CN101778997A - 用于执行油田仿真操作的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于执行油田的气体操作的方法，所述油田具有其中包含至少一个储层的地层。所述方法的步骤包括：使用多领域仿真器，通过耦合所述地层的静态模型、所述地层的动态模型和井模型来对所述油田的气体操作进行建模，其中，所述多领域仿真器包括所述静态模型、所述动态模型和所述井模型；基于所述建模来为所述气体操作定义开发规划；并且根据所述开发规划来执行气体注入。

Description

用于执行油田仿真操作的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于执行与在其中具有储层的地层有关的油田操作的技术。更具体的，本发明涉及用于执行油田操作的技术，包括对在地层中的储层、盖岩、覆盖层及其它地质结构以及它们对这些油田操作的影响的分析。

背景技术

通常执行诸如勘测、钻井、绳索测试、完井、仿真、规划制定和油田分析之类的油田操作，以定位并收集有价值的井下流体。在图1A-1D中示出了油田及其相关操作的各个方面。如图1A中所示，常常使用诸如地震扫描仪之类的多种采集方法来进行勘测，以产生地下结构的地图。常常分析这些结构，以确定诸如有价值的流体或矿物的地下资源的存在。使用这个信息来评价地下结构，并定位包含希望获得的地下资源的地层。可以评估并分析借助这些采集方法收集的数据以确定这些有价值的物质是否存在，以及它们是否可以被合理地获得。

如图1B-1D所示，可以沿着地下结构设置一个或多个井点，以便从地下储层收集有价值的流体。为井点配置能够定位地下储层并从其中取出碳氢化合物的工具。如图1B所示，通常使钻井工具从石油钻塔沿着给定路径进入地下，以定位有价值的井下流体。在该钻井操作期间，钻井工具可以执行井下测量，以调查井下状况。如图1C所示，在一些情况下，移去钻井工具，并将绳索工具部署在井眼中以执行另外的井下测试。

在完成了钻井操作后，就可以使该井准备好进行仿真。如图1D所示，将井眼完井设备部署在井眼中，以便完成该井从而准备好对经由此处的流体进行仿真。随后从井下储层中将流体抽取到井眼中并流到地面上。将仿真设备设置在地面位置处，以便从井点收集碳氢化合物。从地下储层中抽取的流体经由诸如管道之类的输送机构流到仿真设备。可以在油田附近设置各种设备以监测油田参数和/或操控油田操作。

在油田操作过程中，通常，为了对油田操作进行分析和/或监测而收集数据。例如，这些数据包括地层数据、设备数据、历史数据和/或其它数据。使用各种源来收集与地层有关的数据。这些地层数据可以是静态的或动态的。例如，静态数据与定义了该地层的地质结构的地层结构和地质地层构成相关。例如，动态数据与随时间进展而流经该地层的地质结构的流体有关。可以收集这些静态和/或动态数据，以获得与地层及包含于其中的有价值资源有关的更多知识。

用于收集静态数据的源可以是地震工具，例如，地震卡车，其发送压力波进入地下，如图1A所示。测量这些波，以表征在不同深度处的地质结构的密度变化。这个信息可以用于产生地层的基本结构图。可以用钻心采样和测井技术来收集其它静态测量值。如图1B所示，钻心采样可以用于得到在不同深度处的地层的物理样本。测井通常包括将井下工具部署到井眼中，以收集在不同深度处的各种井下测量值，例如，密度、抵抗力等。例如，可以用图1B的钻井工具和/或图1C的绳索工具来执行这种测井。一旦形成并完成了井，如图1D所示，就用仿真管道使流体流到地面。由于流体流到地面，因此可以监测诸如流体流速、压力和成分之类的各种动态测量值。这些参数可以用于确定地层的各种特性。

可以将传感器设置在油田附近，用以收集与各种油田操作有关的数据。例如，在钻井设备中的传感器可以监测钻井状况，在井眼中的传感器可以监测流体成分，沿着流动路径设置的传感器可以监测流速，在处理设备处的传感器可以监测所收集的流体。可以提供其它传感器用以监测井下状况、地面状况、设备状况或其它状况。监测数据常常用于在不同时间在油田的不同位置做出决定。还可以进一步分析并处理由这些传感器收集的数据。可以收集数据，并用于当前或将来的操作。当这些数据被用于在相同位置或其它位置处的将来的操作时，有时可以将其称为历史数据。

经处理的数据可以用于预测井下状况，并做出与油田操作有关的决定。这些决定可以包括油井规划制定、油井目标设定、油井完成、操作等级、仿真速度及其它操作和/或状况。这个信息常常用于确定何时钻新的井、重新完成现有的井、或改变井眼仿真。

可以分析来自一个或多个井眼的数据，以规划或预测在给定井眼处的各种产出。在一些情况下，来自相邻井眼或者具有类似状况或设备的井眼的数据可以用于预测一个井会进行得如何。在分析油田操作时经常要考虑大量的变量和大量的数据。因此，对油田操作的行为进行建模来确定预期操作过程常常是有用的。在正在进行的操作期间，需要随着条件变化和新信息的接收来调整操作条件。

已经开发了多种技术，用以对油田操作的多个方面的行为进行建模，这些方面例如为地质结构、井下储层、井眼、表面设备以及油田操作的其它部分。在专利/公开文本/申请No.US5992519、WO2004/049216、WO1999/064896、WO2005/122001、US6313837、US2003/0216897、US2003/0132934、US2005/0149307、US2006/0197759、US6980940、US2004/0220846和10/586,283中示出了这些建模技术的示例。

还开发了用于执行储层仿真操作的多种技术。例如，见专利/公开文本/申请No.US6230101、US6018497、US6078869、GB2336008、US6106561、US2006/0184329、US7164990。一些仿真技术可以包括分析气体及其对油田操作的影响。例如，见专利No.US7069148。一些仿真技术包括使用耦合仿真，例如，如公开文本No.US 2006/0129366中所述的。

尽管油田操作中的储层仿真技术有发展和进步，但仍需要考虑气体对油田操作的影响。希望提供用于根据油田的各个静态方面或动态方面来选择、规划和/或实施气体操作的技术。还希望这些技术选择性地考虑预期的参数，例如，化学参数、运输参数、力学参数和热学参数。这些所希望的技术能够进行以下的一个或多个：提供对各种地层(例如，油田、气田、盐水储层、蓄水层等)进行建模的能力，在仿真器中提供对静态模型、动态模型等进行耦合的能力，提供在多个物理化学机制之间进行耦合的能力，提供反馈以允许调整油田和/或气体操作的预期部分，根据仿真结果提供规划(即，开发规划、操作规划、监测规划等)。

发明内容

概括地说，在一个方面中，本发明涉及一种用于执行油田的气体操作的方法，所述油田具有其中包含至少一个储层的地层。所述方法的步骤包括：使用多领域仿真器，通过耦合所述地层的静态模型、所述地层的动态模型和井模型来对所述油田的气体操作进行建模，其中，所述多领域仿真器包括所述静态模型、所述动态模型和所述井模型；基于所述建模来为所述气体操作定义开发规划；并且根据所述开发规划来执行气体注入。

概括地说，在一个方面中，本发明涉及一种用于执行油田的气体操作的方法，所述油田具有其中包含至少一个储层的地层。所述方法的步骤包括：使用多领域仿真器，通过耦合所述地层的静态模型、所述地层的动态模型和井模型来对所述油田的气体操作进行建模，其中，所述多领域仿真器包括所述静态模型、所述动态模型和所述井模型；获得从由来自所述地层的勘测数据和监测数据构成的组中选择的至少一个；基于将来自所述多领域仿真器的仿真数据与从勘测数据和监测数据构成的组中选择的所述至少一个进行比较，来提供反馈；以及根据所述反馈来执行所述气体操作。

概括地说，在一个方面中，本发明涉及一种用于执行油田的气体操作的方法，所述油田具有其中包含至少一个储层的地层。所述方法的步骤包括：使用多领域仿真器，通过耦合所述地层的静态模型、所述地层的动态模型和井模型来对所述油田的气体操作进行建模，其中，所述多领域仿真器包括所述静态模型、所述动态模型和所述井模型；基于所述建模来执行经济性评价；并且基于所述经济性评价来执行所述气体操作。

概括地说，在一个方面中，本发明涉及一种计算机可读介质，包含可由计算机执行的指令，用以执行用于油田的气体操作的方法步骤，所述油田具有其中包含至少一个储层的地层。所述指令包括用于以下的功能：使用多领域仿真器，通过将所述地层的静态模型、所述地层的动态模型和井模型进行耦合来对所述油田的气体操作进行建模，其中，所述多领域仿真器包括所述静态模型、所述动态模型和所述井模型；基于所述建模来为所述气体操作定义开发规划；并且根据所述开发规划来执行气体注入。

