超算有限元分析系统SciFEA—石油行业应用解决方案

1：行业计算模拟现状

随着现代社会对石油资源需求的不断快速增长，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。在石油行业，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有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、有限体积为代表的数值模拟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分析，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，以适应石油行业的复杂的计算模拟需求。

2：解决方案

SciFEA软件提供的固体弹性、弹塑性、粘弹性模块；传热模块（稳态、瞬态）；渗流模块（稳态、瞬态、线性、非线性）；电磁模块（静电、静磁、时谐电磁、瞬态电磁）；热固耦合模块（稳态、瞬态、线性、非线性）、流固耦合（稳态、瞬态、线性、非线性）可以直接满足石油行业固体、流体、传热、电磁、流固耦合、热固耦合等方面的计算需求。

超算科技为用户提供针对石油行业计算模拟的特定的处理技术，如考虑油田地质的非均匀性；考虑断层性质的影响；考虑地下多尺度流动；考虑多尺度固体变形；考虑流动的饱和度相关性等非线性特征；考虑各向异性和启动压力特征；考虑井群的流动和固体变形；考虑钻井井壁稳定性；考虑固体、流体、热、水化等物理场的耦合等。

超算科技针对石油工业计算数学物理模型多、细、复杂的特点，面向用户提供定制服务。用户可以根据研究开发问题的需要提出自定义的模型，超算科技将根据用户模型提供专门的解决方案。如考虑流体传输中的流固耦合；稠油热采中的热、流、固耦合；复杂的物质驱替；新的石化能源开发中的模型建立与计算分析等。将用户关心的计算内容，根据用户要求集成在一个统一的计算环境中。

针对用户分析精度的要求，超算科技提供用户定制化的并行计算模块开发和并行计算咨询服务。并行计算可以根据用户预算的情况提供基于机群的MPI并行和基于GPU的众核并行两种解决方案。

3：应用案例

大庆油田钻探集团测井公司

北京超算科技有限公司承担了大庆油田钻探集团测井公司关于油水井套损解释预测方法与软件研制项目，主要工作内容是进行流固耦合作用下套管变形和应力模拟分析，并与测井数据解释进行对比，找出区域性套损的规律，为油田的生产服务。

编制的软件分析系统分别对孔隙压力、管内液柱压力、地应力影响下套管的应力分布进行了程序验证，很好地保证了求解程序的正确性。分析系统考虑了开采压力变化、地层倾角变化、砂岩尖灭及层间压差等情况对套管的影响。

模拟砂岩尖灭情况下套管X向应力分布情况

模拟地层倾角情况下的变形情况

研制的油水井套损磁测应力解释预测系统

计算得到的流固藕合作用下应力随深度变化曲线

低渗透流固耦合数值模拟

大庆油田外围油田存在着典型的低渗透各向异性特征。渗透率沿河道方向发育，同时，有明显的启动压力特征。项目根据外围油田的这些特点采用合适的数学物理模型，对低渗透各向异性油田下的注采引起的流体压力变化和地层变形和应力进行计算模拟。

不同渗透主方向下模拟得到的流体压力分布

不同启动压力下模拟得到的流体压力分布

同时项目分析套管所受的各种载荷，通过地质力学流固耦合模拟开发引起的套管载荷，并和套管所受重力、地应力、流体压力等载荷进行叠加，最终得到由于开发引起的套管应力变化。通过和套管强度进行对比分析，给出套管工作的安全程度。

计算选取的某区块

区块有限元模型

区块砂岩模型

 

软化岩石井眼稳定性计算和分析

中石油钻井研究院为了在一定程度上解决、缓解油田钻井过程由井眼稳定问题带来的经济及社会效益的损失，委托北京超算科技有限公司开展井眼稳定计算和分析软件研制工作。

软件要求考虑应变软化模型、采用无限元考虑井筒和地层尺寸的差异，同时需要运用弧长法计算模拟井壁开挖后的平衡路径曲线。计算表明：采用力学稳定性计算理论可以分析岩石开挖过程的的临界载荷，通过计算不同的脆度可以得到不同的临界载荷；随着岩石脆度的增大，井壁的临界坍塌压力会随之降低，岩石脆度是影响井壁稳定性的重要指标；岩石的摩擦角的降低，井壁的临界坍塌压力会随之降低，影响摩擦角的物理化学作用将影响井壁的稳定性。

塑性区云图

载荷位移曲线（理想弹塑性）

载荷位移曲线（应变软化模型-川本模型）

4：携手计算

石油行业是联系着科学技术众多领域的一片沃土，既有地面又有地下，既有陆地又有海洋。因此，石油行业对计算模拟的需求是全方位、多层次的，既有大空间维度又有大时间跨度，既有多相多场耦合又有海量计算、分析与存储。石油工业对计算模拟智能化、规模化的要求从目前世界上顶级的高性能计算机应用可窥一斑。超算科技将结合自身在计算模拟技术方面的积累，从我们擅长的几个具体开发方向上和您携手面向石油工业的计算模拟分析与研究。

钻井过程的井壁稳定性；
地震波正演与反演分析；
套损机理数值模拟研究；
油田生产开发中的油藏模拟；

成功案例
一、 北京超算科技有限公司在2014年4月承担了大庆油田工程有限公司关于大庆油田技术效率及科技规划研究的项目，主要工作内容是：1、基于数据挖掘的方法；2、大庆油田科技成果指标体系的建立；3、大庆油田科技规划项目成果评价方法与研究；
二、 北京超算科技有限公司在2014年9月承担了大庆油田有限责任公司的套损预警及综合管理系统项目，主要的项目内容是分析油田水井大修业务逻辑关系和数据组成，对油水井大修管理平台所涉及的数据进行归类，开发油田水井大修运行平台的多个模块，分析套损管理系统包含的业务逻辑内容。