用於模擬地質力學儲層系統的計算機實現的系統和方法
2023-05-08 11:01:06 2
專利名稱：用於模擬地質力學儲層系統的計算機實現的系統和方法
技術領域：
本文件涉及用於模擬地質力學儲層系統的計算機實現的系統和方法。
3.
背景技術：
存在幾種預測這些地質力學儲層系統中的水力裂縫幾何形狀的不同裂縫仿真器，既包括有限元(Papanastasiou，P. C，1997，Int. J. Rock Mech & Min. ki，34 :3_4， 論文 No. 240 ;Lam 等人，SPE 15266, SPE Unconventional Gas Technology Symposium, Louisville，KY，Mayl8-21，1986 ;Lujun 等人，2007，SPE 110845，SPE annual Technical Conference and Exhibition, Anaheim, CA, November 11-14,2007), iii 1 If 7Π (Clifton 等人，1979, SPE 7943, SPE/D0E Low Permeability Gas Reservoirs Symposium, Denver, Colorado, May20_22，1979 ；Rungamornrat 等人,2005，SPE 96968，SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Dallas, TX October 9-12, 2005 ;Yew等人，1993, SPE 22875，SPE Production & Facilities,8 :171-177)。但是，在模擬地質力學儲層系統方面需要改進。
4.
發明內容
如本文所公開，提供了模擬地質力學儲層系統的計算機實現的系統和方法。例如， 一種系統和方法可以配置成接收指示與地質力學儲層系統相關聯的物理性質的數據，並通過求解模擬地質力學儲層系統的偏微分方程組生成壓裂預測。作為另一個例子，一種系統和方法可以進一步包括包含地質力學儲層系統的儲層流模型、地質力學模型、和裂縫模型的偏微分方程組；其中所述偏微分方程組通過全展開雅可比行列式(Jacobian)耦合；所述偏微分方程組的求解包括在單個時間步長中根據接收的物理性質數據同時求解全展開雅可比行列式。所述方法可以包含向用戶、用戶接口設備、 計算機可讀存儲介質、監視器、本地計算機、或作為網絡一部分的計算機輸出或顯示生成的壓裂預測。作為另一個例子，一種系統和方法可以配置成用於模擬地質力學儲層系統中的裂縫，包含接收指示與地質力學儲層系統相關聯的物理性質的數據；定義包含多個三維單元(cell)的三維網格，其中每個三維單元包含多個節點；定義包含多個二維單元的二維網格，其中每個二維單元包含多個節點，並且每個二維單元與一個三維單元共享至少四個節點；通過求解模擬地質力學儲層系統的偏微分方程組生成壓裂預測；其中所述偏微分方程組包含地質力學儲層系統的儲層流模型、地質力學模型、和裂縫模型；其中所述偏微分方程組通過全展開雅可比行列式耦合；其中所述偏微分方程組的求解包括在單個時間步長中根據接收的物理性質數據同時求解全展開雅可比行列式；其中在三維網格上計算所述儲層流模型和地質力學模型；以及其中在二維網格上計算所述裂縫模型。所述方法可以包含向用戶、用戶接口設備、計算機可讀存儲介質、監視器、本地計算機、或作為網絡一部分的計算機輸出或顯示生成的壓裂預測。 關於耦合，可以用於將儲層中的流體流與地質力學模型耦合的全展開雅可比行列式中的變量可以是與地質力學模型相關聯的有效應力、孔隙率、和一個或多個位移 (displacement) 0將地質力學模型與流體流耦合的全展開雅可比行列式中的變量可以是 與儲層流模型相關聯的孔隙率、流體壓力、和滲透率；其中將地質力學模型與裂縫模型耦合的全展開雅可比行列式中的變量可以是與裂縫模型相關聯的裂縫寬度；以及其中將儲層中的流體流與裂縫模型耦合的全展開雅可比行列式中的變量可以是與裂縫模型相關聯的洩漏率。所述偏微分方程組還可以進一步包含地質力學儲層系統的熱模型。將熱模型與地質力學模型耦合的全展開雅可比行列式中的變量可以是與熱模型相關聯的傳導和對流； 以及將熱模型與儲層流模型耦合的全展開雅可比行列式中的變量可以是與熱模型相關聯的流體粘度和熱應力。
5.
