CN110363325B - 复杂断块油藏多目标注采调控优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种复杂断块油藏多目标注采调控优化方法，包括：步骤1，收集目标区块信息，对目标区块进行建模；步骤2，将目标区块按照特征及矛盾划分区域；步骤3，根据各个区块/区域的主要矛盾，对区块设计相应的目标函数；步骤4，利用多目标优化算法对目标函数进行多目标优化；步骤5，在获得的多目标优化结果集合中根据目标函数以及经济效益这些指标选取部分结果作为最终解决方案。该复杂断块油藏多目标注采调控优化方法充分利用现有井网，变“局部高效挖潜”为“分区高效调控”，分区域进行井网、注采调控优化，实现均衡水驱开发,从而解决目前技术中存在的无法改善平面矛盾的问题。

Description

复杂断块油藏多目标注采调控优化方法
技术领域
本发明涉及油气田开发技术领域，特别是涉及到一种复杂断块油藏多目标注采调控优化方法。
背景技术
胜利油区复杂断块油藏主力断块具有一定含油面积，能形成不规则注采井网，进入特高含水期后，由于断层遮挡作用、油藏非均质性强，层间、平面动用不均衡，剩余油分布差异大，特别是在低油价形势下，目前胜利油区复杂断块油藏已经经历多轮次的层系井网调整，缺乏进一步层系细分、井网加密调整的物质基础和经济可行性，油藏调整优化从层系细分重组、井网加密完善提高储量动用程度转变为充分利用目前层系、井网，注采液量调控优化努力实现均衡驱替开发。另外，长期以来，复杂断块油藏开发调整优化过程中主要是根据油藏工程评价认识设置3-4套优化方案，利用油藏数值模拟技术模拟计算确定最优方案，以层系、井网整体最优单一目标为主要的优化目标，没有考虑断块油藏不同构造部位地质、开发特点差异导致的开发不均衡性，由此会加剧驱替不均衡问题。同时人工优化方案设计优化方案数量有限，方案成败与否依赖油藏工程师的专业水平，很难做到科学决策。因此，针对复杂断块油藏面临的平面开发矛盾、目前低油价的形势，我们发明了一种新的复杂断块油藏多目标注采调控优化方法，解决了以上技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现了油藏不同区域均达到最优的目标效果的复杂断块油藏多目标注采调控优化方法。
本发明的目的可通过如下技术措施来实现：复杂断块油藏多目标注采调控优化方法，该复杂断块油藏多目标注采调控优化方法包括：步骤1，收集目标区块信息，对目标区块进行建模；步骤2，将目标区块按照特征及矛盾划分区域；步骤3，根据各个区块/区域的主要矛盾，对各个区块设计相应的目标函数；步骤4，利用多目标优化算法对目标函数进行多目标优化；步骤5，在所获得的多目标优化结果集合中，根据目标函数以及经济效益指标，选取部分结果作为最终解决方案。
本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：
步骤1包括：
(1)根据断块油藏的特点，确定实施的断块油藏区块；
(2)分析油藏注采情况，确定区块适合进行注采调控区域；
(3)收集油藏静态数据；
(4)根据地质参数构建油藏静态模型；
(5)收集油藏动态生产数据；
(6)建立数值模拟模型，进行油藏数值模拟开发计算。
在步骤1中，利用精细地质研究成果对区块建模，之后基于油水井动态数据进行精细数值模拟研究，得到目标区块剩余油分布规律，对目标区块平面注采井生产情况、压力状况、水淹规律、剩余油分布情况进行分析。
在步骤2中，根据油藏的水驱动用情况以及剩余油分布状况，将油藏划分成不同的区域；复杂断块油藏划分为三个区域，分别是高部位断层遮挡难动用带、腰部井间动用不均衡带、低部位高水淹区。
在步骤3中，对于高部位断层遮挡难动用带，该区域油井含水率较低，水驱动用程度较低，在生产开发过程中先不关注产水情况，目标函数确保产油量最大化，见公式3：
Figure BDA0002049546920000071
其中，Ti为总的时间步，t为时间步长，Np为生产井数，
