CN109964151A - 利用加速的含水层计算的并行储层模拟 - Google Patents

利用加速的含水层计算的并行储层模拟 Download PDF

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Abstract

提供包括大的边缘含水层区域的模拟模型的储层模拟，其在处理方面得到加速以减少计算机处理时间。合并竖直列中的连通的含水层网格单元以减少在求解阶段的活跃的单元的总数。维护精细网格属性数据以计算分布的3D图和连通系数(传递率)以及在非线性求解阶段期间粗化的含水层单元的孔隙体积压缩性计算。由于在求解阶段的工作负载与活跃的单元的总数成比例，因此，提供了模拟时间的显著加速。使用合并的含水层粗单元内的水力势能的竖直平衡处理计算含水层精细网格压力。

Description

利用加速的含水层计算的并行储层模拟
技术领域
本发明涉及烃储层的计算机模拟，且更具体地，涉及针对环绕有外围含水层的烃储层的利用加速的含水层计算的并行储层模拟。
背景技术
对于许多当前的储层模拟模型，通常存在大部分为含水层单元的网格。需要花费计算资源来求解含水层中的网格。目前，迄今为止已知的储层模拟已经以与储层中的含烃网格单元相同的方式处理含水层网格单元。在一些情况下，已经使用含水层网格粗化来节省计算时间。
当前技术的储层模拟实践以与含烃区域相同的方式处理模型的含水层区域中的网格单元。这是必要的，因为烃能够被无意的推入含水层且需要对其进行建模。同时，储层的边界上的瞬态水侵可以是重要的开采机理。由于局部可能存在的非均质、构造、障碍、裂缝等，来自含水层的水侵的强度在储层周界上是可以高度地可变的。对于包括大的含水层区域的模型，很大一部分计算成本可以在含水层中的水移动的建模中。
这相当于将若干精细单元升级成具有针对粗化的网格的均质处理的存储条件和流动性质的粗单元。这导致网格分辨率降低。通常，模拟结果受到影响且不同于原始精细网格模型。当前粗化方法通常一定程度上改变模拟结果。粗化越积极，与原始模型相比，匹配就会越差。
网格粗化方法应用于储层模型的较低分辨率被认为是足够的区域。网格粗化将若干精细网格单元融入粗网格单元以实现较快的模拟。在网格粗化期间，精细网格性质被均质处理到粗网格。
通常甚至更不精确的另一现有技术已经用来修整含水层单元并用分析含水层模型替换他们。分析解仅能够具有单一几何结构(通常为1D水平的或竖直的)、恒定属性、简单的边界条件。每当模型数据可用时，该方法在现代模拟实践方面太不精确且不适用。
历史上，模拟工程师已经使用分析模型计算进入储层中的水侵。Carter和Tracy的“An Improved Method for Calculating Water Influx”,Trans.,AIME,v.219:p.415-417,(1960)描述了一个这种方法。这种分析模型假设1D含水层几何结构和无限作用且均质的介质属性。该方法应当仅在含水层属性和几何结构是未知或不可用时使用。对于现代储层模拟，该分析模型太不精确而不能正确表示跨越储层边界的含水层的可变的强度。这对于在边界处具有明显活跃的含水层的大储层或油田尤其如此。
在地质描述可用时，高度期望的是将含水层描述保持为完整的，使得瞬态水侵的影响能够被正确建模且能够应用模型历史匹配更新过程。因此，分析模型应当仅应用在模型的外边界，超过外边界没有数据，且使用分析模型的经验处理在此情况可以是可接受的。
迄今为止已知的其他技术已经使用分析方法表示来自含水层的水侵，水侵受限于含水层的非常简单的几何结构、维度、边界条件以及恒定属性描述。作为详细的数字模拟模型的附助，这些是作为关于数字模型的经验边界条件的经验历史匹配方法，超过该经验边界条件，没有对更精确的处理的地质描述。
如上所述，分析方法通常是一维的(水平的或竖直的)，其具有均匀的介质属性、无限作用的外部边界条件。分析方法不具有带有异相属性描述的常规三维或3D结构。因此，他们应当仅在没有关于含水层的数据时使用。这种类型的分析模型应用于模拟模型的末端以表示不由模拟模型覆盖的含水层区域。
发明内容
