Назад
451
водилась раздельно, т.е. при возвращении к базовому набору варьиро-
вался следующий параметр.
Что касается первого вида погрешностей, то здесь следует отме-
тить, что они являются наиболее весомыми и, к сожалению не устра-
нимыми посредством коррекции математического описания самой мо-
дели ГПП. Второй вид погрешностей, с точки зрения анализа качества
моделей ГПП, на
иболее интересен, так как посредством настройки
размеров ячеек и величины приращения времени можно настроить
модель на наиболее точное решение. На рис. 4.140 показаны примеры
зависимостей
()
(
)
(
)
И,V,t
δ
δ
δ
Δ
, где
V
относительный объем яче-
ек, равный отношению объема ячеек к объему пласта, Иинтервал
случайной вариации ФЭС в % от базовых величин.
Принятые базовые параметры модели: Δt
б
= 10 сут, V
б
= 60×45×2 м
3
,
б
V
=110
–5
, объем пласта 540 000 000 м
3
. Разумеется, вид функций на
рис. 4.140 будет отличаться для различных наборов базовых ФЭС, по-
ложения и режимов работы скважин (они не варьировались). Однако,
они отражают общий характер взаимосвязи результатов расчета с па-
раметрами и факторами модели. По-видимому, такого рода зависимо-
сти будут наблюдаться для большинства моделей ГПП, основанных на
конечно-разностном выр
ажении элементов пласта (в виде ячеек). В
частности, подобные зависимости наблюдаются и для предлагаемой
здесь модели ГПП.
Размеры ячеек для всех моделей, построенных на основании заме-
ны бесконечно-малых приращений конечными величинами, являются
основным источником погрешности, так как все допущения связаны
именно с тем, что размеры ячеек должны быть весьма малыми. Одна-
ко, при уменьшении размеров ячеек, во-первых, резко растет нагрузка
на ЭВМ (зависимость третьей степени), а во-вт
орых, необходимо, рез-
ко снижать параметр Δt, так как за большее время приток или отток из
ячейки может не обеспечиваться объемом ячейки и содержащихся в
ней флюидов. Например, если размеры ячейки составляют
100×100×1 м, то Δt при максимальном притоке/оттоке J=1000 кг/сут
можно принять порядка нескольких су
ток, а при размерах 10×10×1 м
Δt может быть не более 2–4 ч. Таким образом, размеры ячеек и прира-
щение времени являются связанными параметрами, а зависимость на-
грузки на ЭВМ от средних размеров ячеек по осям будет близка к
функции шестой степени (например
6
L
A
, где Lсредний размер
ячейки, а
Анекоторый коэффициент). Во избежание большой на-
452
грузки на ЭВМ в большинстве моделей используются различные
приемы (хитрости), скрывающие погрешности моделирования. К та-
ким приемам относятся:
разбиение базовых ячеек на более мелкие там, где происходит
интенсивный приток/отток (в основном, в районе скважин);
при обнаружении невозможности соблюдения материального
баланса при перетоках между ячейками приращение времени
делится до тех пор, пока материальный баланс (масса находя-
щихся в ячейке флюидов
Ф
i
M достаточна для обеспечения
полученного оттока) или закон сохранения энергии (деформа-
ция породы и компонентов соответствует положительной вели-
чине давления) может быть соблюден.
Первый прием достаточно эффективен и не приводит к серьезному
наращиванию погрешности при допустимом приращении времени.
Однако, вследствие измельчения ячеек в районе скважин требуется
соответствующее уменьшение приращения времени так, чтобы соблю-
дался мат
ериальный баланс, причем, с некоторым запасом (т.е. непре-
дельным истощением ячейки или расширением порового пространства
до
2
1
...