圖1是用於模擬包括儲層模型、地質力學模型、和裂縫流模型的地質力學儲層系統的示例性手段的方塊圖；圖2是用於模擬包括儲層模型、地質力學模型、裂縫流模型、和熱模型的地質力學儲層系統的示例性手段的方塊圖；圖3是用於模擬包括儲層模型和地質力學模型的地質力學儲層系統的示例性手段的方塊圖；圖4是用於模擬包括儲層模型、地質力學模型、和熱模型的地質力學儲層系統的示例性手段的方塊圖；圖5是用於模擬包括儲層模型、地質力學模型、和裂縫流模型的地質力學儲層系統的示例性手段的方塊圖，其中裂縫延伸(fracture propagation)生長模型預測裂縫輪廓；圖6例示了用於計算裂縫流模型的二維網格的例子和用於計算其它模型的三維網格的例子；圖7例示了用在計算中的儲層和裂縫網格，其中距離以英尺為單位；圖8例示了井相對於顯示在圖7中的儲層和裂縫網格的位置；圖9例示了已經插入儲層網格中的兩條裂縫；圖10例示了相對於裂縫末端的臨界裂縫張開裂縫延伸判據；圖11示出了與裂縫平面(fracture plane)垂直的應力、臨界間隔(critical separation)、和能量釋放率之間的關係的曲線圖；圖12例示了內聚單元(cohesive element)的加載/卸載路徑；圖13例示了相對於裂縫末端的內聚單元裂縫延伸判據；圖14示出了部分飽和網格單元的示意圖，其中流體從左往右傳播並且裂縫寬度從左往右變窄；圖15例示了實現本文公開的模擬方法的計算機系統的例子；圖16示出了低粘度流體的注入壓力與裂縫長度之間的關係的曲線圖；圖17示出了應力強度因子的預測結果、和具有不同拉伸應力值的內聚模型；圖18示出了三種不同網格尺寸的預測裂縫長度；圖19示出了裂縫末端附近區域中的流體壓力和裂縫半寬度；圖20示出了仿真期間的裂縫半寬度；圖21示出了仿真結束時的裂縫半寬度；以及圖22示出了預測裂縫長度與分析裂縫長度的比較，其中虛線對應於分析結果。 6.
具體實施例方式6. 1地質力學儲層模擬方法的例子圖1描繪了用於模擬地質力學儲層系統的計算機實現的系統的例子。該模擬系統包括描述地質力學儲層系統的各個物理方面的多個模型，諸如儲層流體流模型、地質力學模型、和裂縫流模型。儲層流體流模型描述例如滲流(porous flow)、生產和注入。地質力學儲層模型描述，例如，當將流體注入儲層中或從儲層中生產流體時以及當將應力施加於儲層的邊界時引起的應力、應變、和位移。裂縫流模型描述，例如，裂縫中的流和從裂縫到儲層的洩漏。非線性偏微分方程組將這些模型的各個方面相互關聯。在接收到代表與要分析的地質力學儲層系統相關聯的物理性質的數據之後，解算器通過求解偏微分方程組生成預測(例如，壓裂預測)。在圖1的解算器中，偏微分方程組通過全展開雅可比行列式耦合。偏微分方程組的求解包括在單個時間步長中根據接收的物理性質數據同時求解全展開雅可比行列式。可以將生成的壓裂預測輸出給各種部件，譬如， 輸出給用戶接口設備、計算機可讀存儲介質、監視器、用戶可訪問本地計算機、或作為網絡一部分的用戶可訪問計算機。非線性偏微分方程組包含與要用在分析地質力學儲層系統中的模型相對應的方程。例如，以及如上所述，圖1提供了非線性偏微分方程組包括與地質力學儲層系統的儲層流模型、地質力學模型、和裂縫模型相對應的方程的例子。作為另一種例示，圖2提供了非線性偏微分方程組包括與地質力學儲層系統的儲層流模型、地質力學模型、裂縫模型、和熱模型相對應的方程的例子。