CN103097657A

CN103097657A - 用以产生非结构化网格且进行并行储集层模拟的机器、计算机程序产品和方法

Info

Publication number: CN103097657A
Application number: CN2011800431030A
Authority: CN
Inventors: 拉里·S.K.·冯; 穆赫勒·M·梅兹格阿尼
Original assignee: Saudi Arabian Oil Co
Current assignee: Saudi Arabian Oil Co
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2011-08-26
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2031-08-26
Also published as: EP2811112B1; WO2012033693A3; EP2811112A3; EP2614460A2; EP2811112A2; EP2614460B1; EP2614218A2; WO2012033693A4; CN103097657B; WO2012033693A2; WO2012033650A2; WO2012033650A3

Abstract

本文描述一种用以针对多种模拟模型大小实现可扩展并行储集层模拟的机器、计算机程序产品和方法。所揭示的发明的一些实施例包含一种机器、方法和所实施的软件，其用于使用用于所述储集层模拟的多个子域来执行界定储集层或油/气田的网格的并行处理、使用多个单元中的每一者的特性和在至少一个子域内的位置对所述单元的局部单元索引重新排序的并行过程以及模拟所述储集层的至少一个生产特性的并行过程。

Description

用以产生非结构化网格且进行并行储集层模拟的机器、计算机程序产品和方法

技术领域

本发明涉及油气储集层模拟，且更明确地说，涉及用以针对多种模拟模型大小实现油气储集层的可缩放并行处理的机器、计算机程序产品和方法。

背景技术

地下地质体或地层含有多阶段、多成分流体，且因此，原油储集层可含有石油、天然气、水和若干组成化合物，可对其进行建模以预测来自储集层的流体流，这也被称为储集层模拟。可在钻井之前或之后运行储集层模拟模型，以确定各种方法的生产速率等。

当前储集层建模技术创建由多个网格单元组成的储集层的数值网格，并处理每一网格单元的有限体积中的数据。因为储集层可能非常大且复杂，且网格单元可能数以百万计到超过十亿，因此模拟模型运行起来可能花费若干小时到数天。合乎需要的运行时间是以分钟计到最多几小时，因为历史匹配通常需要数百次运行。因此，沙特阿美石油公司(Saudi Aramco)的POWERS^TM程序被创建以使用并行计算来加速数据处理。如由POWERS^TM程序执行的并行计算将数值网格划分为多个域，其中每个域由多个网格单元组成。所述数值网格为结构化网格，这意味着可将每一网格单元描述为相同的，即每一内顶点是随固定数目个单元而来，且每一单元由固定数目个面和边界定。结构化网格可使用笛卡尔坐标(I，J，K)或某一其它类似映射方法来定位用于数据处理的网格单元。为了运行所述模拟，将使用地质模型(多孔性、渗透性等)描述的岩石性质以及岩层的几何形状和与井身有关的数据读取到每一计算机中。因为将域细分为若干有限体积或网格单元，所以接着为每一网格单元构造质量、动量和能量的守恒等式。这些平衡等式表示存储在网格块中的这些量因块间通量而产生的变化的离散时间速率，以及所述量因正被建模的物理和化学过程而产生的源汇，且因此这些平衡等式为涉及复杂函数的一组离散非线性偏微分等式。最后，通过将映射方法用于所述网格，每一计算机可安排与其它计算机的串扰以模拟经过所述域的流。图1展示其中安置有多边井的储集层的现有技术二维结构化网格。如可看到，每一网格单元是均匀的，与网格单元的地质特征或网格单元与井的接近性无关。

遗憾的是，储集层具有沉积成因，且具有多个层，所述层各处具有厚度和深度变化，其并不整齐地遵循结构化网格的图案。举例来说，一层可能因缺乏沉积或后续侵蚀而局部消失，这被称为尖灭。并且，随地质时间的过去的抬升(地壳的上升)和下陷(地壳的下降)可导致所述层的断层和压裂。除储集层的复杂性之外，可能将复杂的井钻入储集层中以从中提取流体，或将流体注入其中以维持压力或增强采油操作，即这些井可为多分支的。简单地说，结构化网格在这些情况下并不产生准确的流模型。为了准确性，需要经建立以表示地质层和井的更好的非结构化网格，其将表示断层、压裂、尖灭和井几何形状。

为了创建非结构化网格，将油气储集层细分为非均匀的基本有限体积，即网格单元或网格块。这些网格单元可具有可变数目的面和边，所述面和边经定位以尊重地质结构的物理边界以及嵌入储集层内的井几何形状。因此，这些地图可能非常复杂。非结构化网格化方法的实例包含维诺(Voronoi)图，即其中每一单元具有相比于任何其它维诺位点或点较靠近一个维诺位点或点的面和边的网格。图2是二维维诺网格的实例。虽然非结构化网格较准确地反映地质体的地质特征，但为了使用并行处理技术来执行非结构化网格模拟，必须用可由处理每一域的计算机存取的全局散列表代替全局坐标系(例如，(I，J，K)笛卡尔编索引)，以安排单元和域串扰。遗憾的是，用于具有例如数千万到超过十亿个单元的模型的全局散列表可压倒并行计算机中的每一者的存储器。

除现有技术储集层网格的问题之外，模拟具有多边井的储集层需要较多的数据输入并使用较复杂的算法，且用于这些类型的生产方法的模拟模型可能非常繁琐，即使使用POWERS^TM系统也是如此。这些等式的计算复杂性因通常为数千万到数亿个网格单元的地质模型大小而进一步复杂化。由于寻找对具有多阶段不连续性的数百万到几十亿个非线性偏微分等式的解是计算复杂度很高的，因此通常经由被称为尺度提升的过程(即，用于多个网格单元的岩石性质的平均化)以比地质模型粗略的尺度建立储集层模拟模型。虽然计算上较高效，但尺度提升使模拟模型变得不准确。非常希望开发可直接使用原始地质模型而无需尺度提升且同时可尊重复杂的井几何形状和地质学的模拟系统。

因此，本发明中的机器、方法和程序产品构成通过将非结构化网格用于复杂的储集层和多边井且在无尺度提升的情况下在地震尺度地质模型下使用结构化网格来进行所要模型大小(从小模型到超过十亿个单元的模型)的可缩放并行储集层模拟的促成技术。