3
1
объема ячейки). Что же касается второго приема, то здесь
можно с уверенностью сказать о неприемлемости такого подхода. До-
пустим, ячейка i, в которой рассчитан суммарный приток воды
в
i
m =1000 кг/сут, имеет размеры V
i
=10×10×1 м, а приращение вре-
мени Δt =1 сут, тогда, очевидно, энергетический баланс не может быть
обеспечен: грубо говоря, такая масса
в
i
J =
в
i
m ⋅Δt в ячейку «не
влезет». Тогда согласно второму приему величина Δt будет умень-
шаться делением на некоторую постоянную (чаще всего пополам) до
тех пор, пока
в
i
J <BV (где Bнекоторый коэффициент). Выполнение
материального баланса может быть проверено для условий оттока из
ячейки:
Ф
i
J <
0
Ф
i
Ф
i
MM , где
0
Ф
i
M остаточные запасы компонента
Ф в ячейке i
. Естественно, что соблюдение данных условий будет при
максимально возможной величине Δt. Очевидно, что такой прием мо-
жет привести к существенным погрешностям вследствие того, что па-
раметр Δt, во-первых, адаптируется к ячейкам с наибольшим притоком
и оттоком, а во-вторых, обуславливает неравномерное приращение
453
времени при расчете неустановившегося потокораспределения в
пласте. Последенее делает потокораспределение между ячейками мо-
дели ГПП не равноценным по точности для различных отметок време-
ни. По мнению автора, параметр Δt должен устанавливаться до начала
расчета в зависимости от потенциальных перетоков между ячейками,
их объемов, сжимаемостей и пористостей для всей модели ГПП на
весь п
ериод расчетного времени. Это хотя бы позволит контролиро-
вать и управлять точностью расчета. Ниже этот вопрос будет рассмот-
рен более подробно.
Модель внутрипластовой фильтрации нефти и воды
для использования совместно с моделью технических
гидросистем поддержания пластового давления
Предлагаемая здесь модель ГПП представляет собой математико-
численную модель, реализованную в ПРК Hydra’Sym. Основной пред-
посылкой к описанию данной модели является известный в моделиро-
вании подход: структурное разделение гидросистемы продуктивных и
заводняемых пластов на конечные элементы прямоугольной формы
ячейки. Визуально модель ГПП, состоящая из С пластов, каждый из
которых разбит по вертикали на Ls сл
оев, по горизонтали вдоль оси X
на nx, а вдоль оси Y на ny ячеек равных размеров, выглядит аналогично
рис. 4.141. Ячейки будем индексировать следующим образом: c=0..C–1
номер пласта, l=0..Ls–1 – номер слоя, k=0..ny–1 номер по оси Y,
j=0..nx–1 номер по оси X.
Как ви
дно из схемы на рис. 4.141, размеры ячеек в плоскости XY
одинаковы для всей модели:
nx
XX
L
minmax
X
=
,
ny
YY
L
minmax
Y
=
.
Размеры ячеек по вертикали неодинаковы вследствие изменения
толщины пласта и определяются из интерполирующих поверхностей
кровли и подошвы пласта с индексом c:
(4.250)
454
[]
[]
[] []
[]
[]
[] []
++++
+++
+++
++
+++++
++++
+++++
+++
=
)kLY,jLX(f
)kLY,jLX(f
)kLY,jLX(f
)kLY,jLX(f
)kLY,jLX(f
)kLY,jLX(f
)kLY,jLX(f
)kLY,jLX(f
Ls
L
XminXminп
XminXminп
XminXminп
XminXminп
XminXminк
XminXminк
XminXminк
XminXminк
j,k,l,c,Z
с
с
с
с
с
с
с
с
11
1
1
11
1
1
4
1
,
где
с
к
f
функция, интерполирующая абсолютные отметки кровли
пластаc;
с
п
f
функция, интерполирующая абсолютные отметки по-
дошвы пласта c.
Глобальный индекс ячейки определяется следующим образом:
j
k
nx
l
nxnyc
L
snxnyi
+
+
+
=
,
где
1..0
= CLsnynxi
.
Далее под индексом i будем полагать его расшифровку (4.252).