概括地说，在一个方面中，本发明涉及一种计算机可读介质，包含可由计算机执行的指令，用以执行用于油田的气体操作的方法步骤，所述油田具有其中包含至少一个储层的地层。所述指令包括用于以下的功能：使用多领域仿真器，通过将所述地层的静态模型、所述地层的动态模型和井模型进行耦合来对所述油田的气体操作进行建模，其中，所述多领域仿真器包括所述静态模型、所述动态模型和所述井模型；获得从由来自所述地层的勘测数据和监测数据构成的组中选择的至少一个；基于将来自所述多领域仿真器的仿真数据与从由勘测数据和监测数据构成的组中选择的所述至少一个进行比较，来提供反馈；并且根据所述反馈来执行所述气体操作。

依据以下的详细说明及所附权利要求书，本发明的其它方面和优点会变得显而易见。

附图说明

为了可以详细理解本发明的上述特点和优点，通过参考在附图中示出的本发明的实施例，可以提供对以上简要概述的本发明的更具体的描述。然而注意，附图仅示出了本发明的几个典型实施例，因此不应认为是限制其范围，因为本发明可以为其它同样有效的实施例提供可能性。

图1A-1D示出了具有包含储层的地下结构的油田以及在油田上进行的各种油田操作的示例性示意图。图1A描绘了由地震卡车执行的示例性勘测操作。图1B描述了由钻塔悬挂并进入到地层中的钻井工具执行的示例性钻井操作。图1C描述了由钻塔悬挂并进入图1B的井眼中的绳索工具执行的示例性绳索操作。图1D描述了由从部署在钻塔并进入到完成的井眼中以便将流体从井下的储层抽取到地面设备中的仿真工具执行的示例性仿真操作。

图2A-2D分别是由图1A-1D的工具收集的数据的示例性图示。图2A描述了图1A的地层的示例性地震道。图2B描述了图1B中所示的地层的示例性钻心采样。图2C描述了图1C的地层的示例性测井记录。图2D描述了流经图1D的地层的流体的示例性仿真下降曲线。

图3以部分截面图的形式示出了包含位于沿着油田的不同位置处、用于从地层收集数据的多个数据采集工具的油田的示例性示意图。

图4示出了包含用于从地层产油的多个井点的油田的示例性示意图。

图5示出了图4的油田的一部分的示例性示意图，其详细描绘了仿真操作。

图6示出了包含气体操作的地点选择阶段和规划制定阶段的气体操作的示例性示意图。

图7示出了图6的气体操作的气体操作规划制定阶段。

图8示出了描述图6或7的气体操作的气体操作实施阶段的示例性示意图。

图9示出了描述图8的气体操作的气体操作注入阶段的风险评估的示例性示意图。

图10A和10B示出了多领域仿真模块的示意图。图10A更详细地描绘了动态模型。图10B描绘了具有静态模型和动态模型的多领域仿真模块。

图11-12示出了用于执行气体操作的方法的示例性流程图。

具体实施方式

在以上标识的附图中示出了本发明的当前优选实施例，并在下面加以详细描述。在描述优选实施例时，相似或相同的参考标记用于标识相同或相似的要素。附图不一定是按照比例绘制的，为了清楚和简洁，以放大的比例或以示意性的方式显示了附图的特定特征和特定视图。

图1A-1D显示了在其中具有地质结构和/或地层的油田(100)。如这些图中所示，在相同位置处借助不同工具获得地层的各种测量值。这些测量值可以用于产生与地层和/或地质结构和/或包含于其中的流体有关的信息。另外，设置在地面的仪器可以用于检测并采样从深处迁移(例如，泄漏)到地面的流体(即液体和气体)。可以将这些数据引入静态和动态模型中，用于获得与覆盖感兴趣储层的地下盖岩的密封性能有关的信息。

图1A-1D描述了具有在其中包含了储层(104)的地层(102)的油田(100)的示意图，并描述了在油田(100)上进行的各种油田操作。图1A描绘了由地震卡车(106a)执行的勘测操作，用以测量地层的特性。该勘测操作是用于产生声振动的地震勘测操作。在图1A中，由源(110)产生一个上述声振动(112)，并在地层(116)中的多个层位(114)反射。(多个)声振动(112)由位于地表的诸如地震检波器接收机(118)的传感器(S)接收，并且地震检波器接收机(118)产生电输出信号，其在图1中被称为接收数据(120)。

响应于所接收的声振动(112)而获得表示声振动(112)的不同参数(例如振幅和/或频率)。提供接收数据(120)作为地震记录卡车(106a)的计算机(122a)的输入数据，响应于该输入数据，记录卡车计算机(122a)产生地震数据输出记录(124)。可以按照需要，例如通过数据简化，来进一步处理地震数据。

图1B描述了由钻塔(128)悬挂并进入到地层(102)中以形成井眼(136)的钻井工具(106b)执行的钻井操作。泥浆池(130)可以用于将钻探泥浆经由流通管道(132)抽取到钻井工具(106b)中，用于使钻探泥浆通过钻井工具(106b)循环回到地面。钻井工具(106b)进入地层以达到储层(104)。钻井工具(106b)优选地适于测量井下特性。钻井工具(106b)还可以适于如所示的取得钻心采样(133)，或者将钻井工具(106b)移走以便使用另一个工具来取得钻心采样(133)。

地面单元(134)用于与钻井工具(106b)通信和异地操作。地面单元(134)能够与钻井工具(106b)通信，以发送命令来驱动钻井工具(106b)，并从其接收数据。优选地为地面单元(134)提供计算机设备，用于接收、存储、处理及分析来自油田(100)的数据。地面单元(134)收集在钻井操作中产生的数据输出(135)。诸如地面单元(134)中的那些计算机设备可以位于油田(100)附近的不同位置和/或远距离位置。

可以在遍及储层、钻塔、油田设备(例如，井下工具)或油田的其它部分处设置诸如计量器之类的传感器(S)，用于收集与各种参数有关的信息，例如表面参数、井下参数、和/或操作状况。这些传感器(S)优选地测量油田参数，例如钻头负压、钻头扭矩、压力、温度、流速、成分及油田操作的其它参数。

由传感器(S)产生的信息可以由地面单元(134)和/或其它数据收集源收集，用于分析或其它处理。由传感器S收集的数据可以单独使用或与其它数据一起使用。可以将数据收集在数据库中，可以选择性地使用全部数据或选定部分的数据来分析和/或预测当前和/或其它井眼的油田操作。

可以处理从位于油田附近的各种传感器(S)输出的数据以便使用。数据可以是历史数据、实时数据或其组合。实时数据可以实时地使用，或存储用于稍后使用。该数据还可以与历史数据或其它输入相结合用于进一步的分析。可以将该数据保存在不同数据库中，或者组合在单个数据库中。

收集的数据可以用于进行分析，例如建模操作。例如，地震数据输出可以用于进行地质学、地球物理学、储藏工程和/或生产仿真。储层数据、井眼数据、地表数据和/或过程数据可以用于进行储层、井眼或其它生产仿真。油田操作的数据输出可以直接从传感器(S)产生，或者在一些预处理或建模后产生。上述数据输出可作为进一步分析的输入。

将数据收集并存储在地面单元(134)。一个或多个地面单元(134)可以位于油田(100)处，或者远程连接到油田(100)。地面单元(134)可以是单个单元，或者是多个单元的复合网络，用于执行遍及整个油田(100)的必要的数据管理功能。地面单元(134)可以是人工系统或自动系统。地面单元(134)可以由用户操作和/或调整。

地面单元(134)可具有收发机(137)，以允许在地面单元(134)与油田(100)的各部分或其它位置之间的通信。还可以为地面单元(134)提供或者功能性地链接到控制器，用于致动油田的机械装置。响应于接收数据，地面单元(134)随后可以向油田(100)发送命令信号。地面单元(134)可以经由收发机接收命令，或者可以自身执行针对控制器的命令。可以提供处理器以分析数据(本地地或远程地)并做出决定来致动该控制器。以此方式，可以根据收集的数据选择性地调整油田(100)，以优化流体回收速率，或者最大化储层的寿命及其最终的产能。可以根据计算机协议自动地或者由操作者手动地做出上述调整。在一些情况下，可以调整油井规划以选择最佳操作条件或避免发生问题。