Figure BDA0002049546920000022
为单位时间步第i口生产井产油量，rate为年利率；约束条件为单井极限注采量与最小井底流压。
在步骤3中，对于腰部井间动用不均衡带，该区域油井含水率中等，剩余储量较大，需均匀驱替以降低该区域内部矛盾，尽可能采出更多的剩余油；定义流场强度的均匀程度为流场变异系数，见式(5)，流场变异系数越大代表油藏驱替越不均衡，系数越小代表油藏驱替程度越均匀；目标函数为流场变异系数最小，见式(4)，约束条件为单井极限注采量与注采平衡：
Figure BDA0002049546920000031
Figure BDA0002049546920000032
其中，n是网格数，QINKJ是流过网格的液体量，ΔRwkj是过水倍数， Wij为流场变异系数，Swcj和Swkj分别为生产前后的含水饱和度，
Figure BDA0002049546920000033
为孔隙体积。
在步骤3中，对于低部位高水淹带，该区域油井含水率较高，需要提高注采比，保持油藏整体压力以支撑其他区域的开采情况，保证水线均匀分布有助于抑制异常高低压区的产生，实现正常的水驱开发效率，约束条件为单井极限注采量与累计注采比2:1以上
Figure BDA0002049546920000034
其中，Ti为总的时间步，t为时间步长，Np为生产井数，NI为注入井数,
Figure BDA0002049546920000035
为单位时间步第i口生产井产油量，
Figure BDA0002049546920000036
为单位时间步第j口生产井注水量，rate为年利率，ɑ与b分别为权重系数。
步骤4包括：
(4.1)确定最大迭代次数maxInter、种群数Pop、交叉概率Pc和变异概率Pm；
(4.2)根据油藏对各个注采井的约束条件，随机生成Pop套生产方案；
(4.3)构建外部存档集，确保能够实时的保留优化过程中的最优结果，外部存档集的大小是Pop或者其他数值；
(4.4)将初始化的Pop套方案存入外部存档集；
(4.5)将初始方案中的各个方案随机选择进行交叉变异操作得到新的方案，将新的方案再次存入外部存档集，对存档集进行拥挤距离排序操作后再进行非支配排序操作；
(4.6)删除外部存档集中较差的部分，以使外部存档集内数据不超过外部存档集的大小；
(4.7)多次重复(4.5)(4.6)步，直到达到最大迭代次数maxInter 后停止并输出外部存档集。
在步骤4中，步骤4.5中的非支配排序和拥挤距离排序采用以下方法：
非支配等级：
设xa、xb均为油藏开发可行方案，当满足下列条件时，即称xa与xb相比是Pareto占优的；
Figure BDA0002049546920000041
其中f1～f3在本发明中是指三个区块的目标函数；
①将不被除了它之外任何一个开发方案支配的方案找出，认为它的支配等级为1；
②将所有的支配等级为1的方案从原方案集合中剔除，剩余的开发方案中不被除了它之外任何一个开发方案支配的方案设为2；
③持续进行以上步骤直到将所有的方案全部分配支配等级；
拥挤距离：
①将现存档集中的开发方案按照第一目标f1从小到大排序；
②将排序后的结果中第一个和最后一个拥挤距离设为无穷大，其余的按照以下公式计算：
di＝abs(fi-1-fi+1)/abs(f1-fmax) (2)
其中i＝2...max；abs代表绝对值；fi代表第i个目标；
③不断重复以上方法，将三个目标全部计算完，然后将三个目标的d 全部相加作为该开发方案的拥挤距离。
在步骤5中，根据油田实际生产需求从外部存档集中选择合适的解决方案；选取经济效益最大化结果，或选择某一个目标函数优化效果更好的优化效果，或者各个目标函数均衡优化的生产方案。
本发明中的复杂断块油藏多目标注采调控优化方法，涉及复杂断块油藏高含水期多目标注采调控优化，在给定初始条件下，结合断块油藏地质及开发特点，根据动用差异化程度及影响差异动用的主控因素不同，通过设置多目标优化算法优化目标函数，结合油藏数值模拟技术，在不增加额外投入的前提下，让油藏整体达到最优的注采优化目标效果。