在圖3中，非線性偏微分方程組包括與地質力學儲層系統的儲層流模型和地質力學模型相對應的方程。在圖4中，非線性偏微分方程組包括與地質力學儲層系統的儲層流模型、地質力學模型、和熱模型相對應的方程。在下文的6. 3節中將提供與地質力學儲層系統的不同模型的每一種相對應的方程的例子。模擬地質力學儲層系統的方法還可以在單個應用中組合水力裂縫生長、多相/多成分達西(Darcy)/非達西滲流、熱傳導和對流、固體沉積、和多孔彈性/多孔塑性形變。更進一步，可以組合像裂縫寬度變化、裂縫中的層狀渠流(laminar channel flow)、儲層中的滲流、熱傳導和對流、和多孔彈性/多孔塑性形變那樣的不同機理的微分方程，來生成隱性全耦合公式。該模型可以包括導致弱固結地層中的裂縫生成的多孔塑性，並且能夠模擬在裂縫與儲層之間流動的複合多相流體注入。一種方法能夠模擬牽涉到包括EOR和熱處理的復相行為的多孔彈性/多孔塑性物質中的正在生長的裂縫。
模型各個方面的耦合例如可以通過全展開雅可比行列式中的變量來實現。例如， 全展開雅可比行列式可以通過一個或多個如下變量將儲層中的流體流與地質力學模型耦合與地質力學模型相關聯的有效應力、孔隙率、和一個或多個位移。將地質力學模型與流體流耦合的全展開雅可比行列式中的變量可以是與儲層流模型相關聯的孔隙率和滲透率。 將地質力學模型與裂縫模型耦合的全展開雅可比行列式中的變量可以是與裂縫模型相關聯的裂縫寬度。將儲層中的流體流與裂縫模型耦合的全展開雅可比行列式中的變量可以是與裂縫模型相關聯的流體壓力和洩漏率。將熱模型與地質力學模型耦合的全展開雅可比行列式中的變量可以是與熱模型相關聯的熱應力。將熱模型與儲層流模型耦合的全展開雅可比行列式中的變量可以是與熱模型相關聯的儲層中的流體粘度、傳導和對流。全展開雅可比行列式可以包括與耦合變量的變化率(即，偏時間導數或時間導數)、空間導數、或偏空間導數有關的項，其中導數可以是任意階的，例如，一階導數、二階導數、三階導數等。耦合變量的一階、二階、三階和/或更高階導數(無論是時間導數還是空間導數)可以包括在全展開方程組中。在下文的6. 4節中將提供可以耦合不同模型的變量的例子。一種系統和方法可以 通過將不同裂縫延伸模型(描述在下文的6. 5節中)應用於地質力學儲層系統來預測裂縫生長。例如，可以通過輸入到裂縫模型的參數來預測裂縫的輪廓(6.5. 1節)。在另一個例子中，根據不同裂縫延伸判據預測裂縫的演變輪廓。也就是說，可以根據臨界應力強度因子(6. 5.2節)，或根據呈現應變軟化行為的內聚單元(6. 5.3 節)來模擬裂縫生長計算。可以耦合這兩種裂縫延伸判據(6. 5. 4節)。在6. 5. 6和6. 5. 7 節中將討論裂縫生長預測的其它特徵。如6. 5. 5節所討論，一種系統和方法可以配置成允許乾旱帶作為求解過程的自然部分出現在裂縫末端處。尤其，該系統和方法能夠在裂縫末端處根據兩種不同裂縫延伸判據模擬裂縫生長，並且還允許乾旱帶自然地出現在延伸裂縫的末端處。例如，當沿裂縫存在大壓降時，在延伸裂縫的末端處出現乾旱帶。全展開雅可比行列式的非線性方程組可以通過像在6. 6節中更詳細討論的手段那樣的數值手段來求解，其中非線性方程組例如使用所有解變量的完全牛頓-拉夫遜 (Newton-Raphson)展開式來求解，這提高了解的穩定性，並且實現非線性疊代的二階收斂速率。在6. 7節中將討論本文所公開的不同方法的裝置和電腦程式實現的例子。