專利名稱：一種基于梯度算法的自適應井網優化方法
一種基于梯度算法的自適應井網優化方法技術領域
本發明屬于油氣田開發領域，具體地，涉及大規模油田開發過程中的井網優化方法，在給定初始井網參數的條件下，結合油藏數值模擬，通過優化算法優化目標函數，在保證計算效率的同時獲得與實際油藏相適應的經濟可行的最優井網形式，提高油藏最終采收率。
背景技術：
目前世界上越來越多的油田進入開發后期，油氣資源急劇減少，勘探發現新油氣資源難度加大，如何最大程度提高油氣產量及經濟凈現值成為油氣開發的關鍵。油田生產優化新方法的開發是石油工作者亟待解決的問題，布井優化憑借其優勢逐步成為油藏開發中獨立而關鍵的課題。
油田開發方案以降低生產成本、提高穩產時間及采收率為主要研究目標，油田注采井的布局是油藏優化開發的關鍵。油田布井優化是通過調整油水井井位布局以實現生產效益的最大化，由于油藏井網優化問題控制變量多，如優化策略的多樣性(井距優化、注采優化)，相關參數的多樣性(①地質參數油藏結構、滲透率分布、飽合度分布、流體接觸面等；②生產參數井位、井數、井型、采油速度等；③經濟參數產液成本、鉆井成本等)，因此研究過程中面臨的困難無論從規模還是復雜性上都是可想而知的。
長期以來，井網優化設計主要依靠人為經驗，輔助以油藏數值模擬進行多方案測試調整，最終優選較好的方案進行現場實施。但由于油藏非均質性強，物性差異大，人為選擇井網很難判別最優的井網類型、尺度及角度，不能找到適合于該油藏的最優井網布局，具有較大的局限性。近幾年來，現場工程技術人員提出了矢量井網設計理念，它是依據簡單的滲透率關系設計單個井網單元油水井的距離，對于數量較少的幾口井較為適用，但是對于大規模布井，就很難得到所有單元相對應的最優井網尺寸、井網類型及油水井的間距等指標。因此可以看出，傳統的井網設計方法效率低，不能得到整體最優的井網形式，有待對其進行改進，滿足實際油田開發的要求。
本發明者特設計了 “一種基于梯度算法的自適應井網優化方法”，用于快捷簡便地優化井網形式，得到有利于工程人員參考的最優井網形式、油水井的間距、夾角、井網的走向等參數。發明內容
針對現有技術的不足，本發明的目的是針對大規模油藏開發進行井網優化，提出了基于梯度算法的井網優化方法。該方法引入新的井網改進構建形式，在考慮井網單元形式的同時考慮油田的注采情況，結合優化算法尋找最優井網布局，旨在解決目前國內井網優化方面存在的計算效率低、精度小、全局性差等問題。
為實現上述目的，本發明采用以下技術方案
一種基于梯度算法的自適應井網優化方法，其特征在于，包括如下步驟
(I)、獲取油藏資料，建立三維數字化油藏地質模型，進行油藏數值模擬；
(2)、構建自適應規則井網單元，生成井網；
(3)、計算經濟效益，評價初始井網；
(4)、設定參數，為井網優化做準備；
(5)、使用梯度方法，優化單元構建參數，生成新的井網；
(6)、計算并評價新井網的經濟效益，再迭代運算，直到生成最優井網。
優選地，上述步驟I具體包括如下步驟
(11)、查明油藏內油氣聚集的有利地帶，選定布井有利的油田區塊；
(12)、搜集油藏靜態資料；
(13)、建立三維數字化油藏地質模型；
(14)、搜集油藏動態資料；
(15)、整合靜態資料及動態資料，構建油藏數值模擬模型，進行開發模擬計算。
優選地,步驟2具體包括如下步驟
(21)、選定井網類型，預估初始參數，采用6參數井網單元構建方法，生成初始自適應井網單元。
6參數是指井距、排距、旋轉角、剪切角、橫向及縱向平移距離，使用它們能夠得到單元不同的幾何形變，通過優化這6個參數，間接實現了自適應井網的最優化。
(22)、基于初始自適應井網單元，在油藏區域內進行展布，生成自適應井網；
(23)、將生成的井網匹配商業油藏模擬器角點網格，設定井位。
優選地，井網類型包括四點井網、五點井網、七點井網及九點井網。
優選地，步驟3的具體步驟如下
依據油藏模型和已得到的井網布局，設定適宜的總注采量，利用商業油藏數值模擬軟件模擬油田開發，記錄其產油量、產水量及注水量，考慮每口井的鉆井成本，計算經濟效益，評價井網的優劣。
優選地，步驟4的具體步驟如下
(41)、設定井網可調整尺度的最大及最小值，設定參數包括6個井網單元構建參數和注采總量；
(42)、設定總模擬時間及更新井網參數的步長。
優選地，步驟5的具體步驟如下
