超算有限元分析系統(tǒng)SciFEA—石油行業(yè)應用解決方案

隨著現(xiàn)代社會對石油資源需求的不斷快速增長,國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)心的實際課題。在石油行業(yè),無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)進行輔助分析和設計?？梢哉f,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)對數(shù)值模擬提出了更艱巨的要求,比如,用新的成油理論進行模擬分析,發(fā)現(xiàn)油田新“大陸”,降低勘探風險;三次采油工藝的多相多場模擬;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?？偟膩碚f,需要考慮新的計算模型和計算方法、需要考慮多個物理量相互作用的時空演化,這些都是現(xiàn)有的模擬手段需要發(fā)展和完善的方向,以適應石油行業(yè)的復雜的計算模擬需求。

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算需求。
超算科技為用戶提供針對石油行業(yè)計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;考慮多尺度固體變形;考慮流動的飽和度相關(guān)性等非線性特征;考慮各向異性和啟動壓力特征;考慮井群的流動和固體變形;考慮鉆井井壁穩(wěn)定性;考慮固體、流體、熱、水化等物理場的耦合等。
超算科技針對石油工業(yè)計算數(shù)學物理模型多、細、復雜的特點,面向用戶提供定制服務。用戶可以根據(jù)研究開發(fā)問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)中的模型建立與計算分析等。將用戶關(guān)心的計算內(nèi)容,根據(jù)用戶要求集成在一個統(tǒng)一的計算環(huán)境中。
配圖:石油行業(yè)典型模塊及耦合

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

大慶油田鉆探集團測井公司
北京超算科技有限公司承擔了大慶油田鉆探集團測井公司關(guān)于油水井套損解釋預測方法與軟件研制項目,主要工作內(nèi)容是進行流固耦合作用下套管變形和應力模擬分析,并與測井數(shù)據(jù)解釋進行對比,找出區(qū)域性套損的規(guī)律,為油田的生產(chǎn)服務。
編制的軟件分析系統(tǒng)分別對孔隙壓力、管內(nèi)液柱壓力、地應力影響下套管的應力分布進行了程序驗證,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套管的影響。

模擬砂巖尖滅情況下套管X向應力分布情況

模擬地層傾角情況下的變形情況

研制的油水井套損磁測應力解釋預測系統(tǒng)

計算得到的流固藕合作用下應力隨深度變化曲線

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,有明顯的啟動壓力特征。項目根據(jù)外圍油田的這些特點采用合適的數(shù)學物理模型,對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力進行計算模擬。

不同滲透主方向下模擬得到的流體壓力分布

不同啟動壓力下模擬得到的流體壓力分布

同時項目分析套管所受的各種載荷,通過地質(zhì)力學流固耦合模擬開發(fā)引起的套管載荷,并和套管所受重力、地應力、流體壓力等載荷進行疊加,最終得到由于開發(fā)引起的套管應力變化。通過和套管強度進行對比分析,給出套管工作的安全程度。

計算選取的某區(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、緩解油田鉆井過程由井眼穩(wěn)定問題帶來的經(jīng)濟及社會效益的損失,委托北京超算科技有限公司開展井眼穩(wěn)定計算和分析軟件研制工作。
軟件要求考慮應變軟化模型、采用無限元考慮井筒和地層尺寸的差異,同時需要運用弧長法計算模擬井壁開挖后的平衡路徑曲線。計算表明:采用力學穩(wěn)定性計算理論可以分析巖石開挖過程的的臨界載荷,通過計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隨之降低,巖石脆度是影響井壁穩(wěn)定性的重要指標;巖石的摩擦角的降低,井壁的臨界坍塌壓力會隨之降低,影響摩擦角的物理化學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)系著科學技術(shù)眾多領域的一片沃土,既有地面又有地下,既有陸地又有海洋。因此,石油行業(yè)對計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間跨度,既有多相多場耦合又有海量計算、分析與存儲。石油工業(yè)對計算模擬智能化、規(guī)模化的要求從目前世界上頂級的高性能計算機應用可窺一斑。超算科技將結(jié)合自身在計算模擬技術(shù)方面的積累,從我們擅長的幾個具體開發(fā)方向上和您攜手面向石油工業(yè)的計算模擬分析與研究。
鉆井過程的井壁穩(wěn)定性;
地震波正演與反演分析;
套損機理數(shù)值模擬研究;
油田生產(chǎn)開發(fā)中的油藏模擬;