貯留層シミュレーション

貯留層シミュレーションは、コンピュータ モデルを使用して多孔質媒体を通る流体(通常は石油、水、ガス)の流れを予測する貯留層工学の分野です。

油田モデルの作成とそれに基づく油田開発の計算の実施は、エンジニアと石油研究者の主な活動分野の 1 つです。石油、ガス、またはガス凝縮油田の特性に関する地質学的および物理的情報に基づいて、その開発のためのシステムと技術の能力を考慮すると、油田全体の開発に関する定量的なアイデアが作成されます。油田の開発に関する相互に関連する定量的なアイデアのシステムは、油田開発モデルであり、貯留層モデルと油田開発プロセスのモデルで構成されます。油層モデルとそこから石油とガスを抽出するプロセスは、常に数学的な形式で表されます。つまり、特定の数学的関係によって特徴付けられます。油田開発の計算に携わるエンジニアの主なタスクは、油田の地質学的および地球物理学的研究と井戸の流体力学的研究から得られた個々の概念に基づいて計算モデルを作成することです。一般的に、油田開発モデルでは、貯留層モデルと開発プロセスの任意の組み合わせを使用できます。ただし、この組み合わせが貯留層の特性とプロセスを最も正確に反映している必要があります。同時に、特定の貯留層モデルを選択する際には、プロセス モデルの追加機能を考慮する必要がある場合があり、その逆も同様です。

貯留層モデルは、貯留層の幾何学的形状のみを考慮した設計スキームとは区別する必要があります。たとえば、貯留層モデルは、層状の不均質貯留層である場合があります。設計スキームでは、同じモデルの貯留層を円形の貯留層、直線状の貯留層などとして表すことができます。

従来の差分シミュレータは、貯留層シミュレーションの理論的および実際的作業の両方で主流です。従来の差分シミュレーションは、質量保存、等温流体相挙動、多孔質媒体を通る流体の流れのダルシー近似という 3 つの物理的概念に基づいています。熱シミュレータ (重質原油アプリケーションで最も一般的に使用される) は、このリストにエネルギー保存を追加し、貯留層内の温度変化を可能にします。

現代のシミュレータで一般的な数値技術とアプローチ:

• 最新の FD シミュレーション プログラムのほとんどは、フル フィールド モデルまたは単一ウェル モデルで使用するための 3D 表現の構築に対応しています。2D 近似は、断面や 2D ラジアル グリッド モデルなどのさまざまな概念モデルでも使用されます。
• 理論的には、有限差分モデルでは、構造化グリッドとより複雑な非構造化グリッドの両方を使用して貯留層を離散化して、貯留層の形状を正確に表現できます。ローカル グリッド リファインメント (粗いグリッド内に埋め込まれた細かいグリッド) も、多くのシミュレーターで提供される機能で、坑井付近の多相流効果をより正確に表現します。坑井付近のこの「細かいメッシュ」は、貯留層内の水やガスのコーニングなどの問題を分析する際に非常に重要です。他の種類のシミュレーターには、有限要素とストリームラインがあります。
• 断層とその伝達率の表現は、多くのシミュレーターで提供される高度な機能です。これらのモデルでは、従来の隣接層間の接続の外側にある非隣接層について、セル間のフロー伝達率を計算する必要があります。
• 自然亀裂シミュレーション (二重多孔性と二重浸透性として知られる) は、タイト マトリックス ブロック内の炭化水素をモデル化する高度な機能です。タイト マトリックス ブロックから、ブロックを取り囲むより浸透性の高い亀裂ネットワーク、そして井戸へと流れが生じます。
• ブラックオイルシミュレーターは、油田生産時の炭化水素の組成の変化、つまり油への溶解ガスの溶解または発生、あるいはガスからの凝縮液の蒸発または脱落を考慮していません。
• 組成貯留層シミュレーターは、状態方程式(EOS)に適合された油相とガス相の PVT 特性を、成分の混合物として計算します。次に、シミュレーターは適合された EOS 方程式を使用して、フィールドでの相と成分の動きを動的に追跡します。これは、セットアップ時間、計算時間、およびコンピューター メモリのコストの増加によって実現されます。

シミュレーション モデルは、3 つの相 (油、水、ガス) の飽和度の変化と、各セル内の各相の圧力を各時間ステップで計算します。貯留層枯渇研究のように圧力が低下すると、ガスが油から解放されます。水またはガスの注入によって圧力が上昇すると、ガスは油相に再溶解されます。

