井筒與油藏耦合數值模擬技術現狀與發展趨勢

高大鵬　王　東　胡永樂

（1.中國石油勘探開發研究院，北京　100083； 2.北京大學地球與空間科學學院，北京　100871；3.中國石化勝利油田采油工藝研究院，山東東營　257000）

井筒與油藏耦合數值模擬技術現狀與發展趨勢

高大鵬1，2王東3胡永樂1

（1.中國石油勘探開發研究院，北京100083； 2.北京大學地球與空間科學學院，北京100871；3.中國石化勝利油田采油工藝研究院，山東東營257000）

從井流量方程、井筒內熱多相管流計算、多段井模型和近井區域加密的擴展井模型等4個方面總結了井筒與油藏耦合數值模擬技術的研究進展，指出目前存在的主要問題包括：復雜結構井流量方程中參數取值誤差很大，不能提供準確的源匯項；高含水階段井筒內多相管流非常復雜，常用的計算流體力學模型誤差很大；非等溫井筒內流固耦合模擬機理認識不清楚，數值計算時間長；模擬多層合采時未考慮縱向非均質性，薄差油層的動用情況與實際不符。提出了基于多相管流計算的多段井模型與油藏耦合的數值模擬技術、擴展井模型與油藏耦合的數值模擬技術、考慮井筒出砂和結蠟等復雜現象的流固耦合數值模擬技術是未來的發展趨勢。

油藏數值模擬；多相管流計算；多段井模型；擴展井模型；流固耦合

長期以來，油藏數值模擬作為油氣田開發過程中一項可信賴的技術，在油藏工程師做大型決策、評價油藏以及診斷和改善油藏產能時發揮了不可替代的作用。油藏數值模擬中任何井模型的基本目的都是提供準確的源匯項。近年來，隨著中國水驅陸相油田開始普遍進入高含水和高采出程度的“雙特高”開發階段，特低滲、低產、低豐度、高黏度邊際油田的開發逐步得到重視，井眼軌跡和井身結構復雜以及安裝了井下監測和調控設備的水平井和多分支井成為現階段老油田挖潛增產和新油田經濟開發的重要技術。

傳統油藏數值模擬中的井模型是一個源匯項，采用固定的井底流壓或產量作為內邊界條件，忽略了井筒內的流體流動過程以及壓力變化，模擬精度對于需要利用油藏數值模擬技術尋找剩余油的老油田而言還遠遠不夠，因此有必要發展井筒與油藏耦合數值模擬技術，其主要目的在于：（1）準確模擬多分支井各分支的流動；（2）準確描述垂直、水平井筒內的熱多相流動；（3）解釋由于摩擦、靜水力、加速度和滑移造成的各相之間的速度差與沿程壓力損失；（4）模擬井下流量控制設備。

1　不斷完善的井流量方程是廣泛應用于井筒模擬的簡化模型

由于井生產監測資料和井筒管流模型的限制，經常不考慮井筒內的多相管流，通過建立井的流量方程簡單表征產量或注入量與井底流壓、地層壓力、井段長度以及壓裂裂縫導流能力等參數之間的關系，并將流量方程作為內邊界條件進行油藏數值模擬。目前直井的流量方程已經非常成熟，研究熱點主要集中在多段壓裂水平井和復雜結構井。

