油藏產(chǎn)能評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

龔安　姚鑫杰

摘要：針對(duì)油臧體積壓裂水平井生產(chǎn)過(guò)程中滲吸對(duì)采油的影響，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于Windows平臺(tái)下的油藏體積壓裂下產(chǎn)能系統(tǒng)。基于分形理論和半解析方法，建立了考慮滲吸的多元線性分形模型，采用Visual Studio與MA'rLAB混合編程和多線程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目管理、模型計(jì)算、分析對(duì)比可視化等功能，并提升了數(shù)據(jù)處理速度。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少資源開(kāi)銷(xiāo)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)異常檢測(cè)，采用線程池和異步操作。實(shí)踐表明，油藏體積壓裂下產(chǎn)能系統(tǒng)作為現(xiàn)代油田開(kāi)發(fā)技術(shù)的科學(xué)決策工具，在工程和研究中起著重要的作用。

關(guān)鍵詞：油藏;體積壓裂;分形;滲吸;多線程;混合編程

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）20-0009-04

Design and Implementation of Reservoir Productivity Evaluation System

GONG An. YAO Xin-jie

（College of Computer Science and Technology， China University of Petroleum （East China）， Qingda0 2665 80. China）

Abstract： Aiming at the effect of' imhibition on oil recovery during the production of horizontal wells in reservoir volume fracturing，a productivity system under reservoir volume fracturing based on Windc}ws platform is designed and implemented. Based on fractaltheory and semi-analytical method， a multivariate linear fractal model considering imbibition was established. Using Visual Studioand MATLAB mixed programming and multi-threading technology， it realized the functions of project management， model calcula-tion， analysis and comparison visualization and improved data processing speed. In order to improve the stability of the system andreduce resource overhead， the system anomaly detection is designed， using thread pool and asynchronous operation. Practice showsthat the productivity system under reservoir volume fracturing， as a scientific decision tool for modern oilfield development technol-ogy， plays an important role in engineering and research.

Key words： reservoir： volume fracturing; fractal; multithreading; hybrid programming

1背景

隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者們不斷深入研究，在油藏體積壓裂水平井中建立體積壓裂水平井多區(qū)復(fù)合流動(dòng)模型逐漸發(fā)展完善，但是目前的多區(qū)復(fù)合流動(dòng)模型并不能準(zhǔn)確地描述油藏儲(chǔ)層體積壓裂水平井滲流特征。因此迫切需要提出一個(gè)結(jié)合油藏儲(chǔ)層特征和體積壓裂縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)的水平井流動(dòng)模型來(lái)描述流體滲流規(guī)律[1]。為了更好地描述油藏體積壓裂水平井生產(chǎn)過(guò)程中滲吸對(duì)采油的影響，利用油藏工程和數(shù)值模擬方法，考慮滲吸作用下，對(duì)油藏縫網(wǎng)條件下產(chǎn)能計(jì)算模型進(jìn)行研究。擬基于多區(qū)耦合的壓裂水平井產(chǎn)能計(jì)算流動(dòng)模型，重新劃分不同流動(dòng)特征的滲流區(qū)域，考慮引入竄流修正項(xiàng)對(duì)滲吸區(qū)域進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)，建立綜合考慮啟動(dòng)壓力梯度以及滲吸機(jī)制的多區(qū)耦合滲流數(shù)學(xué)模型[2]，對(duì)不同因素影響滲吸的機(jī)理進(jìn)行分析，對(duì)不同滲吸機(jī)制作用下的壓裂水平井產(chǎn)量變化規(guī)律及產(chǎn)能計(jì)算進(jìn)行數(shù)學(xué)建模與軟件研制。針對(duì)油藏的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種基于Windows平臺(tái)的油藏體積壓裂下產(chǎn)能系統(tǒng)，為有效評(píng)價(jià)大規(guī)模體積壓裂改造效果和能量補(bǔ)充效果提供支持。

2油藏體積壓裂下產(chǎn)能系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究概述

2.1油藏體積壓裂下產(chǎn)能系統(tǒng)開(kāi)發(fā)任務(wù)