Структурная взаимосвязь ячеек определяется индексацией, т.е. ячейка
(c, l, k, j) структурно связана (т.е. возможен переток) с ячейками этого
же пласта (c, l, k, j+1), (c, l, k, j–1), (c, l, k+1, j), (c, l, k–1, j), (c, l+1, k, j),
(c, l–1, k, j). Если ячейка находится на верхней (c, l=0, k, j) или нижней
(c, l=Ls–1, k, j) границе пласта, то она также может быть связана с
ячейками смежного пласта сверху (если таковой есть) – (c–1, l=Ls–1,
k, j) или снизу – (c+1, l=0, k, j) (рис. 4.142).
Геометрическое положение ячеек по вер
тикали определяется вели-
чиной z
i
, соответствующей абсолютной отметке (высоте над уровнем
моря) центра ее фигуры, и определяется согласно интерполирующей
кровлю функции
с
к
f и длине ячейки по оси Z (высота ячейки):
[]
[]
[] []
j,k,l,c,Z
XminXminк
XminXminк
XminXminк
XminXminк
)j,k,l,c(i
Ll
)kLY,jLX(f
)kLY,jLX(f
)kLY,jLX(f
)kLY,jLX(f
z
с
с
с
с
+++++
++++
+++++
+++
=
2
1
11
1
1
4
1
.
(4.251)
(4.252)
455
Рис. 4.141. Визуальное представление модели ГПП, состоящей из трех пла-
стов, разбитых по вертикали на 4 слоя, по оси X на 4 ячеек, по оси Y на
3 ячейки
На рис. 4.141 (сверху) показаны ячейки, ассоциированные со сква-
жинами или окнами слияния, через которые осуществляется приток
или отток компонентов во внешнюю ГС. Для таких ячеек динамику
притока/оттока будем описывать зависимостями массового расхода от
времени:
()
tQ
в
i
для воды и
(
)
tQ
н
i
для нефти. Эти функции будут од-
ними из основных граничных условий.
Начальными условиями для времени t = 0 (до техногенного воздей-
ствия на ГПП) являются величины пластовых давлений в ячейках
i,t
p
0=
, абсолютные проницаемости в ячейках по координатным осям
456
)X(
i,t
k
0=
, ,k
)Y(
i,t 0=
)Z(
i,t
k
0=
, открытые пористости в ячейках
отк
i,t
m
0=
и на-
сыщенности компонентов в ячейках
i,t
в
н
0=
,
i,t
н
н
0=
. Данные факторы
определяются из интерполирующих функций, соответствующих опи-
сываемому параметру аналогично (4.251). Например, для определения
абсолютной проницаемости вдоль оси X пласта c слоя l в ячейке i:
[]
[]
[] []
+++++
++++
+++++
+++
=
=
)kLY,jLX(f
)kLY,jLX(f
)kLY,jLX(f
)kLY,jLX(f
Ls
k
XminXmink
XminXmink
XminXmink
XminXmink
)X(
)j,k,l,c(i,t
l
с
l
с
l
с
l
с
11
1
1
4
1
0
,
где
l
с
k
f
функция, интерполирующая абсолютную проницаемость
пласта c в слое l вдоль оси X. Обычно проницаемости по осям X и Y
принимаются одинаковыми.
Для описания динамики свойств ГПП в ячейках необходимо опи-
сать множество T точек времени, соответствующих последовательно-
му приращению Δt. Элементами множества будут точки времени [t
0
, t
1
,
t
2
,…,t
I
,…,t
Im
] такие, что
ttt
II
Δ
+
=
+1
,
где Iиндекс, соответствующий номеру расчета установившегося по-
токораспределения в течение времени Δt.
Для описания, установившегося в течение времени Δt потокорас-
пределения при известных на данный момент давлениях в ячейках не-
обходимо определить величины притоков/оттоков во всех ячейках.
Для этого согласно зависимостям
)p(
Si,Ф
i
Δ
ξ
следует определить вели-
чины массовых расходов компонентов истекающих (или притекаю-
щих) из ячейки. На рис. 4.142 отображена схема определения массо-
вых расходов в ячейке i(c,l,k,j) относительно прилегающих к ней ячеек.