1.1多段壓裂水平井流量方程

近年來國內外學者采用保角變換、鏡像反映、壓降疊加和等值滲流阻力等方法推導了大量多段壓裂水平井解析流量方程，根據假設的地層流體到井筒的不同滲流過程，將多段壓裂水平井流量方程分為3類。第1類是僅考慮地層徑向流和裂縫內線性流兩部分的多段壓裂水平井流量方程，Guo等［1］（1997年）考慮沿裂縫的壓力降和流量變化，提出了貫穿多條垂直壓裂縫的水平井流量方程，相比于前人假設無限導流能力和均勻流裂縫推導的流量方程更為準確。第2類是進一步細分地層流體到壓裂水平井的滲流過程后，Guo等［2］（2008年）在Wei等［3］（2005年）的研究基礎上，將地層線性流、徑向流和裂縫線性流、徑向流進行耦合，提出了相應的水平井流量方程。第3類是Yuan等［4］（2010年）分別考慮從裂縫到井筒和從地層到井筒兩部分流動，提出了壓裂水平井流量方程，與前兩類流量方程的區別在于假設地層內有流體可以直接流入井筒，之前的假設均認為地層內的流體需要先流入裂縫，再從裂縫流入井筒。為了將水平井流量方程轉化為井模型引入油藏數值模擬中，Wan等［5］（2002年）將多段壓裂水平井半解析流量方程求解的井底流壓與網格壓力相結合，計算了模擬所需的井指數。這些多段壓裂水平井流量方程存在很多局限：（1）均考慮的是垂直裂縫，而實際上在淺部地層還可能出現水平裂縫，對于裂縫的形態做了很多簡化；（2）將多相滲流問題簡化為均質單相滲流。應用流量方程雖可對多段壓裂水平井的產能進行簡單預測，但是當地層、完井和壓裂等情況復雜時誤差很大。

1.2復雜結構井流量方程

復雜結構井主要包括3種。第1種是水平方向僅有一個井段并且井眼軌跡呈蛇曲狀延伸的波狀井，常用于貫穿多個獨立的含油氣地質體。Kankom［6-7］（2007年）通過對水平井流量方程進行修正，使之可用于大斜度井、波狀井等。第2種是分支井段在同一層位內且各分支之間存在滲流干擾的多分支井。程林松［8］（1995年）綜合運用數學方法和物理模擬方法推導了多分支井流量方程，Salas等［9］（1996年）的流量方程中進一步考慮了表皮因數的影響，Wolfsteiner等［10］（2000年）考慮地層的非均質性，推導了多分支井流量方程，王曉冬（2006年）［11］則是在水平井當量井徑模型的基礎上基于壓降疊加原理建立了多分支井流量方程。第3種是分支井段在縱向上交錯位于不同油層內且不考慮滲流干擾的多分支井，可將不同的分支段作為獨立的水平井段，進而采用水平井流量方程計算各分支段的流量，然后再進行疊加得到多分支井的流量方程。上述多分支井流量方程均只考慮單相滲流，與實際情況差距較大，Guo等［12］（2007年）利用提出的多分支井組分流量方程，計算了每個分支內各組分的流量，至此多分支井的流量方程趨于成熟。

1.3井流量方程中參數取值誤差很大，不能提供準確的源匯項

現有生產動靜態資料提供的參數不足以模擬井筒內的管流時，采用井的流量方程作為數值模擬中的源匯項，雖然這種方法對于直井較為常用且獲得了較高的精度，但對于處理復雜結構井還存在很多局限：（1）飽和度梯度導致油、氣和水相的相對滲透率在井與井所在網格塊內有所不同，井內的絕對有效滲透率與網格塊內的滲透率平均值不同；（2）傳統商業模擬器如Eclipse和CMG等采用等效網格塊半徑來計算直井的井指數，而對于復雜結構井，等效網格塊半徑是一個錯誤的等效處理；另外，傳統商業模擬器中其他的假設條件和參數取值也更適合直井而不是復雜結構井；（3）傳統商業模擬器中采用有效表皮因數來表征井周圍的污染程度，但它是一個未知的變量，模擬將其作為假設的常量嚴重影響了流量方程的計算精度，由于井產量、氣油比和水油比均對流量方程非常敏感，因此流量方程參數取值的誤差將嚴重影響復雜結構井的模擬精度。

2　井筒熱多相管流計算是井筒與油藏耦合數值模擬的基礎

多相流體在井筒和多孔介質中的流動有本質上的不同，需要分別采用不同的模擬方程和數值求解方法。井筒內的管流與常規管流不同之處在于井壁上會有流體的流入或者流出，這將影響井筒內的流體流型、流體摩擦和加速度壓力損失。特別是對于水平井、波狀井和多分支井等復雜結構井，它們在儲層內的完井段更長，井筒內多相管流也更為復雜，對于井產能的影響也越來越無法忽略。