发明内容

鉴于前述内容，本发明的各种实施例有利地提供一种用于促进多个网格类型和模拟类型的并行储集层模拟的机器、程序产品和方法，且其不需要使用全局散列表来定位网格单元以用于在超级计算机的计算节点之间传送，本文将计算节点描述为应用服务器。

更具体地说，本文描述界定具有在模拟由储集层的网格界定的多个油气井的至少一个生产特性的每一应用服务器上运行的多个可执行代码的多个应用服务器的机器的实施例，所述网格由多个具有边界的单元组成，所述边界由地质特性、复杂的井几何形状以及所述储集层的用户指定的单元大小界定。所述应用服务器具有处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可在所述处理器上操作。在每一应用服务器上执行的软件代码共同致使所述应用服务器执行：将网格(其单元已先前被编索引，且连续地存储在计算机磁盘上)分为多个子域的过程，每一子域最佳含有几乎相等数目的单元，以基于待使用的用户指定数目的应用服务器进行处理；以及为每一应用服务器指派所述多个子域之中的子域的所有权的过程。计算机可读指令可包括：从地表下土壤的地质特性和井几何形状创建多个单元，所述多个单元具有与对应于所述地质特性和井几何形状的多个点中的每一者等距形成的面，减除不活动的任何网格单元；以及将剩余单元分为多个子域，且为所述单元中的每一者指派原始索引；且至少一个单独应用服务器具有处理器和上面存储有计算机可读指令的存储器。至少一个应用服务器可被指派至少一个子域且包含计算机程序产品，所述计算机程序产品可在存储器上操作，用于执行使用单元的特性和在至少一个子域内的位置对所述多个单元中的每一者的局部单元识别参考重新排序的过程，以及模拟储集层的至少一个生产特性的过程。此些计算机可读指令可包括：为子域中的多个单元中的每一者创建初始局部单元识别参考，每一局部单元识别参考映射到所述多个单元中的每一者的原始索引；使用网格数据、井数据和渗透性数据产生子域中的多个单元中的每一者之间的可透性特性，使用初始局部单元识别参考将所述网格数据、井数据和渗透性数据读取到单独应用服务器的存储器中；确定邻近于所述子域的至少一个其它子域，以及所述多个网格单元中的哪些网格单元与至少一个其它子域的网格单元共享至少一个面；根据网格单元是否与至少一个其它子域的网格单元共享至少一个面来对多个网格单元中的每一者重新编索引；根据多个网格单元中的每一者的可透性对多个网格单元中的每一者重新编索引；以及在用于与邻近于具有所述一个其它子域的子域的至少一个其它子域共享至少一个面的网格单元的应用服务器之间传输模拟数据。

本发明还描述根据本发明的示范性实施例的计算机程序产品。所述示范性计算机程序产品可在机器群集上操作，其中每一机器界定一个计算机且存储在计算机的存储器中，所述计算机程序产品可执行：将界定储集层的网格分为多个子域和多个单元的集合过程；使用单元的特性和在至少一个子域内的位置对所述多个单元中的每一者的局部单元识别参考进行重新排序的过程；以及模拟储集层的至少一个生产特性的过程。计算机程序产品可执行以下步骤：从地表下土壤的地质特性和井几何形状创建多个单元，所述多个单元具有与对应于所述地质特性和井几何形状的多个点中的每一者等距形成的面；减除不活动的任何网格单元，并将剩余单元分为多个子域；为所述单元中的每一者指派原始索引；为所述子域中的所述多个单元中的每一者创建初始局部单元识别参考，每一局部单元识别参考映射到所述多个单元中的每一者的原始索引；使用网格数据、井数据和渗透性数据来产生所述子域中的所述多个单元中的每一者之间的可透性特性，使用所述初始局部单元识别参考将所述网格数据、井数据和渗透性数据读取到所述单独应用服务器的所述存储器中；确定邻近于所述子域的至少一个其它子域，以及所述多个网格单元中的哪些网格单元与所述至少一个其它子域的网格单元共享至少一个面；根据所述网格单元是否与所述至少一个其它子域的网格单元共享至少一个面来对所述多个网格单元中的每一者重新编索引；根据所述多个网格单元中的每一者的所述可透性对所述多个网格单元中的每一者重新编索引；以及在与邻近于具有所述一个其它子域的所述子域的所述至少一个其它子域共享至少一个面的所述网格单元之间传输模拟数据。

本发明还描述根据本发明的示范性实施例的计算机实施的方法，其用于执行：将界定储集层的网格分为多个子域以供处理的过程、使用所述单元的特性和在所述至少一个子域内的位置来对所述多个单元中的每一者的局部单元识别参考重新排序的过程，以及模拟所述储集层的至少一个生产特性的过程。所述计算机实施的方法可执行以下步骤：从地表下土壤的地质特性和井几何形状创建多个单元，所述多个单元具有与对应于所述地质特性和井几何形状的多个点中的每一者等距形成的面；减除不活动的任何网格单元，并将剩余单元分为多个子域；为所述单元中的每一者指派原始索引；为所述子域中的所述多个单元中的每一者创建初始局部单元识别参考，每一局部单元识别参考映射到所述多个单元中的每一者的原始索引；使用网格数据、井数据和渗透性数据来产生所述子域中的所述多个单元中的每一者之间的可透性特性，使用所述初始局部单元识别参考将所述网格数据、井数据和渗透性数据读取到所述单独应用服务器的所述存储器中；确定邻近于所述子域的至少一个其它子域，以及所述多个网格单元中的哪些网格单元与所述至少一个其它子域的网格单元共享至少一个面；根据所述网格单元是否与所述至少一个其它子域的网格单元共享至少一个面来对所述多个网格单元中的每一者重新编索引；根据所述多个网格单元中的每一者的所述可透性对所述多个网格单元中的每一者重新编索引；以及在与邻近于具有所述一个其它子域的所述子域的所述至少一个其它子域共享至少一个面的所述网格单元之间传输模拟数据。

因此，如本文将在下文描述，所述机器、计算机程序产品和方法的实施例允许使用复杂的地质、井和生产特性以及超过十亿个网格单元进行的可缩放并行储集层模拟。

附图说明

为了可更详细地理解将变得明显的本发明的特征和优点以及其它内容，上文已参考本发明的实施例简要概述了本发明的较特定描述，实施例在附图中说明，附图形成本说明书的一部分。然而，将注意，图式仅说明本发明的各种实施例，且因此将不被视为限制本发明的范围，因为其还可包含其它有效实施例。

