CN103477248A - 用于估算碳氢化合物生产区域中至少一个参数值的计算方法,以在该区域规划和实施作业 - Google Patents

Abstract

碳氢化合物生产区域中研究参数值的估算方法，包括：a)使用实验工具(12)设计确定作为描述参数函数的匹配参数的主要定律，b)使用模拟工具(11)执行一组实验，其中，对各个实验在几何学上以及物理上模拟该区域，c)根据主要定律确定(110)描述参数的合适值集，d)根据最有可能的值集确定(111)研究参数值。

Description

用于估算碳氢化合物生产区域中至少一个参数值的计算方法,以在该区域规划和实施作业

技术领域

本发明涉及用于估算碳氢化合物生产区域(尤其是页岩气区域)中至少一个参数值的计算方法，以在该区域规划和实施作业。

背景技术

页岩气是从页岩中生成的天然气。它已经成为全球越来越重要的天然气资源，并且有望大幅扩充全球的能源供应。

因为页岩的原生渗透率比较低，所以产自这些区域的商用天然气需要人工裂隙来提供渗透性。这导致该区域的商用作业面临非常复杂且充满竞争的自然局面。这些区域的正确作业将需要基于非常稀少的数据或知识的大量模拟工作。

例如，弗里曼等人阐明了该工作，详见“致密地层天然气和页岩气储存体系性能的数值研究”，SPE124961(“Freeman et al.，“Anumerical study of Performance for Tight Gas and Shale Gas ReservoirSystems"，SPE124961)。在表2中计算了24个案例，3个参数发生变化，即裂隙间距(10，20或25m)，裂隙宽度(1，0.1，0.01或0.001mm)，和朗谬尔体积(Langmuir volume)(0，50，100，200或400scf/ton).”

因此，通过大量的计算工作，研究了极少数的参数，尝试计算了这些参数中极少数的几个不同值。诸如发生在页岩气作业中的复杂现象不能如此简单的方法来模拟。

本发明的目的明显是提高区域估算的精确性进而减少计算时间。

发明内容

为此，根据本发明，提供了用于估算碳氢化合物生产区域中至少一个研究参数值的计算方法。所述区域可用多个描述参数来描述，其中该方法包括：

a)基于用选定的一组所述多个描述参数值集而执行的一组实验，利用实验工具的设计确定作为所述多个描述参数函数的匹配参数的主要定律，

b)使用模拟工具执行所述一组实验，其中，对于所选择组的各个值集，在几何学上以及物理上模拟该区域，而且通过模拟工具估算该组所述匹配参数值，

c)根据主要定律确定所述多个描述参数的合适值集，

d)根据所述合适的值集确定至少一个所述研究参数值。

通过这些特征，执行了参数的彻底筛选，并且得到精确的估算。

当不清楚某些控制参数值且结构可能非唯一时，以上方法是有用的。

在一些实施例中，也可以使用从属权利要求中限定的一个或者多个特征。

根据另一方面，本发明涉及碳氢化合物生产区域作业规划的计算方法，包括生成储层模型。

根据另一方面，本发明涉及碳氢化合物生产区域的作业方法，包括从该区域生产碳氢化合物。

根据另一方面，本发明涉及电脑程序产品，包括当可编程机器载入该该电脑程序产品时，使可编程机器执行该方法步骤的指令。

附图说明

本发明的其他特征和优点将通过下文其中一个作为非限制性示例的实施例及其附图的说明而清晰。

在附图中：

-图1为页岩气区域的示意透视图，

-图2为具有相关支撑的高传导裂隙面的水平气井的页岩气区域示意截面图，

-图3为，展示实验工具设计与模拟工具之间的相互作用的示意图，

-图4为用作模拟工具的网格的分解透视图，

-图5为模拟匹配参数与实验数据的对比图，

-图6为根据实施例的程序流程图，以及

-图7为用于实施该程序的计算机系统的示意透视图。

不同附图中，相同参考标号表示相同或相似部件。

具体实施例

图1示意性展示了实施本发明的区域1。该区域1包括地面2以及多个地底内层3a，3b，3c，3d等。这些内层中至少一个为碳氢化合物生产区域。在本发明的一个具体实施例中，该区域为页岩区域。尽管本发明参照页岩区域描述如下，本发明还可应用于其他种类的碳氢化合物生产区域，尤其是当许多参数和自然现象影响该区域碳氢化合物生产的整体特征时。