2.1考慮油氣水三相井筒管流的耦合數值模擬技術

井筒管流作為流體力學的重要部分，通常與油藏滲流的研究相互獨立，為了將兩部分流體流動相互耦合進而對油井產能做出更為準確的預測，在水平井方面，程林松［13］（2002年）在黑油模型的基礎上，建立了考慮水平井井筒壓力損失（包括摩擦、加速度、混合和重力壓力損失）的非均質油藏數值模擬模型。在多分支井方面，Ouyang［14-15］（1998年、2001年）首先提出了多分支井單相井筒管流與油藏滲流耦合的數值模擬模型，該模型能夠確定任意時間油井產能、井指數、井筒壓力剖面以及流入流出量分布。在此基礎上，Chen等［16］（2000年）采用Beggs-Brill關系和Ouyang均勻模型計算了井壁流入流出、加速度和流型的影響，進而提出了考慮油水兩相管流的多分支井的產能模型。

上述模型選擇了不同的井筒水力計算模型建立井筒與油藏耦合數值模擬模型，分別適用于水平井兩相管流、多分支井單相管流和兩相管流，井筒與油藏耦合模擬的整體思路一脈相承。在此基礎上，研究更為復雜的長井筒內三相管流問題成為建立更加精確的井筒與油藏耦合數值模擬的關鍵。Shi［17-18］（2005年）通過實驗得到的三相穩態漂移流動模型成為了井筒多相管流的理論基礎，在此基礎上，Krogstad［19］（2007年）考慮多相流體滑移效應，提出了井筒管流與油藏滲流耦合的模型，在后來的井筒數值模擬研究中被廣泛應用。

2.2考慮井筒內復雜現象的耦合數值模擬技術

實際生產過程中，井筒內可能存在非牛頓流體、水力壓裂、井筒儲存效應、竄流和油揮發等特殊現象，需要對已經建立的三相管流模型進行改進。（1）采取水平井多段壓裂技術增產后，井筒內的流動受壓裂工藝的影響很大，為此，Vicente［20］（2006年）提出了地層滲流與多段壓裂水平井筒管流相互耦合的全隱式數值模型；（2）非牛頓流體在井筒內的流動與達西流體存在很大差別，王明等［21］（2006年）通過計算分支井開采稠油時井筒內壓力降落，建立了多分支井冪律流體滲流的數值模擬模型；（3）試井過程中開關井時的井筒儲存效應、竄流等對產能影響很大，為此Hu［22］（2007年）對三相井筒管流模型中流體相態屬性進行改進，采用隱式方法耦合井筒管流模型和油藏滲流模型，對關井和開井時的井筒儲存效應、氣舉套管管頭和井筒內竄流等現象進行了模擬；（4）開發揮發性油藏時，揮發油對井筒管流影響明顯，而前人提出的模型不能準確模擬揮發油，為此Shirdel等（2009年）［23］對井筒與油藏耦合組分模擬器進行了改進。

2.3考慮井筒內熱多相流動的耦合數值模擬技術

計算流體力學（CFD）軟件近年來發展迅速，主要是基于歐拉雙流體模型，采用多流體體積方法來分析各種流體流動機制，研究井筒內的壓力降落以及物質、熱量交換，比較常用的是FLUENT CFD軟件。例如，Zeboudj［24］（2010年）將CFD首次應用于模擬水平井以不同方式射孔完井時井筒內的流體流動。Yuan［25］（2014年）將CFD應用于模擬高壓高溫井的相流速、壓力和溫度分布。近年來，CFD軟件已經趨于成熟，在井筒管流中的應用也越來越廣泛，但CFD主要適用于直井和水平井，對于復雜結構井和安裝有井下設備的情況應用較少，并且CFD主要應用于單口井筒內熱多相管流計算，還沒有很好地嵌入大型油藏數值模擬器。為此，Livescu［26］（2010年）將提出的熱多相井筒管流模型與斯坦福的通用油藏模擬器GPRS對接，通過將井筒和油藏內的物質平衡方程、能量守恒方程以及壓力降落進行耦合，開展井筒與油藏耦合數值模擬計算。