在另一個方面中，一種方法可以包括如下步驟接收指示與地質力學儲層系統相關聯的物理性質的數據；定義包含多個三維單元的三維網格，其中每個三維單元包含多個節點；定義包含多個二維單元的二維網格，其中每個二維單元包含多個節點，並且每個二維單元與一個三維單元共享至少四個節點；以及通過求解模擬地質力學儲層系統的偏微分方程組生成壓裂預測。該偏微分方程組可以包含地質力學儲層系統的儲層流模型、地質力學模型、和裂縫模型。該偏微分方程組通過全展開雅可比行列式耦合，其中例如使用計算機對該偏微分方程組的求解包括在單個時間步長中根據接收的物理性質數據同時求解全展開雅可比行列式。在三維網格上計算儲層流模型和地質力學模型，而在二維網格上計算裂縫模型。將生成的壓裂預測輸出給用戶、用戶接口設備、計算機可讀存儲介質、監視器、本地計算機、或作為網絡一部分的計算機。圖5例示了將裂縫延伸生長模型用於預測裂縫輪廓，並且還例示了乾旱帶被模擬。在6. 2節中將描述用於本文的仿真方法的網格。可以將分立網格用於模擬裂縫(以及例如儲層等)中的流。例如，使用解變量的完全牛頓-拉夫遜展開式隱性地求解非線性方程組可以提高數值穩定性(例如，當應對裂縫生長、空腔生成、或牽涉到極小網格塊的任何仿真時)。模擬與儲層流分開的裂縫流使得可以顧及裂縫末端處的乾旱帶，而使用來自隱性耦合方程組的全展開雅可比行列式使求解過程更加穩定。其它示例性手段顯示在所附的美國臨時申請第61/098，604號的附錄A中。6. 2仿真方法將分立的網格用於模擬裂縫中和其它系統中(例如儲層中)的流。圖6例示了用於計算裂縫流模型的二維OD)網格602和用於計算其它模型的三維(3D)網格600的例子。例如，可以在3D網格上計算多點通量(例如針對儲層和滲流)模型、地質力學模型(例如用於計算應力和位移)、和熱模型中的一個或多個。二維OD)網格用於計算沿裂縫的流 (即，水力裂縫仿真)。用於裂縫計算和其它模型的分立網格可以使用並行處理手段來耦合網格。3D網格可以是包含六面體單元的結構化或非結構化六面體網格。六面體網格單元具有八個角、十二個邊緣(或邊)、六個面。六面體網格單元每一個都可以包括至少八個節點(每個角上一個)，或更多個並且最多達二十七(XT)個節點(即，每個面的中心上，每個邊的中心上，每個邊緣的中心上，和單元中心處的節點)。不同六面體單元可以包括不同數量的節點。2D網格可以是包含四邊形單元的結構化或非結構化四邊形網格。每個四邊形網格單元具有四個角和四個邊緣。四邊形網格單元每一個都包括至少四個節點(每個角上一個)，並且最多達五個節點(即，中心處的節點)。2D網格的節點可以配置成與3D網格的外邊界之一上的節點重合，並且在公共節點上耦合諸如裂縫寬度和3D位移的某些計算。此外，2D網格上的計算可以是軸對稱二維OD)計算。通過用2D網眼(mesh)表示單個2D裂縫表面，可以使用所公開的各種方法仿真裂縫，其中示使用3D坐標指定表面的位置。2D裂縫網眼可以是一般2D表面，無需位於單個平面內。2D裂縫網格的輸入數據格式可以非常類似於3D儲層網格的格式。通過指定網格單元的維度或坐標，可以將一個網格標識成裂縫網格。2D裂縫網格與3D儲層網格之間的連接性通過將定義裂縫單元的四個節點與定義每個儲層單元的每個表面的四個節點相比較來確定。圖7例示了用在計算中的儲層和裂縫網格的視圖，其中距離以英尺為單位。對於某些計算，將2D裂縫網格中的四邊形裂縫單元與3D地質力學/滲流網格中的六面體單元的面對齊，以便使諸如流體流、位移、裂縫寬度、和牽引力的參數在分立的網格之間是一致的。