開発済み油田のシミュレーション プロジェクトでは通常、「履歴マッチング」が必要です。これは、過去の油田生産量と圧力を計算値と比較するものです。これは本質的に、最大尤度に対応する最適化プロセスであることが早い段階で認識されました。したがって、自動化が可能であり、そのための商用パッケージやソフトウェア パッケージが複数あります。モデルのパラメータは、油田ベースで、通常はすべての油井で、妥当なマッチングが達成されるまで調整されます。一般的に、生産水カットまたは水と油の比率とガスと油の比率がマッチングされます。

FD モデルがない場合でも、物質収支方程式 (Havlena-Odeh 法や Tarner 法を含む)、分数流量曲線法 (Buckley -Leverett 1 次元変位法、傾斜構造の Deitz 法、または円錐モデルなど)、水圧入および減退曲線解析のスイープ効率推定法など、多数の分析手法を使用して、回収率の推定値と石油率を計算することができます。これらの手法は、単純で均質な貯留層の説明に基づく計算コストの低いモデルとして、従来の「従来型」シミュレーション ツールよりも前に開発され、使用されていました。分析手法は一般に、特定の貯留層またはプロセスの詳細をすべて把握することはできませんが、通常は数値的に高速で、十分な信頼性があります。現代の貯留層エンジニアリングでは、これらは通常、スクリーニングまたは予備評価ツールとして使用されます。分析手法は、データが限られていて時間が限られている場合の潜在的な資産評価や、多数のプロセスや技術を評価する場合の事前スクリーニング ツールとしての広範な研究に特に適しています。分析手法は、多くの場合、学界または社内で開発および推進されていますが、商用パッケージも存在します。

貯留層シミュレーションには多くのプログラムが利用可能です。最もよく知られているものは次のとおりです (アルファベット順)。

オープンソース:

• BOAST – Black Oil Applied Simulation Tool (Boast) シミュレーターは、米国エネルギー省から入手可能な貯留層シミュレーション用の無料ソフトウェア パッケージです。^[1] Boast は、IMPES 数値シミュレーター (有限差分暗黙的圧力明示的飽和) であり、最初に指定された時間ステップの圧力分布を見つけ、次に同じ時間ステップの等温飽和分布を計算します。最後のリリースは 1986 年ですが、教育目的に適したシミュレーターとして今でも使用されています。
• MRST – MATLAB 貯留層シミュレーション ツールボックス (MRST) は、SINTEF 応用数学によって MATLAB® ツールボックスとして開発されました。このツールボックスは、基本的な機能と単相および二相ソルバーを提供するコア部分と、より高度なモデル、ビューア、ソルバーを提供するアドオン モジュールのセットの 2 つの主要部分で構成されています。MRST は主に、非構造化グリッド上での新しいシミュレーション方法とモデリング概念の迅速なプロトタイピングとデモンストレーションのためのツールボックスとして意図されています。それにもかかわらず、多くのツールは非常に効率的で、驚くほど大きく複雑なモデルに適用できます。^[2]
• OPM – オープンポーラスメディア（OPM）イニシアチブは、多孔質媒体内の流体の流れと輸送のシミュレーションを中心としたオープンソースツールセットを提供します。^[3]

コマーシャル：

• SLBインターセクト^[4]
• SLB ECLIPSE – 元々はECL (Exploration Consultants Limited) によって開発され、現在はSLBの一部門であるDigital and Integration (旧称GeoQuest ) によって所有、開発、販売、保守されています。ECLIPSE という名前は元々「ECL の Implicit Program for Simulation Engineering」の頭字語でした。シミュレーターには、ブラックオイル、組成、熱有限体積、流線シミュレーションが含まれます。アドオンオプションには、ローカルグリッドの改良、炭層メタン、ガス田の運用、高度な井戸、貯留層カップリング、表面ネットワークが含まれます。^[5]
• Rock Flow DynamicsのtNavigatorは、ブラックオイル、組成、熱組成のシミュレーションをサポートし、ラップトップ、ワークステーション、高性能コンピューティングクラスターのCPUとGPUの両方で高速化されます^[6]