2.4高含水階段井筒內多相管流非常復雜，常用的CFD模型計算誤差很大

目前常用的CFD模型可以較好的應用于水平井筒多相管流計算，但在高含水階段井筒內的油和水組成了一種具有明顯不同混合流速的乳狀液，CFD模型不能準確模擬這種現象：（1）模型中的很多參數不夠準確，如上部和底部邊界處氣泡的大小、界面規律以及多相之間的物質交換等；（2）高含水階段井筒內不同流型之間的轉換機理認識還不清楚，在CFD模型中無法準確模擬不同流型之間的轉換；（3）CFD模型適用于計算直井和水平井井筒內的管流，在復雜結構井中應用較少；（4）CFD模型在考慮井筒內存在井下設備時模擬不夠準確，然而國內高含水多層油藏普遍采用精細分層注水技術，井筒內管流模擬的難度非常大。

2.5非等溫井筒內流固耦合模擬機理認識不清楚，數值計算時間長

油井生產過程中井筒內形成瀝青質或蠟沉淀的時間和機理還沒有認識清楚，普遍認為壓力、溫度和組分的變化都可能是導致這些沉淀的原因。特別是流體流經流量控制設備后可能會出現嚴重的壓力下降，此時溫度也會出現變化進而加劇瀝青質或蠟沉淀。Thanyamanta［27］（2007年）基于尚不成熟的理論，提出了組分和非等溫效應相結合的流動模型，用以預測油井中的瀝青質沉淀；Trina［28］（2012年）通過將油藏穩態三相非等溫滲流模型與油管內壓力、溫度、流速和持液率剖面的計算模型、蠟沉淀模型三者相互耦合，提出了模擬蠟沉淀過程的油藏數值模擬模型。這兩個模型的關鍵在于模擬了井筒內的溫度分布，因而增加了大量的能量守恒方程，在進行多井區塊綜合數值模擬時都需要耗費大量的時間。

在模擬蒸汽輔助重力泄油（SAGD）開采瀝青或稠油時，通常一個蒸汽室對應一口注蒸汽井和一口生產井，一個SAGD作業點覆蓋附近幾對井。從數值模擬的角度來看，SAGD作業開始時蒸汽室彼此獨立，模擬可以在單一的SAGD井對上執行。隨著加熱和泄油過程的進行，由于壓力連通、汽竄和水層間的相互影響，每一對井不再保持獨立，那么模型中的網格數量將會迅速增加，甚至達到幾百萬個，除了預測各相的流動特征以外，還需要對蒸汽室內的壓力和溫度變化進行模擬，傳統的商業軟件將花費很多的時間來模擬，為此很多學者在求解方法上做了許多改進，例如羅海山等［29-30］（2011年）根據溫度、各相飽和度隨空間變化的快慢在不同區域采用不同尺度網格，提出雙孔雙滲模型下的自適應網格算法及裂縫基質方程的解耦方法。此外，許多大的石油技術服務公司已經投入了大量精力開發新一代模擬工具［31］。

3　多段井模型是油藏數值模擬中處理復雜井筒的關鍵

多段井模型將復雜結構井處理為節點與管的網絡系統，如圖1所示。傳統井模型將井視為一個流體組分均一的混合整體，反映的是向井流動的整體狀態，多段井模型克服了這種近似處理方法帶來的誤差，可以在每一分支井段內產生不同的混合流體，此外還能夠靈活處理各種類型的井，也能處理不同類型的向井流動控制設備、封隔器和環空流等情況。

圖1　多段井模型

3.1多段井模型的發展歷程和主要特點

多段井模型由Holmes［32］（1998年）首次提出并用以模擬復雜結構井，模型中的井筒被劃分為任意多段，段數越多模擬精度越高。之后許多學者在此基礎上進行了諸多改進，如Stone［33］（2001年）將多段井模型應用于組分模擬器，提出了基于多段井模型的熱模擬方法，每段的主要變量包括段壓力、總體摩爾流速、各組分摩爾體積和每段體積的內能。Semenova等［34］（2010年）考慮復雜結構井和儲層內的各流體之間的熱交換、滑移效應造成的流體持液率和摩擦壓力損失，提出了能夠計算復雜井的壓力和溫度剖面的多段井模型，該模型優勢在于能夠應用均質或者滑移流動模型確定井中各相的分布。至此多段井模型已經趨于成熟，Holmes［35］（2010年）結合前人的研究成果，認為先進的多段井模型具有以下幾個特點：（1）可以在井段網絡中任意位置的井段設置壓力限制，而不僅是在井底段；（2）井段的節點和管作為獨立的項來處理，進而可以靈活地模擬許多井下裝置；（3）該模型還可模擬井筒內的熱交換和非達西流。近年來，多段井模型又在模擬井下節流控制設備、水力壓裂方面體現出了不可替代的優勢。例如Edwards［36］（2013年）將多段井模型應用于水力壓裂的模擬中，將裂縫作為井模型的一部分，一個平面裂縫由多段井相互連接的分支構成的網來模擬，如圖2所示，其主要的優勢在于：（1）裂縫網獨立于儲層模擬網格，因而模型的建立更加容易；（2）模擬過程中可以任意增加或改變裂縫；（3）裂縫可與網格線以任意角度相交；（4）裂縫幾何形態及屬性表征更加全面。