图1C描绘了由钻塔(128)悬挂并进入图1B的井眼(136)中的绳索工具(106c)执行的绳索操作。绳索工具(106c)优选地适于部署在井眼(136)中，用于执行测井、执行井下测试和/或收集采样。绳索工具(106c)可以用于提供用于执行地震勘测操作的另一种方法和装置。图1C的绳索工具(106c)可以具有爆炸或声学能量源(143)，其向周围的地层(102)提供电信号。

例如，可以将绳索工具(106c)可操作地链接到存储在图1A的地震记录卡车(106a)的计算机(122a)中的地震检波器(118)。绳索工具(106c)还可以向地面单元(134)提供数据。如所示的，绳索工具(106c)产生数据输出(135)，并在地面收集该数据输出。绳索工具(106c)可以定位在井眼(136)中的不同深度处，以提供对地层的勘测。

图1D描绘了由生产工具(106d)执行的生产操作，其中生产工具(106d)从生产单元或采油树(129)部署并进入图1C的完成的井眼(136)中以便将流体从井下储层抽取到地面设备(142)中的。流体从储层(104)通过钻孔流入抽油管(未示出)并进入井眼(136)中的生产工具(106d)，经由收集网络(146)到达地面设备(142)。

可以将诸如计量器之类的传感器(S)设置在油田附近，以收集与前述各种油田操作有关的数据。如所示的，传感器(S)可以位于生产工具(106d)或者相关装置中，例如采油树、收集网络、地面设备和/或生产设备，用以测量流体参数，例如流体成分、流速、压力、温度和/或上述生产操作的其它参数。

尽管仅示出了简化的井点结构，但可以理解的是，油田可以覆盖拥有一个或多个井点的部分陆地、海洋和/或水上位置。生产还可以包括用于额外回收的注入井(未示出)。可以将一个或多个收集设备可操作地连接到一个或多个井点，以便选择性地从(多个)井点收集井下流体。

尽管图1B-1D描绘了用于测量油田(100)的特性的工具，可以理解的是，也可以结合诸如矿山、地下蓄水层、存储或其它地下设备等非油田操作来使用上述工具。此外，尽管描绘了特定数据采集工具，可以理解的是，可以使用能够感测地层和/或其地质组成的诸如地震双向传播时间、密度、抵抗力、生产率等的参数的各种测量工具。各种传感器(S)可以位于沿井点和/或监测工具的不同位置处，以收集和/或监测想得到的数据。可以从异地位置提供其它数据源。

图1A-1D中的油田结构旨在提供可以结合本发明使用的油田的示例的简要说明。油田(100)的部分或全部可以在陆地和/或海洋上。此外，尽管描绘的是在单个位置处测量单个油田，但本发明可以结合一个或多个油田(100)、一个或多个处理设备及一个或多个井点的任何组合来使用。

图2A-2D分别是由图1A-1D的工具收集的数据的图示。图2A描绘了由勘测工具(106a)获得的图1A的地层的地震道(202)。地震道测量在一段时间内的双向响应。图2B描绘了由钻井工具(106b)获得的钻心采样(133)。钻心测试通常提供在钻心长度上的钻心采样(133)的密度、抵抗力或其它物理特性的图表。常常以变化的压力和温度在钻心中的流体上进行对于密度和粘滞度的测试。图2C描绘了由绳索工具(106c)获得的图1C的地层的测井记录(204)。测井记录通常提供可在不同深度处的地层的抵抗力测量值。图2D描绘了由生产工具(106d)获得的流过图1D的地层的流体的生产递减曲线(206)。生产递减曲线(206)通常提供作为时间t的函数的生产率Q。

图2A-2C的各个图示包含静态测量值，其描述了地层的物理特性。可以比较这些测量值，以确定测量值的精度和/或用于检查误差。以此方式，为了特性的比较和验证，可以对齐并缩放各测量值中每一个的曲线。

图2D提供了通过井眼的流体特性的动态测量值。随着流体流过井眼，取得诸如流速、压力、成分等的流体特性的测量值。如下所述，静态测量值和动态测量值可以用于产生地层的模型，以确定其特性。

图3显示了油田(300)的部分横截面的示意图，其包含位于沿着油田的不同位置处的、用于从地层(304)收集数据的数据采集工具(302a)、(302b)、(302c)和(302d)。数据采集工具(302a-302d)可以分别与图1的数据采集工具(106a-106d)相同。如所示的，数据采集工具(302a-302d)分别产生数据曲线或测量值(308a-308d)。

数据曲线(308a-308c)是静态数据曲线的示例，其可以分别由数据采集工具(302a-302d)产生。静态数据曲线(308a)是地震双向响应时间，并且可以与图2A的地震道(202)相同。静态曲线(308b)是从地层(304)的钻心采样测量的钻心采样数据，类似于图2B的钻心采样(133)。静态数据曲线(308c)是测井迹线，类似于图2C的测井记录(204)。数据曲线(308d)是流体流速随时间的动态数据曲线，类似于图2D的曲线图(206)。也可以收集其它数据，例如历史数据、用户输入、经济性信息、其它测量数据及其它感兴趣的参数。

地层(304)具有多个地质结构(306a-306d)。如所示的，该地层具有砂岩层(306a)、石灰岩层(306b)、页岩层(306c)和砂层(306d)。断层线(307)延伸穿过地层。静态数据采集工具优选地适于测量该地层，并检测该地层的地质结构的特性。

尽管描绘了具有特定地质结构的特定地层(304)，但会意识到，地层可以包含各种地质结构。流体也会出现在地层的不同部分中。每一个测量设备都可以用于测量地层和/或其地层结构的特性。尽管将每一种采集工具显示为位于沿地层的多个特定位置处，但会意识到，可以在一个或多个油田上的一个或多个位置处或者其它位置处进行一种或多种测量，以便进行比较和/或分析。此外，这些测量值不仅阐明了在一个时刻的岩石和流体的状态，还通过仔细设计的周期性测量和勘察而检测并量化了在岩石与流体特性中随时间的变化。

随后可以评价从诸如图3的数据采集工具之类的多个源所收集的数据。通常，地质学家使用来自数据采集工具(302a)的静态数据曲线(308a)中所呈现的地震数据来确定地层(304)的特性。通常地质学家使用在静态曲线(308b)中呈现的钻心数据和/或来自测井记录(308c)的测井数据来确定地层(304)的地质结构的各种特性。储层工程师通常使用来自生产曲线(308d)的生产数据来确定流体流动储层特性。

图4显示了用于执行仿真操作的油田(400)。如所示的，该油田具有多个井点(402)，其可操作地连接到中央处理设备(454)。图4的油田结构不是旨在限制本发明的范围。该油田的一部分或全部可以位于陆地和/或海上。此外，尽管描绘了具有单个处理设备和多个井点的单个油田，但可以存在一个或多个油田、一个或多个处理设备及一个或多个井点的任意组合。

每一个井点(402)都具有形成进入地下的井眼(436)的设备。井眼延伸穿过包含储层(404)的地层(406)。这些储层(404)包含诸如碳氢化合物之类的流体。井点从储层抽取流体，经由收集网络(444)将它们传送到处理设备。收集网络(444)具有管道传输和控制机构，用于控制流体从井点到处理设备(454)的流动。

图5显示了图4的油田(400)的一部分的示意图，其详细描绘了井点(402)和收集网络(444)。图5的井点(402)具有延伸进入地下的井眼(436)。如所示的，井眼(436)已经被钻孔、完成并准备好进行来自储层(504)的仿真。

井眼仿真设备(564)从井点(402)的井楼(566)延伸到储层(404)，以便将流体抽取到地面。井点(402)经由输送线路(561)可操作地连接到收集网络(444)。流体从储层(404)通过井眼(436)流到收集网络(444)上。流体随后从收集网络(444)流到处理设备(454)。

如图5还示出的，将传感器(S)设置在油田(400)附近，以监测油田操作期间的各种参数。例如，传感器(S)可以测量储层、井眼、收集网络、处理设备和/或油田操作的其它部分的压力、温度、流速、成分及其它参数。这些传感器(S)可操作地连接到地面单元(534)，用于从其收集数据。例如，地面单元可以类似于图1A-1D的地面单元134。

如图5所示，地面单元(534)具有用于管理数据的计算机设备，例如存储器(520)、控制器(522)、处理器(524)和显示单元(526)。将数据收集在存储器(520)中，并由处理器(524)为分析而进行处理。可以从油田传感器(S)和/或其它源收集数据。例如，可以由从其它操作收集的历史数据或用户输入来补充油田数据。

