超算有限元分析系統SciFEA—石油行業應用解決方案

1：行業計算模擬現狀

隨著現(xian)(xian)(xian)代(dai)社會(hui)對石(shi)油(you)(you)(you)(you)資(zi)源需(xu)(xu)求的(de)(de)(de)(de)不斷快速增(zeng)長(chang)，采(cai)用(yong)(yong)(yong)新(xin)的(de)(de)(de)(de)技(ji)術(shu)發現(xian)(xian)(xian)石(shi)油(you)(you)(you)(you)資(zi)源、高(gao)效開發和(he)利用(yong)(yong)(yong)石(shi)油(you)(you)(you)(you)資(zi)源是(shi)人們所關心的(de)(de)(de)(de)實際課題。在石(shi)油(you)(you)(you)(you)行業(ye)，無論是(shi)上游的(de)(de)(de)(de)勘探(tan)開發、還是(shi)中游的(de)(de)(de)(de)油(you)(you)(you)(you)田開發、以及下(xia)游的(de)(de)(de)(de)石(shi)油(you)(you)(you)(you)煉化加工(gong)等環節有(you)在利用(yong)(yong)(yong)數(shu)(shu)值(zhi)模(mo)擬(ni)(ni)(ni)技(ji)術(shu)進行輔助分析和(he)設計(ji)(ji)(ji)。可以說(shuo)，以有(you)限(xian)元、有(you)限(xian)差分、有(you)限(xian)體積為代(dai)表的(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)值(zhi)模(mo)擬(ni)(ni)(ni)技(ji)術(shu)已經滲透到石(shi)油(you)(you)(you)(you)工(gong)業(ye)的(de)(de)(de)(de)方(fang)方(fang)面面。隨著找油(you)(you)(you)(you)、采(cai)油(you)(you)(you)(you)難度的(de)(de)(de)(de)與日俱增(zeng)，石(shi)油(you)(you)(you)(you)工(gong)業(ye)對數(shu)(shu)值(zhi)模(mo)擬(ni)(ni)(ni)提出了更艱巨的(de)(de)(de)(de)要求，比如，用(yong)(yong)(yong)新(xin)的(de)(de)(de)(de)成油(you)(you)(you)(you)理論進行模(mo)擬(ni)(ni)(ni)分析，發現(xian)(xian)(xian)油(you)(you)(you)(you)田新(xin)“大(da)陸(lu)”，降低勘探(tan)風險；三次(ci)采(cai)油(you)(you)(you)(you)工(gong)藝的(de)(de)(de)(de)多相多場模(mo)擬(ni)(ni)(ni)；特(te)殊(shu)地質條(tiao)(tiao)件下(xia)的(de)(de)(de)(de)油(you)(you)(you)(you)藏模(mo)擬(ni)(ni)(ni)；特(te)殊(shu)地質條(tiao)(tiao)件下(xia)流體固體相互作用(yong)(yong)(yong)；高(gao)原條(tiao)(tiao)件下(xia)的(de)(de)(de)(de)勘探(tan)開發工(gong)藝模(mo)擬(ni)(ni)(ni)等。總的(de)(de)(de)(de)來(lai)說(shuo)，需(xu)(xu)要考(kao)慮新(xin)的(de)(de)(de)(de)計(ji)(ji)(ji)算(suan)模(mo)型(xing)和(he)計(ji)(ji)(ji)算(suan)方(fang)法、需(xu)(xu)要考(kao)慮多個物(wu)理量相互作用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)時空演化，這些都是(shi)現(xian)(xian)(xian)有(you)的(de)(de)(de)(de)模(mo)擬(ni)(ni)(ni)手段(duan)需(xu)(xu)要發展和(he)完(wan)善(shan)的(de)(de)(de)(de)方(fang)向，以適(shi)應石(shi)油(you)(you)(you)(you)行業(ye)的(de)(de)(de)(de)復雜的(de)(de)(de)(de)計(ji)(ji)(ji)算(suan)模(mo)擬(ni)(ni)(ni)需(xu)(xu)求。

2：解決方案

SciFEA軟件提供的(de)固(gu)(gu)體彈性(xing)(xing)、彈塑性(xing)(xing)、粘彈性(xing)(xing)模塊(kuai)；傳(chuan)熱(re)模塊(kuai)（穩態(tai)(tai)、瞬(shun)態(tai)(tai)）；滲(shen)流(liu)模塊(kuai)（穩態(tai)(tai)、瞬(shun)態(tai)(tai)、線(xian)(xian)性(xing)(xing)、非線(xian)(xian)性(xing)(xing)）；電(dian)(dian)磁(ci)(ci)(ci)模塊(kuai)（靜(jing)電(dian)(dian)、靜(jing)磁(ci)(ci)(ci)、時(shi)諧電(dian)(dian)磁(ci)(ci)(ci)、瞬(shun)態(tai)(tai)電(dian)(dian)磁(ci)(ci)(ci)）；熱(re)固(gu)(gu)耦(ou)合(he)模塊(kuai)（穩態(tai)(tai)、瞬(shun)態(tai)(tai)、線(xian)(xian)性(xing)(xing)、非線(xian)(xian)性(xing)(xing)）、流(liu)固(gu)(gu)耦(ou)合(he)（穩態(tai)(tai)、瞬(shun)態(tai)(tai)、線(xian)(xian)性(xing)(xing)、非線(xian)(xian)性(xing)(xing)）可以直接滿足石(shi)油行業固(gu)(gu)體、流(liu)體、傳(chuan)熱(re)、電(dian)(dian)磁(ci)(ci)(ci)、流(liu)固(gu)(gu)耦(ou)合(he)、熱(re)固(gu)(gu)耦(ou)合(he)等方面(mian)的(de)計算需(xu)求。