图1是根据现有技术的结构化网格中的多边井的近似井几何形状的图，其中网格未根据产生特性而最佳化；

图2是根据现有技术且在本发明中使用的非结构化网格中的多边的近似井几何形状，其中网格根据生产特性而最佳化；

图3A是根据本发明实施例的用于使用并行计算来处理模拟的分布式网络的图；

图3B是根据本发明实施例的非结构化/结构化储集层模拟的并行处理的数据和工作流图；

图4A是根据本发明实施例的分布式网络中所使用的应用服务器的框图；

图4B是根据本发明实施例的展示可在其上操作的各种组件且用于分布式网络中的应用服务器的图；

图5A是上面安装有存储器和本发明的实施例的程序产品的预处理器计算机的图；

图5B是上面安装有存储器和本发明的实施例的程序产品的应用服务器的图；

图5C是可在图5A的本发明的实施例的预处理服务器和应用服务器上操作的计算机程序的操作的系统流程图；

图6是展示根据本发明实施例的子域及其邻域的图；

图7是展示根据本发明实施例的细分为子域的非结构化网格的图；

图8是展示根据本发明实施例的子域的图，其展示所述子域的内部区、内晕区和外晕区；

图9是展示根据本发明实施例的子域的图，其展示用于网格单元的示范性全局单元编号；

图10是子域的图，其展示根据网格单元在子域内或外晕区内的位置的网格单元排序的第一排列；

图11是展示根据本发明实施例的子域的局部图表的表，其展示子域的外区中的单元的局部单元识别编号与连接到子域的所述外区中的所述单元的单元的全局单元识别编号的关系；

图12是展示根据本发明实施例的子域之间的连接性的表；

图13是展示根据本发明实施例的子域内的单元的连接性的表；

图14是根据本发明实施例的子域的图，其展示根据网格单元在子域的内部区、子域的内晕区或子域的外晕区中的位置对网格单元的局部编号中的单元排序的第二排列；

图15是根据本发明实施例的子域6的图，其展示根据单元的可透性对网格单元的局部编号中的单元排序的第三排列；

图16是展示根据本发明实施例的基于排除自身连接的最终排列的局部单元ID的连接性的表；以及

图17是根据本发明实施例的用于子域的局部单元ID到全局单元ID的映射。

具体实施方式

下文现在将参考其中展示本发明实施例的附图来更全面地描述本发明。然而，本发明可以许多不同形式体现，且不应被解释为限于本文所陈述的所说明实施例；相反，提供这些实施例是为了使本发明将为透彻且完整的，且将向所属领域的技术人员完全传达本发明的范围。相同编号始终指代相同元件。

图3A和3B描述界定本发明的机器的实施例的示范性连网计算机群组。然而，如所属领域的技术人员将认识到，本发明的发明性机器、程序产品和方法可在各种各样的计算机硬件上实施，从单个PC工作站到图3B和4B中所说明的大规模并行高性能超级计算机，涉及数千个计算机节点上的数千个处理核心。由此，虽然本文中未具体描述这些实施例，但它们包含在本发明的范围内。参看图3A和3B详细描述示范性的发明性机器。所述示范性机器由以下各项组成：预处理服务器302，用于产生和管理储集层网格并将网格数据引导到存储装置中；多个应用服务器304，用于接收网格、井生产和完成数据，并处理储集层模拟；文件服务器306，用于管理模拟数据、储集层网格、地质数据、井生产数据以及井完成数据并将其存储在存储器中的文件或数据库中；后处理服务器308，用于处理完成的模拟数据；工作站310，用于检视由应用服务器304和计算机网络316产生的模拟和井性能数据，以用于将预处理服务器302、应用服务器304、文件服务器306和后处理服务器308连接到工作站310。

如图所示，机器可使用至少一个文件服务器306来管理井生产和完成数据、网格数据和模拟数据，且允许预处理服务器302、后处理服务器308和多个应用服务器304将数据上载到文件服务器306和从文件服务器306下载数据。文件服务器306可包含：数据库，例如井完成数据库314、井轨迹调查数据库316、地质模型数据库318和用户网格化输入数据库320，其各自将数据提供给预处理服务器302；存储由预处理服务器302产生且输入到应用服务器304中的网格几何形状、网格地质性质、网格井射孔、模型数据、井历史的数据库或文件；存储由应用服务器304产生且输入到后处理服务器308中的输出地图、井输出和性能计算的数据库或文件；以及存储从后处理服务器308输出的3D视觉化数据、井绘图分析和历史匹配分析的数据库或文件。文件服务器306可为网络附接存储装置(NAS)、存储区域网络(SAN)或直接存取存储装置(DAS)或其任何组合，包括(例如)多个硬盘驱动器。文件服务器306还可允许各种用户工作站310存取和显示存储在其上的数据。因此，如此项技术中已知，文件服务器308上可存储有数据库管理系统，例如控制数据库(例如314/316/318/320)中的数据的组织、存储、管理和检索的一组软件程序，如此项技术中已知。

数据库314/316/318/320以及存储在文件服务器306中的任何其它数据库或文件可为如图所示的单独数据库，或同一数据库，且井完成数据(例如井生产、完成和注入数据)、地质数据(例如流体动态、岩石孔隙度等)以及模拟数据(例如完成或部分完成的网格或模拟)可存储在文件服务器存储器的单独部分中的多个数据库、表格或字段中。如所属领域的技术人员将了解，文件服务器306向预处理服务器302、应用服务器304中的每一者以及工作站310提供经由(例如)数据库管理软件或其它应用程序对数据库的存取。此外，代替或除文件服务器306之外还可使用数据库服务器存储数据库，且此配置在本发明的范围内。在一些配置中，文件服务器306可经配置以使得存储模拟数据和动态模拟结果的输出快照的数据文件的组织与用以运行模拟模型的应用服务器304的数目无关。由此，本发明性方法可产生编索引系统以进行并行分散的I/O，其中每一应用服务器304读取数据并将模拟的其部分的结果写入到文件服务器中的确切位置(即，数据文件)。在此实施例中，与所使用的应用服务器的数目无关，存储在数据文件中的数据和结果总是相同。在一些应用中，井和储集层数据可存储在数据库中，但从网格器315输出的网格数据的全部或一部分可存储在编入索引的文件中，且以全局单元编索引来组织，所述全局单元编索引不随用以运行模型(例如，压缩稀疏行(CSR)格式)的应用服务器304的数目而变。