油藏體積壓裂下產(chǎn)能系統(tǒng)一般包括：項(xiàng)目管理子系統(tǒng)、油藏產(chǎn)能計(jì)算子系統(tǒng)、可視化子系統(tǒng)。項(xiàng)目管理子系統(tǒng)主要為油藏產(chǎn)能計(jì)算提供相關(guān)數(shù)據(jù)。部分油藏?cái)?shù)據(jù)需要進(jìn)行大量計(jì)算才能得到，這不僅需要多次迭代，還要保證一定的精度。項(xiàng)目管理子系統(tǒng)主要包含模塊：項(xiàng)目管理、數(shù)據(jù)參數(shù)等;油藏產(chǎn)能計(jì)算子系統(tǒng)是建立在考慮多因素的數(shù)學(xué)模型之上的，通過(guò)將一系列的產(chǎn)能計(jì)算問(wèn)題轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型，再通過(guò)多種半解析解法，用拉普拉斯變換和迭代法，最終給出近似解析解;可視化子系統(tǒng)主要將通過(guò)計(jì)算數(shù)學(xué)模型得出的結(jié)果以多種形式并在符合相關(guān)理論的基礎(chǔ)上直觀地展示出來(lái)，從而便于觀察、分析、評(píng)價(jià)。

2.2油藏體積壓裂下產(chǎn)能系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

油藏體積壓裂下產(chǎn)能系統(tǒng)基于Windows操作系統(tǒng)，采用MATLAB 2014a、SQL Server 2008關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、VisualStudio 2013集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)[3]。由于產(chǎn)能模型需要大量的計(jì)算，所以采用VS與MATLAB混合編程技術(shù)，通過(guò)將MAT-LAB中的.m文件封裝成DLL文件引入VS中。用戶可以通過(guò)安裝對(duì)應(yīng)版本的MCRInstaller搭建運(yùn)行環(huán)境。

3油藏體積壓裂下產(chǎn)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1油藏體積壓裂下產(chǎn)能模型

目前大多數(shù)油藏多裂縫水平井模型都是基于經(jīng)典的簡(jiǎn)化雙孔介質(zhì)模型[4]，但是該模型忽略了滲吸的影響。斷裂體系的分布具有非均勻性、多尺度性、白相似性等特點(diǎn)，模型能否考慮分形和滲吸的影響，對(duì)油藏體積壓裂下產(chǎn)能有重要影響?？紤]到滲吸現(xiàn)象的影響，本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用一種考慮滲吸的多元線性分形油藏模型，它基于分形理論和半解析方法，針對(duì)致密儲(chǔ)層的滲流規(guī)律，同時(shí)考慮多裂縫水平井在油藏儲(chǔ)層中的流體流動(dòng)，是一種經(jīng)由實(shí)踐檢驗(yàn)準(zhǔn)確率非常高的計(jì)算模型;在該模型中，采用分形理論來(lái)描述非均勻性[5]。通過(guò)模擬流體的橫向流動(dòng)規(guī)律，考慮復(fù)雜的縫網(wǎng)和滲吸作用并且用拉普拉斯變換和迭代法給出近似解析解。

3.2系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)

項(xiàng)目管理子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)項(xiàng)目文件管理、數(shù)據(jù)參數(shù)存儲(chǔ)與處理。用戶在項(xiàng)目管理子系統(tǒng)中可以對(duì)井的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行增、刪、改、查等操作[6]，部分?jǐn)?shù)據(jù)參數(shù)還可以通過(guò)已有的數(shù)據(jù)參數(shù)計(jì)算自動(dòng)獲取。由于數(shù)據(jù)參數(shù)的格式繁多，可能會(huì)造成計(jì)算結(jié)果偏差、精度不一等問(wèn)題。針對(duì)此類問(wèn)題，數(shù)據(jù)參數(shù)存儲(chǔ)自動(dòng)統(tǒng)一格式及精度，便于得到理想的計(jì)算結(jié)果。此外，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)參數(shù)除了手動(dòng)輸入，還支持EXCEL文件導(dǎo)入方式，且集成對(duì)數(shù)據(jù)單位格式及精度統(tǒng)一的功能。

油藏產(chǎn)能計(jì)算子系統(tǒng)主要利用項(xiàng)目管理子系統(tǒng)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)參數(shù)，通過(guò)將在MATLAB環(huán)境下建立的數(shù)學(xué)模型封裝成DLL文件引入VS中作為核心計(jì)算組件來(lái)計(jì)算得到各直井、水平井在不同時(shí)間不同條件下的產(chǎn)量，再通過(guò)多線程技術(shù)提高計(jì)算效率[7-8]。