Для вычисления массового расхода, истекающего с грани U по оси
S ячейки i компонента Ф, необходимо решить нелинейное уравнение
относительно неизвестного давле
ния на грани между ячейками
SiU
p
. Например, для фильтрации вдоль оси Х должно выполняться
равенство массовых расходов компонентов, истекающих из ячейки
(c,l,k,j) и притекающих в смежную ячейку (c,l,k,j+U):
(4.253)
(4.254)
457
(
)
()
,
zzg)p(
pp
zzg)p(
pp
j,k,l,cUj,k,l,cUj,k,l,cФ
Uj,k,l,cXiU
)Uj,k,l,c(X,Ф
Uj,k,l,c
Uj,k,l,cj,k,l,cj,k,l,cФ
XiUj,k,l,c
)j,k,l,c(X,Ф
j,k,l,c
+=
=
+
++
+
+
+
+
2
2
ρ
ξ
ρ
ξ
где
)j,k,l,c(X,Ф
j,k,l,c
ξ
замыкающее отношение: зависимость массового
расхода компонента Ф ячейки (c, l, k, j) при фильтрации вдоль
оси X;
)Uj,k,l,c(X,Ф
Uj,k,l,c
+
+
ξ
замыкающее отношение: зависимость массово-
го расхода компонента Ф смежной по грани U ячейки (c,l,k,j+U)
при фильтрации вдоль оси X;
Uинкремент, отражающий смещение индекса ячейки и может
принимать значения +1 и –1 в зависимости от рассматриваемой
по оси смежной ячейки (для оси Х слева –1, а справа +1).
Рис. 4.142. Пример определения массовых расходов компонента Ф
в ячейке i
(4.255)
458
Уравнение (4.255) можно решить численным методом Ньютона или
методом «хорд». Наиболее подходящим для решения (4.255) является
метод «адаптивной линеаризации» (см. раздел 4.4). Получив из реше-
ния (4.255) неизвестное давление на грани
XiU
p
, находим массовый
расход компонента через грань XiU
()
+=
+
2
Uj,k,l,cj,k,l,cj,k,l,cФ
XiUj,k,l,c
)j,k,l,c(X,Ф
j,k,l,c
Ф
XiU
zzg)p(
ppm
ρ
ξ
.
Особенно важно отметить следующее условие решения (4.255). Де-
ло в том, что характер насыщения смежных ячеек при определенных
условиях может быть таким, что величина относительной проницаемо-
сти по одному из компонентов равна нулю в одной ячейке, а в смеж-
ной с ней может быть отличной от нуля. В этом случае решение (4.255)
приводит не
известное давление
XiU
p к равному давлению в одной из
ячеек (например, если относительная проницаемость компонента Ф в
ячейке (c,l,k,l+U) равна нулю, то
j,k,l,cXiU
pp
=
), поэтому перед ре-
шением этого уравнения необходимо убедиться, что выполняются ус-
ловия:
0>Δ
+
+
)p(
Ф
Xк
)Uj,k,l,c(X,Ф
Uj,k,l,c
ξ
и
0>Δ )p(
Ф
Xк
)j,k,l,c(X,Ф
j,k,l,c
ξ
,
где
Ф
Xк
pΔ
некоторый минимальный перепад давления, при котором
возможна фильтрация компонента Ф вдоль оси Х, равный произведе-
нию градиента давления начала фильтрации на половину длины ячей-
ки вдоль оси S:
S
Ф
Sк
Ф
Sк
Ldpp
2
1
=Δ
.
В частности, величина
Ф
Sк
dp
в работе [182] названа начальным
градиентом давления.
Далее
Ф
Sк
dp будем называть градиентом сдвига
компонента. Таким образом, если условие фильтрации не выполняется
хотя бы в одной из смежных ячеек, то следует считать отсутствие пе-
ретока между ячейками, т.е. для примера (4.256)
Ф
XiU
m
= 0 для соот-
(4.256)
459
ветствующей граниU и смежных с этой гранью ячеек. Даже если
полагать присутствие компонента в обеих ячейках, то при текущем
перепаде давления по оси S , если
S
Ф
Sк
Ф
S
Ldpp
2
1
<Δ
, фильтрация про-
исходить не будет:
(
)
0=Δ
Ф
S
S,Ф
i
p
ξ
. Соблюдение такого условия необ-
ходимо также для учета реологических свойств компонентов [200].