如此项技术中已知，CSR格式存储指示模型中的网格单元的空间连接性的数据。因此，在此些实施例中，图3B中所表示的一些数据库和文件可将CSR格式用于数据集。在这点上，可使用CSR协议来界定数据集阵列参数。由网格器315创建的数据集存储在文件服务器306中，且可由数据集类型、数据秩、数据集维数和单位界定，数据集类型、数据秩、数据集维数和单位接着可由应用服务器304读取以执行模拟。文件服务器306可一起存储足够的数据集以利用本发明的3D非结构化网格来完全且唯一地界定储集层几何形状。

返回到图3A，工作站310使用(例如)通信网络315连接到机器300。工作站310可为如此项技术中已知的任何个人计算机(PC)，且可运行与本文论述的连网系统兼容的UNIX、哩纳克斯(Linux)、

或某一其它操作系统。此外，工作站310可存取存储在预处理和后处理服务器上的计算机程序产品，以输入模拟或处理参数。举例来说，位于工作站310处的模拟工程师可通过存储在工作站上或可在工作站上存取的软件应用程序来手动选择流体参数、生产特性，即运行具有各种井类型(例如具有不同数目和大小的侧边的多边井)、储集层或模拟大小、岩石特征等的模拟。从工作站输入的数据可存储在文件服务器306的存储器、预处理服务器302的存储器或后处理服务器308的存储器上，以供在储集层模拟期间存取。如监视模拟可能需要，储集层工程师还可在应用服务器304上存取模拟数据(部分或完整)、模拟特性、运行时间、处理器速度、计算进程运行等。如所属领域的技术人员将了解，工作站310有可能通过通信网络与单独的网或网络服务器介接以存取所述模拟。

通信网络315将工作站310、机器300和各种连网组件连接在一起。如所属领域的技术人员将了解，计算机网络315可使用局域网(“LAN”)或广域网(“WAN”)或其组合来连接所有系统组件。举例来说，预处理服务器302、文件服务器306、应用服务器304和后处理服务器308可私下连网，以允许计算节点之间较快的通信和较好的数据同步，或可使用LAN来连网预处理服务器302、应用服务器304、文件服务器306和后处理服务器308，其中网络服务器(未图示)使用WAN来与工作站310介接。因此，虽然未描绘所有此些配置，但所有配置均在本发明的范围内。

举例来说，至少一个预处理服务器302和应用服务器304执行本发明的发明性方法的功能，且用以执行储集层模拟。另外，尽管表示为一个服务器，但预处理服务器302可为多个服务器，例如可配置为多个单独的应用服务器和一个网络服务器，创建非结构化3维储集层网格，并为分布式计算机指派网格的一部分以供处理，如在下文中将论述。应用服务器304针对加载到服务器中以供处理的网格单元中的每一者执行模拟处理功能。如所属领域的技术人员将了解，虽然描绘为应用服务器，但应用服务器304中的每一者可为可由个别储集层工程师用来存取数据的工作站。然而，所属领域的技术人员将了解，本文所述的并行处理技术是作为实例，且本发明的方法和网格化软件可在串行处理环境中使用。重要的是，如网格计算中已知，每一应用服务器执行井历史和网格数据的分布式读取以供处理。如所属领域的技术人员将了解，存取文件服务器302的每一应用服务器仅读取关于一个进程节点的数据。

如图3A中所示，文件服务器306连接到应用服务器304的网络。将应用服务器304描绘为单独连网在TCP/IP网络上，其允许计算节点之间的快速通信，但取决于群集架构，应用服务器304和预处理服务器302两者可单独连网。举例来说，可将应用服务器304配置为网格群集，其中每一应用服务器上加载有单独软件，其从文件服务器306读取计算数据以执行数据处理。或者，如所属领域的技术人员将认识到，应用服务器304可配置为计算群集或贝奥武夫(Beowulf)群集，其中预处理服务器302或类似的服务器使用允许数据交换的通信库将文件分布到应用服务器304。如所属领域的技术人员还将认识到，存在若干用于部署分布式计算系统的不同方法，且所有这些方法均在本发明的范围内。此外，对于预处理服务器302和应用服务器304中的每一者，所述系统架构可支持多种操作系统和通信软件。举例来说，优尼克斯(Unix)、哩纳克斯(Linux)、微软计算群集(Microsoft Compute Cluster)等是可用以形成与本文预期的超级计算机类似的超级计算机的操作系统的实例，且可使用消息传递接口(MPI介接)或并行虚拟机(PVM)软件库来提供本文中的服务器之间的通信，在下文详细论述此情况。

现在将描述示范性预处理服务器302。预处理服务器可存取文件服务器，以获得例如来自井完成数据库314、井轨迹调查数据库316、地质模型数据库318和用户网格化输入数据库320的数据。预处理服务器302可使用非结构化网格产生软件来执行初步计算和网格产生。举例来说，网格器315预处理来自数据库的数据，以网格化储集层，并使用(例如)由乔治·卡里皮斯(George Karypis)在明尼苏达大学生产且在http://glaros.dtc.umn.edu/gkhome/views/metis可供下载的用于分割网格的METIS软件应用程序来分割网格以供处理。应用服务器304使用网格来处理储集层模拟，其输出可接着由后处理服务器308解译。具体地说，后处理服务器308存取模拟器结果，包含地图输出、井输出和性能输出，其可存储在文件服务器306上，且产生用户友好的数据显示。举例来说，后处理服务器上可加载有软件，其提供储集层的3D视觉化、储集层内的井绘图，且产生模拟结果与历史模拟相比较的分析。如所属领域的技术人员将了解，虽然为了简单起见而描绘为单独的服务器，但预处理服务器和后处理服务器可配置为同一服务器或服务器群集。最后，工作站310可存取后处理服务器308或文件服务器306，以例如修改、指定、控制、上载、下载或指导任何输出软件。如所属领域的技术人员将了解，上文论述的实施例具有存储在预处理服务器302上的井历史软件、网格数据软件、地图输出软件和性能输出软件，但这些软件可不只是存储在服务器或计算机上。