圖2　多段井模型表征裂縫示意圖

3.2多段井模型在模擬帶有井下設備的井筒時發揮了巨大作用

采用復雜結構井開發多層油藏時，通常會在井筒內安裝井下流量控制設備（ICD），用于阻礙高速流體的循環流動。油藏中的流體進入環空后經過ICD進入油管內，會在油管和地層之間產生一個額外的壓降，能夠使整個井筒內的壓力降落更為均衡，阻礙高速滲流層的流體流出，有助于形成一個均衡的生產或者注入剖面。長期以來，油藏數值模擬中忽略了ICD的影響，導致無法準確擬合各個層段的剩余油分布。

為了準確模擬井下流量控制設備的影響，Neylon［37］（2009年）首先對多段井模型進行改進，允許一個井段存在任意數量的出口，提出了能夠形成環形流動路徑的多段井模型，環空中流體可以被封隔器堵塞，也可以流經多個ICD（圖3），進而研究了考慮環空內流體流動和不考慮環空內流體流動的多段井模型（圖4）。在此基礎上，Youngs［38］（2009年）提出了兩個封隔器之間有多個ICD存在時的多段井模型（圖5），至此利用多段井模型模擬帶有井下設備的井筒已經非常成熟。

除了利用多段井模型之外，Zarea等［39］（2011年）、趙國忠等［40］（2012年）也分別針對研究的具體問題提出了考慮井下節流控制設備的多分支井產能模型和油藏數值模擬方法，但是模擬精度與多段井模型相比差距很大。國內許多高含水油田采用精細分層注水工藝提高油層動用程度，其復雜且智能化的管柱結構對于油藏數值模擬來說是一個挑戰，因此非常有必要發展多段井模型的研究。

圖3　環空內帶有封隔器和不帶有封隔器的流動

圖4　多段井表征全封隔環空內有流動和無流動示意圖

圖5　封隔器內有多個流量控制設備的情況

3.3模擬多層合采時未考慮縱向非均質性，薄差油層動用情況與實際不符

多層油藏中薄差儲層已經成為老油田挖潛增產的重要對象，然而傳統商業模擬器在模擬多層合采時射開的油層均被動用，這與實際情況明顯不符。造成這種現象的原因是傳統商業模擬器將滲透率很低的薄差油層內的流動仍視為達西流，而室內實驗發現可能存在啟動壓力梯度等非達西現象，因此多層合采時低滲透油層處的內邊界條件應當考慮非達西滲流，這對模擬的精度影響很大，特別對于剩余油相對分散的開發時間長的國內多層砂巖油田，準確擬合薄差油層的開采歷史是找到剩余油的關鍵。

例如在對特高含水階段的大慶長垣杏樹崗油田進行油藏數值模擬時，采用傳統商業模擬器歷史擬合后縱向上各個小層的開采狀況誤差很大，原本取心分析剩余油儲量很大的二類表外儲層模擬時卻被強水洗，主要原因是井在模擬器中的處理誤差很大，低滲表外儲層未考慮非達西滲流現象。