Можно предусмотреть приближенный способ определения перето-
ка масс компонентов между ячейками, если течение соответствует ли-
нейному виду замыкающих отношений
)( p
Δ
ξ
: 1 – с учетом сложения
сопротивлений фильтрации по каждой из пары ячеек и компоненту
зависимая проводимость; 2 – без учета сложения сопротивлений
фильтрации по каждой ячейке
независимая проводимость. На рис.
4.142/1– а и б показана схема расчета массового перетока компонента
Ф.
Для зависимой проводимости, если
0
1
=
Ф
k
, то
=
кг
сПа
101
20
1
)Ф,S(
r
, и если
0
2
=
Ф
k
, то
=
кг
сПа
101
20
2
)Ф,S(
r
,
отсюда
0
1221
==
Ф
,S
Ф
,S
mm
. При этом, если не выполняются условия
выше, то сопротивления ячеек складываются при определении сум-
марного сопротивления, из которого и перепада давления определяет-
ся массовый расход между ячейками через соответствующую грань:
)Ф,S()Ф,S(
Ф
,S
Ф
,S
rr
PP
mm
21
21
1221
+
==
.
Для независимой проводимости выбор сопротивления зависит от
того, в какой из пары ячеек давление выше. Если
21
PP >
, то
)Ф,S(
Ф
,S
Ф
,S
r
PP
mm
1
21
1221
2
==
,
а если
21
PP <
, то
)Ф,S(
Ф
,S
Ф
,S
r
PP
mm
2
21
1221
2
==
.
Также, если
21
PP >
и
0
1
=
Ф
k
, то
0
1221
==
Ф
,S
Ф
,S
mm
и если
21
PP
<
и
0
2
=
Ф
k
, то
0
1221
==
Ф
,S
Ф
,S
mm
.
460
Для схемы на рис. 4.142/1 – а при нулевой фазовой проницаемости
любой из пары ячеек фильтрация считается нулевой, а для схемы на
рис. 4.142/1 – б фильтрация невозможна только тогда, когда в ячейке с
наибольшим давлением фазовая проницаемость равна нулю, при этом
проводимость половины второй ячейки считается равной проводимо-
сти половины первой.
Такие соп
особы определения перетока между ячейками подходят
для условия соблюдения линейного закона фильтрации.
Если
Ф
XiU
m
>0, то отток из ячейки (c,l,k,j) и приток в ячейку
(c,l,k,j+U). Аналогичным образом определяются расходы по осталь-
ным направлениям и граням рассматриваемой ячейки.
Так как модель ГПП ограничена по вертикали и горизонтали, то
при отсутствии смежной ячейки массовый расход не вычисляется для
соответствующих граней. Это касается ячеек границ пласта: j = nx–1,
k = ny–1
и l = Ls–1.
После определения всех массовых расходов, соответствующих те-
кущему потокораспределениюI, вычисляются давления через опи-
санные ранее функции изменения давления и открытой пористости
при притоке/оттоке из ячеек:
(
)
(
)
[
]
IIIIIII
t
н
it
в
itI
н
i
н
itI
в
i
в
itiitit
pMMtQJtQJpp ,,,,
,,,,,,
1
+++=
+
λ
;
S
P
1
P
2
)Ф,S(
r
1
)Ф,S(
r
2
)Ф,S()Ф,S(
rrr
)Ф,S(
21
+=
)Ф,S(
Ф
,S
Ф
,S
r
PP
mm
21
1221
==
S
P
1
P
2
)Ф,S(
r
1
)Ф,S(
r
2
)Ф,S()Ф,S(
rrrr
)Ф,S()Ф,S(
21
или , ==
)Ф,S(
Ф
,S
Ф
,S
r
PP
mm
2
21
1221
==
а) б)
Рис. 4.142/1. Схема приближенного расчета перетока между
ячейками i=1, i=2: азависимая проводимость; бнезависимая
проводимость
(4.257)