图5A详细描述预处理服务器302的结构。预处理服务器302包括存储器405、程序产品407、处理器以及输入/输出装置(“I/O装置”)(未图示)。I/O装置经由网络将预处理服务器302连接到文件服务器306、应用服务器304和分布式计算机308，且可为任何I/O装置408，包含但不限于通过PCI总线连接到母板的网络卡/控制器，或内建到母板中以将预处理服务器302连接到网络314的硬件。I/O装置连接到处理器(未图示)。处理器是预处理服务器302的“大脑”，且由此执行程序产品407，并结合I/O装置而工作以将数据引导到存储器405，且将来自存储器405的数据发送到网络。以此方式，处理器还可使程序产品407可用于应用服务器304和工作站310。处理器可为适于用在预处理服务器302中的任何市售处理器或多个处理器，例如

多核处理器、

微架构呐黑勒姆(Nehalem)、AMD Opteron^TM多核处理器等。如所属领域的技术人员将了解，处理器还可包含允许预处理服务器302连接到显示器[未图示]和键盘的组件，其将允许用户直接存取处理器和存储器405。存储器405可存储若干预处理和后处理软件应用程序，以及与本文所述的方法有关的井历史和网格数据。由此，如处理本发明的实施例所需，存储器405可由非易失性存储器(例如，硬盘、快闪存储器、光盘等)和易失性存储器(例如，SRAM、DRAM、SDRAM等)两者组成。如所属领域的技术人员将了解，虽然将存储器405描绘为在(例如)预处理服务器302的母板上，但存储器405还可为连接到预处理服务器405的单独组件或装置，例如快闪存储器。存储器405还可存储工作站310可存取且在预处理服务器302上运行的应用程序。

重要的是，如网格计算中已知，预处理服务器302创建非结构化网格和网格分区并计算单元性质以供存储在文件服务器306上，使得网格可供应用服务器304存取以进行处理。如所属领域的技术人员将了解，存取文件服务器306的每一应用服务器仅被允许读取与一个子域以及所述子域的邻近单元有关的数据。此外，如所属领域的技术人员将认识到，展示为上面存储有多个应用程序的预处理服务器302可仅存取存储在文件服务器上的数据，以计算用以保存在预处理服务器上的网格数据以及处理速度。

使用(例如)如MPI介接等通信软件，每一预处理服务器302可与文件服务器306通信，且文件服务器306可与应用服务器304通信。如此项技术中已知，MPI介接伴有多个库功能，其包含(但不限于)发送/接收操作、在笛卡尔或类似图表的逻辑数据处理304或非结构化拓扑之间选择、组合计算的部分结果、使应用服务器针对子域之间的数据交换而同步，以及获得与网络有关的信息，例如计算会话中的进程的数目、应用服务器304映射到的当前处理器身份、逻辑拓扑中可接入的相邻进程等。重要的是，如此项技术中已知，MPI介接软件可结合多种软件语言而操作，包含C、C++、FORTRAN等，从而允许程序产品326被编程或与以不同计算机语言编程的多个计算机软件程序产品介接，以获得较大可缩放性和功能性，例如其中将预处理服务器302实施为运行用于预处理算法的单独程序的多个服务器的实施方案。

图4A、4B和5B详细描述应用服务器304的结构，应用服务器304使用高速企业内部网TCP/IP连接而链接在一起。类似于预处理服务器302，每一应用服务器304包括存储器400、程序产品326、处理器401以及输入输出装置(“I/O”)403。I/O装置403经由网络将应用服务器304连接到文件服务器308、其它应用服务器304以及预处理服务器302，且可为任何I/O装置403，包含(但不限于)通过PCI总线连接到母板的网络卡/控制器，或内建到母板中以将应用服务器304连接到网络(未图示)的硬件。如可看到，I/O装置403连接到处理器401。处理器401是应用服务器304的“大脑”，且由此执行程序产品404，且结合I/O装置403而工作以将数据引导到存储器400，且将来自存储器400的数据发送到网络。处理器401可为适于用在应用服务器中的任何市售处理器或多个处理器，例如

多核处理器、

微架构呐黑勒姆(Nehalem)、AMDOpteron^TM多核处理器等。如所属领域的技术人员将了解，处理器401还可包含允许应用服务器304连接到显示器[未图示]和键盘的组件，其将允许用户直接存取处理器401和存储器400，但应用服务器304的此些配置可降低计算群集的处理速度。

存储器400存储指令以供在处理器401上执行(包含操作系统和通信软件)，且如本发明的应用服务器304实施例所需，由非易失性存储器(例如，硬盘、快闪存储器、光盘等)和易失性存储器(例如，SRAM、DRAM、SDRAM等)两者组成。如所属领域的技术人员将了解，虽然将存储器400描绘为在(例如)应用服务器304的母板上，但存储器400还可为连接到应用服务器304的单独组件或装置，例如快闪存储器。重要的是，存储器400存储本发明的程序产品。如图所示，将程序产品402下载到每一应用服务器304中，以用于执行发明性方法，但所属领域的技术人员将了解，程序产品326还可存储在单独的应用服务器或预处理服务器302上，以供连网的应用服务器304中的每一者存取，但此配置只能用于较小模拟。

如所属领域的技术人员将了解，每一应用服务器304使用I/O装置403和通信软件(例如MPI介接)与每一其它应用服务器304通信。如此项技术中已知，MPI介接伴有多个库功能，其包含(但不限于)发送/接收操作、在笛卡尔或类似图表的逻辑应用服务器304或非结构化拓扑之间选择、组合计算的部分结果、使应用服务器针对子域之间的数据交换而同步，以及获得与网络有关的信息，例如计算会话中的进程的数目、应用服务器304映射到的当前处理器身份、逻辑拓扑中可接入的相邻进程等。重要的是，如此项技术中已知，MPI介接软件可结合多种软件语言而操作，包含C、C++、FORTRAN等，从而允许程序产品326被编程或与以不同计算机语言编程的多个计算机软件程序产品介接，以获得较大可缩放性和功能性，例如其中将预处理服务器302实施为运行用于预处理算法的单独程序的多个服务器的实施方案。