分析数据随后可以用于做出决定。可以提供收发机(未示出)以允许在地面单元(534)与油田(400)之间的通信。控制器(522)可以用于通过收发机并基于这些决定来致动在油田(400)处的机械装置。以此方式，可以根据收集的数据来选择性地调整油田(400)。可以根据计算机协议自动地和/或由操作者手动地做出这些调整。在一些情况下，调整油井规划以选择最佳操作条件或避免发生问题。

可以在井点(402)和/或远距离位置提供显示单元(526)，用于观察油田数据(未示出)。由显示单元(526)表示的油田数据可以是原始数据、处理数据和/或从各种数据产生的数据输出。显示单元(526)优选地适于提供数据的灵活视图，以便可以按照需要来定制描绘的屏幕。用户可以基于回顾所显示的油田数据来确定在仿真期间的操作的预期过程。可以响应于显示单元(526)来选择性地调整仿真操作。显示单元(526)可以包括用于观察油田数据或定义油田事件的二维显示器。例如，二维显示器可以对应于来自打印机的输出、绘图、监视器或配置为绘制二维输出的其他设备。显示单元(526)还可以包括三维显示器，用于观察仿真操作的各个方面。优选地在三维显示器中实时地观看仿真操作的至少一些方面。例如，三维显示器可以对应于来自打印机的输出、绘图、监视器或配置为绘制三维输出的其他设备。

为了便于处理并分析数据，可以使用仿真器来处理数据。特定仿真器常常用于结合诸如储层或井眼仿真之类的特定油田操作来使用。输入仿真器的数据可以是历史数据、实时数据或其组合。可以重复或根据接收的数据调整通过一个或多个仿真器的仿真。

如所示的，为油田操作提供井点仿真器和非井点仿真器。井点仿真器可以包括储层仿真器(549)、井眼仿真器(592)和地面网络仿真器(594)。储层仿真器(549)对应碳氢化合物流过储层岩石进入井眼。井眼仿真器(592)和地面网络仿真器(594)对应碳氢化合物流过井眼和管道的表面收集网络(444)。如所示的，根据可用的系统，一些仿真器可以是独立的或组合的。

非井点仿真器可以包括处理仿真器和经济性仿真器。处理单元具有处理仿真器(548)。处理仿真器(548)建立炼油厂(例如，处理设备(454)的模型，在炼油厂中将碳氢化合物分解为其组成成分(例如，甲烷、乙烷、丙烷等)并准备进行销售。为油田(400)提供经济性仿真器(547)。经济性仿真器(547)建立在气体操作过程的一部分或全部中的油田的部分或全部成本的模型。可以提供这些及其它油田仿真器的各种组合。

图6-9显示了用于油田的气体操作(600)的各个方面的示意图。在诸如地点选择、特征描述、规划制定、实施、风险评估和关闭/退役阶段的多个阶段中进行气体操作(600)。

图6描绘了用于诸如图4-5的油田的油田气体操作(600)。气体操作(600)包括用于布置气体(例如，永久性布置或用于随后生产的临时存储等)的地点选择，诸如图4-5的油田的一部分。图6的气体操作显示了地点选择阶段(601)、规划制定阶段(602)和实施阶段(603)。

地点选择阶段(601)包括对可以用于布置气体的油田的可能的地点A、B和C的回顾。在本发明的一个或多个实施例中，油田可以是具有能够接收并存储气体的地质结构(例如，含盐蓄水层、盐水储层、碳氢化合物储层、其它流体或洞穴等)的任何地质区域。在地点选择过程中，针对每一个地点收集并处理数据，做出初步风险确定和评价调查。随后，建立每一个地点的模型，以确定其作为布置地点的服务期限。多领域仿真器(620)用于建立地点A、地点B和地点C的模型，用于对这些地点进行分级排序并选择性地确定目标气体布置地点，例如地点A。

一旦选择了地点，就执行规划制定阶段(602)。在规划制定阶段期间，形成勘探规划(610)，以采集勘探数据(611)，用于更新所述建模并定义开发规划(613)，从而产生油井配置(614)和地面设备设计方案(616)。

在对地点进行规划之后，就执行实施阶段(603)。在实施阶段期间，根据油井配置(614)执行钻井操作和/或注入操作(615)。设计并建造地面设备。将从气源(617)产生的气体布置在地面设备(616)。

如图6所示，执行气体操作以提供对诸如二氧化碳(CO₂)的多种气体的布置。如本文提供的，可以将CO₂描述为在多个示例中使用的气体。然而，可以从各种源提供任何气体(包括现有的污染物)。例如，来自气源(617)的气体可以从气田、燃煤发电厂或其它气体源产生。可以在例如几十年的较长的时间期间上产生气体，并可以借助各种参数来加以表征，例如，气体成分、流速、总量等。一旦收集后，可以将气体布置在借助本文描述的技术所选择的地点中。在本发明的一个或多个实施例中，气体可以处于随压力、温度和/或成分改变的结果而达到的任何状态中。例如，除了布置气相形式的气体外，所述气体操作还可以布置已经转换为液体或水合物的气体。

在所示示例中，考虑三个地点(即地点A、地点B和地点C)来布置从气体源(617)产生的二氧化碳。评价这些地点，以确定它们存储CO₂的能力。在地点选择中可以考虑诸如静态特性、动态特性和井眼特性以及相关的已确定风险的可能性之类的各种考虑。

多领域仿真器(620)用于评价静态特性、动态特性和井眼特性。如所示的，静态模型(604)用于评价每一个地点的静态特性或地质特性。某个给定地点的地质结构可以包括包含于该地点中的各种地下地层，例如岩石层、断层、煤层、相关盖岩地层及其它结构。在许多情况下，地层可以主要包括具有适于气体存储的多孔性的沉积矿床。

油井模型(630)也用于评价地点的井眼特性。井眼特性与井眼的形状、方向及其它特征(例如，完井)有关，其会影响通过它的流体的流动。例如，这些特征会影响将气体输送到特定位置的能力。

动态模型(608)也用于评价多个地点内的储层或储层的动态特性，在这些地点中包含有覆盖储层的地质地层(例如，盖岩或覆盖层)。这些地点具有能够接收并存储气体的含盐蓄水层、盐水储层、碳氢化合物储层、其它流体或洞穴等。诸如容量之类的这些特征可以影响储层存储气体的能力。

优选地，将用于执行地点选择的多个模型耦合起来，以便根据全部模型来提供总体最佳解决方案。参考图10A-10B更详细地描述各种模型的操作和对这些模型的耦合。

在图6中所示的示例中，地点A是具有二氧化碳注入井的背斜蓄水层(605)，地点B是具有两个二氧化碳注入井的向斜蓄水层(606)，地点C是具有二氧化碳注入井和油井的组合的油田。地点A和地点B可以适于为了存储目的而将二氧化碳注入蓄水层，而二氧化碳注入还可以提高地点C的石油提取效率。根据预定标准(609)，可以将诸如地点A的某个地点选择为气体操作的目标地点，该预定标准取决于气源(617)的特性，并与诸如容量、吸水性、密封性、经济性及其它适合的性能范畴的气体操作(600)的性能有关。可以建立每一个地点的模型，以估计在这些范畴的每一个中的性能。基于性能范畴的分析涵盖了整个气体操作，并可以在操作中的任意点上或者在整个操作中执行。

一旦完成地点选择阶段，就可以开始规划制定阶段(602)。依据所选择的目标布置地点，可以从所选择的地点采集勘测数据(611)以更新一个或多个模型(612)。随后基于使用多领域仿真器(620)并利用诸如静态模型(612)、井模型(630)和/或动态模型(608)的更新后的模型对气体操作进行建模，来定义开发规划(613)。开发规划(613)可以提供井位置、井设计方案、钻井规划、气体注入规划、监测规划等。以下参考图7更详细地描述规划制定阶段。

一旦完成规划制定阶段并定义了规划，就可以开始实施阶段(603)。实施阶段(603)根据所提供的开发规划(613)来采取操作。开发规划(613)定义了操作参数(614)，例如井位置和井设计方案。开发规划还定义了钻井和/或注入操作(615)，例如用于将井钻到预期位置的设备和钻井参数。参考图8更详细地描述了实施阶段(603)。

图7详细显示了用于某个选定地点的规划制定阶段(602)。在此，在以上图6和图7中都示出的多领域仿真器(620)可以用于建立该选定地点的气体操作(600)的模型，以便进一步验证油田开发规划。