本发明中的复杂断块油藏多目标注采调控优化方法，引入多目标优化机制，首先根据油藏地质、开发特点及开发面临的主要矛盾差异，按照优化目标差异将油藏分成不同差异动用区域，然后利用多目标优化算法对这些互相影响的区域进行优化。本方法充分利用现有井网，变“局部高效挖潜”为“分区高效调控”，分区域进行井网、注采调控优化，实现均衡水驱开发,从而解决目前技术中存在的无法改善平面矛盾的问题。本发明将油藏数值模拟方法与最优化理论方法结合，针对不同主控因素主导下的动用不均衡区设置目标函数及约束条件，自动搜索求解最优解，有效动用非主流线剩余油，实现了油藏不同区域均达到最优的目标效果。
附图说明
图1为本发明的复杂断块油藏多目标注采调控优化方法的一具体实施例的流程图；
图2为本发明的一具体实施例中目标断块油藏数值模拟含油饱和度图；
图3为本发明的一具体实施例中多目标优化流程图；
图4为本发明的一具体实施例中理论区块渗透率场图；
图5为本发明的一具体实施例中特征区块剖面图；
图6为本发明的一具体实施例中特征区块开始优化时含有饱和度的示意图；
图7为本发明的一具体实施例中特征区块分区示意图；
图8为本发明的一具体实施例中特征区块多目标优化前沿示意图；
图9为本发明的一具体实施例中特征区块优化前后累计产油量对比图；
图10为本发明的一具体实施例中特征区块优化前后含水率对比图；
图11为本发明的一具体实施例中特征区块优化前后含水率-累计产油量对比图；
图12为本发明的一具体实施例中特征区块优化前后注入量-产油量对比图；
图13为本发明的一具体实施例中特征区块优化前后压力对比图；
图14为本发明的一具体实施例中特征区块优化前后第一目标对比图；
图15为本发明的一具体实施例中特征区块优化前后第三目标对比图；
图16为本发明的一具体实施例中特征区块第二目标优化前效果图；
图17为本发明的一具体实施例中特征区块第二目标人工调节效果图；
图18为本发明的一具体实施例中特征区块第二目标优化后效果图；
图19为本发明的一具体实施例中特征区块优化前剩余油饱和度图；
图20为本发明的一具体实施例中特征区块人工调节剩余油饱和度图；
图21为本发明的一具体实施例中特征区块优化后剩余油饱和度图；
图22为本发明的一具体实施例中特征区块优化前流线场图；
图23为本发明的一具体实施例中特征区块人工调节流线场图；
图24为本发明的一具体实施例中特征区块优化后流线场图。
具体实施方式
为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。
如图1所示，图1为本发明的复杂断块油藏多目标注采调控优化方法的流程图。
在步骤101中，利用eclipse油藏模拟软件对目标区块进行数值模拟，其中图2为典型断块模型区块示意图。利用精细地质研究成果对区块建模，其中图4为所构建的理论区块示意图，根据断块油藏的特点，地层有一定的倾斜角，所以如图5所示，区块剖面图有一定的倾斜角。为了能够体现油藏开发后期的特点，让油藏生产一段时间，实现部分井含水率到达85％以上，其中剩余油饱和度如图6所示。之后基于油水井动态数据进行精细数值模拟研究，得到目标区块剩余油分布规律，对目标区块平面注采井生产情况、压力状况、水淹规律、剩余油分布情况进行分析，流程进入步骤 102。
在步骤102中，根据目标区块水淹及水驱动用情况，将油藏分为不同区域，本目标区块划分为高中低三个主要的部位，其中高部遮挡区平均含油饱和度为0.47，剩余可采储量为22.9万吨，占全部可采储量的28.2％；中部滞留区平均含油饱和度为0.4，剩余可采储量为36万吨，占全部可采储量的44.2％；低部水淹区平均含油饱和度为0.28，剩余可采储量为22.5 万吨，占全部可采储量的27.6％。不同区域含油饱和度情况如图7示，流程进入步骤103。
在步骤103中，根据步骤102所确定的划分区域部位，确定三个区域各自的目标函数。
(1)高部位断层遮挡难动用带，该区域油井含水率较低，水驱动用程度较低，在生产开发过程中先不关注产水情况，目标函数确保产油量最大化，见下式，约束条件为单井极限注采量与最小井底流压。