可視化子系統(tǒng)通過(guò)對(duì)油藏產(chǎn)能計(jì)算子系統(tǒng)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并且應(yīng)用控件、繪圖函數(shù)等進(jìn)行繪圖，可以為有效評(píng)價(jià)大規(guī)模體積壓裂改造效果和能量補(bǔ)充效果提供有效支持[9]。該子系統(tǒng)在使用時(shí)為了讓用戶更直觀、便捷地觀察、分析油藏直井、水平井在各種條件下的日產(chǎn)量、累產(chǎn)量變化，對(duì)油藏產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)可視化，展示直井日產(chǎn)量變化、直井累產(chǎn)量變化、滲吸作用的直井日產(chǎn)量變化、滲吸作用的直井累產(chǎn)量變化、水平井日產(chǎn)量變化、水平井累產(chǎn)量變化、滲吸作用的水平井日產(chǎn)量變化、滲吸作用的水平井累產(chǎn)量變化、直井壓力變化、無(wú)因次化壓力及壓力導(dǎo)數(shù)圖版、無(wú)因次化產(chǎn)量及產(chǎn)量導(dǎo)數(shù)圖版、壓力場(chǎng)與壓力梯度場(chǎng)對(duì)比界面、產(chǎn)能計(jì)算界面、裂縫條數(shù)優(yōu)化界面、裂縫半長(zhǎng)優(yōu)化界面、裂縫半長(zhǎng)優(yōu)化界面等。

3.3數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，即Client/Server（客戶機(jī)/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)[10-11]，主要由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器及軟件系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)庫(kù)采用微軟公司的SQL Server 2008平臺(tái)，它是一種廣泛使用的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，具有強(qiáng)大且便捷的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理能力。

油藏?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)系模式如下：

1）油藏項(xiàng)目表：保存油田名稱、項(xiàng)目名稱、區(qū)塊名稱、開(kāi)始日期、結(jié)束日期、創(chuàng)建人員等，其中項(xiàng)目名稱是主鍵;

2）油井表：保存油田名稱、項(xiàng)目名稱、區(qū)塊名稱、井號(hào)等，其中項(xiàng)目名稱為主鍵;

3）直井參數(shù)表：保存直井的項(xiàng)目名稱、起始時(shí)間、終止時(shí)間、間隔時(shí)間、儲(chǔ)層物性參數(shù)、雙重介質(zhì)參數(shù)、滲吸計(jì)算參數(shù)、油藏幾何參數(shù)等，其中項(xiàng)目名稱為主鍵;

4）水平井參數(shù)表：保存水平井的項(xiàng)目名稱、起始時(shí)間、終止時(shí)間、間隔時(shí)間、井端距離、段端距離、縫端距離、段數(shù)、簇?cái)?shù)、儲(chǔ)層物性參數(shù)、雙重介質(zhì)參數(shù)、滲吸計(jì)算參數(shù)、油藏幾何參數(shù)等，其中項(xiàng)目名稱為主鍵;

5）用戶表：保存登錄賬號(hào)、登錄密碼、操作權(quán)限等，其中登錄賬號(hào)為主鍵。

4關(guān)鍵技術(shù)

4.1數(shù)據(jù)參數(shù)導(dǎo)入

由于油藏參數(shù)種類繁多，手動(dòng)輸入?yún)?shù)效率較低，針對(duì)該問(wèn)題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)參數(shù)導(dǎo)入功能。Excel的字段一一對(duì)應(yīng)油藏?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的字段分別進(jìn)行處理。其工作流程如下：1）打開(kāi)一個(gè)后綴名為.xlsx格式的Excel文件;2）ExCel文件第一行的字段值對(duì)應(yīng)油藏?cái)?shù)據(jù)庫(kù)表里字段值進(jìn)行設(shè)定;3）通過(guò)調(diào)用函數(shù)建立連接，逐行讀取數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)參數(shù)導(dǎo)入模塊中，系統(tǒng)將核心導(dǎo)人操作進(jìn)行封裝，在導(dǎo)入模塊的.cs文件里進(jìn)行調(diào)用即可完成數(shù)據(jù)參數(shù)導(dǎo)人，其主要操作如下：

new System. Data. OleDb. OleDbConneCtion（strCon）;//根據(jù)鏈接信息實(shí)例化鏈接對(duì)象

new System. Data. OleDb. OleDbDataAdapter（strCom. Conn）;//對(duì)數(shù)據(jù)源執(zhí)行的sql語(yǔ)句或存儲(chǔ)過(guò)程

myCommand.Fill（ds，"[Sheetl$]"）;//將Excel文件里的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)存中的緩存

