“油藏数值模拟”课程教学探讨

戚志林，黄小亮，雷登生

重庆科技学院 石油与天然气工程学院，重庆 401331

“油藏数值模拟”课程教学探讨

戚志林，黄小亮，雷登生

重庆科技学院 石油与天然气工程学院，重庆 401331

“油藏数值模拟”是一门综合性很强的课程。本文从“油藏数值模拟”课程的结构设置特点和该课程在现场应用的实际特点分析入手，提出了有助于改变该课程目前现状的教学方法和思路。

油藏数值模拟；课程结构；教学方法

数值模拟也叫计算机模拟。它以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。油藏数值模拟是数值模拟的一种，是用数值方法求解描述油藏中的多维多相多组分流动的数学模型，以研究油藏中渗流机理过程，为科学合理地开发油气田提供依据。

油藏数值模拟是一门综合性很强的科学技术，它涉及的知识领域很广，包括油田地质学、油层物理学、油藏工程学、采油工程学、数学、计算机系统和油藏数值模拟程序[1-2]。因此，要学好“油藏数值模拟”这门课程，需要多方面知识配合，要完成油藏模拟工作，则需要一个能熟练掌握上述领域且有丰富经验的油藏工程专家[3]。鉴于“油藏数值模拟”课程本身的特点和面向的教学对象缺乏工作经验的实际，如何使“油藏数值模拟”课程成为学生易于接受且能培养一定实际操作和判断能力，就成为教学的重点。

一、“油藏数值模拟”课程结构特点

考虑到“油藏数值模拟”课程的专业特性，在课程内容设置中，笔者充分考虑了理论与实际相结合的方式，设置中主要包括了以下特点:

1.油藏数值模拟以数学模型为基础

从20世纪50年代起，“油藏数值模拟”就开始应用数值方法求解油藏内复杂的渗流问题，目前仍然应用数学模型重现实际的油藏动态，通过流体力学的方法重现油田开发的实际过程。

2.模拟过程描述真实油气田的物理变化过程

在模拟过程中，它的基本原理是把生产或注入动态作为确定值，通过调整模型的不确定因素使计算的确定值(生产动态)与实际吻合。其数学模型，是通过一组方程组，在一定假设条件下，描述油藏真实的物理过程。它充分考虑了油藏构造形态、断层位置、油砂体分布、油藏孔隙度、渗透率、饱和度和流体PVT性质的变化等因素。这组流动方程组由运动方程、状态方程和连续方程所组成。

3.油藏数值模拟准备参数庞大

油藏数值模拟阶段准备的参数较多，主要有:

(1）油藏地质参数:产层构造图，油、气、水分布图，油层厚度、孔隙度、渗透率、原始含油饱和度的等值图等；

(2）流体物理性质参数:地面性质和地层状态下的物性数据，原始压力和地层温度数据，对凝析气田还需要相图和相平衡的资料；

(3）专项岩心分析资料:油水相渗透率曲线，油气相渗透率曲线，油层润湿性，吸入和排驱毛细管压力曲线；对碳酸盐岩孔隙裂缝双重介质储层，还需渗吸曲线；

(4）单井和分层分区的生产数据和有关测试资料；

(5）油田建设和经济分析的有关数据。

4.油藏数值模拟模拟过程复杂

在数值模拟过程中主要经过一下过程完成数值模拟:

(1）建立数学模型:依据所需研究的渗流问题，由达西定律和物质守恒方程和状态方程，有时还有能量守恒方程等组合起来,建立相应的偏微分方程组,加上相应的边界条件和初始条件，构成描述渗流过程的数学模型。

(2）建立差分方程:用数学方法求解偏微分方程式，首先必须把偏微分方程离散化成为代数方程组。油藏数值模拟中最常用的离散方法是差分法，也已开始研究有限元法，但尚未普遍应用。

(3）数值法求解:解代数方程组常用的方法有直接解法和各种迭代法，如超松弛法、强隐式法、交替方向迭代法等。在方程组内所要求解的未知量主要是相的压力及其饱和度。求得压力和饱和度后，即可算出其他所需的开发指标。通常所用的解法有三种方法:①隐式方法求压力，显式方法求饱和度；②联立求解隐式压力、隐式饱和度；③隐式压力和隐式饱和度的逐次求解法。还有各种处理非线性项的半隐式和全隐式方法，近年来还发展了在各结点上自动调整隐式程度和自动调整网格密度的各种自适应解法。

(4）计算程序设计:将所研究的问题和求解的方法，按照一定的算法语言编制计算机运算的步骤，成为计算机软件。

(5）运算和结果整理:按程序要求输入计算参数。经运算后可以得到分布在油藏内足够多的各结点上的数值解，用曲线或图表输出，经整理后即可用来解答所需求解的问题。近年来还发展了输出彩色图像的方法，能直观地用各种彩色来表示驱油过程。

5.油藏数值模拟功能强大

随着高速、大容量电子计算机的发展，油藏数值模拟方法日益广泛地应用于研究各种类型油藏的合理开发问题，包括:

(1）技术决策研究:油田开发中的重大技术决策可先在模型上研究其效果。

(2）进行敏感性分析:如注水时间的早晚、保持油藏压力的水平、产量的大小对最终采收率的影响等。

(3）开发方案编制和最优方案选择:包括最佳井网布置、层系划分、保持压力开采的必要性及其方法选择、开发指标的预测、经济效益等提供分析方法，并能定量地表达不同方案的效果。