• ECHELON、Stone Ridge Technology社製：完全な暗黙のシミュレーター、ブラックオイル配合のための唯一の完全GPU加速貯留層シミュレーター。^[7]
• ESTD Co. RETINAシミュレーション– RETINAシミュレーションは、エンジニアリングサポートおよびテクノロジー開発会社（ESTD）によって完全に開発されたブラックオイルおよび組成貯留層シミュレーションソフトウェアです。^[8]
• CMGスイート（IME​​X、GEM、STARS） - Computer Modelling Groupは現在、IMEXと呼ばれるブラックオイルシミュレータ、GEMと呼ばれる組成/非従来型シミュレータ、STARSと呼ばれる熱および高度なプロセスシミュレータの3つのシミュレータを提供しています。^[9]
• Coats Engineering 社のSensorは、商業用貯留層シミュレーション業界 (Intercomp Resource and Development、1968) の創始者である Keith H. Coats 博士によって 1990 年代初頭に開発された黒色油および組成貯留層シミュレータです。Sensor は、Coats 博士によって開発された数多くの貯留層シミュレータの最後のものです。
• XXSimは、完全な暗黙の定式化を備えたEOSベースの汎用組成貯留層シミュレータです。任意の成分を任意の流体相（水性、油性、蒸気）に出現させ、そこに留まることができます。従来のブラックオイル、組成、熱モジュールに簡略化できます。また、完全にEOSベースの熱シミュレータに拡張することもできます。^[10]
• Tempest MOREは、黒色油、組成、熱のオプションを提供する貯留層シミュレータです。^[11]
• ExcSim、Microsoft Excelプラットフォーム用の完全暗黙的3相2D修正ブラックオイル貯留層シミュレータ^[12]
• Landmark Nexus – Nexus は、もともとAmoco、ロスアラモス国立研究所、およびCray Researchによって「Falcon」として開発された石油およびガス貯留層シミュレータです。現在は、 Halliburtonの製品サービス ラインである Landmark Graphics によって所有、開発、販売、および保守されています。Nexus は、Landmark の以前の世代のシミュレータである VIP または Desktop VIP を徐々に置き換えていきます。^{[引用が必要]}
• Plano Research Corporation FlowSimは、LGR、二重多孔性二重浸透性、並列機能を備えた、完全に暗黙的な3相、3次元、ブラックオイルおよび組成の有限差分貯留層シミュレータです。^[13]
• GrailQuestのReservoirGrailは、特許取得済みのTime Dynamic Volumetric Balancing ^[14]と呼ばれる手法を採用し、一次回収と二次回収中の貯留層をシミュレートします。^[15]
• ジェミニソリューションズマーリンは、もともとテキサコの研究部門で開発された完全な暗黙の3相差分貯留層シミュレーターで、現在は海洋エネルギー管理局と安全環境執行局で最悪の流出率やケーシングシューと防噴装置の破裂/崩壊圧力を計算するために使用されています。^{[16] [17]}
• Palm TreesのDeepSimは、Androidスマートフォンおよびタブレットプラットフォーム向けの、完全に暗黙的な3相構成の差分貯留層シミュレータです。^{[18] [19]}
• TTA/PetroStudiesは、本格的なブラックオイルシミュレーターであるExodusを提供しています。これには、空隙率/浸透性/構造/純ペイ/初期圧力/飽和度/接触深度を変更して、井戸の観測された速度/累積/圧力に一致させることができる支援履歴マッチングモジュール（Revelations）が含まれています。^[20] Revelationsは、共有ネットワークコンピューターで複数のケースを実行します。Exothermは、地表までの離散化された坑井流量によるSAGD、CSSの熱シミュレーションを提供します。
• Meeraシミュレーションは、Target Solutions LLCによる、運用計画と予算編成のためのAI-Physicsハイブリッド貯留層シミュレーション生産予測ツールです。^[21]

貯留層シミュレーションは、最終的には将来の石油生産の予測、意思決定、貯留層管理に使用されます。貯留層管理の最先端のフレームワークは、貯留層シミュレーション (地質統計学、データ同化、代表モデルの選択と併用) を利用して貯留層を最適に操作する閉ループ フィールド開発 (CLFD) 最適化です。

• カミー・セペルヌーリ

• ブラックオイル方程式
• 貯留層モデリング
• 地質モデリング
• 石油工学
• コンピュータシミュレーション
• 地震からシミュレーションまで

• Aziz, K. および Settari, A.、「石油貯留層シミュレーション」、1979 年、Applied Science Publishers。
• Ertekin, T、Abou-Kassem, JH、GR King、「Basic Applied Reservoir Simulation」、SPE 教科書第 10 巻、2001 年。
• Fanchi, J.、「応用貯留層シミュレーションの原理」、第 4 版、Elsevier GPP、2018 年。
• Mattax, CC および Dalton, R. L、「貯留層シミュレーション」、SPE モノグラフ第 13 巻、1990 年。
• Holstein, E. (編集者)、石油工学ハンドブック、第 V(b) 巻、第 17 章、貯留層工学、2007 年。
• Warner, H. (編集者)、石油工学ハンドブック、第 6 巻、第 6 章、炭層メタン、2007 年。
• Carlson, M.、「実用貯留層シミュレーション」、2006 年、PennWell Corporation。
• RE Ewing、貯留層シミュレーションの数学

その他の参考文献

• * 貯留層シミュレーション用ソフトウェア