4.2核心計(jì)算

油藏體積壓裂下產(chǎn)能模型較為復(fù)雜，其中包含大量的計(jì)算（如拉普拉斯變換、偏微分方程組等）和較多且復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式[12-13]，常用開(kāi)發(fā)語(yǔ)言較難實(shí)現(xiàn)，例如：C++、C#、Java，并且這些語(yǔ)言操作較為煩瑣，因此系統(tǒng)的核心計(jì)算模塊采用MATLAB實(shí)現(xiàn)，將.m文件打包封裝成DLL庫(kù)混編引入程序，提升產(chǎn)能模型計(jì)算效率，更高效地優(yōu)化軟件性能。

4.2.1 MATLAB計(jì)算組件

MATLAB是matrix&laboratory兩個(gè)詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實(shí)驗(yàn)室）。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C、For-tran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。系統(tǒng)的核心計(jì)算就是基于MATLAB編寫(xiě)的，以其中無(wú)因次化毛管力計(jì)算函數(shù)為例：

function[pcD]= PCD（ AA， SWD， BB， sigma， thet， porm， km，qq，vis，kf，h）

pc=AA*SwD^BB*sigma*cos（thet）*（porm/km/10）^0.5;//有因次化毛管力計(jì)算

pcD=pc./（qq*vis/kf/h/10）;//無(wú)因次化毛管力計(jì)算

通過(guò)在MATLAB環(huán)境下建立復(fù)雜的油藏?cái)?shù)學(xué)模型，從而計(jì)算得到數(shù)據(jù)參數(shù)、產(chǎn)能、壓力等數(shù)據(jù)。

4.2.2 VS與MATLAB混編

MATLAB擁有豐富且強(qiáng)大的科學(xué)函數(shù)庫(kù)，部分函數(shù)庫(kù)在VS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境不具備。因此，通過(guò)VS與MATLAB混合編程可以給VS直接提供豐富的科學(xué)函數(shù)庫(kù)使用，將VS與MATLAB混合編程可以提高計(jì)算速度、提升開(kāi)發(fā)效率、簡(jiǎn)化操作和增加代碼的復(fù)用率。VS與MATLAB混合編程的步驟主要為：

1）在MATLAB中編寫(xiě)好.m函數(shù);

2）在命令行窗口輸入deploytool命令，選擇Library Compil-er，在DEPLOYMENT中選擇.Net Assembly，添加.m文件并對(duì)該封裝命名，在Additional Runtime Settings中選擇對(duì)應(yīng)版本的Mi-crosoft Framework.最后點(diǎn)擊Package進(jìn)行打包封裝得到DLL文件;

3）在開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中通過(guò)添加DLL文件的引用，實(shí)例化對(duì)象后調(diào)用函數(shù)進(jìn)行操作。

4.2.3多線程技術(shù)

線程是進(jìn)程中的一個(gè)實(shí)體，是被系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位，線程自己不擁有系統(tǒng)資源[14]，但它可與同屬一個(gè)進(jìn)程的其他線程共享進(jìn)程所擁有的全部資源[15]。由于線程比進(jìn)程更小，基本上不擁有系統(tǒng)資源，故對(duì)它的調(diào)度所付出的開(kāi)銷(xiāo)就會(huì)小得多，能更高效地提高系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)程序間并發(fā)執(zhí)行的程度，從而顯著提高系統(tǒng)資源的利用率和吞吐量[16-20]。因此，多線程技術(shù)可以使軟件在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)顯著提高運(yùn)行效率。此外，在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，分模塊處理也為多線程操作打下基礎(chǔ)[21]。示例代碼如下：

