超算有限元分析系統(tǒng)SciFEA—石油行業(yè)應(yīng)用解決方案

隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)石油資源需求的不斷快速增長(zhǎng),國(guó)際石油資源日益緊缺,采用新的技術(shù)發(fā)現(xiàn)石油資源、高效開發(fā)和利用石油資源是人們所關(guān)心的實(shí)際課題。在石油行業(yè),無(wú)論是上游的勘探開發(fā)、還是中游的油田開發(fā)、以及下游的石油煉化加工等環(huán)節(jié)有在利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行輔助分析和設(shè)計(jì)?？梢哉f(shuō),以有限元、有限差分、有限體積為代表的數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)滲透到石油工業(yè)的方方面面。隨著找油、采油難度的與日俱增,石油工業(yè)對(duì)數(shù)值模擬提出了更艱巨的要求,比如,用新的成油理論進(jìn)行模擬分析,發(fā)現(xiàn)油田新“大陸”,降低勘探風(fēng)險(xiǎn);三次采油工藝的多相多場(chǎng)模擬;特殊地質(zhì)條件下的油藏模擬;特殊地質(zhì)條件下流體固體相互作用;高原條件下的勘探開發(fā)工藝模擬等?？偟膩?lái)說(shuō),需要考慮新的計(jì)算模型和計(jì)算方法、需要考慮多個(gè)物理量相互作用的時(shí)空演化,這些都是現(xiàn)有的模擬手段需要發(fā)展和完善的方向,以適應(yīng)石油行業(yè)的復(fù)雜的計(jì)算模擬需求。

SciFEA軟件提供的固體彈性、彈塑性、粘彈性模塊;傳熱模塊(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài));滲流模塊(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、線性、非線性);電磁模塊(靜電、靜磁、時(shí)諧電磁、瞬態(tài)電磁);熱固耦合模塊(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、線性、非線性)、流固耦合(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、線性、非線性)可以直接滿足石油行業(yè)固體、流體、傳熱、電磁、流固耦合、熱固耦合等方面的計(jì)算需求。
超算科技為用戶提供針對(duì)石油行業(yè)計(jì)算模擬的特定的處理技術(shù),如考慮油田地質(zhì)的非均勻性;考慮斷層性質(zhì)的影響;考慮地下多尺度流動(dòng);考慮多尺度固體變形;考慮流動(dòng)的飽和度相關(guān)性等非線性特征;考慮各向異性和啟動(dòng)壓力特征;考慮井群的流動(dòng)和固體變形;考慮鉆井井壁穩(wěn)定性;考慮固體、流體、熱、水化等物理場(chǎng)的耦合等。
超算科技針對(duì)石油工業(yè)計(jì)算數(shù)學(xué)物理模型多、細(xì)、復(fù)雜的特點(diǎn),面向用戶提供定制服務(wù)。用戶可以根據(jù)研究開發(fā)問(wèn)題的需要提出自定義的模型,超算科技將根據(jù)用戶模型提供專門的解決方案。如考慮流體傳輸中的流固耦合;稠油熱采中的熱、流、固耦合;復(fù)雜的物質(zhì)驅(qū)替;新的石化能源開發(fā)中的模型建立與計(jì)算分析等。將用戶關(guān)心的計(jì)算內(nèi)容,根據(jù)用戶要求集成在一個(gè)統(tǒng)一的計(jì)算環(huán)境中。
配圖:石油行業(yè)典型模塊及耦合

針對(duì)用戶分析精度的要求,超算科技提供用戶定制化的并行計(jì)算模塊開發(fā)和并行計(jì)算咨詢服務(wù)。并行計(jì)算可以根據(jù)用戶預(yù)算的情況提供基于機(jī)群的MPI并行和基于GPU的眾核并行兩種解決方案。