如图1所示，区域1设置气井4以及钻井管5，钻井管从气井4伸进页岩层3b。具体是，该钻井管水平地或者接近水平地伸进页岩层。

页岩3b的一小部分如图2所示。图2展示了按照图示水平延伸的钻井管5以及页岩层的3个不同区域。

在实际区域，人工裂隙的特征持续演变，该裂隙从邻近气井一直延伸到完全没有受激影响的岩体处。用于模拟目的，很难再现这种未知的持续演变。但可以使用如下所述的多组支撑的人工裂隙和未支撑或者轻微支撑的裂隙的网格组织来离散表示。法

在第一区域，展现了人工裂隙6。这些裂隙是例如页岩层中的诸如使用水和／或沙子等的人工支撑裂隙。，支撑裂隙6由沙子等填充。各个裂隙沿垂直于钻井管5延伸的平面延伸并距离钻井管延伸一定距离。与系统的其他尺寸相比，裂隙很薄且接近面结构。沿钻井管5的两个相邻裂隙之间的间距s根据不同情况可以为固定的或不固定的。

在第二区域，在包括高传导支撑裂隙6的区域周围的岩体7称为有效受激岩体或ESRV。其包括未支撑或轻微支撑人工裂隙以及可能再次受激的未支撑或者轻微支撑的自然裂隙。

在第三区域，ESRV外的岩体8称为未受激的岩体或USRV。USRV可视为一个没有人工裂隙延伸的岩石基质。虚拟边界9从USRV中界定了ESRV。

该区域碳氢化合物的生产被认为至少被以下描述参数(自然的和／或工程的)控制：

-储存率，包括ESRV和USRV基质中吸收气体的储存率，USRV中游离气体的储存率以及ESRV中游离气体的储存率(孔隙率)。

-传导率，包括基质的渗透率，网格组织(未支撑)裂隙的渗透率和高传导支撑裂隙组的渗透率，以及

-网格组织裂隙和基质之间，网格组织裂隙和支撑裂隙组之间，基质和支撑断隙组之间，ESRV和USRV之间的交换量，包括基质内的吸收／扩散度，根据未支撑的裂隙网格组织的区块大小以及支撑的液压裂隙的表面。

可直接使用这些参数，或者可使用一组不同的参数，例如基于以上参数的不同组合。

这些用于不同参数值的范围的知识在参数之间差别很大。这些参数值区间可以非常宽或者非常窄。例如通过在实验室进行测试和／或实验，一些参数可以实验来确定。例如基质(KMTX)的渗透率以及吸收气体(VL)的储存率情况。

一些其他参数的区间可，比如通过科学文献来确定。例如支撑裂隙(KHF)渗透率情况。

一些其他区间也可以通过区域分析来确定，例如，使用微震图，诸如受激岩体来估算有效受激岩体(ESRV)和／或支撑液压裂隙表面(HFSZ)。

然而，一些其他区间通过实验数据可能很难确认。例如未受激区域(GRV)的储存率，未支撑裂隙(KMF)的渗透率，吸收／扩散度(DYN)，未支撑裂隙网格组织区块大小(σ)，未支撑网格组织裂渗透率积土压力损伤函数(RTNF)以及高传导支撑裂隙渗透率积土压力损伤函数(RTHF)的情况。然而，可以使用一些约束来限制这些区间的大小，例如像未受激区域的储存率，气井的距离，或根据裂隙尺寸注入沙土和水的体积。

岩石物理的和／或动态数据可被用来确定区间。

现在转看图3，本方法的一个实施例在模拟工具11和实验工具设计12之间使用连接器10。工具11和12都例如是软件工具，借此该方法可被计算机处理，将由如下相关图7所释。

模拟工具11为能够在某区域模拟碳氢化合物生产的工具，该区域由上述参数值集和／或视需要被定义为变量的其他参数值集限定。特别是，在模拟工具中，对于上述描述参数值集，几何学上以及物理上模拟相对于这些参数的区域，而且估算出本区域的匹配参数值。该匹配参数可以为，例如初始时间T₀与终止时间T_f之间在模拟区域产生的气体量。然而，匹配参数未必是一个值，也可以为一个函数，例如时间函数，特别是作为时间函数的该区域的生产量。

实验工具设计12为一种工具，能够限定一组执行的实验，并且能够根据上述认定的描述参数确定匹配参数的主要定律。各个实验在于选出上述各参数值并且对于此值集，利用模拟工具11对这些参数值作为实验实施模拟。

例如，实验工具设计12可能将匹配参数MP定义为上述所列描述参数的函数f。具体地，该实验工具设计将考虑以下方程式：

MP=f(P₁，...,P_n).