超算科技(ji)(ji)為(wei)用戶(hu)提供(gong)針對(dui)石油(you)行業計算(suan)模(mo)擬的特(te)定的處理技(ji)(ji)術(shu)，如考(kao)(kao)慮(lv)油(you)田地質的非(fei)均勻(yun)性(xing)(xing)(xing)；考(kao)(kao)慮(lv)斷層性(xing)(xing)(xing)質的影響(xiang)；考(kao)(kao)慮(lv)地下(xia)多(duo)尺度流(liu)動(dong)；考(kao)(kao)慮(lv)多(duo)尺度固(gu)體(ti)(ti)變形；考(kao)(kao)慮(lv)流(liu)動(dong)的飽(bao)和度相關(guan)性(xing)(xing)(xing)等非(fei)線性(xing)(xing)(xing)特(te)征(zheng)；考(kao)(kao)慮(lv)各(ge)向異性(xing)(xing)(xing)和啟動(dong)壓力特(te)征(zheng)；考(kao)(kao)慮(lv)井(jing)(jing)群的流(liu)動(dong)和固(gu)體(ti)(ti)變形；考(kao)(kao)慮(lv)鉆(zhan)井(jing)(jing)井(jing)(jing)壁穩定性(xing)(xing)(xing)；考(kao)(kao)慮(lv)固(gu)體(ti)(ti)、流(liu)體(ti)(ti)、熱、水化等物(wu)理場的耦合(he)等。

超算科技針對石油工業計算數學物(wu)理模(mo)型(xing)多、細、復(fu)雜的(de)(de)特點，面向(xiang)用(yong)戶提供定制服務(wu)。用(yong)戶可(ke)以根(gen)據研究開(kai)發(fa)問(wen)題(ti)的(de)(de)需(xu)要提出自定義的(de)(de)模(mo)型(xing)，超算科技將根(gen)據用(yong)戶模(mo)型(xing)提供專門的(de)(de)解決方案。如考慮流(liu)體傳輸中(zhong)的(de)(de)流(liu)固(gu)耦合(he)；稠油熱采中(zhong)的(de)(de)熱、流(liu)、固(gu)耦合(he)；復(fu)雜的(de)(de)物(wu)質驅替；新的(de)(de)石化能源開(kai)發(fa)中(zhong)的(de)(de)模(mo)型(xing)建立與(yu)計算分析等。將用(yong)戶關心的(de)(de)計算內(nei)容(rong)，根(gen)據用(yong)戶要求集成在一個統一的(de)(de)計算環境中(zhong)。

針對用戶(hu)分析精度的(de)要求，超算(suan)科技提供用戶(hu)定制化的(de)并(bing)行計(ji)算(suan)模(mo)塊開發(fa)和(he)并(bing)行計(ji)算(suan)咨詢服務。并(bing)行計(ji)算(suan)可以根(gen)據用戶(hu)預算(suan)的(de)情況提供基于機群的(de)MPI并(bing)行和(he)基于GPU的(de)眾核并(bing)行兩種(zhong)解決方案。

3：應用案例

大慶油(you)田鉆探集(ji)團測井公司

北京超算科技有限公(gong)司承擔了大慶油(you)(you)田鉆探集團測(ce)井(jing)公(gong)司關(guan)于油(you)(you)水井(jing)套損解釋(shi)預測(ce)方法與(yu)軟件研(yan)制項(xiang)目，主要工作內容是進行(xing)流固(gu)耦合作用下套管(guan)變形和應力模擬分析，并與(yu)測(ce)井(jing)數(shu)據解釋(shi)進行(xing)對比，找(zhao)出區域性套損的(de)(de)規律，為油(you)(you)田的(de)(de)生產服務。

編制(zhi)的軟件分(fen)析系統分(fen)別對孔隙壓力、管(guan)(guan)內液柱壓力、地(di)應力影響(xiang)下套管(guan)(guan)的應力分(fen)布進行了(le)程(cheng)序(xu)驗(yan)證(zheng)，很好地(di)保證(zheng)了(le)求解(jie)程(cheng)序(xu)的正確性。分(fen)析系統考慮了(le)開采壓力變化、地(di)層傾(qing)角(jiao)變化、砂巖尖滅(mie)及層間(jian)壓差等(deng)情況(kuang)對套管(guan)(guan)的影響(xiang)。

