油藏数值模拟模型的可视化

油藏数值模拟是寻找剩余油的重要手段，为高含水开发后期油藏的调整挖潜提供重要依据，也是数字化油田的重要体现。在前期石油地质和油藏工程研究的基础上，建立油藏数值模拟模型，通过生产过程的再现，拟合生产动态指标，发现动静态矛盾，通过反复模拟，建立反映整个油藏开发过程的四维地质模型。油藏数值模拟是一种从宏观上研究油田开发规律的最科学、最经济、最方便的技术手段，可用于产能建设、水平井设计、剩余油分析、方案优化、指标预测以及驱油机理研究。

油藏数值模拟的结果是在静态地质模型的基础上通过油藏数值模拟方法产生的，所以一个油藏数值模拟的模型文件包括网格数据和属性数据两大部分。

(1)网格数据。其中存储了油藏数值模拟模型的所有网格信息，包括所有网格的IJK三个方向的维度、坐标系统信息、所有的网格坐标信息以及有效性信息等。

(2)属性数据。其中存储了静态属性以及动态属性数据。静态属性(如渗透率数据、孔隙度数据等)在整个模型中保持一致，不随着时间点的变化而改变。动态属性(如含油饱和度、含水饱和度等)是根据生产数据模拟计算出来的，每个时间点有一个数据。

网格数据按网格类型划分，可以分为栅格网格(即结构化网格，如不规则笛卡尔网格、柱状网格、平行笛卡尔网格及均匀笛卡尔网格等)和索引网格(即非结构化网格，如多面体网格、四面体网格、六面体网格等)，对于每一类网格都有不同的建模技术和展示技术。加载时需要分配大量内存空间(约需要内存900M)，在这种的应用情况下，传统的数据组织、加载、可视化和交互都遇到了许多困难，主要表现在以下3个方面。

(1)数据量大，效率和内存的问题。目前的可视化方案是将展示所需的数据一次性读入内存，在这样的情况下，当数值模拟结果包含的网格数量很大时，网格以及多种不同属性来绘制会生成大量的三维纹理占用大量的内存，导致系统运行、人机交互速度的下降，情况甚者甚至会出现内存分配不足的错误，导致系统的崩溃。

(2)二进制解析。Petrel和Eclipse按照Pillar模型组织数模数据，并将结果存储到二进制文件中。解析二进制文件必须要对数据组织方式进行解析，再根据构建Pillar模型的原理重建三维空间中的网格，这也具有很大的难度。

(3)交互手段。当研究人员需要专注于较大空间中某一细节时，除了该细节之外的数据都是暂时不需要展示的数据，应该屏蔽掉这些外围数据;同理，当研究人员只专注于某一范围区间内的属性时，该区间外属性所对应的网格也应该被屏蔽掉，可以让用户清晰地查看所需结果。

(一)油藏数值模拟的定义和流程分析

数字油气田的一项重要内容就是“数字油藏”的管理。现代油藏管理的两大支柱是油藏描述技术和油藏模拟技术，应用地质、地震、测井、试井等资料建立储层模型的过程就是油藏描述，油藏描述的最终结果是油藏地质模型，即储层属性的三维分布模型，油藏工程师们通常把建立静态油藏地质模型的过程俗称为“建模”;油藏模拟技术以建立三维油藏动态模型为目的，应用数学模型把实际的油、气藏动态重现一遍，也就是通过流体力学方程借用计算机，计算数学的求解，结合油藏地质学、油藏工程学重现油气田开发的实际过程，用来解决油气田实际问题，油藏工程师们把这一部分建立油藏动态模型的工作俗称为“数模”。

主要的油藏数值模拟方法是基于物质平衡计算(图7-11)，用来量化并解释物理现象，从而可以对未来的表现进行预测。油藏数值模拟在三维空间上把整个油藏划分为多个离散单元，而且在一系列离散的时间和空间步上模拟油藏和流体性质的变化。与物质平衡一样，整个系统的质量一直保持恒定不变，即流入量与流出量的差为累积量，它可看作是多个物质平衡模型的结合体。

图7-11 物质平衡计算方法原理

胜利油田在多年的数值模拟工作的基础上，提出了一套数值模拟的工作流程，涉及基础资料收集及处理方法、模型建立的技术方法、历史拟合技术方法及质量控制技术指标、方案设计和预测结果分析方法、研究成果及研究报告等多个内容，其工作流程如图7-12所示。油藏数值模拟的输入数据包括静态参数、岩石及流体性质参数、井数据和历史拟合数据等。其中静态参数包括网格定义、地质建模提供的构造、孔隙度、渗透率、有效厚度场、渗流模式、岩石压缩系数等;岩石流体数据就是通过岩芯取样做相对渗透率实验后得到的数据;流体组分性质数据是指由于原油所处的地下条件和地面条件不同，致使地层原油在地下的高压高温下具有的某些特征数据，一般用PVT表示;井数据是指井位、井类型、井身参数、射孔数据和约束条件等;历史拟合数据包括试油、试气生产历史、生产措施、测试成果、试井、地质提供的辅助资料等。