作為考慮到裂縫網格與儲層網格之間的相互作用的程序(用於實現本文所公開的方法)中的算法的結構的例子，這樣的結構可以類似於在已經開發出來運行在具有分布式存儲器的並行處理系統上的應用程式中實現的算法的結構。可以使用例如幾個2D網格在單次仿真中引入多個水力裂縫。2D裂縫網格可以被限制成沿著三維網格的邊、頂部或底部。6. 3 模型下面提供與地質力學儲層系統的每種不同模型相對應的微分方程的例子。組合包括在計算中的模型的微分方程以生成隱性全耦合公式。將一組一致的單位用於包括在計算中的方程中的所有變量。
6. 3. 1儲層模型用於滲流的方程組包括質量守恆
權利要求
1.一種用於模擬地質力學儲層系統的計算機實現的方法，包含通過計算機系統接收指示與地質力學儲層系統相關聯的物理性質的數據； 通過計算機系統求解模擬地質力學儲層系統的偏微分方程組來生成壓裂預測； 其中，所述偏微分方程組包含地質力學儲層系統的儲層流模型、地質力學模型、和裂縫模型；其中，所述偏微分方程組通過全展開雅可比行列式耦合；其中，所述偏微分方程組的求解包含在單個時間步長中根據接收的物理性質數據同時求解全展開雅可比行列式；以及其中，所述壓裂預測對於所述時間步長模擬地質力學儲層系統；以及通過計算機系統輸出或顯示生成的壓裂預測。
2.如權利要求1所述的方法，其中，全展開雅可比行列式中的將儲層中的流體流與地質力學模型耦合的耦合變量是與地質力學模型相關聯的有效應力、孔隙率、和一個或多個位移中的至少一個；全展開雅可比行列式中的將地質力學模型與流體流耦合的耦合變量是與儲層流模型相關聯的孔隙率和滲透率中的至少一個；全展開雅可比行列式中的將地質力學模型與裂縫模型耦合的耦合變量是與裂縫模型相關聯的裂縫寬度；以及全展開雅可比行列式中的將儲層中的流體流與裂縫模型耦合的耦合變量是與裂縫模型相關聯的流體壓力和洩漏率。
3.如權利要求2所述的方法，其中，所述全展開雅可比行列式包含至少一個耦合變量的偏時間導數、時間導數、空間導數、或偏空間導數。
4.如權利要求3所述的方法，其中，所述全展開雅可比行列式包含裂縫寬度的偏時間導數、時間導數、空間導數、或偏空間導數。
5.如權利要求1所述的方法，其中，所述偏微分方程組進一步包含地質力學儲層系統的熱模型。
6.如權利要求5所述的方法，其中，全展開雅可比行列式中的將熱模型與地質力學模型耦合的耦合變量是與熱模型相關聯的熱應力；以及全展開雅可比行列式中的將熱模型與儲層流模型耦合的耦合變量是與熱模型相關聯的儲層中的流體粘度、傳導和對流中的至少一個。
7.一種用於模擬地質力學儲層系統中的裂縫的計算機實現的方法，包含 通過計算機系統接收指示與地質力學儲層系統相關聯的物理性質的數據；通過計算機系統定義包含多個三維單元的三維網格，其中每個三維單元包含多個節點通過計算機系統定義包含多個二維單元的二維網格，其中每個二維單元包含多個節點，並且每個二維單元與一個三維單元共享至少四個節點；通過計算機系統求解模擬地質力學儲層系統的偏微分方程組來生成壓裂預測； 其中，所述偏微分方程組包含地質力學儲層系統的儲層流模型、地質力學模型、和裂縫模型；其中，所述偏微分方程組通過全展開雅可比行列式耦合；其中，所述偏微分方程組的求解包含在單個時間步長中根據接收的物理性質數據同時求解全展開雅可比行列式；其中，在三維網格上計算所述儲層流模型和地質力學模型；其中，在二維網格上計算所述裂縫模型；以及其中，所述壓裂預測對於所述時間步長模擬地質力學儲層系統；以及通過計算機系統輸出或顯示生成的壓裂預測。