作为示例，将如图6所示的地点A作为图7所示的气体布置地点(720)的目标。部署注入井(701)、(703)、(705)、监测井(702)和监测仪器(704)、(710)(例如，根据使用如上图6所示的多领域仿真器(620)的开发规划建模)，以便将气体注入位于地层(706)、(708)和断层(707)附近的蓄水层(709)中。在执行气体注入操作之前，将从气体布置地点(720)获得的监测数据(711)(例如，测井记录、井测试等)提供给多领域仿真器(620)以建立注入操作的模型。根据该建模来定义注入规划(716)和监测规划(715)。

多领域仿真器(620)包括静态模型(604)和动态模型(608)。提供监测数据(711)(例如，测井记录、井测试等)以更新静态模型(604)和动态模型(608)，其是基于在如以上图6中所示的地点选择阶段和预钻井阶段的建模中的地下地质组成的先前知识和测量数据。如图7所示，可以用多领域仿真器(620)执行气体布置地点(720)的建模，如参考图10A和10B详细描述的。

对注入操作的关键参数(713)(例如，注入间隔、注入周期、注入速率等)进行仿真，以便在完成注入规划(716)之前评价响应(714)。设计监测规划(715)，以便从监测仪器(704)和监测仪器(710)获得监测数据(711)。

关于注入规划(716)，可以仿真在所选择的部分(例如，I₁(717)、I₂(718)等)中的注入情况，以选择最佳的注入间隔和注入策略(例如，连续注入、间隔注入、水交替(water-alternating)(WAG)注入等)。该结果支持多种操作决策，例如使用单个井来注入或者设置多井操作(例如，包括注入井W₁(701)和注入井W₃(705)，但不包括注入井W₂(703))。此外，在预注入阶段，依据已知的地下流体(例如盐水)的特性，可以评价最终的问题或益处(例如，由干燥、盐析、引发的化学反应等造成的问题或益处)，并测试缓解策略。类似的仿真还可以有助于在监测井(702)中监测设备的设计和设置。

关于监测规划(715)，对CO₂行为的预测(例如，羽流的偏移、俘获机制等)允许定义最佳监测策略来控制就存储目的而论气体布置地点的性能。例如，可以选择对于由气体注入造成的特定气体的存在或储层特性(例如，压力)中的变化敏感的测量技术和适当的传感器。使用工具响应模型(未示出)来执行这个选择，工具响应模型代表了与仿真器(例如，多领域仿真器(620)中的静态模型(604)和动态模型(608))耦合的仪器和传感器(例如，监测仪器(704)和/或监测仪器710)。此外，监测规划(715)还包括制定监测井(例如，监测井(702)的规划，例如，设计地面勘察，地面到钻孔勘察，或者钻孔测量勘察。这些勘察可以包括在多领域仿真器(620)中，以评价其功效来完成监测规划(715)。

图8更详细地描绘了气体操作的实施阶段(603)。图8显示了将气体注入到该选定地点。在此，将在以上图6和7中也示出的多领域仿真器用于建立气体布置地点(720)的注入操作的模型。

气体布置地点(720)包括以上图7中所示的位于地层(706)附近的蓄水层(709)以及监测仪器(704)。一旦开始注入并得到监测数据流(801)，这些测量值就可以用于通过在来自监测数据流(801)的实际测量值与使用多领域仿真器的仿真预测得到的结果(803)之间的比较，来校准和/或改进(802)储层模型(例如，以上图6中所示的静态模型(604)、井模型(630)、动态模型(608)等)。

例如，诸如压力和饱和分布之类的来自动态模型(608)的输出是工具响应建模的输入(即，抵抗力、地震、重力测量等)。在预测结果与实际工具测量值之间明显的差异允许更新诸如特性或几何形状之类的模型参数。

在观察数据与预测值之间的不匹配通常是起因于过度简化的储层模型。在此情况下，改进模型，并增加参数，直到预测结果与观察值一致。反复的历史匹配练习允许对模型进行更新和进一步的改进。在整个注入操作时间期间可以重复这个工作流循环。可以对所记录的行为变化进行仿真，以便更好地理解造成偏差的原因的参数和调整操作参数的结果，例如油井关闭(well shut-in)、注入速率的变化、检修(work-over)等。

图9显示了气体操作的风险评估阶段的示例性示意图。可以在气体操作过程中的任何时间进行风险评估阶段，以确定与油田操作相关的各种风险。如图9所示，建立具有风险评估的气体布置地点(720)的模型。在此，气体布置地点(720)与以上图7中所示的基本上相同，除了增加了诸如引起毛细密封裂口(902)的断层滑移或断层渗漏(901)之类的组成部分以外。这个增加的组成部分是必须要涉及到风险评估的气体操作的要顾虑的示例。

如图9进一步所示的，可以使用气体布置地点(720)的动态模型(608)，按照风险评估情况(903)(例如，最大压力情况)来建立与断层滑移或断层渗漏(901)相关的各种情况的模型。气体布置地点(720)包括注入井(701)、位于地层(706、)(708)附近的蓄水层(709)、断层(707)、以及引起毛细密封裂口(902)的断层滑移或断层渗漏(901)。

随着对于储层的知识的增加(例如，基于上述的反复历史匹配练习)，可以为了理解并评估气体注入操作的风险的目的而建立另外的风险评估情况(903)(例如，气体溢出及泄漏情况等等)的模型。这也支持在实施之前的设计纠正策略(904)(例如，减轻)并在模型中测试其可能的效果。

在操作过程中(注入的终止，在图9中也称为注入停止)，会希望具有适当的放弃策略。来自监测和历史匹配调整的信息流提供了最佳可能地点模型。这用于观察将来的流体流动(例如，原始储层流体的CO₂和重新调整)、压力平衡、地层或自由CO₂气帽。通过使用前向模型评估效果，来制定退役油田的长期监测规划。

即使在放弃之后，长期监测也会继续进行，并将数据并入可以更新的模型中，从而会检测到地下状况的变化。此外，在由不可预料且未规划的事件所引起的较大偏差的情况下(例如，泄漏、最大压力的提早达到等)，模型可以用于规划并评估缓解操作。

除了气体操作(600)的地点选择、表征、规划制定、实施和风险评估阶段之外，关闭/退役阶段包括关闭操作，例如用于使油田准备好退役或者稍后在其它地点提取气体来使用。使用上述建模技术来设计有关设备的退役策略和放弃规划/操作。例如，如果在关闭阶段(注入停止)几年后，监测系统仍记录在储层参数中重要的变化，则这些数据可以用于决定关闭阶段的延长。退役策略可以包括通过注入特定工程流体以便在很长时期中隔离附近的井眼区域，来以化学方式处理储层。仿真会指示如何最佳地执行这些操作来获得预期的结果。

图10A和10B更详细地描绘了多领域仿真器(620)的各种方面。在图10A中更详细地显示了多领域仿真器(620)的动态模型(608)。在图10B中更信息地显示了多领域仿真器(620)。多领域仿真器(620)具有动态模型(608)、井模型(630)和静态模型(604)。如在该示例中所示的，动态模型(608)和静态模型(604)可以分别与图6的模型(604)和(608)相同。

图10A显示了在多领域仿真器(即以上图6-9中所示的多领域仿真器(620))中的动态模型(608)和静态模型(604)的示例性示意图。动态模型(608)和静态模型(604)可以包括气体操作的计算机模型处理的多个学科或方面，诸如图10a中的化学方面(1001)，图10A中的输送方面(1002)、图10a中的力学方面(1003)、图10A中的热学方面(1004)、图10B中的岩石物理学方面(1051)、图10B中的地球物理学/地震方面(1052)和图10B中的地质学方案(1053)。将井模型(630)(如以上图6中所示的)作为示例包括在静态模型(604)中。借助图10A中的多领域耦合模块(1005)-(1010)和图10B中的多领域耦合模块(1054)来链接这些方面中每一个的模型。在静态模型(604)中可以存在另外的多领域耦合模块，但为了简单没有示出。

在多领域仿真器(620)内的气体操作建模中处理了多个学科或方面。这些学科包括(例如，流体、化学品、热等的)输送、热学(例如，温度变化、能量源和能量宿等)、力学(例如，压力冲击、压裂等)、化学(例如，热力学、影响物质特性的化学反映等)、等等。以复合的方式来耦合这些学科中的关键参数和相关性，例如物质(例如，岩石、流体、完井物质等)的密度随着温度(热学)、压力(力学)、化学反应(化学)、输送以及与其它物质的混合(输送)的变化的改变。可以通过将表示每一个学科的数学方程在集成的系统中进行耦合，来建立在容量、吸水性、密封性、经济性或其它范畴中的气体操作性能的模型。依据这些数学方程的多个部分来建立子系统(即，气体操作的多个部分或有限方面)的模型。这些数学方程表示经耦合的这些学科中的处理，对于所选择的子系统，能够对这些处理进行准确地仿真，并将它们集成在一起以便进行完整系统分析。例如，在以下段落中描述了在这些范畴中所建模的相关处理。

