤(b)中定义的所述饱和区包括所述预定饱和特性包括通过小于预定数量的注入流体达到饱和的饱和区。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述为饱和区确定精细尺度饱和度由将精细尺度饱和度指定成零值组成。
7.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤(b)中定义的所述饱和区包括所述预定饱和特性包括通过至少第一预定数量的注入流体达到饱和、具有至少第二预定数量的注入流体饱和度变化、并且具有至少第三预定数量的注入流体总速度变化的饱和区。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述为饱和区确定精细尺度饱和度包含使用施瓦兹重叠方法计算精细尺度饱和度。
9.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤(b)中定义的所述饱和区包括所述预定饱和特性包括通过至少第一预定数量的注入流体达到饱和、具有小于第二预定数量的注入流体饱和度变化、并且具有小于第三预定数量的注入流体总速度变化的饱和区。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述为饱和区确定精细尺度饱和度包括使用响应于精细尺度单元中的注入流体的相对饱和度变化而选择的延拓算子。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述延拓算子内插局部速度场，并响应于所述局部速度场计算精细尺度饱和度。
12.如权利要求10所述的方法，其中，所述延拓算子从粗尺度饱和度内插精细尺度饱和度。
13.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(c)中为每个饱和区确定精细尺度饱和度包括将精细尺度饱和度指定成零值。
14.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(c)中为每个饱和区确定精细尺度饱和度包括使用延拓算子。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述延拓算子执行从由如下构成的组中选择的如下步骤之一(a)施瓦兹重叠延拓方法；(b)内插局部速度场并响应于所述局部速度场计算精细尺度饱和度；以及(c)从粗尺度饱和度内插精细尺度饱和度。
全文摘要
本发明公开了有效确定由地下储层中的多相流引起的精细尺度饱和度的多尺度方法。所述方法包括提供模拟模型，所述模拟模型包括定义多个精细尺度单元的精细尺度网格、和定义多个作为精细尺度单元的聚集体的粗尺度单元的粗尺度网格。响应于来自饱和度前沿的速度和/或饱和度变化将粗尺度单元划分成饱和区。为每个区域确定精细尺度饱和度，并汇集所述饱和区以获取精细尺度饱和度分布。可以响应于所述精细尺度饱和度分布输出视觉显示。
文档编号G06F17/50GK102165449SQ200980124124
公开日2011年8月24日 申请日期2009年5月14日 优先权日2008年5月16日
发明者H·A·切勒皮, 周辉, 祥·H·李 申请人:Prad研究与发展股份有限公司, 雪佛龙美国公司