程序产品326执行本发明的方法，且可为存储在一个服务器上且可在预处理服务器302和应用服务器304上操作、存储在预处理服务器302上且可在应用服务器304上操作的同一程序产品，或发明性方法的各个步骤可存储在应用服务器304和预处理服务器302的存储器中，如对于各自的功能来说适用。因此，虽然可将发明性方法和编程产品的步骤论述为在每一应用服务器上，但所属领域的技术人员将了解，所述步骤中的每一者可存储在本文所述的处理器中的任一者(包含其任何均等物)上且可在本文所述的处理器中的任一者(包含其任何均等物)上操作。

程序产品326可为储集层模拟器GigaPOWERS^TM的部分。图3B中说明程序产品326与其它软件组件GigaPOWERS^TM的关系。非结构化系统数据404含有各种参考地图和散列表，其由所实施的方法402创建和组织。这些参考地图和散列表数据404连同406中所实施的方法一起提供经组织的数据存取，以在每一应用服务器304的随机存取存储器(RAM)中读取/写入，且实现与在其它计算节点304上运行的其它进程的数据通信/同步要求，其中每一应用服务器304保持全局流模拟问题的网格单元的子域。软件方法406和数据系统404通过管理计算节点304之中的子域之间的相互关系以及每一子域内的网格单元之间的相互关系来服务GigaPOWERS^TM中的所有其它软件组件，以便实现储集层模拟。

并行数据输入可由每一应用服务器执行，且软件进程408将数据放在每一应用服务器304的RAM中。软件进程402设置非结构化数据404，其也放在RAM中，使得其可用于支持应用服务器的所有其它软件组件的所有数据存取功能性。所述组件包含初始化模块410、非线性求解器412、雅克比构建器(Jacobian builder)414、线性求解器416、解更新模块418、PVT封装422、岩石-流体性质封装424、井模型423、井管理模块428、并行输出模块420，将在下文详细描述其中的每一者。如所属领域的技术人员将了解，模拟器的有效性和并行缩放性将取决于数据系统和402/404/406的方法，因为其控制并管理实施例如GigaPOWERS^TM等模拟器的应用服务器的数据存取、通信、计算。

如图5B中所示，本发明的程序产品404存储在存储器400中，且可在处理器401上操作。程序产品404执行以下步骤：将活动数据从文件服务器308读取到应用服务器中(502)；将非结构化网格分割成若干域(504)；设置初始分布式非结构化地图参考(506)；构造分布式非结构化图表和连接因子(508)；设置域邻域和晕交叉参考(510)；基于最大可透性排序来局部地对单元进行重新排序(512)；设置分布式雅克比和求解器矩阵参考(514)；以及完成分布式局部到全局参考以及所得出的数据类型以用于网络通信(516)。步骤502、504、506、508、510、512、514和516可在应用服务器304上操作，且执行内部重新排序以最小化处理时间，并将晕数据的经最佳化共享提供给邻近的子域。换句话说，在示范性实施例中，预处理服务器302为应用服务器304设置网格数据以提供井模拟的并行处理。

如上文所论述，储集层模拟通常涉及复杂的储集层和井几何形状的建模，且开始于使用可为结构化或非结构化的网格技术，例如通过预处理服务器302对储集层的映射或“网格化”。虽然本发明的方法可结合结构化和非结构化网格两者以及不同模型大小的模拟来使用以描述由本发明的程序产品执行的步骤，但2维非结构化网格将用作实例。为了使用非结构化网格对储集层进行建模，将油气储集层细分为基本有限体积，其被称为网格单元或网格块。这些网格单元可具有可变数目的面和边，所述面和边经定位以遵循地质结构的物理边界以及嵌入储集层内的井几何形状。

图5B和5C中的所有方法均为并行方法。一旦已起始软件304以在一个应用服务器304的处理器上执行，所述应用服务器304就可大量生产正好由用户指定的数目的并行进程来运行模拟。其后，每一应用服务器304的每一处理器可执行软件代码326的复本，其处置整个问题的子域的计算。如步骤502中所示，从使用(例如)分布式并行读取程序(利用上文论述的(MPI-2)介接)从文件服务器306读取到每一应用服务器304中的几何形状和性质数据326/328并行计算单元活动。在步骤502中，在分割之前，由预处理服务器302移除非活动单元。如所属领域的技术人员将认识到，如果网格单元为尖灭、具有小于最小多孔性的多孔性、空隙体积小于最小空隙体积或所有渗透性均小于最小渗透性，那么所述网格单元为非活动的，如由模拟参数(例如，由运行所述模拟的储集层工程师所设置的那些参数)所界定。为了计算有效性，将非活动单元从局部域分割进程以及后续流计算中减除。

通过利用单元活动数据来减除非活动单元，可能正在第一应用服务器304上运行的程序产品326可执行分布式并行操作，以使用(例如)METIS/PARMETIS软件库产生多个剩余单元的最佳域分区或子域(步骤504)。如此项技术中已知，METIS/PARMETIS软件库将网格分为粗略相等数目个单元的子域，并最小化边界区。以此方式，应用服务器304可代替于预处理服务器302(或预处理服务器302也可为另一应用服务器304)来分割网格。可将一个子域指派给应用服务器304群集内的每一应用服务器304，以解决储集层模拟问题，即为子域中的多个单元计算模拟。举例来说，每一子域具有粗略相等数目的活动单元(例如使用全局单元ID(图9中展示)来识别)，且最小化子域边界表面以降低网络通信要求。参看图7展示子域的示范性分割。如可看到，每一子域0到7邻近于至少一个其它子域。

在步骤506中，基于在步骤504中产生的域分区，针对每一子域中的单元计算初始分布式单元参考地图，以参考上文产生的全局单元ID，如(例如)图10中所示。如可看到，图9中所示的全局单元ID在图10中被完全局部编索引。局部单元ID的此初始排序被称为第一排列。