在容量范畴中建立存储容量和俘获机制的模型。例如，建立诸如结构/流体动力学、溶解度、残留阶段、矿化/吸收等等之类的俘获机制动力学的模型。此外，使用监测测量值，建立诸如CO₂饱和度、溶解CO₂、压力、pH等等之类的存储特性演变的模型，以用于模型参数校准。

吸水性与在气体布置地点的井眼附近的注入最佳化有关。在这个范畴中可以建立由注入引起的温度变化、压力增加和化学反应(例如，盐沉淀、CaCO₃溶解/沉淀)以及它们对在孔隙率、渗透性和机械特性(例如，用以在碳酸盐溶解情况下控制沉淀和用以控制完全完整性的压力)的影响的模型。建立近井眼特性(例如，温度廓线、压力、CO₂饱和度、pH及其他特性)的模型，以便与监测测量值进行比较并对仿真器参数进行进一步校准。在注入与另一种物质交替的CO₂以保持井吸水性时，建立注入周期的模型。此外，建立注入井的网络(例如，数量、轨迹等)的模型，并加以优化，以确保在最低成本情况下注入能力的长期稳定性，并使得泄漏的风险最小。还建立了气流中的杂质影响的模型。对于吸水性建模的以上全部方面，可以手动地或自动地改进本地网格，以便对近井眼状况进行详细分析。

在密封性范畴中，可以建立压力增加对于存储密封完整性的影响(例如，由断层再生、盖岩压裂和/或对储层的过压引起的)的模型。还建立了在盖岩层和在断层泥/胶泥物质(主密封)中的反应性输送的模型。建立覆盖层(包括渗流区)中的CO₂渗漏和沿着这些泄漏路线的俘获机制的模型，用以评估影响，并为浅层淡水水源设计缓解措施。将密封范畴中的建模耦合起来，用以响应环境上的地面监测。

使用基于CO₂注入的地下地质组成(例如，地点A、地点B和地点C的地下地质组成)仿真的先前知识的简化地质模型提供了预选择能力估计，该预选择能力估计是地点选择排序标准之一。此外，对气体操作的开发规划进行建模。如上所述，开发规划包括井定位、井设计、钻孔规划、气体注入规划、监测规划等。进行建模的注入策略(例如，井数量、井类型。注入速率等)和地面考虑(例如，距CO₂源的距离、输送模式、设备和存储地点的可用性)实现了对经济性的第一级评估。

在建立图10a中的化学方面(1001)的模型时，可以处理各种机制，诸如热力学、物料平衡、脱水、溶解、沉淀、Fick定律等。在建立图10a中的输送方面(1002)的模型中，可以处理各种机制，诸如，物料平衡、Darcy定律等。在建立图10a中力学方面(1003)的模型中，可以处理各种机制，诸如应力、应变、力平衡等。在建立图10a中热学方面(1004)的模型中，可以处理各种机制，诸如能量守恒、傅立叶定律等。图10b中的岩石物理学方面(1051)可以处理从井获得的监测数据，图10b中的地球物理学/地震方面(1052)可以处理地层的地震勘探数据，图10b中的地质学方面(1053)可以处理从钻心采样分析或其它地质学勘探获得的地质学数据。

以上图6-9中描述的气体操作的各个阶段包括复合处理，其包括在图10a中的这些方面(1001)-(1004)、图10b中的这些方面(1051)-(1053)之间的交互机制。示例性的，由于热膨胀(热学)、机械压缩(力学)、溶解或沉淀(化学)的原因，储油岩石的孔隙率可能会变化。这种变化影响了通过储层(输送)的流体(液体和气体)流动。复合处理要求从许多不同测量系统获得的大量参数和数据，并且求解一个大通用方程组。图10a中的多领域耦合模块(1005)-(1010)和图10b中的多领域耦合模块(1054)通过将这个大通用方程组转换为特定问题仿真模块来简化了这个高强度计算任务，以使得仿真运行时间对于仿真以上图6-9中所述的气体操作的各种阶段是实用的。仿真器中的每一个方面(热学、力学、化学等)的参数(例如，孔隙率)相关性的选定的数学公式允许例如评估这些参数对流体流动(即输送方面)的影响，并且允许对岩石和流体针对每个方面的行为耦合在一起并适当地仿真。

转向图10A，多领域耦合模块(1005)简化了在化学方面(1001)与输送方面(1002)之间的、用于处理化学物种的输送、压力、孔隙率、渗透性、密度、粘度等等的交互机制。

多领域耦合模块(1006)简化了在输送方面(1002)与力学方面(1003)之间的、用于处理应力、岩石强度、压力、孔隙率、渗透性等等的交互机制。

多领域耦合模块(1007)简化了在输送方面(1002)与热学方面(1004)之间的、用于处理平流或对流热输送、压力、孔隙率、渗透性、密度、粘度等的交互机制。

多领域耦合模块(1008)简化了在力学方面(1003)与热学方面(1004)之间的、用于处理摩擦生热、热膨胀、应力、岩石强度、压力、孔隙率、渗透性等等的交互机制。

多领域耦合模块(1009)简化了在化学方面(1001)与热学方面(1004)之间的、用于处理温度变化、吸热/放热反应、反应速度、相变、Joule-Thompson热效应等等的交互机制。

多领域耦合模块(1010)简化了在力学方面(1003)与化学方面(1001)之间的、用于处理摩擦生热引起的化学反应、化学反应造成的结构影响、压力、孔隙率、渗透性、密度、粘度等等的交互机制。

现在转向图10B，多领域耦合模块(1054)简化了在动态模型(608)与静态模型(1054)之间的、用于处理与时间相关的过程、瞬态过程、阈值事件等等的交互机制。

为特定问题定制每一个多领域耦合模块，以实现计算效率。特定问题可以包括由CO₂(或相关气体)的存在所引起的地下的某些物理和化学过程，其中，由于为了进行封存和/或提高石油回收(EOR)而进行的有意注入或者由于自然原因而存在上述CO₂(或相关气体)。示例包括各种相的热力学平衡、用于毛细压力和相对渗透性滞后的模型、用于盐和矿物的溶解和沉淀的模型、这些成分的化学反应、气体(例如，CH₄/CO₂)的吸附作用/解吸附作用、以及煤的收缩/膨胀、岩石基质的机械压缩等。

示例性的，为与下述的将CO₂注入到盐水储层中有关的特定问题定制多领域耦合模块(1005)和(1054)。在将干燥CO₂注入含盐蓄水层过程中，近井眼环境被驱使到残留水饱和。在一段时间期间中，由于被水到CO₂富相的大量转移所支配，地层水被蒸发，导致溶解的盐在孔隙中沉淀。这减小了孔隙率并降低了地层对于CO₂的渗透性。由多领域耦合模块(1005)采用以下方式来建立在化学方面(1001)(即在水与CO₂之间的相互溶解性)与输送方面(1002)(即在地层对于CO₂的渗透性的降低)之间的这个耦合的模型。将近井眼环境建模为CO₂和H₂O多相系统，该系统被分为CO₂-富相和H₂O-富相，例如，包括四个成分：

CO₂-液体/蒸气成分

H₂O-液体/蒸气成分

NaCl-液体/固体成分

CaCl₂-液体/固体成分

假定盐浓度缓慢变化，所以在用于反复更新的雅可比行列式中将相对于盐浓度的分相(phase splitting)的偏导数设定为0。这减小了计算开销。

以下描述用于相位成分的计算的示例性算法。给定每一个成分的摩尔密度m_i，压力P和温度T，在以下各步骤中计算这些成分。

步骤1.从建模中分离纯固体成分，并为L、V、S、s_i、x_i和y_i分配初始估计值。

步骤2.计算总摩尔分数z_i(将全部的相加在一起)

步骤3.给定zi、P、T，执行分相计算：获得固体摩尔分数S，液体摩尔分数L和蒸气摩尔分数V。还获得分相摩尔分数si-固体、xi-液体和yi-蒸气)：

执行计算，直至S、L、V、x_i、y_i和s_i中的变化＜容差(预定数)