f可以为，例如一个给定阶数的多项式函数，例如2阶，即上述方程式可写为：

MP=a₀+a₁P₁+...+a_nP_n+a₁₁P₁ ²+a₁₂P₁P₂+...+a_nnP_n ²

函数f可完全被一组K个权重a₀，a₁,...，a_nn限定。因此，对于此线性系统，实施有限数量的实验能够确定这些权重。

通过实验工具设计可典型地选定所执行的实验和确定主要定律的参数。例如，在执行K个实验之后，具有K个方程式和K个未知数(权重)的线性系统可通过任一适当的方法得到解答。

实验工具设计12可进一步包括统计分析工具，如帕雷托工具等。

图4更详细地展示了用于模拟工具11的几何模型。在此具体例子中，三个不同区域6，7和8根据三个不同几何模型模拟。当运行该模拟工具时，这三个模型重叠到一起。图4最上面的第一个模型为高传导支撑裂隙6的模型。该模型的特征在于裂隙的宽度以及受激块体(HFSZ)的交换面。裂隙的液压渗透率(KHF)以及其孔隙率也是这些裂隙的参数。

如图4中间所示，第二个模拟媒介为有效受激岩体(ESRV)。ESRV的参数是其受限于微地震数据的自身体积(ESRV)，基质的渗透率(KMTX)，未支撑裂隙网格组织的渗透率(KNF)以及裂隙密度(σ)。例如假设该体积为单一连接体积，以便简化处理。

如图4下部所见，另一模拟区域是容纳ESRV的未受激岩体(USRV)。它也由自身体积(GRV)限定，并且也由与受激岩体基质相同的基质渗透率限定。

模拟工具能够基于上述输入确定匹配参数值。

图6现在示意地展示了使用上述工具的一个程序实施例的流程图。

在步骤101中，识别控制该区域行为的参数P_i。例如，这些参数是上述所列参数，或这些参数的组合，或者如果其他参数被认为与当前研究无关，仅仅是这些参数中的某些参数。另一个选择是使用上述参数的组合。例如，可以使用注入水体积(V_H2O)，注入沙体积(V_Sand)，用于离散化支撑裂隙的网格单元的尺寸(S_fracgrid)，储层厚度(H_res)，初始裂隙水饱和度(SW)，裂隙网格组织孔隙率(phiNF)，裂隙开度(Delta F)以及ESRV。

在步骤102中，确定各个参数的区间。例如，对于参数P₁，可以确定在实际区域中的数值有可能在区间[P_1,min；P_1,max]中变动。例如基于实验或现有数据可以确定如上所述区间，并且如果熟知参数，这些区间可能非常窄，或者如果该参数具有完全未知值，则区间可能非常宽。一些参数可以为布尔值，由此间隔为[0；1]。

下表为可能的起始区间的示例：

参数	区间值的数量	最小值	最大值	标度
					KMTX	3	2.10-5	5.10-4	对数

KHF	3	200	20000	对数
					KNF	3	0.001	0.1	对数
SIGMA	3	0.001	12	对数
					RTNF	3	函数值低	函数值高	离散
RTHF	3	函数值低	函数值高	离散
					VL	3	1	3	线型
GRV	3	1	3	线型

该区间还可被离散化为离散值。因此，对于每个参数，许多可能的离散值被限定在最小值和最大值之间。这些离散值可通过常用标度，离散刻标度或者根据由模拟器计算或者加入模拟器的其他变量，考虑其参数性质进行必要判断来离散化。进一步说，不同区间的可能离散值的数量可能不同。

离散值也可能是函数，如积土压力的函数RTNF以及RTHF。

在步骤103中，使用实验工具设计12来定义一组实验E_j。各个实验包含各个参数Pu，其具有选自上述区间中的离散值P_u,kuj。因此，如图6所示，实验E_j可由值集限定并且可写为E_j={P_1,klj；...，P_n,knj)。选择实验以便能够根据描述参数来确定匹配参数的主要定律f。

在步骤104中，利用模拟工具11实施各个实验E_j。即对于各个实验E_j，如上述相关图4所示，模拟该区域，并且模拟工具为该实验确定匹配参数MP_j。例如，匹配参数对应于该模拟区域生产6个月后的天然气产量。

在步骤105中，上述模拟结果被再次输入实验工具设计12来根据描述参数确定匹配参数P₁；...；P_n的主要定律f。换言之，在上述例子中，根据上述模拟确定权重a₀，a₁,...a_nn。

在步骤106中，确定在步骤105中确定的函数f是否足够精确。换言之，确定f是否可以可靠地对于一组给定参数值集预测模拟工具的结果。这可以通过比较对于各个实验由模拟工具计算出的匹配参数和对于各个值集由f提供的匹配参数值来确定。