使用来自步骤506的局部单元ID到全局单元ID参考来执行网格数据、输入参数(例如来自工作站)以及井历史数据(包含多孔性和渗透性数据)的从文件服务器306到每一应用服务器304的本地存储器中的分布式并行读取，且在步骤508中使用相同数据来构造图表。此数据包含描述每一网格单元的几何形状的数据，即其中网格单元在模拟器中相对于其它网格单元而定位。如图6和8中所示，每一子域至少部分地环绕有多个边界单元，所述多个边界单元被指派给邻近子域且被称为晕区602。晕区602含有来自邻近子域的与驻存在子域的外边界(外晕)上的子域单元604共享至少一个单元小面的单元，以及子域中的与相邻子域(内晕)共享小面的单元。在此步骤中，每一应用服务器304构造分布式非结构化图表，以描述其子域和晕中的所有单元的连接性，例如如图11中所示。同时，可计算两个邻近单元之间的连接因子(也称为可透性)。在应用服务器304上运行程序产品326的每一计算机进程产生连接性图表的其自己的部分，并以(例如)分布式压缩稀疏行(CSR)格式存储所述部分。此外，可将每一连接进一步识别为域内连接或域外连接。域外连接是域内网格单元与晕网格单元之间的连接。在此步骤中减除不具有与内部子域单元的可透性的活动晕单元，以最小化必要的应用服务器304间通信。

在步骤510中，利用步骤508中所计算的图表以及其相关联数据来计算子域邻域。子域邻域是为每一子域识别所有其相邻子域的分布式图表，如图12中所示的图表。分布式子域连接性图表也以(例如)CSR格式但以分布式并行方式存储。识别驻存在子域边界上的域内单元，且识别共享这些单元小面的邻近子域ID。使用子域邻域信息来形成局部单元ID的第二排列，使得所有内部单元基于子域邻域以块序列首先排序且边界单元接下来排序，例如如图14中所示。如可看到，局部网格单元的示范性第二排列首先对子域内部单元进行排序，接下来对内晕区单元进行排序，且最后对外晕区进行排序。

局部边界单元ID的第二排列也在邻近应用服务器304之间交换，使得每一应用服务器304具有在流模拟的瞬态时间步进(图13中展示)期间具有交换边界单元数据的必要信息。将来自邻近子域边界的传入数据放在晕区中，例如高速缓存的存储器中，使得进程服务器可将传入数据放在外晕区中。

在步骤512中，在域分割步骤510之后，单元次序对于模拟算法来说可能不是最佳的，且为了计算效率可能需要较佳的单元排序。举例来说，可执行局部单元的最大可透性排序(MTO)以进一步减少处理时间。对于此些实施例以及本发明的优选实施例，MTO通过遵循穿过步骤508中所构造的图表的最大可透性路径来对单元列表进行排序。然而，例如逆卡希尔-麦基(Cuthill-McKee)(RCM)排序或填补减少排序等其它重新排序方法可使用本发明的发明性方法来实施，且包含在本发明的范围内。如所属领域的技术人员将了解，重新排序步骤为系统产生局部单元ID的第三排序，使得单元排序在流模拟期间对于数值解应用服务器304来说是最佳的，如图15中所示。

利用来自步骤508、510和512的结果，可在步骤514中建立表示用于每一子域的雅克比矩阵和求解器矩阵的分布式图表的编索引系统。这些分布式图表由两个CSR列表组成：用于域内连接的一个列表和用于域外连接的一个列表，以便促进通信和计算的重叠以增强并行缩放性。换句话说，每一应用服务器可处理域内单元之间的数据，并与其它应用服务器模拟通信。用于雅克比的分布式图表是双向的，因此数据可在应用服务器302之间流动，且雅克比矩阵具有对称非零结构，但在值上是不对称的。参考矩阵中的对称位置在雅克比构造期间是有用的，且在此步骤中计算并存储对称参考。如图16和17中所示，分布式可透性图表也从步骤606中的初始单元ID排列到步骤612中的最终单元ID排列进行重新排序。

最后，针对邻近应用服务器之间为了运行模拟的应用服务器304间通信产生分布式所得出数据类型(步骤616)。本质上，这是子域的局部ID到另一子域的局部ID参考系统。构造用以利用所得出数据类型来执行同步和异步应用服务器间通信的方法，并将其用于在储集层模拟期间传送晕变量和数据。

如所属领域的技术人员将认识到，所述系统的方法针对模拟大小和井类型而可缩放。举例来说，可在属于子域的分布式非结构化网格单元中为井完成构造另一参考系统。单个井网络可具有多个侧边，且可横跨两个或两个以上子域。所揭示的编索引系统可在并行搜集/分散方法中用来从驻存在网格单元的分布式变量地图中的所需数据构造井约束等式，且为经射孔的网格单元构造个别成分质量或能量平衡等式的井源汇项。井射孔数据的读取使用系统的逆单元参考方法来从射孔的全局单元ID定位局部单元ID和应用服务器304。可基于最终局部排列来完成局部单元ID到全局单元ID编索引。此编索引系统通过MP1-2标准协议形成用以执行模拟数据和结果的处理的并行分布式输入/输出的必要数据。

如所属领域的技术人员将了解，使用较小的2D非结构化网格模型来说明本发明的系统和方法，其考虑当将模型指派给八个应用服务器以运行模拟且选择子域6来说明发明性方法的单元识别和排序步骤时的情况，但此示范性实施例绝不限制本发明。可使用本发明的发明性机器、程序产品和计算机实施的方法来处理使用各种类型和大小的非结构化和结构化网格的模拟。此外，在示范性实施例中，所有网格单元均为活动的。然而，当模型中存在非活动单元时，可在步骤502和504期间将所述单元从地图和图表中减除，以进行存储器管理。此减除通常引起RAM空间的适度到大量节省。还应注意，如果外晕中的活动单元连接到其子域中的非活动单元，那么可减除所述活动单元。

如所属领域的技术人员将了解，对于每一应用服务器304，用于模型的数据文件与用以解决特定模拟模型的应用服务器的数目无关。模型中的每一网格单元具有单元ID，使得可参考所述网格单元的所有性质。在并行计算机模拟期间，应用服务器304的存储器仅保持指派给其的子域的数据。这被称为分布式数据存储。参考系统使得可在给定任何应用服务器304上的任何局部单元ID的情况下确定模型的全局单元ID。

在图式和说明书中，已揭示本发明的典型优选实施例，且尽管使用特定术语，但仅在描述性意义上且不是出于限制目的而使用所述术语。已特定参考这些所说明的实施例以相当多的细节描述了本发明。然而，将明白，可在如前述说明书中所描述的本发明的精神和范围内进行各种修改和改变。