Thread probar= new Thread（Prcx：essBar）;//新建線程，Pro-cessBar必須是無(wú)返回值的方法

probar.Start（）;//開(kāi)始線程

prohar.lsBackground= true;//設(shè)置為后臺(tái)線程

probar.Abort（）;//終止線程

/*自定義函數(shù)*/

public void ProcessBar（）

{

{/*詳細(xì)代碼*}

}

4.2.4系統(tǒng)異常檢測(cè)

針對(duì)油藏體積壓裂下產(chǎn)能系統(tǒng)計(jì)算量較大，通過(guò)使用記錄消耗的時(shí)間來(lái)測(cè)試性能。當(dāng)計(jì)算操作超時(shí)，防止系統(tǒng)出現(xiàn)無(wú)響應(yīng)或等待時(shí)長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，可以使用線程池提高線程的復(fù)用。為了提高系統(tǒng)的并發(fā)性，采用多線程技術(shù)。但是，創(chuàng)建線程會(huì)消耗較大的資源，為了提高系統(tǒng)交互性，系統(tǒng)使用異步操作，特別是在短時(shí)間內(nèi)頻繁進(jìn)行異步操作時(shí)，頻繁創(chuàng)建和銷(xiāo)毀線程會(huì)造成較多資源的浪費(fèi)。因此，通過(guò)將一些線程存放在線程池中，當(dāng)系統(tǒng)需要新建線程執(zhí)行操作時(shí)就可以從已有的線程池中取出一個(gè)空閑線程使用。如果線程池中沒(méi)有空閑線程，且線程池中的線程數(shù)未達(dá)到線程池上限，則新建一個(gè)線程，使用完成后再放回到線程池中。這樣可以節(jié)省大量創(chuàng)建線程的資源，通過(guò)CLR管理線程池的策略來(lái)管理線程池中線程的最大和最小數(shù)。此外，通過(guò)全局異常捕捉、UI線程異常捕捉、多線程異常捕捉，記錄異常日志，提供用戶可選擇的異常解決方案。

4.2.5系統(tǒng)繪圖技術(shù)

系統(tǒng)使用了.Net平臺(tái)下的開(kāi)源控件ZedGraph，實(shí)現(xiàn)可視化展示的各個(gè)模塊。ZedGraph可以通過(guò)減少I(mǎi)O的讀寫(xiě)消耗，從而提高系統(tǒng)性能，且可以動(dòng)態(tài)生成，不用保存文件。

系統(tǒng)在繪制油藏2D、3D模型及水平井壓力圖、水平井壓力梯度等各種圖時(shí)采用了GDI+和MATLAB繪圖技術(shù)，通過(guò)白定義函數(shù)繪制出所需圖片再經(jīng)由Picturebox控件進(jìn)行展示。

系統(tǒng)在散點(diǎn)繪圖并渲染成面參考了MATLAB散點(diǎn)插值函數(shù)，為了取得更好的插值效果，使用徑向基函數(shù)方法，但其運(yùn)算量和內(nèi)存需求較大。

動(dòng)畫(huà)展示指定時(shí)間段內(nèi)的壓力變化時(shí)，僅需調(diào)用System、Windows、rorms、Timer控件，在Timer Tick事件中切換圖片即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)效果。

5系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

系統(tǒng)采用Visual Studi0 2013集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和SOL Server2008關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)采用C/S結(jié)構(gòu)。圖2～圖4分別為壓力場(chǎng)與壓力梯度場(chǎng)對(duì)比界面、產(chǎn)能計(jì)算界面、裂縫條數(shù)優(yōu)化界面。

6結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)油藏體積壓裂水平井生產(chǎn)過(guò)程中滲吸對(duì)采油的影響，基于油藏的特點(diǎn)，采用多線程技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了油藏體積壓裂下產(chǎn)能系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)在理論研究和指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐中有廣闊的應(yīng)用前景和一定的研究?jī)r(jià)值。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

收稿日期：2020-05-08

基金項(xiàng)目：國(guó)家油氣重大專項(xiàng)（項(xiàng)目編號(hào)：2017ZX05013-001）

作者簡(jiǎn)介：龔安（1971-），男，四川巴中人，副教授，碩士生導(dǎo)師，CCF會(huì)員（62929M），碩士，研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)智能處理;姚鑫杰（1996一），男（白族），云南大理人，碩士在讀，研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)智能處理。