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CAE仿真分析应用之石油化工——元计算pFEPG

已有 4481 次阅读 2012-9-4 17:05 |个人分类:学习|系统分类:科研笔记| 石油, 有限元, pFEPG, 元计算, CAE仿真分析

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随着现代社会对石油资源需求的不断快速增长，国际石油资源日益紧缺，采用新的技术发现石油资源、高效开发和利用石油资源是人们所关心的实际课题。无论是上游的勘探开发、还是中游的油田开发、以及下游的石油炼化加工等环节均在利用数值模拟技术进行辅助分析和设计。可以说，以有限元、有限差分、有限体积为代表的CAE技术已经渗透到石油工业的方方面面。随着找油、采油难度的与日俱增，石油工业对数值模拟提出了更艰巨的要求，比如，用新的成油理论进行模拟，发现油田新“大陆”，降低勘探风险；三次采油工艺的多相多场模拟；特殊地质条件下的油藏模拟；特殊地质条件下流体固体相互作用；高原条件下的勘探开发工艺模拟；海洋石油地质条件下的石油开采模拟等。总的来说，需要考虑新的计算模型和计算方法，需要考虑多个物理量相互作用的时空演化，这些都是现有的模拟手段需要发展和完善的方向，以适应石油行业复杂计算模拟需求。

钻井测井
在石油工业中，为便于找寻石油和探明储量，需要用到地球物理的方法来测出地下岩层和异常地体的物理参数。阵列方位电阻率成像测井仪作为测定井下地体电阻率的有力工具在石油工业中得到了广泛的应用。还有钻孔测井分析是通过模拟钻孔后油压变化，来估计油层的压力和开采潜能。目前关于这方面的数值模拟软件很少，基本上在方法上探讨工作，就看这方面的方法发展状况，大部分还是在解释和经验上发展。

石油勘探
我国的石油地震勘探工作正面临着比过去更为困难复杂的情况。到目前为止，大的、简单的油田勘探已基本结束，为了满足经济建设和人民生活对石油日益增长的需求，一方面要寻找更为复杂的勘探目标（包括西部油田），其地表条件一般是起伏地表，且常常覆盖着沙漠、森林或沼泽；其地下介质条件一般是高度非均匀的，不同介质交界一般是高度非规则的，还常常包含断层等地质构造。另一方面，东部油田很多已进入中晚期，需要寻找剩余油分布，提高老油田的采收率。这些都要求进一步提高勘探方法和技术。我国石油勘探有关部门多年来致力于地震波传播总体研究。地震勘探中的地震波传播问题都是大型问题，对这类问题靠改进数值计算方法来提高计算速度其潜力是有限的，大幅度提高更是不可能的，唯一可行的途径是采用并行计算。

石油开采
      石油开采的任务就是要从油田的客观实际出发，以最少的投资，最合适的速度去获得最高的最终采收率，也就是获得最大的经济效益。油藏数值模拟就是为了实现石油开采而发展起来的一种新技术。油藏数值模拟就是预演或重演石油的开采的全过程，从而获取一系列能指导油田开采的数据，和优选出最佳的开发方案。此项技术根据油气藏实际情况，运用计算机技术，在选择合适数学模型或模拟软件的基础上模拟和预测油气藏开发动态，为制定经济有效的开采战略和技术措施提供科学依据。
     石油工程的力学性质非常复杂，影响其应力和变形的因素很多，例如地层的结构、孔隙、密度、应力历史、荷载特征、油气水运移过程及时间效应等等，这种复杂性决定了技术人员在计算有关石油问题时往往需要做一些针对具体问题的创新性研究或改进。
    pFEPG的高度开放性和广泛适应性非常适合于此类问题的计算。它可以根据用户需求，用极短的时间来解决问题（例如增加一种新的单元类型，或是增加新的材料本构模型等等），可以方便地人为控制或修改有限元计算过程中的任何一个细节或参数。而使计算不再是一个黑匣子，保证计算分析正确合理，达到预测并且指导设计生产的目的。

pFEPG在石油领域的应用成果

盆地演化数值分析
在生产测井的数值分析
油田套管损坏机理数值分析
人工裂缝井生产动态模拟
塔里木盆地油气运移研究
两相渗流与非线性固体变形耦合分析
岩石注水压裂
出沙机理与井眼稳定性分析软件SWAS
地震波传播数值分析软件SWS等等