使用预设的临界值执行f的可靠性的比较。或者可执行如下比较：将函数f应用于步骤102中限定的完备参数值集，并且基于函数f，计算各个组合的匹配MP参数值。这些匹配参数MP计算值与生产区域的实验数据或者预测性数据相比较。例如，如果匹配参数MP对应于6个月后区域的产量并且如果已知6个月之后区域的实际产量，则该已知值将和计算值云作比较。如果已知值和计算值之间的距离太大(例如，如果与已知值预设距离内的计算值太少)，则确定函数f可能不够精确，并且该程序可能沿着箭头107退回来。如果函数f判断为精确，该程序将沿着箭头108继续。“距离”，意味着任何能够估算相关参考实验或预测数据模拟结果的精确性的方法。

如果函数判断为f不可靠(箭头107)，程序则退回到步骤101，重新定义主要参数。例如，可以认为初始选择的一个或者多个参数与当前研究无关，或者给出不精确的结果。帕雷托排列图可用来排除参数。例如，USRV可能被忽略。在步骤102，也可能重新定义区间。例如，如果函数f判断为不够可靠，则认为区间可能不够宽，并且可能利用更宽的区间来实施新的运行。对于其他参数，也可以认为区间太宽并将在更窄的间隔上实施新的运行，从而能够检验各个参数更精确的值。对于一个参数也可以执行不同的方案。一个参数可首先被设置在第一子区间中以执行上述程序。然后，在第二个不同子区间中单独执行相同程序。这样，对于各个子区间得到一个函数f。持续进行该程序直到在步骤106中其中一个函数f判断为符合要求(可靠)。

在上述例子中，经过一段时间生产后确定函数f，如6个月。因此f的权重是时间t=6个月时的权重。

当然，以上程序可以在其他时间t执行，因为总能模拟随时间变化的匹配参数值MP(t)。以其他时间点重复上述程序可以将权重定义为时间的函数。如图3右侧所示，执行区间的完备筛选，而且作为时间函数的产量在屏幕上显示出来。实际产量数据以点来表示。

因此，步骤107的一个目的也是获得各区间更精确的描述。

当f判断为符合要求／可靠时，沿着箭头108移动，进至步骤109，在该步骤中根据能够定义f的已确定区间，执行完备筛选并且使用函数f为这些区间的参数值的各个组合计算匹配参数的值MP_ij。该执行所利用的资源较低，因为它仅仅涉及计算多项式或简单函数的值。

在步骤110，从步骤109所确定的值MP_i,j中确定合适的值集P_α，β。例如，在步骤110中选定提供最接近已知值MP₀的值MP_i,j的一组给定参数值集(例如所述合适的是指50组最佳值集)将。因此，在步骤110，基于参数的完备筛选，识别描述所关注区域的50组最佳参数值集。该步骤不涉及任何概率方法。

如实验工具设计所示，下表描述了3个最佳结果：

级别	ESRV	KHF	KNF	RTNF	RTHF	误差
							1	0.263	0.973	-0.942	1	-0.235	0.99
2	0.260	0.973	-1	0.9	-0.135	0.985
							3	0.275	0.95	-0.94	0.8	-0.535	0.95

当然，此表可以持续至最少相关结果。

所有参数值可在-1与1之间测量，如图所示，-1相当于区间的最小值，而+1相当于区间的最大值。

在步骤111中，基于步骤110中所确定的所述匹配值集确定研究参数值。例如，使用模拟工具11确定该值。参数组P_α，β可输入模拟工具，并且模拟工具使用这些参数值执行模拟。例如，研究参数谁未在上述程序(步骤101到110)中使用的参数。它可能是未来区域产量的估算值，比如从生产开始的30年或100年。

如上所说，可使用模拟工具来估算几个月后的产量以便将模拟结果与现有数据进行比较。然而，对于通过步骤110所确定的值集来模拟的区域，可使用模拟工具继续模拟以便估算很长时间之后的产量，例如30年。

对步骤110中选出的各个合适的值集实施模拟，通过该模拟结果的统计分析来估算该值。研究参数不仅是该区域生产气体的估算值，也可以是例如该体积气体产量，共生水产量或者共生原油产量的不确定度的估算值。步骤110所确定的匹配值集的离散度和／或步骤111中应用于选定值的模拟工具结果的离散度可能决定该产量的不确定度。