8.如權利要求7所述的方法，其中，全展開雅可比行列式中的將儲層中的流體流與地質力學模型耦合的耦合變量是與地質力學模型相關聯的有效應力、孔隙率、和一個或多個位移中的至少一個；全展開雅可比行列式中的將地質力學模型與流體流耦合的耦合變量是與儲層流模型相關聯的孔隙率和滲透率中的至少一個；全展開雅可比行列式中的將地質力學模型與裂縫模型耦合的耦合變量是與裂縫模型相關聯的裂縫寬度；以及全展開雅可比行列式中的將儲層中的流體流與裂縫模型耦合的耦合變量是與裂縫模型相關聯的流體壓力和洩漏率。
9.如權利要求8所述的方法，其中，所述全展開雅可比行列式包含至少一個耦合變量的偏時間導數、時間導數、空間導數、或偏空間導數。
10.如權利要求9所述的方法，其中，所述全展開雅可比行列式包含裂縫寬度的偏時間導數、時間導數、空間導數、或偏空間導數。
11.如權利要求7所述的方法，其中，所述偏微分方程組進一步包含地質力學儲層系統的熱模型。
12.如權利要求11所述的方法，其中，全展開雅可比行列式中的將熱模型與地質力學模型耦合的耦合變量是與熱模型相關聯的熱應力；以及全展開雅可比行列式中的將熱模型與儲層流模型耦合的耦合變量是與熱模型相關聯的儲層中的流體粘度、傳導和對流中的至少一個。
13.如權利要求7所述的方法，其中，每個三維單元與另一個三維單元共享一個界面， 並且每個二維單元與一個三維單元的一個界面對齊。
14.如權利要求7所述的方法，其中，所述偏微分方程組的求解包含應用牛頓-拉夫遜技術。
15.如權利要求7所述的方法，其中，從地質力學模型中的一個或多個位移中確定與裂縫模型相關聯的裂縫寬度，所述方法進一步包含在通過計算機系統輸出或顯示生成的壓裂預測之前，將裂縫延伸判據應用於生成的裂縫預測的步驟。
16.如權利要求15所述的方法，進一步包含，如果所述裂縫延伸判據未得到滿足 修正對裂縫邊界上的二維網格的一個或多個節點的一個或多個約束；以及重複通過計算機系統生成壓裂預測的步驟。
17.如權利要求15所述的方法，其中，所述裂縫延伸判據基於應力強度因子或內聚單兀。
18.如權利要求15所述的方法，其中，應用所述裂縫延伸判據包含評估裂縫附近的流體壓力、應力、和位移，以確定裂縫是否延伸。
19.一種用於模擬地質力學儲層系統的計算機實現的系統，所述系統包含駐留在存儲器中的一個或多個數據結構，用於存儲代表二維網格和三維網格的數據；以及在一個或多個數據處理器上執行的軟體指令，用於通過求解模擬地質力學儲層系統的偏微分方程組來生成壓裂預測；其中所述偏微分方程組包含地質力學儲層系統的儲層流模型、地質力學模型、和裂縫模型；所述偏微分方程組通過全展開雅可比行列式耦合；所述偏微分方程組的求解包含在單個時間步長中根據接收的物理性質數據同時求解全展開雅可比行列式；在三維網格上計算所述儲層流模型和地質力學模型； 在二維網格上 計算所述裂縫模型；以及所述壓裂預測對於所述時間步長模擬地質力學儲層系統。
全文摘要
本發明提供了模擬地質力學儲層系統以便提供壓裂預測的計算機實現的系統和方法。該壓裂預測是通過求解模擬地質力學儲層系統的偏微分方程組生成的。
文檔編號G01V11/00GK102203638SQ200980144172
公開日2011年9月28日 申請日期2009年9月17日 優先權日2008年9月19日
發明者J·H·施密特, R·H·迪安 申請人:雪佛龍美國公司