Figure BDA0002049546920000071
(2)腰部井间动用不均衡带，该区域油井含水率中等，剩余储量较大，需均匀驱替以降低该区域内部矛盾，尽可能采出更多的剩余油。定义流场强度的均匀程度为流场变异系数，见式(5)，流场变异系数越大代表油藏驱替越不均衡，系数越小代表油藏驱替程度越均匀。目标函数为流场变异系数最小，见式(4)，约束条件为单井极限注采量与注采平衡。
Figure BDA0002049546920000081
Figure BDA0002049546920000082
(3)低部位高水淹带，该区域油井含水率较高，需要提高注采比，保持油藏整体压力以支撑其他区域的开采情况，保证水线均匀分布有助于抑制异常高低压区的产生，实现正常的水驱开发效率，约束条件为单井极限注采量与累计注采比2:1以上，流程进入104。
Figure BDA0002049546920000083
以上公式符号含义分别为：
Ti为总的时间步，t为时间步长，Np为生产井数，NI为注入井数,
Figure BDA0002049546920000086
为单位时间步第i口生产井产油量，
Figure BDA0002049546920000084
为单位时间步第j口生产井注水量，rate为年利率，Wij为流场变异系数，Swcj和Swkj分别为生产前后的含水饱和度，
Figure BDA0002049546920000085
为孔隙体积，ɑ与b分别为权重系数，本目标区块分别取值为1500与10。
在步骤104，利用多目标优化算法对断块油藏分区优化模型进行优化。具体步骤为：
(1)确定最大迭代次数为50次，交叉概率Pc为0.6，变异概率Pm为 0.1。随机生成50套开发方案，并标号分别为1～50号开发方案，利用油藏数值模拟软件对目标区块进行模拟，模拟完成后计算不同目标的数值，并存入存档集。
(2)将所有数据均转换为二进制数据，对于所有的第m个开发方案，随机选取第n个开发方案(n与m不相等)，将两个方案进行交叉变异生成新的解决方案并存入外部存档集。
(3)将外部存档集按拥挤距离排序后按非支配等级排序，然后删除超出存档集数量的较差的解。
(4)往复迭代第(4.2)与(4.3)步到达最大迭代次数50代，输出外部存档集。将外部存档集中，NPV值最大的开发方案，三个目标分别最优的开发方案，以及三个目标效果均衡的开发方案取出作为最终方案的备选方案，流程进入步骤105。
在步骤105中，根据油田实际生产需求从外部存档集中选择合适的解决方案。可以选取经济效益最大化结果，也可以选择某一个目标函数优化效果更好的优化效果，或者各个目标函数均衡优化的生产方案。
具体实例：
1.首先根据断块油藏的特点建立特征模型。
为了有更强烈的平面矛盾，建立的渗透率场如图4所示，其中深色区域为高渗区域，浅色为低渗区域。根据断块油藏的特点，地层有一定的倾斜角，所以如图5所示，区块剖面图有一定的倾斜角。
为了能够体现油藏开发后期的特点，让油藏生产一段时间，实现部分井含水率到达85％以上，其中剩余油饱和度如图6所示。
2.根据油藏的平面矛盾，对油藏进行分区，按照上中下分为三个部分，三个部分如图7所示。
其中高部位为断层遮挡部位仅有一口水井含水率较低，需要提高采油量；腰部井间动用不均衡带井间弱驱部位有大量聚集于不同区域的剩余油，需要注采流线调整实现均衡水驱；低部位高水淹带为强驱部位含水率较高，需要人工边水驱提高驱油效率。
3.使用多目标算法对目标区块进行多目标优化，具体步骤如下：
(1)确定最大迭代次数为50次，交叉概率Pc为0.6，变异概率Pm为0.1。随机生成50套开发方案，并标号分别为1～50号开发方案，利用油藏数值模拟软件对目标区块进行模拟，模拟完成后计算不同目标的数值，并存入存档集。
(2)将所有数据均转换为二进制数据，rand是一个0到1之间的随机数，对于所有的第m个开发方案，随机选取第n个开发方案(n与m不相等)，将两个方案进行交叉变异生成新的解决方案并存入外部存档集。