图7-12 油藏数值模拟工作流程

(二)常用数据模型解析

油藏数值模拟模型数据可分为文本格式和二进制格式两大类，这两种格式的文件有不同的应用场景。文本格式的文件，其格式易于解析，便于软件开发和调试;二进制格式的文件不利于阅读，但计算机读写速度比文本格式的文件快许多倍，也会占用更少的存储空间。油藏数值模拟模型二进制格式文件也是可以在Eclipse软件中使用关键字进行定制输出的，输出形式没有强制性的要求。在三维展示时使用的文件一般包括以下3个文件。

(1)* ．GRID文件(* ．EGRID文件):存储了网格的相关信息。

(2)* ．INIT文件:属性文件，存储了孔隙度、不同方向的渗透率及NTG等静态属性。

(3)* ．UNRST文件(* ．X0000):重启文件。记录了各种动态属性结果，如含油饱和度、压力等数据。其中，* ．UNRST文件中包含了所有时间步的属性信息，而* ．X0000文件可以分时间步进行输出，一个文件仅仅存储一个时间步的属性数据。

Petrel和Eclipse软件输出的网格数据和属性数据主要是一种柱状模型(Pillar模型)，见图7-13，其组织方式如下。

数据中给出的(nx+1)* (ny+1)个顶底点坐标对，构成了(nx+1)* (ny+1)个柱状结构，共同组成了该柱状模型。每个柱状结构，有个前提条件即是所有的坐标点都在这条顶底点构成的线段上。每个单元的角点坐标可以是相邻的，也可以是错开的，保证了地层数据的准确性。

图7-13 Pillar柱状组织示意图

根据i、j、k编号，可以获取当前网格单元对应的顶底点坐标序号。

Pindex=(j+jpos)*(idim+1) +(i+ipos)

式中，ipos、jpos的取值为0或1;idim是i方向的维度值。

根据i、j、k编号，可以获取当前网格单元对应的8个z值坐标。

Zindex=(2*k+kpos)*(4*idim*jdim) +(2*j+jpos)*(2*idim) +(2*i+ipos)

式中，ipos、jpos、kpos的取值为0或1;idim、jdim分别是网格的i、j方向的维度值。

根据i、j、k编号，也可以获取当前网格单元对应的有效性数据及属性数据。

PRindex=k*(idim*jdim) +(j*idim) +i

式中，idim、jdim分别是网格的i、j方向的维度值。

(三)数模结果的可视化

1．油藏数值模拟模型数据预处理

为了将数模结果数据重新组织成LDM的数据组织格式，需要将展示的油藏数值模拟模型数据按照特定的顺序进行组织，每个网格单元有8个三维点坐标(24个float坐标值)。具体的点排列顺序及网格单元的组织如图7-14所示。

全部的网格单元按照先变化I方向、再变化J方向、最后变化K方向的顺序进行组织，如图7-15所示。根据解析后的数模结果数据，得到了顶底点坐标数据、K值坐标数组、有效性数组及多个属性的不同时间步的数组列表。

图7-14 数模结点组织顺序

图7-15 网格单元组织示意图

根据需要，将顶底点坐标数组及K值坐标数组一同重新进行组织。由于模型中使用的是柱状模型，默认同一个顶底点坐标之间是直线连接，因此配合中间的K值，可以得到相应的中间点坐标。同理，可以得到任意一个网格单元的8个角点的三维坐标。

2．LOD组织

大规模三维体数据的绘制要求必须对空间数据进行分割的预处理，因为尽管目前计算机的性能有较大提高，但对于大规模体数据的可视化而言，机器的内存容量、计算和绘制性能仍然是非常有限的，不可能将海量的空间数据一次性从磁盘读入而进行处理，而必须分块调度;另外，人眼在观察事物时，对较远处的场景能够获得的信息相对较少，而随着距离的拉近，对细节的观察越来越详细，因此对远近不同的场景可以采用不同的“粒度”描述，这就是多层次细节(LOD)方法基于的基本原理。

而构建LOD的过程就是对三维体数据的分割和抽稀的过程，加载数据的初始时刻采用分辨率最低的数据，可以尽快描述物体大概的轮廓，在绘制即使是大数据量的体数据时，效率依然很高，这是因为它在最初加载进内存的是分辨率最小的数据，数据量非常小，能够在很短时间内绘制出来。在内存等条件允许的情况下，系统后台不断地加载分辨率更高的数据，并不断地刷新绘制窗口，直至使用分辨率最高的数据完成所有的绘制，这样就可以兼顾系统的运行速度和显示的精度。

3．LDM数据组织格式的转换及三维显示

油藏数值模拟模型的数据量跟网格单元的数量及时间步的数量有关。一个有着千万网格单元的模型加上静态属性数据，其数据量可以达到1GB以上。为了解决三维显示大数据量数据的需求，可以在小内存的机器上显示大数据量的模型，对前述的LDM格式组织格式方案进行编程实现，通过分块显示的思想，解决了小内存的机器显示大模型的问题。数模结果数据重新组织以后，对其包含的网格信息及属性信息进行数据转换。