大慶油田鉆探集團(tuán)測(cè)井公司
北京超算科技有限公司承擔(dān)了大慶油田鉆探集團(tuán)測(cè)井公司關(guān)于油水井套損解釋預(yù)測(cè)方法與軟件研制項(xiàng)目,主要工作內(nèi)容是進(jìn)行流固耦合作用下套管變形和應(yīng)力模擬分析,并與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)解釋進(jìn)行對(duì)比,找出區(qū)域性套損的規(guī)律,為油田的生產(chǎn)服務(wù)。
編制的軟件分析系統(tǒng)分別對(duì)孔隙壓力、管內(nèi)液柱壓力、地應(yīng)力影響下套管的應(yīng)力分布進(jìn)行了程序驗(yàn)證,很好地保證了求解程序的正確性。分析系統(tǒng)考慮了開采壓力變化、地層傾角變化、砂巖尖滅及層間壓差等情況對(duì)套管的影響。

模擬砂巖尖滅情況下套管X向應(yīng)力分布情況

模擬地層傾角情況下的變形情況

研制的油水井套損磁測(cè)應(yīng)力解釋預(yù)測(cè)系統(tǒng)

計(jì)算得到的流固藕合作用下應(yīng)力隨深度變化曲線

低滲透流固耦合數(shù)值模擬
大慶油田外圍油田存在著典型的低滲透各向異性特征。滲透率沿河道方向發(fā)育,同時(shí),有明顯的啟動(dòng)壓力特征。項(xiàng)目根據(jù)外圍油田的這些特點(diǎn)采用合適的數(shù)學(xué)物理模型,對(duì)低滲透各向異性油田下的注采引起的流體壓力變化和地層變形和應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算模擬。

不同滲透主方向下模擬得到的流體壓力分布

不同啟動(dòng)壓力下模擬得到的流體壓力分布

同時(shí)項(xiàng)目分析套管所受的各種載荷,通過(guò)地質(zhì)力學(xué)流固耦合模擬開發(fā)引起的套管載荷,并和套管所受重力、地應(yīng)力、流體壓力等載荷進(jìn)行疊加,最終得到由于開發(fā)引起的套管應(yīng)力變化。通過(guò)和套管強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析,給出套管工作的安全程度。

計(jì)算選取的某區(qū)塊 區(qū)塊有限元模型 區(qū)塊砂巖模型

軟化巖石井眼穩(wěn)定性計(jì)算和分析

中石油鉆井研究院為了在一定程度上解決、緩解油田鉆井過(guò)程由井眼穩(wěn)定問(wèn)題帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益的損失,委托北京超算科技有限公司開展井眼穩(wěn)定計(jì)算和分析軟件研制工作。
軟件要求考慮應(yīng)變軟化模型、采用無(wú)限元考慮井筒和地層尺寸的差異,同時(shí)需要運(yùn)用弧長(zhǎng)法計(jì)算模擬井壁開挖后的平衡路徑曲線。計(jì)算表明:采用力學(xué)穩(wěn)定性計(jì)算理論可以分析巖石開挖過(guò)程的的臨界載荷,通過(guò)計(jì)算不同的脆度可以得到不同的臨界載荷;隨著巖石脆度的增大,井壁的臨界坍塌壓力會(huì)隨之降低,巖石脆度是影響井壁穩(wěn)定性的重要指標(biāo);巖石的摩擦角的降低,井壁的臨界坍塌壓力會(huì)隨之降低,影響摩擦角的物理化學(xué)作用將影響井壁的穩(wěn)定性。

塑性區(qū)云圖

石油行業(yè)是聯(lián)系著科學(xué)技術(shù)眾多領(lǐng)域的一片沃土,既有地面又有地下,既有陸地又有海洋。因此,石油行業(yè)對(duì)計(jì)算模擬的需求是全方位、多層次的,既有大空間維度又有大時(shí)間跨度,既有多相多場(chǎng)耦合又有海量計(jì)算、分析與存儲(chǔ)。石油工業(yè)對(duì)計(jì)算模擬智能化、規(guī)?；囊髲哪壳笆澜缟享敿?jí)的高性能計(jì)算機(jī)應(yīng)用可窺一斑。超算科技將結(jié)合自身在計(jì)算模擬技術(shù)方面的積累,從我們擅長(zhǎng)的幾個(gè)具體開發(fā)方向上和您攜手面向石油工業(yè)的計(jì)算模擬分析與研究。
鉆井過(guò)程的井壁穩(wěn)定性;
地震波正演與反演分析;
套損機(jī)理數(shù)值模擬研究;
油田生產(chǎn)開發(fā)中的油藏模擬;