计算作为P、T和盐摩尔浓度的函数的溶解度X_CO2和Y_H2O。

设X_H2O＝1.0-X_CO2-x_盐

K_CO2＝Y_CO2/X_CO2

K_H2O＝Y_H2O/X_H2O

K_NaCl＝1E-l2(小数)

K_CACL2＝1E-l2

设蒸气-液体输入Z^VL _i＝(z_i-S*_si)/(1-S)

从平衡K_i＝y_i/x_i值和Z^VL _i解出摩尔平衡方程：

$G(V_2,K)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{y}_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{x}_i=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{K_i{z}_i^{\mathrm{VL}}}{1+(K_i-1)V_2}-\mathrm{\Σ}(\frac{(K_i-1)z_i^{\mathrm{VL}}}{1+(K_i-1)V_2}=0$

设V＝V₂*(1-S)

设L＝(1-V₂)*(1-S)

从输入中减去蒸气摩尔

用以下来计算水中最大盐/固体溶解度

-本领域中已知的热力学方法

-借助于匹配实验数据而构造的简化显性表达式

在液体和固体之间分离摩尔并更新L、S、xi和si

更新x_盐＝x_NaCl+x_CaCl2

更新水中盐的摩尔浓度

结束运算

可以将固体饱和度变换为表示孔隙率的相关减小的沉淀的盐的体积。用可以由用户基于实验室数据而校准的移动性影响因子，来描述孔隙率变化对渗透性(和流动)的影响。

当注入CO₂时，水中盐浓度增大，因为水从盐水中挥发进入CO₂相。另一种情况是，压力和温度的变化引起了各种盐的溶解度的变化，导致了现有盐被溶解或沉淀。当NaCl的浓度超过盐化限度，即最大NaCl溶解度时，这最终会导致盐沉淀。这个限度取决于例如CaCl₂的其它盐的存在。为每一个网格块进行成分仿真器内的热力学计算。这些计算是计算资源密集型的，并会使计算时间乘以一个较大系数。在一个示例中，定制多领域耦合模块(1001)，以使用显性表达式来避开大规模迭代运算。为建立NaCl沉淀的模型而定制这些显性表达式。不同盐(除了NaCl以外)或不同平衡(除了沉淀以外)需要不同的显性表达式。使用化学形态分析软件来分别预先计算水中的最大NaCl溶解度。使该结果与一个曲线拟合函数(例如，Pade近似法)相一致，该曲线拟合函数考虑了温度和CaCl₂二者。获得了作为CaCl₂的摩尔分数和温度的函数的、在地层中的NaCl沉淀的显性关系。简化了热力学计算。

随后由以下等式给出在网格单元i中的总NaCl的守恒

$\frac{\∂}{\∂t}{V}_p{m}_{\mathrm{NaCl}}+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{F}_{i\→j}+Q_w=0$

其中，V_p是孔隙体积，F_i→j表示NaCl水从单元i到单元j的流入/流出，Q_w是表示井的源项。

除了在近井眼环境中的沉淀问题以外，使用上述定制的多领域耦合模块(1005)进行建模，岩石中溶解和沉淀的影响可以改变岩石中孔隙空间几何结构，并可以根本地改变流体移动的可用空间和在储层及井中的冲击压力。孔隙率变化到渗透性变化的映射是另一个要通过定制多领域耦合模块(1001)来建模的特定问题的示例。这些结果会导致必须要调整地面设备以确保气体操作的连续性。

而且，通过采用根据上述的类似方式定制多领域耦合模块(1054)，来建模在CO₂注入到盐水储层中呈现的与时间有关的过程和瞬态过程。

作为另一个示例，针对下述的特定问题来定制用于对在煤层中的CO₂注入(或气体混合)进行建模的多领域耦合模块(1005)。一个地质学储存选择方案是将CO₂注入含甲烷的煤层中。优先释放甲烷并吸附CO₂。为了对在将CO₂注入煤层中时的煤收缩/膨胀效应进行建模，来定制多领域耦合模块(1005)。

基于Palmer和Mansoori模型的岩石压缩模型即使在没有煤气吸附或解除吸附的情况下，也存在对于预测由膨胀/收缩造成的体积应变的弱点。可以定制用于对在煤层中的CO₂注入进行建模的多领域耦合模块(1005)，以便将断裂压力和组成与扩展的Langmuir曲线参数模型一起使用。由压缩项与膨胀/收缩项的组合来构成孔隙体积乘法器，例如

V_m＝1+C₀(P-P₀)+C_e(ε-ε₀)

由于如下述的ε₀的计算，在吸附的气体不变化时，这个方法不预测收缩/膨胀。

随后用扩展的Langmuir公式来计算成分应变：

${\mathrm{\ϵ}}_k={\mathrm{\ϵ}}_{\∞,k}\frac{P_{\mathrm{sorb}}{b}_k{a}_k}{1+P_{\mathrm{sorb}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{b}_j{a}_j}$

其中，ε_∞，k和b_k是对于成分k的输入Langmuir曲线参数，a_k表示吸附的摩尔分数，P_sorb是吸附压力。如果存在自由气相，就将吸附压力定义为断裂压力；如果没有自由气相，吸附压力就是气相开始解除吸附时的压力。可以计算吸附压力及相应的平衡摩尔分数，由：ε＝∑ε_k来计算总应变。

另外，可以对地质力学过程进行扩展并可以将其增加到定制的多领域耦合模块(1005)中，地质力学过程对于理解并操作在具有提高或不提高的甲烷产量情况下在煤层中的CO₂注入是重要的。

而且，可以由用于建立在动态模型(608)与静态模型(604)之间交互的模型的多领域耦合模块(1054)来处理与在注入阶段期间在煤层中的CO₂注入造成的岩石压缩或断裂有关的阈值事件、风险评估或放弃策略。

图11-12显示了描绘执行气体操作的方法的示例性流程图。起初，确认在地层内的至少一个布置地点(步骤1101)。基于使用多领域仿真器的仿真来建立在布置地点处的气体布置的模型，用于将气体注入地层中(步骤1102)。所使用的仿真是基于以上与图6-10b有关的描述中所描述的建模。

基于建模来确定布置地点的多个估计特性，其中，估计特性的种类包括从包括容量、吸水性、密封性和经济性的组中选择的至少一个(步骤1103)。基于将所述多个估计特性与预定的标准进行比较来选择性地确定用于气体布置的目标布置地点(步骤1104)。这个预定标准可以是用于所述多个估计特征中的一个或多个的任何适当的阈值。

可以在布置地点处从地层获得勘测数据(步骤1105)。可以以上述任何适当的方式获得所述勘测数据，包括静态和实时采集技术。接下来，可以根据该勘测数据(按照需要)更新地层的静态模型和动态模型(步骤1106)。

根据模型更新来为气体布置定义开发规划，其中，该开发规划包括从包含井位置、井设计、钻孔规划、气体注入规划和监测规划的组中选择的至少一个(步骤1107)。

可任选的，可以通过执行该开发规划来获得监测数据(步骤1108)。可以以与以上结合图1A-1D和3描述的类似方式来执行对监测数据的获取。可以根据该监测数据来更新地层的静态模型和动态模型(步骤1109)。

在执行气体注入规划的同时，可以基于使用地层的静态模型和动态模型以及井模型的仿真来建立气体布置的模型(使用与上述基本上类似的技术)(步骤1110)。可以基于将仿真数据与监测数据进行比较来提供反馈(步骤1111)。所述反馈可以采取任何切实可行的形式，包括存储到计算机可读介质中和/或通过监视器、打印机或任何其他显示设备进行显示。

转向图12，显示了基于使用如上在图6和10A-10B中描述的多领域仿真器来执行气体操作的示例性方法。起初，使用多领域仿真器建立油田的气体操作的模型(步骤1202)。多领域仿真器包括地层的静态模型、地层的动态模型和井模型。此外，多领域仿真器通过耦合静态模型、动态模型和井模型来进行建模。气体操作的建模可以包括：使用多个通用方程来表示在动态模型与静态模型的多个方面之间的交互过程，并将所述多个通用方程转换为多领域耦合模块，所述多领域耦合模块被配置为对静态模型、动态模型和井模型进行耦合。可以将所述多个通用方程转换为多领域耦合模块中的显性表达式，以避免大规模迭代运算。动态模型可以包括化学方面、输送方面、力学方面和/或热学方面。静态模型可以包括岩石物理学方面、地球物理学/地震方面和/或地质学方面。