(51)、分別擾動6個井網單元構建優化參數，求生產經濟凈現值相對于每一個參數的偏導數；
(52)、更新井網構建參數；
(53)、生成新的井網，搜尋更好的井網形式；
優選地，步驟6的具體步驟如下
(61)、若效益變好，重復步驟2-6，直到生成最優井網。
(62)、若效益變差，縮短步長，重復步驟5-6，直到效益變好為止；此后，再重復步驟2-6，直到生成最優井網。
由最優井網可以知曉油藏中最優的井數、不同位置井的類型(注水井或生產井)， 每口井的注采量及相應井網布局下的經濟凈現值。利用優化得到的參數，可以計算得到最優井網所對應的井網單元尺寸、井網單元的夾角、方位角、單元所處最優的平面位置等參數，根據油田實際情況，進行校正后現場實施。
本發明與現有技術相比，本發明具有如下優點
I、利用最優化理論進行井網優化，能夠找到最優的井網形式。
人為設定多組井網參數進行模擬對比的方法能夠找到相對較好的井網形式，但該井網限于參數的大小和組合形式，很難找到最優井網。本發明最大的優勢在于將油藏模擬與最優化理論相結合，自動調參匹配油藏，設計適應該油藏的最優井網，得到有利于工程人員參考的最優井網形式、油水井的間距、夾角、井網的走向等參數。
2、提出了井網單元的構建方法，通過6個構建參數的調整達到井網變更的目的。
梯度求解方法每算得一個參數的偏導數就需要一次油藏數值模擬，實際油藏模擬一次常耗時幾小時甚至幾天，因此參數過多將大大影響優化的速度。通過簡化，本發明提出了 6參數井網構建方法，僅需要6+1次油藏模擬就能得到井網參數的梯度。
3、將井網優化與注采優化相結合，優化不同井網形式下的最優注采量。
不同的井網要求注采的條件也是不相同的，配合上述6參數，本發明考慮油藏的總注采量，在優化井網形式的同時得到其相應最適宜的注采總量。
4、能夠對多種規則井網實現優化，包括四點、五點、七點、九點井網。
參數構建的方法不僅僅適用于最常見的五點井網，對于其他的四點、七點及九點井網，本發明采用6參數方法均能井網的構建，并對其進行優化。
圖I為本發明基于梯度算法的自適應井網優化方法流程示意圖2為五點井網示意圖
圖3為七點井網示意圖
圖4為九點井網示意圖
圖5為五點井網剪切變換示意圖
圖6為七點井網剪切變換示意圖
圖7為五點井網旋轉變換示意圖
圖8為七點井網旋轉變換示意圖
圖9為五點井網放縮變換示意圖
圖10為七點井網放縮變換示意圖
圖11為五點井網平移變換示意圖
圖12為七點井網平移變換示意圖
圖13為五點井網形變示意圖
圖14為多單元相互組合五點井網示意圖
圖15為井位與網格匹配示意圖
圖16為三維非均質油藏地質模型示意圖
圖17為初始控制參數下的五點井網單元示意圖
圖18為初始控制參數下的五點井網三維地質模型示意圖
圖19為初始控制參數下的五點井網示意圖
圖20為五點井網單元形變示意圖
圖21為最終五點井網井位分布示意圖具體實施方式
下面結合附圖，對本發明作進一步描述。
如圖I所示，基于梯度算法的自適應井網優化方法，包括如下步驟
步驟1，獲取油藏資料，建立三維數字化油藏地質模型，進行油藏數值模擬。
油藏數值模擬是在電腦上用數字化的方式呈現油田開發的全過程，集合油藏、流體、井位于一體，能夠模擬油、氣、水在地層中的流動，預測剩余油的分布、原油的產量、油田的含水上升率，優選最優開發方案，指導現場生產。
具體步驟如下
(11)、查明油藏內油氣聚集的有利地帶，選定布井有利的油田區塊；
從區域出發，進行油藏的整體調查，了解地質概況，查明油氣聚集的有利地帶，并進行油氣地質儲量的估算，選定有利區域進行布井開發。
(12)、搜集油藏靜態資料
在已控制含油面積內，打資料井，通過錄井、取心、鉆桿測試、測井解釋所取得的資料，得到地層的巖性、孔隙度、滲透率及含油飽合度參數，進行詳細的地層對比，搞清楚油層的性質及分布，搜集井口坐標、井斜校正數據、油藏頂深、分層數據、小層數據。
(13)、建立三維數字化油藏地質模型
將地質、測井、地球物理資料和各種解釋結果或者概念模型綜合在一起生成三維數字化油藏地質模型。
(14)、搜集油藏動態資料
獲取油藏流體及巖心，通過實驗得到油藏流體(組分)參數、巖石物性參數，確定油藏初始條件(油水界面、油氣界面、壓力梯度)及生產動態數據(射孔完井數據、試油及試采數據、注采井動態數據日產油、日產液、日產氣、日注水、井底流壓)。