石油领域应用案例：

1、石油储量评估：

中科院数学所与美国加州大学柏克莱分校地质地球物理研究所合作，用pFEPG开发了盆地演化的数值模拟软件，该软件可计算包括任意多条断层的相互耦合的古热力场、古水动力场、古生物和化学反应场的时空演化过程。其中地质条件考虑了最复杂的任意多种不同介质及各向异性，断层考虑了沿断层方向和垂直断层方向岩石的渗透率有显著差别，断层两边的岩石有相对运动的情况，该软件已应用于我国海洋石油的勘探，为石油地质研究和目标勘探提供了有力的手段。

二维盆地演化模拟

2、石油开采：

与香港理工大学、苏州大学合作，应用pFEPG生成黑油模型的有限元程序，模拟石油开采过程中油、气、水三相的动态过程；应用pFEPG进行非线性固体变形和两相渗流的有限元计算，考虑岩石的弹塑性变形和油相、水相压力与饱和度分布，模拟在开采过程中井壁的变形和应力，为调整注水开采工艺，减少套管破损提供指导。

石油开采过程中套管应力和变形

3、测井：

石油大学、石油大学（华东）、大庆测井公司利用pFEPG先后进行了电位测井，核磁测井，钻井测井以及井壁出砂和井壁稳定性等方面的数模模拟。为了解地层渗透特性、油水组份构成、砂化程度提供了强有力的指导。

4、钻井测井分析
在石油工业中，为便于找寻石油和探明储量，需要用到地球物理的方法来测出地下岩层和异常地体的物理参数。阵列方位电阻率成像测井仪作为测定井下地体电阻率的有力工具在石油工业中得到了广泛的应用。此算例的目的是为了预测各种规格的仪器的电阻率测井响应探测能力，以及为实测曲线的解释提供计算依据。

电位测井

5、油田套损机理研究

在采油行业中，套管的损坏连年居高不下，经济损失巨大。原因就在于套损的机理至今不清楚，仍为世界性的难题。采用现有软件也很难实现模拟和计算。而大庆油田与公司合作采用pFEPG系统根据问题遵循的物理规律辅助快速编程，自行开发程序，在考虑地层与油井的尺寸，采用了组合网格法进行了多场耦合有限元分析，较好的模拟了套管在使用过程中的压力和变形情况，地下油层在不同的时间段被水驱动的效果。

地层网格剖分某一时间地层中的饱和度场分布

6、塔里木盆地油气运移研究
该项目合作对象为中国地质科学院地质力学研究所。

7、稠油热采开发中热-流-变形耦合分析

稠油油藏注蒸汽热采开发过程中，注入的高温蒸汽引起井筒和储集层内温度大幅度增加，进而导致储层原油粘度降低、饱和孔隙流体和岩层骨架受热发生膨胀；加之反复性注采扰动，导致油藏内的温度、流体渗流、岩层骨架处于相互影响并随时间、空间不断变化的状态之中，为典型的热-流-变形耦合系统。在pFEPG软件平台基础上开发了相应的热-流-变形耦合模型有限元数值求解程序，定量分析开发过程中储层温度、压力及地层稳定性变化。

图3-1 非均匀注气导致的储层压力变化图3-2 均匀注气储层压力变化

图3-3 近井筒储层稳定变化

8、中国石油廊坊分院堵水调剖数值模拟研究
堵水就是控制水油比或控制产水，其实质是改变水在地层中的流动特性，即改变水在地层中的渗透规律。堵水作业根据施工对象的不同，分为油井（生产井）堵水和水井（注入井）调剖二类。其目的是补救油井的固井技术状况和降低水淹层的渗透率（调整流动剖面），提高油层的采收率。
国内、外陆上主要油田都已进入中高含水开采期，堵水调剖已作为一项改善水驱开发效果、提高采收率重要的措施，已成为高含水油田增储挖潜的重要技术。pFEPG可模拟一注一采注水驱油过程