接下来，基于建模来定义气体操作的开发规划(步骤1204)。在这一点，可以根据该开发规划来执行气体注入(步骤1206)。

此外，可以从地层获得勘测和/或监测数据(步骤1208)，并基于将来自多领域仿真器的仿真数据与该勘测和/或监测数据进行比较来提供反馈(步骤1210)。最后，根据该反馈来执行气体注入(步骤1212)。可以执行在步骤1206中所述的开发规划的同时，或者在气体操作中的任何时间获得所述勘测和/或监测数据。尽管没有示出，但在气体操作期间还可以确定经济性和/或风险评估。

根据先前描述可以理解，在不背离本发明的实际精神的情况下，在其优选和可替换的实施例中可以做出多种修改和改变。例如，可以手动和/或自动地激活本文包括的建模模块以执行预期的功能。可以按照需要和/或基于所产生的数据、检测到的状况和/或对气体注入操作中产生的结果的分析，来执行这个激活。在这些方面中的处理可以是各种空间量级的(微观或宏观的)和时间量级的(秒到分钟到几十年)。

本说明书仅仅是旨在为了举例说明，而不应解释为限制意义的。本发明的范围应仅由附带的权利要求书的文字来确定。在权利要求书中的词语“包括”旨在意味着“至少包括”，以使得在权利要求中叙述的列表是开放式组。“一”及其他单数词语旨在包括其复数形式，除非明确排除在外。

Claims (30)

1.一种用于执行油田的气体操作的方法，所述油田具有其中包含至少一个储层的地层，所述方法包括：

使用多领域仿真器，通过耦合所述地层的静态模型、所述地层的动态模型和井模型来对所述油田的气体操作进行建模，其中，所述多领域仿真器包括所述静态模型、所述动态模型和所述井模型；

基于所述建模来为所述气体操作定义开发规划；并且

根据所述开发规划来执行气体注入。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

基于所述建模来确定所述油田的多个估计特性，其中，所述多个估计特性包括从由容量、吸水性、密封性和经济性构成的组中选择的至少一个；并且

基于将所述多个估计特性与预定标准进行比较，来为所述气体操作选择性地确定所述油田的目标。

3.如权利要求1所述的方法，还包括：

基于所述建模来执行风险评估；

基于所述建模来执行经济性评估；并且

基于所述建模来执行关闭/退役。

4.如权利要求1所述的方法，

其中，所述油田包括从由含盐蓄水层、盐水储层、碳氢化合物储层、流体或地质洞穴构成的组中选择的至少一个，

其中，所述气体操作包括布置具有在从由气相、液相和水合物构成的组中选择的至少一个形式的气体，以及

其中，布置气体包括从由永久性布置和用于稍后生产的临时存储构成的组中选择的至少一个。

5.如权利要求1所述的方法，其中，对所述气体操作进行建模包括：

使用多个通用方程来表示在所述动态模型与所述静态模型的多个方面之间的交互过程；并且

将所述多个通用方程转换为多领域耦合模块，所述多领域耦合模块被配置为对所述静态模型、所述动态模型和所述井模型进行耦合。

6.如权利要求5所述的方法，其中，将所述多个通用方程转换为所述多领域耦合模块中的显性表达式，以避免大规模迭代运算。

7.如权利要求5所述的方法，其中，所述动态模型包括从由化学方面、输送方面、力学方面和热学方面构成的组中选择的至少一个。

8.如权利要求5所述的方法，其中，所述静态模型包括从由岩石物理学方面、地球物理学/地震方面和地质学方面构成的组中选择的至少一个。

9.一种用于执行油田的气体操作的方法，所述油田具有其中包含至少一个储层的地层，所述方法包括：

使用多领域仿真器，通过耦合所述地层的静态模型、所述地层的动态模型和井模型来对所述油田的气体操作进行建模，其中，所述多领域仿真器包括所述静态模型、所述动态模型和所述井模型；

获得从由来自所述地层的勘测数据和监测数据构成的组中选择的至少一个；

基于将来自所述多领域仿真器的仿真数据与从勘测数据和监测数据构成的组中选择的所述至少一个进行比较，来提供反馈；以及

根据所述反馈来执行所述气体操作。

10.如权利要求9所述的方法，还包括：

基于所述建模来确定所述油田的多个估计特性，其中，所述多个估计特性包括从由容量、吸水性、密封性和经济性构成的组中选择的至少一个；并且

基于将所述多个估计特性与预定标准进行比较，来为所述气体操作选择性地确定所述油田的目标。

11.如权利要求9所述的方法，还包括：

基于所述建模来执行风险评估。

12.如权利要求11所述的方法，其中，基于所述反馈来更新所述风险评估。

13.如权利要求9所述的方法，还包括：

基于所述建模来执行经济性评估。

14.如权利要求13所述的方法，其中，基于所述反馈来更新所述经济性评估。

15.如权利要求9所述的方法，其中，对所述气体操作进行建模包括：

使用多个通用方程来表示在所述动态模型与所述静态模型的多个方面之间的交互过程；并且

将所述多个通用方程转换为多领域耦合模块，所述多领域耦合模块被配置为对所述静态模型、所述动态模型和所述井模型进行耦合。

16.如权利要求15所述的方法，其中，将所述多个通用等式转换为所述多领域耦合模块中的显性表达式，以避免大规模迭代运算。

17.如权利要求15所述的方法，其中，所述动态模型包括从由化学方面、输送方面、力学方面和热学方面构成的组中选择的至少一个。

18.如权利要求15所述的方法，其中，所述静态模型包括从由岩石物理学方面、地球物理学/地震方面和地质学方面构成的组中选择的至少一个。

19.如权利要求9所述的方法，其中，基于所述反馈来更新所述静态模型和所述动态模型。

20.一种用于执行油田的气体操作的方法，所述油田具有其中包含至少一个储层的地层，所述方法包括：

使用多领域仿真器，通过耦合所述地层的静态模型、所述地层的动态模型和井模型来对所述油田的气体操作进行建模，其中，所述多领域仿真器包括所述静态模型、所述动态模型和所述井模型；

基于所述建模来执行经济性评价；并且

基于所述经济性评价来执行所述气体操作。

21.如权利要求20所述的方法，还包括：

基于所述建模来执行风险评估。

22.如权利要求20所述的方法，其中，对所述气体操作进行建模包括：

使用多个通用方程来表示在所述动态模型与所述静态模型的多个方面之间的交互过程；并且

将所述多个通用方程转换为多领域耦合模块，所述多领域耦合模块被配置为对所述静态模型、所述动态模型和所述井模型进行耦合。

23.如权利要求22所述的方法，其中，将所述多个通用方程转换为所述多领域耦合模块中的显性表达式，以避免大规模迭代运算。

24.如权利要求22所述的方法，其中，所述动态模型包括从由化学方面、输送方面、力学方面和热学方面构成的组中选择的至少一个。

25.如权利要求22所述的方法，其中，所述静态模型包括从由岩石物理学方面、地球物理学/地震方面和地质学方面构成的组中选择的至少一个。

26.一种计算机可读介质，包含可由计算机执行的指令，用以执行用于油田的气体操作的方法步骤，所述油田具有其中包含至少一个储层的地层，所述指令包括用于以下的功能：

使用多领域仿真器，通过将所述地层的静态模型、所述地层的动态模型和井模型进行耦合来对所述油田的气体操作进行建模，其中，所述多领域仿真器包括所述静态模型、所述动态模型和所述井模型；

基于所述建模来为所述气体操作定义开发规划；并且

根据所述开发规划来执行气体注入。

27.如权利要求26所述的计算机可读介质，所述指令还包括用于以下的功能：

基于所述建模来执行经济性评估。

28.一种计算机可读介质，包含可由计算机执行的指令，用以执行用于油田的气体操作的方法步骤，所述油田具有其中包含至少一个储层的地层，所述指令包括用于以下的功能：

使用多领域仿真器，通过将所述地层的静态模型、所述地层的动态模型和井模型进行耦合来对所述油田的气体操作进行建模，其中，所述多领域仿真器包括所述静态模型、所述动态模型和所述井模型；

获得从由来自所述地层的勘测数据和监测数据构成的组中选择的至少一个；

基于将来自所述多领域仿真器的仿真数据与从由勘测数据和监测数据构成的组中选择的所述至少一个进行比较，来提供反馈；并且

根据所述反馈来执行所述气体操作。

29.如权利要求28所述的计算机可读介质，所述指令还包括用于以下的功能：

基于所述建模来执行经济性评估。

30.如权利要求29所述的计算机可读介质，其中，基于所述反馈来更新所述经济性评估。

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