FEPG在石油地质行业中的应用

2003-11-19　发布方：北京飞箭软件　网友评论 0 条　点击进入论坛

一、数值模拟技术及FEPG应用的优势

随着我国科学技术稳步发展及进入WTO的国际合作的广泛开展，数值模拟技术（Numerical Simulation）及计算机辅助工程（CAE）软件的开发与应用已成为各行业内提高企业竞争力的重要因素。

近几年来我国石油天然气行业在“实行全球能源战略，建立全球资源供应体系”的实践中已取得了一定的成绩。从技术的层面讲，数值模拟和CAE软件为解决石油天然气科研和工程中的难题，从而提高油气勘探、开采和加工等各个石油工业环节的技术水平，创造更大的经济效率立下了汗马功劳。

在众多数值模拟、CAE软件中，FEPG是为数不多的拥有自主知识产权的有限元软件之一。FEPG是北京飞箭软件公司在中科院获国家科技进步二等奖的科研成果的技术基础上，通过市场化运作多年而逐渐走向成熟并取得显著成效的有限元软件。

有限元方法是进行数值模拟的最常用方法，而实现这个方法的最大量工作在于编写有限元程序。由于有限元软件的庞大和复杂，为求解新的计算模型和使用新的计算方法而对有限元软件进行修改和更新变得十分困难，寻常的有限元软件远远不能满足应用的需要，这种落后局面已成为有限元技术应用的主要瓶颈。FEPG凭借它独特的设计思想，实现了由计算机自动生成有限元程序，从而大大缩短了数值模拟软件的研制时间。FEPG采用元件化的程序设计思想和软件自动生成技术，因而具有极大的灵活性。在研究领域更适用于新问题、新方法的研究，在设计领域更适用于新产品的设计和已有产品的改造，在工业领域更适用于新产品性能提高、成本下降。

在石油地质领域的各科研和工程单位，CAE软件应用已显现出的功效表现为以下几个方面：

a、模拟石油成油机制、探索油气运移规律、探明地下油气储量、分析区块的地质状况；

b、模拟石油开采中的油压的变化，地层应力的改变，进行设备的安全与可靠性评估，井工作状况探测；

c、炼油过程的化学反应机理，炼油、输油设备的安全评估。

二、FEPG有限元分析、数值模拟技术在石油地质各科研和工程领域中的应用。

大量的科学技术、工程生产问题常常归结为微分方程的求解。FEPG可根据每个用户需求，用户的算法求解用户的偏微分方程。它非常善于求解多学科、多物理场、非线性耦合的复杂偏微分方程。在石油天然气行业中，FEPG已涉足的领域如下：

1、地震勘探：

中科院数学所以FEPG为平台开发了地震波传播数值模拟程序系统SWS。它是根据石油地震勘探的需要而设计的，可计算声波方程、各向同性和各向异性弹性波方程、双相介质波动方程及以上几种方程任意组合的情况。它不仅可用于地震波传播机理的理论研究，还可供从事地震资料采集、处理、解释和反演的实际工作者使用。

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。

基于以上需要，我国石油勘探有关部门多年来致力于地震波传播总是的研究。目前北京飞箭软件有限公司正计划启动二维和三维地震波传播数值模拟并行程序系统。该并行程序系统开发的必要性和可能性如下：

①现代科学和工程中提出的计算问题愈来愈复杂，规模愈来愈大，传统的单机串行计算在速度上和精度上已不能满足科学技术发展对计算工作提出的要求。为了适应这一形势，无论在国外还是国内，计算机发展已走上了多机并行的道路，高性能的并行计算机已成为大中型计算机的绝对主流。为了迎接科学技术发展对科学工程计算提出的挑战，为了充分利用现有的大中型计算机多为并行机这一有利条件，并行算法的研究和并行计算软件的研制已提上日程。为此，梁国平研究员及其合作者近十年来研究了各种适于并行计算的区域分解法，并已完成了有限元并行程序自动生成系统，现在进行完善，已可投入使用。

②二维和三维地震波传播数值模拟有限元并行程序系统：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。二维问题现在就需考虑并行计算问题，三维问题的计算量是二维问题的几百倍，几千倍甚至几万倍，不用并行计算是根本不可能进行的。我们认为应利用目前国内已有大量大、中型并行计算机的有利条件，立即将并行软件的研制提上日程，否则必将贻误时机。

由于FEPG成熟的自动生成技术及其在地震勘探方面多年来研究经验，在有一定人力财力投入的情况下，必将发挥出独有的有限元软件的优势，整合各方资源继续为我国的石油勘探做出贡献。

2、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FEPG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，FEPG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

3、石油开采：

应用FEPG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FEPG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

4、测井：

石油大学、石油大学（华东）、大庆测井公司利用FEPG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。

钻井测井分析

壁稳定性分析

电位测井

5、压力容器分析设计

压力容器分析设计系统（VAS）是以FEPG为平台开发的专业软件。它是目前世界上唯一集三维建模、有限元剖分网格、有限元分析设计的软件。该系统已通过全国压力容器标准化技术委员会（CNSCPV）的认证（批准号D001—2000）。目前在石油行业中已有中石化洛阳石化工程公司、齐鲁石化胜利炼油设计院，金陵石化设计院，中石化上海工程公司等数十家用户，优化了产品设计，降低了产品成本。（软件说明详见VAS说明书）

三、FEPG在石油地质行业中的应用展望

在科学技术飞速发展的信息时代，高科技已成为推动社会生产力进步的重要手段，而以有限元方法为重要构成的数值模拟应用越来越广泛。FEPG适用于各种领域（固体力学、流体力学、物理学、化学、生物学、地质学等）的各种有限元数值模拟问题。石油地质工程的各个环节汇聚了大量多领域跨学科的问题，因此要取得科研和生产的革命性的进步，不是某一个领域的专家能解决的问题。FEPG是使用一种比现有的计算机高级语言（如 Fortran, C, Java等）更高层次的专用语言把数学家四、五十年来研究总结出的有限元数值模拟方法以软件形式交付给用户使用的技术，它是数学家智慧的结晶。这个技术或者说是这个软件一旦和其它学科领域的智慧相结合，必将带来其它任何有限元软件无法比拟的丰硕成果。

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