不同时刻的注水驱油过程

9、中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院缝洞型油藏数值模拟研究
应用pFEPG生成黑油模型的有限元程序，模拟石油开采过程中油、气、水三相的动态过程；应用pFEPG进行非线性固体变形和两相渗流的有限元计算，考虑岩石的弹塑性变形和油相、水相压力与饱和度分布，模拟在开采过程中井壁的变形和应力，为调整注水开采工艺，减少套管破损提供指导。pFEPG可模拟缝洞型油藏油水两相混合流体流动的全过程。

总速度自由流动区压力渗流区压力

10、油田井壁出砂和井壁稳定性的数模模拟软件
针对我国中东部油田出砂现状，从理论的角度系统研究了砂岩地层、尤其是疏松砂岩地层的出砂机理；建立了包括非线性地层变形、孔隙度/渗透率变化、流体渗流压力场、液化砂剥蚀与流动等内容的出砂预测理论模型。
以pFEPG系统为基础开发了出砂定量预测及管理分析系统软件，分出砂管理、防砂作业分析、地层稳定性定量分析三个模块，高效集成了数据库、地质力学图形建模、有限元定量分析、防砂参数优化等一系列复杂的图形/动态数据库链接与实时处理功能。石油大学利用本系统二次开发了出砂机理与井眼。

图1-1 计算模型建立图1-2模型网格划分

图1-3 斜井射孔处地层稳定变化图1-4 油井出砂速率信息

11、人工裂缝井生产动态模拟
人工压裂井的渗流规律及产量变化规律是有效进行人工压裂的理论基础，也是进一步开发低渗透油田的理论依据。然而，由于受到研究方法的限制，目前对人工裂缝特别是复杂裂缝的相关参数对生产动态影响的研究还不深入，并没有对裂缝给出更符合实际的合理描述。大庆石油学院利用pFEPG对人工裂缝的参数对生产动态的影响进行了深入研究，对不规则裂缝井进行了探讨性研究。利用pFEPG平台编制了有限元方法的油藏模拟器，利用模拟器对导流能力对产能的影响进行了吉林油田模拟研究。

非直线人工裂缝井生产动态曲线非直线人工裂缝井稳态时的产量对比(考虑外边界定压)

12、江汉油田测井公司三线圈感应在测井中的应用
在石油工业中，为便于找寻石油和探明储量，需要用到地球物理的方法来测出地下岩层和异常地体的物理参数。阵列方位电阻率成像测井仪作为测定井下地体电阻率的有力工具在石油工业中得到了广泛的应用。此算例的目的是为了预测各种规格的仪器的电阻率测井响应探测能力，以及为实测曲线的解释提供计算依据。

13、胜利油田岩石注水压裂过程模拟
应用岩石力学、流体力学、断裂力学、弹性力学等理论，在pFEPG软件平台的基础上开发了水力压裂裂缝扩展分析软件。定量评价生产过程中流体流动与岩石变形的耦合作用引起的地应力场变化，分析压裂裂缝的启裂与延伸条件与规律，及地应力大小、射孔方位、生产压差等因素对压裂/重复压裂裂缝转向、启裂的影响，为低渗透区块后期开发生产提供实用技术。

射孔方位对裂缝扩展影响分析裂缝动态扩展分析

岩石注水压裂过程

14、油藏数值模拟
油藏数值模拟是应用计算机数值仿真技术，研究油、气藏中多相流体渗流规律的新型数值计算问题。该问题自上世纪50年代提出后得到了迅速发展，各种计算方法不断出现，取得了一系列的技术成果。特别是近二十年，随着高性能计算设备和偏微分方程数值求解技术的迅猛发展，原先油、气藏开发过程中难以模拟的复杂工程问题和渗流问题陆续得到解决，各类油藏数值模拟方法渐趋成熟。元计算利用pFEPG进行了一注一采井油水两相渗流规律研究，开发了油水两相渗流模拟软件，分别用流量边界条件和源汇项处理井边界条件计算。并且与基于有限差分方法的商业软件在同条件下进行比较计算，对二维问题进行了验证分析。