这样基于上述模拟可决定该区域的作业。

参见图5，小窗口13a描述了作为时间t函数的产量P。对选定参数值集使用模拟工具，各个曲线对应于一个P的估算值。在大窗口13b中，实点对应于前三年的实际产量数据。D表示30年后的离散度。

因此在确定了区域的描述参数后，这些参数可用来规划该区域的作业。这些参数可以被引入该区的储层模型中，以便通过将气井安置在适合的位置来规划其作业。基于此规划，可生产碳氢化合物。

图7展示了一能够执行上述程序实施例的计算机系统13。该计算机系统可具体包含能够运行包括实验工具设计和模拟工具的计算机程序的处理器14。存储器15可储存计算机程序的输入数据或者储存这些程序所产生的数据。计算机系统13还包含能够输入数据或从存储器中读出数据的接口装置16，如键盘，鼠标或屏幕。程序将彼此独立运行并通过适合方式彼此通信，如通过处理单元网络等等。

Claims (15)

1.一种用于估算碳氢化合物生产区域中至少一个研究参数值的计算方法，所述区域通过多个描述参数描述，其特征在于，所述方法包括：

a)基于用选定的一组所述多个描述参数值集而执行的一组实验，利用实验工具的设计(12)确定作为所述多个描述参数函数的匹配参数的主要定律(f)，

b)使用模拟工具(11)执行(104)所述一组实验，其中，对于所选择组的各个值集，在几何学上及物理上模拟该区域，而且通过模拟工具估算该组所述匹配参数值，

c)根据主要定律确定(110)所述多个描述参数的合适值集，

d)根据所述合适的值集确定(111)至少一个所述研究参数值。

2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，步骤d)包括使用所述模拟工具(11)为至少一个所述合适值集进行实验，并且确定作为所述实验结果的至少一个所述研究参数值。

3.根据权利要求1或2所述的计算方法，其特征在于，所述研究参数为另一个参数的不确定度，其中步骤d)包括基于所述合适值集的离散度估算所述不确定度。

4.根据权利要求1至3中的任一个所述的计算方法，其特征在于，在步骤a)中，为各个描述参数限定(102)筛选区间，并且所述组在这些区间中选择。

5.根据权利要求4所述的计算方法，其特征在于，还包括执行至少一次：修改(107)区间，并且为修改的区间重复步骤a)和b)。

6.根据权利要求4或5所述的计算方法，其特征在于，离散值在各区间中列出，并且在步骤c)中，所述主要定律应用于这些离散值的完备组合。

7.根据权利要求4到6中的任一个所述的计算方法，其特征在于，至少基于以下输入中的至少一个确定至少一些所述区间：

-区域的岩石物理数据，

-区域的微震数据，

-区域的动态数据。

8.根据权利要求1到7中的任一个所述的计算方法，其特征在于，在步骤c)中，通过比较该区域测量的或预测的数据(MPO)和从主要定律(f)中所获得估算值来确定合适值集。

9.根据权利要求1到8中的任一个所述的计算方法，其特征在于，描述参数包括该区域的自然和工程参数。

10.根据权利要求1到9中的任一个所述的计算方法，其特征在于，碳氢化合物生产区域是页岩碳氢化合物储层(3b)，包括下述三个区域：

-支撑裂隙(6)，

-外部未受激岩体(8)，

-包括未支撑或轻微支撑的网格组织裂隙(17)的内部有效受激岩体(7)，

以及在步骤b)中模拟所述未受激岩体。

11.根据权利要求10所述的计算方法，其特征在于，描述参数包括在各个区域积土压力下的储存率，传导率和减少的渗透率以及各自区域间的交换量。

12.根据权利要求11所述的计算方法，其特征在于，描述参数从下述参数中选出：

-支撑裂隙的表面积，

-支撑裂隙的渗透率，

-有效受激岩体的体积，

-有效受激和未受激岩体的基质渗透率，

-有效受激岩体中裂隙的渗透率，

-有效受激岩体中裂隙的密度，

-未受激岩体的体积，

-吸收气的储存率，

-扩散／吸收度，

-响应积土压力变化的网格裂隙渗透率

-响应积土压力变化的支撑裂隙渗透率，

或者这些参数的组合。

13.碳氢化合物生产区域作业规划的计算方法，包括：

-根据权利要求1到12中任一个应用该方法，

-生成该区域的储层模型。

14.碳氢化合物生产区域的作业方法，包括：

-根据权利要求13应用该方法，

-从该区域生产(4)碳氢化合物。

15.当计算机程序产品载入可编程计算机时，计算机程序产品包括使可编程计算机根据权利要求1到13中的任一个方法执行步骤的指令。

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