(3)将外部存档集按拥挤距离排序后按非支配等级排序，然后删除超出存档集数量的较差的解。
(4)往复迭代第(2)与(3)步到达最大迭代次数50代，输出外部存档集。得到的存档集在笛卡尔坐标系中如图8。将外部存档集中，NPV 值最大的开发方案，三个目标分别最优的开发方案，以及三个目标效果均衡的开发方案取出作为最终方案的备选方案。
Figure BDA0002049546920000101
其中Δt为时间步长，d为通货膨胀率，本次实验分别设为60天，通货膨胀设为0。中括号内为所有油井产收益减去污水处理花费再减去水井注入花费。变量含义分别为，a为油价，Qo为油井产油量，j为第j口油井，b 为污水处理单价，Qw为产水量，c为水价，Qwi为注入量。其中a为1500，b 为20，c为10。
(5)选取三个目标优化效果均衡的开发方案，该方案与人工调节方案以及初始方案对比结果如图9-13所示；优化前后不同目标的优化情况如图14-18所示，其中图16-18是优化前后中部区域流场强度对比图，优化后流场强度变得更加均匀；图19-24为优化前后剩余油与流线场对比图，优化过后生产效果有着显著改善。其中人工调节方案为提高INJ-02的注入量，降低PRO-05的采出量，提高PRO-02，PRO-04以及PRO-07的采出量。表1给出了三个方案的目标函数值，由图表可以看出多目标算法优化过后，不同目标均有着显著的优化，高部产油量明显提升，中部流场强度变得更加均匀，低部目标函数也有显著改善。
表1优化前后不同区域目标函数优化效果表
Figure BDA0002049546920000102
Figure BDA0002049546920000111
本发明中的特高含水期断块油藏多目标注采调控优化方法，首次提出了针对特高含水期断块油藏注采程度不均衡的差异化的多目标注采优化方法，根据油藏特征及剩余油富集模式差异及导致注采不均衡主控因素不同，合理设置分块分区、针对性建立注采调控目标函数，注采调控适配剩余油分布，实现均衡开发，进一步提高特高含水期断块油藏采收率工作，特别是针对已开发断块油田，具有一定的技术引领作用，为断块油藏高含水期的高效挖潜与提高采收率技术应用提供决策依据，其推广应用前景广阔，经济社会效益显著。

Claims (4)

1.复杂断块油藏多目标注采调控优化方法，其特征在于，该复杂断块油藏多目标注采调控优化方法包括：
步骤1，收集目标区域信息，对目标区域进行建模；
步骤2，将目标区域按照特征及矛盾划分区域；
步骤3，根据各个区域的主要矛盾，对区域设计相应的目标函数；
步骤4，利用多目标优化算法对目标函数进行多目标优化；
步骤5，在获得的多目标优化结果集合中选取经济效益最大化结果，或选择某一个目标函数优化效果更好的优化效果，或者各个目标函数均衡优化的生产方案作为最终解决方案；
在步骤2中，根据油藏的水驱动用情况以及剩余油分布状况，将油藏划分成不同的区域；复杂断块油藏划分为三个区域，分别是高部位断层遮挡难动用带、腰部井间动用不均衡带、低部位高水淹区；
在步骤3中，对于高部位断层遮挡难动用带，该区域油井含水率低，水驱动用程度低，在生产开发过程中先不关注产水情况，目标函数确保产油量最大化，见公式(3)：
Figure FDA0003455994550000011
其中，f1为高部位目标函数，n为时间步，i为生产井序号，Ti为总的时间步，t为时间步长，Np为生产井数，
Figure FDA0003455994550000012
为单位时间步第i口生产井产油量，rate为年利率；约束条件为单井极限注采量与最小井底流压；
对于腰部井间动用不均衡带，该区域油井含水率中等，剩余储量大，需均匀驱替以降低该区域内部矛盾；定义流场强度的均匀程度为流场变异系数，见公式(5)，流场变异系数越大代表油藏驱替越不均衡，系数越小代表油藏驱替程度越均匀；目标函数为流场变异系数最小，见公式(4)，约束条件为单井极限注采量与注采平衡：
Figure FDA0003455994550000021