Claims

1.一种用于模拟由储集层的网格界定的多个油气井的生产特性的机器，所述机器包括：

第一应用服务器，其具有处理器和非暂时存储器，所述存储器上存储有计算机可读指令，且所述计算机可读指令可在所述处理器上操作，所述第一应用服务器执行将所述网格分为多个子域的过程以及为所述多个子域中的单元中的每一者指派索引的过程；所述计算机可读指令包括：

从地表下土壤的地质特性创建多个单元，所述多个单元具有与对应于所述地质特性的多个点中的每一者等距形成的面，

减除不活动的任何网格单元，并将剩余单元分为多个子域，以及

为所述单元中的每一者指派原始索引；

至少一个单独应用服务器，其具有处理器以及上面存储有计算机可读指令的存储器，所述至少一个应用服务器被指派至少一个子域且包含计算机程序产品，所述计算机程序产品可在所述存储器上操作，以用于执行使用所述单元的特性以及在所述至少一个子域内的位置对所述多个单元中的每一者的局部单元识别参考进行重新排序的过程以及模拟所述储集层的至少一个生产特性的过程；所述计算机可读指令包括：

为所述子域中的所述多个单元中的每一者创建初始局部单元识别参考，每一局部单元识别参考被映射到所述多个单元中的每一者的原始索引，

使用网格数据、井数据和渗透性数据来产生所述子域中的所述多个单元中的每一者之间的可透性特性，其中所述网格数据、井数据和渗透性数据是使用所述初始局部单元识别参考读取到所述单独应用服务器的所述存储器中的，

确定邻近于所述子域的至少一个其它子域，以及所述多个网格单元中的哪些网格单元与所述至少一个其它子域的网格单元共享至少一个面，

根据所述网格单元是否与所述至少一个其它子域的网格单元共享至少一个面来对所述多个网格单元中的每一者重新编索引，以及

根据所述多个网格单元中的每一者的所述可透性来对所述多个网格单元中的每一者重新编索引，且在与邻近于具有所述一个其它子域的所述子域的所述至少一个其它子域共享至少一个面的所述网格单元之间传输模拟数据。

2.根据权利要求1所述的机器，其中所述地质特性包含深度、多孔性、可透性、岩石区、岩石性质和渗透性中的至少一者。

3.根据权利要求1或2所述的机器，其中所述第一应用服务器和所述单独应用服务器在安全网络上连接在一起，且形成计算机群集。

4.根据权利要求1或2所述的机器，其中所述第一应用服务器和所述单独应用服务器在广域网上连接在一起，使得所述第一应用服务器和所述单独应用服务器彼此远距离定位。

5.根据权利要求2、3或4所述的机器，其中文件服务器将地质特性存储在用于所述多个特性中的每一者的单独字段中，且所述应用服务器使用所述计算机程序产品存取所述字段中的每一者以运行模拟计算。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的机器，其进一步包括文件服务器，所述文件服务器将网格数据、井数据和渗透性数据以及地质特性存储在其上的非暂时存储器中，所述文件服务器上存储有数据库计算机程序产品，允许所述第一应用服务器和所述单独应用服务器使用所述数据库计算机程序产品存取所述数据。

7.根据权利要求6所述的机器，其中所述多个子域中的每一者的模拟结果被并行写入并基于全局单元索引的全局表格存储在所述文件服务器中的数据库中。

8.一种计算机实施的方法，其用于致使计算机执行将界定储集层的网格分为多个子域和多个单元的过程、使用所述单元的特性和在所述至少一个子域内的位置来对所述多个单元中的每一者的局部单元识别参考进行重新排序的过程以及模拟所述储集层的至少一个生产特性的过程；所述计算机实施的方法执行以下步骤：

从地表下上壤的地质特性创建所述多个单元，所述多个单元具有与对应于所述地质特性的多个点中的每一者等距形成的面；

减除不活动的任何网格单元，并将剩余单元分为多个子域；

为所述单元中的每一者指派原始索引；

为所述子域中的所述多个单元中的每一者创建初始局部单元识别参考，每一局部单元识别参考被映射到所述多个单元中的每一者的原始索引；

使用网格数据、井数据和渗透性数据来产生所述子域中的所述多个单元中的每一者之间的可透性特性，其中所述网格数据、井数据和渗透性数据是使用所述初始局部单元识别参考读取到单独应用服务器的存储器中的；

确定邻近于所述子域的至少一个其它子域，以及所述多个网格单元中的哪些网格单元与所述至少一个其它子域的网格单元共享至少一个面；

根据所述网格单元是否与所述至少一个其它子域的网格单元共享至少一个面来对所述多个网格单元中的每一者重新编索引；

根据所述多个网格单元中的每一者的所述可透性对所述多个网格单元中的每一者重新编索引；以及

在与邻近于具有所述一个其它子域的所述子域的所述至少一个其它子域共享至少一个面的所述网格单元之间传输模拟数据。

9.根据权利要求8所述的计算机实施的方法，其中所述地质特性包含深度、多孔性、可透性、岩石区、岩石性质和渗透性中的至少一者。

10.根据权利要求8或9所述的计算机实施的方法，其中在连接在一起以形成计算机群集的第一应用服务器和单独应用服务器上实施所述计算机实施的方法。

11.根据权利要求10所述的计算机实施的方法，其中所述第一应用服务器和所述单独应用服务器在广域网上连接在一起，使得所述第一应用服务器和所述单独应用服务器彼此远距离定位。

12.根据权利要求10或11所述的计算机实施的方法，其中文件服务器将地质特性存储在用于所述多个地质特性中的每一者的单独字段中，且所述应用服务器使用计算机程序产品存取所述字段中的每一者以运行模拟计算。

13.根据权利要求10或11所述的计算机实施的方法，其中文件服务器存取网格数据、井数据和渗透性数据以及地质特性并将之存储在其上的数据库中，所述文件服务器上存储有数据库计算机程序产品，允许所述第一应用服务器和所述单独应用服务器使用所述数据库程序产品存取井特性或地质特性。

14.根据权利要求13所述的计算机实施的方法，其中并行写入所述多个子域中的每一者的模拟结果，并将其以基于全局单元索引的全局表格存储在所述数据库中。

15.一种计算机程序，其包括适于在所述程序在计算机上运行时执行根据权利要求8到14中任一权利要求所述的所有步骤的计算机程序代码构件。

16.根据权利要求15所述的计算机程序，其体现于计算机可读媒体上。