(4）在众多的方案对比中，可选择出最优方案。

(5）动态预报和开发调整研究；

(6）对于已投入开发的油田，通过历史拟合预报油田动态，进行生产分析，研究剩余油饱和度分布状况，可以此确定加密井的井位、层系调整及效果预测等改善油田开发效果的方法。

(7）用于单井动态分析，如研究底水锥进等问题。

根据“油藏数值模拟”课程结构特点，采用原有的教学方法，已经不能适应教学的需求，加强教学环节的具体化，显得非常必要。

二、“油藏数值模拟”课程应用特点

油藏数值模拟技术其实就是一门仿真模拟技术应用于油藏实际开发中，对该门课程教学中也是对油藏工程更加理论与直观的表述，在以下几个方面拥有明显的特点:

(1）形象性:油藏数值模拟能创造一个与实际近乎相同的特性环境。

(2）交互性:油藏数值模拟过程中，学生与研究对象能进行交互，可以大大激发学生学习兴趣。同时学生与模拟对象之间可以有多维信息交互作用，学生从定性和定量综合集成的虚拟环境中，可以获得对研究对象的感性和理性的认识。

(3）全面性:油藏数值模拟软件可充分考虑实际环境中的各种因素,避免由于特定条件而导致的操作结果的单一取向。

(4）安全性:油藏数值模拟在观察与操练上有绝对的安全性。不会因有错误操作而造成损失。

(5）节约性、高效性:为了减少盲目性，使用油藏数值模拟技术来做严密的科学计算，用数学模型原理再现油藏地下真实动态，可以反复多次开发，求得合理开发油田定性的半定量的解，这样时间短花钱少。无论是新手还是行家,每个人都能更快、更好、低耗地学习油藏开发。

上述特点都能使学生对“油藏数值模拟”课程有更加清晰和直观的认识，对油藏的开发有了更深入的了解，增加了自身的专业素养。

三、“油藏数值模拟”课程的教学方法和思路

“油藏数值模拟”课程具有包含知识量大、应用性强的特点，为有效开发油气田提供了重要的工具。要让学生学好油藏数值模拟课程，需从以下几方面着手。

1.加强基础课程的学习

油藏数值模拟是一门综合性很强的科学技术，它涉及的知识领域很广，首先需要学生对包含的基础课程进行系统学习，包括数学、计算机系统和计算机语言等。

2.加强专业课程的学习

油藏数值模拟是专业性很强的学科，对专业方面的课也有较高的要求。因此，学生还得加强专业基础课的学习，包括:“油田地质学”、“油层物理学”、“油藏工程学”、“采油工程学”、“油藏数值模拟程序等”。

3.教学中理论与软件教学相结合

油藏数值模拟技术其实就是将仿真模拟技术应用于油藏实际开发中，是通过数值模拟软件CMG、Eclipse等将油气田真实情况反应在计算机上面。为了能更好地对油藏进行整理和调整，通过理论学习知道影响油气田开发指标的因素，能合理的调节相关参数，达到最佳效果。同时须以软件作为桥梁，将油气田直观的展现在学生面前，能有一个定性与定量的认识，让学生获得对研究对象的感性和理性的认识。

4.建立油藏数值模拟实验室

在教学中，如果教师只是以软件作为演示对象，学生只会很枯燥、无所收获的浏览而过，不能建立自身的认知印象。鉴于此，建立数值模拟实验室刻不容缓，购置相关的教学软件，让学生能亲自动手，亲自掌握相关的数据和操作方法。最终能制订出相关的油气田开发方案，培养学生的成就感，加深对课程的理解程度。

5.建立长期学习机制

相当一部分学生在学习完一门课程以后，就将该课程扔在一边再也不去学习，针对有兴趣的同学应该建立一个长期学习的机制和给这部分学生能深入继续学习的机会，主要可以在以下几方面做一些工作:(1）成立油藏数值模拟学习团队，增强相互带动性；(2）教师利用现场课题设立相关课题指导学生进行油气田实际开发方案设计；(3）在本科毕业设计中加入相关数值模拟的内容。

通过多方面知识的融会贯通，“油藏数值模拟”课程将改变教师不好教、授课比较费劲、学生不好学、学习积极性不大的现状。 随着油藏数值模拟学科不断地发展，新的教学方法和理念将不断地涌现，课堂教学内容和形式将不断地改进和提高。要培养高素质油藏数值模拟人才适应油气田开发的需要，必须促使教学工作者积极吸收新知识，大胆尝试新的教学形式，加强科学研究，提高自身业务素质和文化、思想修养，以适应油气田开发的需要，提高教学效果。

[1] 刘鹏程.采取多种教学措施提高“油藏数值模拟”课程的教学效果[J].中国地质教育，2009，(3):114-116.

[2] 冯其红.油藏工程教学中启发式教学方法的探索与实践[J].中国石油大学胜利学院学报，2007，(6):55-58.

[3] 张烈辉.油气藏数值模拟基本原理[M].北京:石油工业出版社，2005.

On the Teaching of Numerical Reservoir Simulation

QI Zhi-lin, HUANG Xiao-liang, LEI Deng-sheng
ChongQing University of Science and Technology, ChongQing 401331, China

The numerical reservoir simulation is a very complex subject.This paper researched numerical simulation of reservoir characteristics about structure of curriculum, analyzed the actual application characteristics of the course in the field, and ultimately proposed useful teaching methods and ideas to change the current status of the course.

numerical reservoir simulation; curriculum structure; teaching methods

G642

A

1006-9372 (2011）02-0090-03

2011-01-19。

戚志林，男，副教授，主要从事油气田开发及数值模拟研究和教学工作。