(15)、整合靜態資料及動態資料，構建油藏數值模擬模型，進行開發模擬計算
整理得到的靜態資料及動態資料，給出油水生產歷史，構建油藏數值模擬模型，進行油藏開發油、氣、水的流動模擬計算。這里構建的油藏數模模型就類似于將真實的油藏搬到了電腦上，是一種數字化的油藏，其埋藏在地下的深度、鉆井的位置、各層的屬性、流體的屬性均與實際油藏相一致。在此基礎上，可以在不同的部位布井，設計不同的井網形式，修改油水井井數的比例，通過模擬開發找出最優的井網形式。
步驟2，構建自適應井網單元，生成井網。
面積井網包括多種形式，最典型包括四點、五點、七點及九點井網，每種井網由多個相同井網單元構成，因此，只需要優化出單個井網單元的邊長、方位角及邊長間的夾角， 就能夠確定該油藏最優的井網布局。這類井網根據油藏的不同，自動得到與之相適應的最優井網單元尺寸、井數、注采井數比，所以是一種新的自適應井網。其具體步驟為
(21)、選定井網類型，預估初始參數，采用6參數井網單元構建方法，生成初始自適應井網單元
選用6參數構建井網形式井網單元尺寸變化量(Λ a、Ab)、井網單元夾角(Θ)、單元旋轉角度(Y)、橫向平移距離(Λχ)和縱向平移距離(Ay)，由這6個參數可以實現井網單元尺度縮放、旋轉、剪切及平移的多種演變形式，實現對油藏的自適應。由于規則井網類型較多，這里選取最典型的矩形井網(五點井網)和三角形井網(七點井網)描述井網單元的構建思路。
(211)、井網構建方法
根據油藏特性，依據現場施工人員的經驗，設定單元中心點坐標(X，y)及井網單元的6個基本參數，確定井網的基本形式，如圖2-4所示。因為此項發明的目標是優化得到最優的井網，所以要求該井網形式是可以調節、可以變換的。依據面積規則井網的幾何結構，如果6個參數發生改變，可以衍生出四種變換方式旋轉，剪切，放縮和平移，這樣才能夠對這些參數進行優化、改變，以至得到更好的井網形式。變換方式定義如下
①剪切
本發明井網單元的側向變形通過剪切角度實現，在發生側向剪切角度Y后，五點井網的A'B*點發生了側移，七點井網由的2'3'5*和6*也發生了側移，這樣實現了不同剪切角度井網的構建，剪切變形之后，井組的幾何形狀發生變化，如圖5-6所示。
②旋轉
通過剪切變形不能完全構建出井網的方位和走向，還需要結合井網的旋轉，如當井網沿順時針方向旋轉Θ后，原始井網可以演變成為新的井網形式，但基本幾何形狀不會發生變化，如圖7-8所示。
③放縮
通過增加或者減少井網單元尺寸a和b，井組就可以在尺度上進行自由地變換，五點井網由初始井網單元A-D變為A*-D%七點井網由1-6變為1*-6%這樣實現了不同尺度井網的構建，如圖9-10所示。
④平移
經歷上述3種變換后，井網單元仍是處于原地發生形變，并沒有發生位移，為了使得構建的井網符合演變的所有特征，構建井網的變量增添了平行移動距離ΛΧ和縱向移動距離Ay。井組可以做平面位置上的移動，其幾何形狀不會發生改變，如圖11-12所示。
(212)、預估初始值，生成初始井網
基于上述井網變換描述，根據油藏特性，設計初始井網，預估6個參數相適宜的初始值U。= {a。，b。，Δ χ0, Δ y0, θ 0, Y。},完成初始井網的構建，以五點井網為例描述構建過程。五點井網如圖6所示，圓點為生產井，三角形點為注水井。其中，井網AB邊長為2a，AC 邊長為2b，Y為剪切角，Θ為旋轉角。
根據現場工程人員對地下狀況的基本了解，選定滲透率最小的方向作為參照方向 dir-a,基于油層物理實驗和測井解釋結果,獲得方向dir_a和方向dir_b上的滲流參數ka、 Φ a> krwfa kb> k fb,根據現場經驗大致估算出方向dir-a, dir_b兩個方向上的異向注采壓差APa、Apa，由于油藏開發中，常規情況下井組內各方向上的異向注采壓差都比較接近，也可以近似認為兩個方向上注采壓差相同，即Apa= APb。根據單井經濟極限控制儲量，計算經濟極限井距，并依此確定參照方向dir-a上的井距La(La大于或等于經濟極限井距)，再根據公式 確定dir-b上的井距Lb，從而得到五點井網單元尺寸的近似值％ ^ La、k ^ Lb。其他4個初始參數Λ χ0, ΔΥο, θ0, y0根據實際油田情況設定得到。
由基本井網依據下述公式經過剪切和旋轉變換，五點井網由ABDCO變換為如圖13所示。