Figure FDA0003455994550000022
其中，f2为腰部位目标函数，m为网格数，k为网格编号，Wk为第k个网格的流场变异系数，ΔRwk是流过网格k过水倍数，Swck和Swk分别为网格k生产前后的含水饱和度，QINk是流过网格k的流体流量，Vk为网格k的体积，φk为网格k的孔隙度；
对于低部位高水淹区，该区域油井含水率高，需要提高注采比，保持油藏整体压力以支撑其他区域的开采情况，保证水线均匀分布有助于抑制异常高低压区的产生，实现正常的水驱开发效率，约束条件为单井极限注采量与累计注采比2:1以上
Figure FDA0003455994550000023
其中，Ti为总的时间步，t为时间步长，Np为生产井数，NI为注入井数,
Figure FDA0003455994550000024
为单位时间步第i口生产井产油量，
Figure FDA0003455994550000025
为单位时间步第j口生产井注水量，rate为年利率，ɑ与b分别为权重系数；
步骤4包括：
(4.1)确定最大迭代次数maxInter、种群数Pop、交叉概率Pc和变异概率Pm；
(4.2)根据油藏对各个注采井的约束条件，随机生成Pop套生产方案；
(4.3)构建外部存档集，确保能够实时的保留优化过程中的最优结果，外部存档集的大小是Pop或者其他数值；
(4.4)将初始化的Pop套方案存入外部存档集；
(4.5)将初始方案中的各个方案随机选择进行交叉变异操作得到新的方案，将新的方案再次存入外部存档集，对存档集进行拥挤距离排序操作后再进行非支配排序操作，删除外部存档集中排序最末的部分，以使外部存档集内数据不超过外部存档集的大小；
(4.6)多次重复(4.5)步，直到达到最大迭代次数maxInter后停止并输出外部存档集。
2.根据权利要求1所述的复杂断块油藏多目标注采调控优化方法，其特征在于，步骤1包括：
(1)根据断块油藏的特点，确定实施的断块油藏区域；
(2)分析油藏注采情况，确定区域适合进行注采调控区域；
(3)收集油藏静态数据；
(4)根据地质参数构建油藏静态模型；
(5)收集油藏动态生产数据；
(6)建立数值模拟模型，进行油藏数值模拟开发计算。
3.根据权利要求1所述的复杂断块油藏多目标注采调控优化方法，其特征在于，在步骤1中，利用精细地质研究成果对区域建模，之后基于油水井动态数据进行精细数值模拟研究，得到目标区域剩余油分布规律，对目标区域平面注采井生产情况、压力状况、水淹规律、剩余油分布情况进行分析。
4.根据权利要求1所述的复杂断块油藏多目标注采调控优化方法，其特征在于，在步骤4中，步骤4.5中的非支配排序和拥挤距离排序采用以下方法：
非支配等级：
设xa、xb为两种开发方案，fu(xa)是xa的第u个目标函数，fu(xb)是xb的第u个目标函数,fv(xa)是xa的第v个目标函数，fv(xb)是xb的第v个目标函数,当满足下列条件时，即称xa与xb相比是Pareto占优的；
Figure FDA0003455994550000041
其中f1～f3是指三个区域的目标函数；
①将不被除了它之外任何一个开发方案支配的方案找出，认为它的支配等级为1；
②将所有的支配等级为1的方案从原方案集合中剔除，剩余的开发方案中不被除了它之外任何一个开发方案支配的方案设为2；
③持续进行以上步骤直到将所有的方案全部分配支配等级；
拥挤距离：
①将现存档集中的开发方案按照第一目标f1从小到大排序；
②将排序后的结果中第一个和最后一个拥挤距离设为无穷大，其余的按照以下公式计算：
dr＝abs(f1,r-1-f1,r+1)/abs(f1,r-f1,max) (2)
其中r为外部存档集中的排序后的第r个方案，最后一个设为max，r＝2…max；abs代表绝对值；f1,r代表第一目标f1第r个方案结果；
③不断重复以上方法，将三个目标全部计算完，然后将三个目标的拥挤距离全部相加作为该开发方案的拥挤距离。
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