3.4基于多相管流計算的多段井模型與油藏耦合的數值模擬是未來的發展趨勢

多段井模型能夠更細致地表征井筒及環空內的多相管流，通過設置合理的段和節點來計算井筒及環空內不同位置的溫度、壓力、流態和組分構成，傳統的多段井模型主要采用垂直流動性能來簡單表征油管中的流動，忽略了井中的流動動態。如果將多相管流模型與多段井模型進行耦合，不僅是對先進管流模型的延續，更可以充分發揮多段井模型的優勢，然后將其作為油藏滲流方程的內邊界條件進行求解，更準確的說明摩擦、滑移和竄流等引起的壓力損失和井筒與油藏之間的熱交換。此外，不同的完井方式對井附近儲層內的滲流也有很大影響，如射孔數目、位置等，并且采用精細分層注水技術開發時井筒內封隔器和水嘴等井下節流設備也有很大影響，因而建立與多相管流模型耦合的多段井模型可以更精確地模擬井筒和油藏內的流體流動和能量交換。例如Sagen［41］（2011年）建立的油藏、井筒與運輸管線三者耦合模型，實現了從地下到地面的系統模擬，成為新一代耦合模擬器的一次嘗試。

4　擴展井模型和流固耦合為油藏數值模擬的發展提供了新思路

傳統的油藏數值模擬概念中將整個模型分為井筒和油藏兩部分，而擴展井模型中分為井區域和油藏區域，如圖6所示，井區域與井模型的井筒相比還增加了部分近井儲層，這個區域內巖石的非均質性（包括裂縫和近井儲層損害等）都對井產能有直接影響，并且由于高流速和強壓力梯度導致巖石壓縮效應、相變和非達西滲流現象在近井區域內更為嚴重。擴展井模型可以更為精確地模擬這些復雜的近井現象，井區域內網格的形狀、大小和精度根據等壓面的情況以及要求的模擬精度來確定。

圖6　擴展井模型示意圖

在模擬水力壓裂井時，近井瞬時效應和復雜相變特征的影響非常嚴重，如果模擬過程中近井模型的邊界條件不實時發生改變，將導致多相流的模擬出現錯誤的結果。Karimi-Fard［42］（2011年）利用瞬時生產指數與近井網格加密相結合的方法來更新油藏模型，提出了人工壓裂井的模擬方法。在此基礎上，Ding［43］（2011年）提出了一種新的近井流動模型與油藏滲流模型相互耦合的模擬技術，核心在于不斷更新各相的生產指數乘子，通過近井模型的邊界條件和油藏模型的生產指數實時更新及互換實現耦合模擬。該技術在研究多層油藏中的鉆井引發的儲層損害以及水平井堵水方面效果較好。該模型的缺點在于：井生產指數作為重要的耦合模擬銜接參數，對于有貫穿多個網格的長裂縫井來說，采用單一的井生產指數不能表征井與油藏的全部接觸情況，對于低滲儲層中長時間的瞬時流動機制也無法表征。為了彌補這些缺陷，Karimi-Fard［44］（2011年）進一步提出了基于非結構化網格加密技術研究近井效應的高分辨率模型，Nakashima等［45］（2012年）又提出了可以應用于三相黑油模型的近井多相流加密方法，Li等［46］（2013年）又將近井多相流加密技術應用于重油初次開發的粗尺度模擬。總體來看，雖然現階段擴展井模型應用較為局限，但提供了一種精確模擬復雜近井現象的新思路。

4.1基于擴展井模型的油藏數值模擬是未來考慮復雜近井現象的主流技術

隨著對儲層認識精度的不斷提高和開發井網的不斷完善，井附近區域出現的復雜現象也越來越受到重視，同時越來越多的復雜結構井應用于開發低滲透、稠油和復雜斷塊等難采油田，為此有必要將擴展井模型應用于復雜結構井，使之能夠研究井附近區域出現的非達西流、儲層污染和凝析油分離等復雜現象。擴展井模型是一種較為新穎的數值模擬技術，可以根據油藏實際情況自動劃分井區域內的網格，并且隨著計算機處理能力的大幅度提高，也促使井區域內的網格越來越細，模擬精度和效率都有了較大提高。