已知C點井位坐標為
權利要求
1.一種基于梯度算法的自適應井網優化方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)、獲取油藏資料，建立三維數字化油藏地質模型，進行油藏數值模擬； (2)、構建自適應規則井網單元，生成井網； (3)、計算經濟效益，評價初始井網； (4)、設定參數，為井網優化做準備； (5)、使用梯度方法，優化單元構建參數，生成新的井網； (6)、計算并評價新井網的經濟效益，再迭代運算，直到生成最優井網。
2.根據權利要求I所述的基于梯度算法的自適應井網優化方法，其特征在于，所述步驟I具體包括如下步驟 (11)、查明油藏內油氣聚集的有利地帶，選定布井有利的油田區塊； (12)、搜集油藏靜態資料； (13)、建立三維數字化油藏地質模型； (14)、搜集油藏動態資料； (15)、整合靜態資料及動態資料，構建油藏數值模擬模型，進行開發模擬計算。
3.根據權利要求1-2所述的基于梯度算法的自適應井網優化方法，其特征在于，步驟2具體包括如下步驟 (21)、選定井網類型，預估初始參數，采用6參數井網單元構建方法，生成初始自適應井網單元。
6參數是指井距、排距、旋轉角、剪切角、橫向及縱向平移距離，使用它們能夠得到單元不同的幾何形變，通過優化這6個參數，間接實現了自適應井網的最優化。
(22)、基于初始自適應井網單元，在油藏區域內進行展布，生成自適應井網； (23)、將生成的井網匹配商業油藏模擬器角點網格，設定井位。
優選地，井網類型包括四點井網、五點井網、七點井網及九點井網。
4.根據權利要求1-3所述的基于梯度算法的自適應井網優化方法，其特征在于，優選地，步驟3的具體步驟如下 依據油藏模型和已得到的井網布局，設定適宜的總注采量，利用商業油藏數值模擬軟件模擬油田開發，記錄其產油量、產水量及注水量，考慮每口井的鉆井成本，計算經濟效益，評價井網的優劣。
5.根據權利要求1-4所述的基于梯度算法的自適應井網優化方法，其特征在于，優選地，步驟4的具體步驟如下 (41)、設定井網可調整尺度的最大及最小值，設定參數包括6個井網單元構建參數和注采總量； (42)、設定總模擬時間及更新井網參數的步長。
6.根據權利要求1-5所述的基于梯度算法的自適應井網優化方法，其特征在于優選地，步驟5的具體步驟如下 (51)、分別擾動6個井網單元構建優化參數，求生產經濟凈現值相對于每一個參數的偏導數； (52)、更新井網構建參數； (53)、生成新的井網，搜尋更好的井網形式。
7.根據權利要求1-6所述的基于梯度算法的自適應井網優化方法，其特征在于，優選地，步驟6的具體步驟如下 (61)、若效益變好，重復步驟(2)- (6)，直到生成最優井網。
(62)、若效益變差，縮短步長，重復步驟(5)-(6)，直到效益變好為止；此后，再重復步驟(2)-(6)，直到生成最優井網。
8.根據權利要求1-7所述的基于梯度算法的自適應井網優化方法，其特征在于所述6參數井網單元構建方法中，6參數是指井距、排距、旋轉角、剪切角、橫向及縱向平移距離，使用它們能夠得到單元不同的幾何形變，通過優化這6個參數，間接實現了自適應井網的最優化。
全文摘要
本發明屬于油氣田開發領域，具體地，涉及大規模油田開發過程中的井網優化方法，井網優化方法如下(1)、獲取油藏資料，建立三維數字化油藏地質模型，進行油藏數值模擬；(2)、構建自適應規則井網單元，生成井網；(3)、計算經濟效益，評價初始井網；(4)、設定參數，為井網優化做準備；(5)、使用梯度方法，優化單元構建參數，生成新的井網；(6)、計算并評價新井網的經濟效益，再迭代運算，直到生成最優井網。本發明利用最優化理論進行井網優化，能夠找到最優的井網形式；將井網優化與注采優化相結合，優化不同井網形式下的最優注采量；在優化井網形式的同時得到其相應最適宜的注采總量；能夠對多種規則井網實現優化。
文檔編號G06Q50/06GK102930345SQ20121038415
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月12日 優先權日2012年10月12日
發明者張凱, 姚軍, 張黎明, 陳玉雪, 李蒙 申請人:中國石油大學(華東)