超算有限元分析系統SciFEA—石油行業應用解決方案

1：行業計算模拟現狀

随着現代社會對石油資源需求的不斷快速增長，采用新的技術發現石油資源、高效開發和利用石油資源是人們所關心的實際課題。在石油行業，無論是上遊的勘探開發、還(hái)是中遊的油田開發、以及下遊的石油煉化加工等環節有在利用數值模拟技術進行輔助分析和設計。可以說(shuō)，以有限元、有限差分、有限體積爲代表的數值模拟技術已經滲透到石油工業的方方面面。随着找油、采油難度的與日(rì)俱增，石油工業對數值模拟提出了更艱巨的要求，比如(rú)，用新的成油理論進行模拟分析，發現油田新“大(dà)陸”，降低勘探風(fēng)險；三次采油工藝的多相(xiàng)多場模拟；特殊地質條件下的油藏模拟；特殊地質條件下流體固體相(xiàng)互作用；高原條件下的勘探開發工藝模拟等。總的來說(shuō)，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(xiàng)互作用的時空演化，這些都(dōu)是現有的模拟手段需要發展和完善的方向，以适應石油行業的複雜的計算模拟需求。

2：解決方案

SciFEA軟件提供的固體彈性、彈塑性、粘彈性模塊；傳熱模塊（穩态、瞬态）；滲流模塊（穩态、瞬态、線性、非線性）；電磁模塊（靜(jìng)電、靜(jìng)磁、時諧電磁、瞬态電磁）；熱固耦合模塊（穩态、瞬态、線性、非線性）、流固耦合（穩态、瞬态、線性、非線性）可以直接滿足石油行業固體、流體、傳熱、電磁、流固耦合、熱固耦合等方面的計算需求。

超算科技爲用戶提供針對石油行業計算模拟的特定的處理技術，如(rú)考慮油田地質的非均勻性；考慮斷層性質的影(yǐng)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(xiàng)關性等非線性特征；考慮各向異性和啓動壓力特征；考慮井群的流動和固體變形；考慮鑽井井壁穩定性；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計算數學物理模型多、細、複雜的特點，面向用戶提供定制服務。用戶可以根據研究開發問題的需要提出自定義的模型，超算科技将根據用戶模型提供專門(mén)的解決方案。如(rú)考慮流體傳輸中的流固耦合；稠油熱采中的熱、流、固耦合；複雜的物質驅替；新的石化能源開發中的模型建立與計算分析等。将用戶關心的計算内容，根據用戶要求集成在一個統一的計算環境中。

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和并行計算咨詢服務。并行計算可以根據用戶預算的情況提供基于機群的MPI并行和基于GPU的衆核并行兩種解決方案。

3：應用案例

大(dà)慶油田鑽探集團測井公司

上海商派雲起雲計算技術有限公司承擔了大(dà)慶油田鑽探集團測井公司關于油水井套損解釋預測方法與軟件研制項目，主要工作内容是進行流固耦合作用下套管變形和應力模拟分析，并與測井數據解釋進行對比，找出區域性套損的規律，爲油田的生産服務。

編制的軟件分析系統分别對孔隙壓力、管内液柱壓力、地應力影(yǐng)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确性。分析系統考慮了開采壓力變化、地層傾角變化、砂岩尖滅及層間壓差等情況對套管的影(yǐng)響。

模拟砂岩尖滅情況下套管X向應力分布情況

模拟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(de)到的流固藕合作用下應力随深度變化曲線

低滲透流固耦合數值模拟

大(dà)慶油田外圍油田存在着典型的低滲透各向異性特征。滲透率沿河道方向發育，同時，有明顯的啓動壓力特征。項目根據外圍油田的這些特點采用合适的數學物理模型，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拟。

不同滲透主方向下模拟得(de)到的流體壓力分布

不同啓動壓力下模拟得(de)到的流體壓力分布

同時項目分析套管所受的各種載荷，通過地質力學流固耦合模拟開發引起的套管載荷，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(de)到由于開發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。

計算選取的某區塊

區塊有限元模型

區塊砂岩模型

 

軟化岩石井眼穩定性計算和分析

中石油鑽井研究院爲了在一定程度上解決、緩解油田鑽井過程由井眼穩定問題帶來的經濟及社會效益的損失，委托上海商派雲起雲計算技術有限公司開展井眼穩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拟井壁開挖後的平衡路(lù)徑曲線。計算表明：采用力學穩定性計算理論可以分析岩石開挖過程的的臨界載荷，通過計算不同的脆度可以得(de)到不同的臨界載荷；随着岩石脆度的增大(dà)，井壁的臨界坍塌壓力會随之降低，岩石脆度是影(yǐng)響井壁穩定性的重要指标；岩石的摩擦角的降低，井壁的臨界坍塌壓力會随之降低，影(yǐng)響摩擦角的物理化學作用将影(yǐng)響井壁的穩定性。

塑性區雲圖

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

石油行業是聯系着科學技術衆多領域的一片沃土，既有地面又有地下，既有陸地又有海洋。因此，石油行業對計算模拟的需求是全方位、多層次的，既有大(dà)空間維度又有大(dà)時間跨度，既有多相(xiàng)多場耦合又有海量計算、分析與存儲。石油工業對計算模拟智能化、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。超算科技将結合自身(shēn)在計算模拟技術方面的積累，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拟分析與研究。

鑽井過程的井壁穩定性；
地震波正演與反演分析；
套損機理數值模拟研究；
油田生産開發中的油藏模拟；

成功案例
一、 上海商派雲起雲計算技術有限公司在2014年4月承擔了大(dà)慶油田工程有限公司關于大(dà)慶油田技術效率及科技規劃研究的項目，主要工作内容是：1、基于數據挖掘的方法；2、大(dà)慶油田科技成果指标體系的建立；3、大(dà)慶油田科技規劃項目成果評價方法與研究；
二、 上海商派雲起雲計算技術有限公司在2014年9月承擔了大(dà)慶油田有限責任公司的套損預警及綜合管理系統項目，主要的項目内容是分析油田水井大(dà)修業務邏輯關系和數據組成，對油水井大(dà)修管理平台所涉及的數據進行歸類，開發油田水井大(dà)修運行平台的多個模塊，分析套損管理系統包含的業務邏輯内容。