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

計算得到的流固藕合作用下應力隨深度變化曲線

低滲透流固耦合數值模擬

大慶油(you)田外(wai)圍油(you)田存在(zai)著典型的低滲(shen)透(tou)各向異(yi)性特征。滲(shen)透(tou)率沿河道方向發育，同時，有明(ming)顯(xian)的啟動壓力(li)特征。項(xiang)目(mu)根(gen)據外(wai)圍油(you)田的這些特點采用(yong)合適的數(shu)學物理(li)模型，對低滲(shen)透(tou)各向異(yi)性油(you)田下的注(zhu)采引(yin)起(qi)的流體(ti)壓力(li)變化和(he)地層變形和(he)應力(li)進行計算模擬。

不同滲透主方(fang)向下模擬得到的流(liu)體壓(ya)力分布

不同啟(qi)動(dong)壓力下模擬得(de)到(dao)的流體壓力分布

同時項目分(fen)析套管(guan)(guan)所受的各種載荷(he)，通過地(di)質力(li)學(xue)流固(gu)耦合模擬開(kai)發引(yin)起(qi)(qi)的套管(guan)(guan)載荷(he)，并和套管(guan)(guan)所受重力(li)、地(di)應力(li)、流體壓力(li)等(deng)載荷(he)進行(xing)疊加，最(zui)終(zhong)得到由于開(kai)發引(yin)起(qi)(qi)的套管(guan)(guan)應力(li)變化(hua)。通過和套管(guan)(guan)強(qiang)度(du)進行(xing)對(dui)比分(fen)析，給出套管(guan)(guan)工作的安全程(cheng)度(du)。

計算選取的某區塊

區塊有限元模型

區塊砂巖模型

 

軟化巖石井眼穩定性計算和分析

中石油(you)(you)鉆井研究院為了在一定程度上解決、緩(huan)解油(you)(you)田鉆井過程由井眼穩(wen)定問(wen)題帶(dai)來(lai)的經濟及社會效(xiao)益(yi)的損失，委托北京超算科技有限公司開展井眼穩(wen)定計算和分析(xi)軟(ruan)件研制(zhi)工作。

軟(ruan)件要求考(kao)(kao)慮應(ying)變(bian)軟(ruan)化模型、采(cai)用(yong)無限(xian)元考(kao)(kao)慮井筒和地層尺(chi)寸(cun)的(de)(de)(de)差異，同時需(xu)要運用(yong)弧長法計算模擬井壁(bi)開挖(wa)后的(de)(de)(de)平衡(heng)路徑曲線。計算表明：采(cai)用(yong)力(li)學穩定(ding)性計算理論可以分析巖石開挖(wa)過程的(de)(de)(de)的(de)(de)(de)臨界載荷，通過計算不(bu)同的(de)(de)(de)脆(cui)度可以得到(dao)不(bu)同的(de)(de)(de)臨界載荷；隨(sui)著巖石脆(cui)度的(de)(de)(de)增大，井壁(bi)的(de)(de)(de)臨界坍塌(ta)壓(ya)力(li)會隨(sui)之降(jiang)低，巖石脆(cui)度是影(ying)(ying)響井壁(bi)穩定(ding)性的(de)(de)(de)重要指標；巖石的(de)(de)(de)摩(mo)擦角的(de)(de)(de)降(jiang)低，井壁(bi)的(de)(de)(de)臨界坍塌(ta)壓(ya)力(li)會隨(sui)之降(jiang)低，影(ying)(ying)響摩(mo)擦角的(de)(de)(de)物理化學作用(yong)將(jiang)影(ying)(ying)響井壁(bi)的(de)(de)(de)穩定(ding)性。

塑性區云圖

載荷位移曲線（理想彈塑性）

載荷位移曲線（應變軟化模型-川本模型）

4：攜手計算

石油行業是聯系著科學技術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。石油工業對計算模擬智能化、規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。超算科技將結合自身在計算模擬技術方面的積累，從我們擅長的幾個具體開發方向上和您攜手面向石油工業的計算模擬分析與研究。

鉆井過程的井壁穩定性；
地震波正演與反演分析；
套損機理數值模擬研究；
油田生產開發中的油藏模擬；

成功案例
一、 北京超算科技有限公司在2014年4月承擔了大慶油田工程有限公司關于大慶油田技術效率及科技規劃研究的項目，主要工作內容是：1、基于數據挖掘的方法；2、大慶油田科技成果指標體系的建立；3、大慶油田科技規劃項目成果評價方法與研究；
二、 北京(jing)超算(suan)科技有限(xian)公司(si)在(zai)2014年9月(yue)承擔了大(da)慶(qing)油田有限(xian)責任公司(si)的(de)套損預警及(ji)綜合管理系(xi)統項目，主要(yao)的(de)項目內(nei)容是(shi)分(fen)析油田水(shui)井(jing)大(da)修業(ye)務邏(luo)輯關(guan)系(xi)和數據組成(cheng)，對油水(shui)井(jing)大(da)修管理平臺(tai)所涉及(ji)的(de)數據進行歸類，開發油田水(shui)井(jing)大(da)修運行平臺(tai)的(de)多個模塊(kuai)，分(fen)析套損管理系(xi)統包含的(de)業(ye)務邏(luo)輯內(nei)容。