4.2考慮井筒出砂、結蠟等復雜現象的流固耦合數值模擬也是未來發展的關鍵

關于井的流固耦合數值模擬包括井筒與井筒內流體的耦合、井周圍動態裂縫生長繁殖、流體內混合固體顆粒后的流動等，這幾種復雜的流固耦合數值模擬都是當前研究的熱點。例如在研究砂巖油藏油井出砂現象時，需要結合對出砂機理的認識，綜合考慮混有砂粒的流體在地層中滲流、經過環空內防砂設備的流動以及井筒中管流三個過程進行模擬，進而建立出砂定量預測模型，這對于控制地層出砂、選擇合理的防砂設備具有實際意義。此外，油氣生產過程中瀝青質沉淀和結蠟也是個重要問題，它們如何以及何時開始沉淀還不明確，開發過程中壓力、溫度和組分的變化都是主要誘發因素。流體流經安裝在管柱上的多種類型的流量控制設備可能會導致嚴重的壓力下降，在這些情況下溫度會出現變化，可能會析出瀝青質沉淀或者結蠟，因此也需要深入研究關于井的流固耦合數值模擬。

5　結論

（1）在資料受限或者不考慮井筒內多相管流時可以采用復雜結構井流量方程作為油藏數值模擬的內邊界條件，但隨著對于井筒多相管流認識的不斷深入和管流計算模型精度的不斷提高，復雜結構井數值模擬開始向多段井模型、熱多相管流模型與油藏模型耦合計算的方向發展。

（2）井筒與油藏的耦合模擬已在多個領域中成為熱點，比較成熟的研究成果集中于各種井流量方程、考慮井筒管流的單井產能模型、復雜結構井多段井模型和簡單的擴展井模型等方面，發展趨勢則主要集中在對特殊情況的模擬，如安裝了井下設備、井筒出砂、結蠟和析出瀝青質等等，總體來看是傾向于流固耦合數值模擬方面，目前尚缺乏一個能夠廣泛適用的流固耦合模擬軟件。

（3）先進的井模型需要能夠適應復雜的井軌跡，并且能夠模擬不同的井筒情況，多段井模型是井筒與油藏耦合數值模擬的有力支撐，然而由于多段井模型與油藏模型耦合求解過程中增加了大量的方程和未知數，并且近井區域加密和流固耦合又增加了整個求解系統的復雜性，因此需要更快更穩定的求解方法。

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（修改稿收到日期2015-04-17）

〔編輯朱偉〕

Current status and development tread of coupled wellbore and reservoir numerical simulation technique

GAO Dapeng1,2, WANG Dong3, HU Yongle1
（1. Research Institute of Petroleum Exploration and Development, CNPC, Beijing 100083, China;
2. School of Earth and Space Science, Beijing University, Beijing 100871, China;
3. Research Institute of Oil Production Technology, Shengli Oilfield Company, SINOPEC, Dongying 257000, China）

In this paper, the research progress of coupled wellbore and reservoir numerical simulation technique were summarized from four aspects: well flow equations, wellbore thermal multiphase flow calculation, multi-interval well model, extended well model infilled near wellblock. The paper pointed some main problems: large errors in the parameters of well flow equations, so the accurate source sink term cannot be provided; the multiphase wellbore pipe flow at high watercut stage is very complex, so there are great errors in the commonly used computational fluid mechanics model; the fluid- structure coupling mechanism in non-isothermal well flow is not clearly understood and the numerical calculation takes too long time; simulation of comingled production does not take into account the vertical heterogeneity, and the production of thin reservoirs is not in conformity with reality. The paper presents the concept that the multi-interval model and reservoir coupled numerical simulation technique based on multiphase pipe flow calculation, extended well model and reservoir coupled numerical simulation technique and coupled fluid- structure coupled numerical simulation technique based on sand production and wax scale in the wellbore are the future development tread.

reservoir numerical simulation; multiphase pipe flow calculation; multi-interval well model; extended well model; fluid-structure coupling

TE319

A

1000 – 7393（ 2015 ） 03 – 0053 – 08

10.13639/j.odpt.2015.03.013

國家科技重大專項“高含水油田提高采收率新技術——剩余油分布綜合預測與精細注采結構調整技術”（編號：2011ZX05010-002）和“CO2驅油與埋存潛力評價與戰略規劃”（編號：2011ZX05016-006）。

高大鵬，1989年生。北京大學在讀博士生，現主要從事油藏工程及數值模擬研究。E-mail：gaodapeng2015@petrochina.com.cn。

引用格式：高大鵬，王東，胡永樂.井筒與油藏耦合數值模擬技術現狀與發展趨勢［J］.石油鉆采工藝，2015，37（3）： 53-60.