简单的说，本发明提供一种新的且改善的用于模拟具有烃区域和外围含水层区域的地下储层的储层模拟措施的机器，储层由被组织为用于储层的烃区域的烃网格单元和用于外围含水层区域的含水层网格单元指定的多个网格单元限定，多个网格单元被划分成多个处理子域，每个处理子域包含多个网格单元的至少一部分。机器采取以下形式：具有一个或多个处理器的多个处理器节点，其中，多个处理器节点被分配给处理子域。处理器节点被组织成的处理子域包括：并行输入处理网格子域，其中，并行输入处理域中的处理器节点将储层的网格单元组织成用于处理的单元数据的输入块。处理子域还包括非结构化图和连通系数子域，其中，非结构化图和连通系数子域中的处理器节点构成用于合并含水层网格单元和限定由烃网格单元组成的活跃的网格单元的单元几何结构，构成负载平衡处理网络。处理子域还包括模拟处理子域，其用来执行活跃的网格单元的储层模拟。
本发明还提供一种新的且改善的在地下储层的计算机储层模拟中模拟储层的单元中的储层模拟措施的计算机实现的方法。储层具有烃区域和在烃区域外围的含水层区域。计算机储层模拟在处理器中被执行，处理器具有多个计算机节点，每个计算机节点均包括并行操作的多个计算机核。储层由储层模型限定，储层模型由多个网格单元组成。根据本发明的模拟在储层的单元中的压力的计算机实现的方法确定含水层区域的单元的竖直列存在且将含水层区域的单元的竖直列分组为合并的含水层单元的连通的网格块。执行烃区域的单元和含水层区域的合并的含水层单元的负载平衡的域划分，以及生成在含水层区域的合并的含水层单元的单元之间的传递率。执行烃区域的单元的储层模拟以确定烃区域和含水层区域的单元的网格单元内的压力，以及基于在储层模拟期间确定的所确定的压力来确定合并的含水层单元的孔隙体积和孔隙度。模拟过程继续直到已经确定了针对储层模拟的收敛已经发生，此时，利用所确定的压力和含水层单元的孔隙体积填入含水层区域的单元。
本发明还提供一种新的且改善的用于具有烃区域和在烃区域外围的含水层区域的地下储层中的储层模拟程度的计算机储层模拟的数据处理系统，储层由储层模型限定，储层模型由多个网格单元组成，数据处理包括：处理器，处理器具有多个计算机节点，每个计算机节点均包括并行操作的多个计算机核。计算机节点确定含水层区域的单元的竖直列存在且将含水层区域的单元的竖直列分组为合并的含水层单元的连通的网格块。计算机节点执行烃区域的单元和含水层区域的合并的含水层单元的负载平衡的域划分，并生成在含水层区域的合并的含水层单元的单元之间的传递率。计算机节点还执行烃区域的单元的储层模拟以确定烃区域和含水层区域的单元的网格单元内的压力，且基于在储层模拟期间确定的所确定的压力来确定合并的含水层单元的孔隙体积和孔隙度。计算机节点还确定针对储层模拟的收敛是否已经发生，且如果是，则利用所确定的压力和含水层单元的孔隙体积填入合并的含水层单元。
本发明还提供一种新的且改善的数据存储装置，其具有在其中存储有计算机可操作指令的非临时计算机可读介质，计算机可操作指令使处理器执行具有烃区域和在烃区域外围的含水层区域的地下储层的计算机储层模拟。计算机储层模拟在处理器中被执行，处理器具有多个计算机节点，每个计算机节点均包括并行操作的多个计算机核。储层由储层模型限定，储层模型由多个网格单元组成。存储的指令进行在储层的单元中的压力的模拟。在数据存储装置中存储的指令使处理器确定含水层区域的单元的竖直列存在且将含水层区域的单元的竖直列分组为合并的含水层单元的连通的网格块。指令然后进行烃区域的单元和含水层区域的合并的含水层单元的负载平衡的域划分，以及生成在含水层区域的合并的含水层单元的单元之间的传递率。在存储的指令的控制下执行烃区域的单元的储层模拟以确定烃区域的单元的网格单元内的压力，以及基于在储层模拟期间确定的所确定的压力来确定合并的含水层单元的孔隙体积和孔隙度。根据存储的指令的模拟处理继续直到已经确定了针对储层模拟的收敛已经发生，此时，利用所确定的压力和含水层单元的孔隙体积填入合并的含水层单元。
附图说明
图1是地下储层结构化网格的计算机模型的等距视图。
图2是模拟模型的等距视图，其指示由外围含水层区域环绕的烃储层区域。
图3A是储层模拟模型的示意图。
图3B是图3A的储层模拟模型的平面图。
图3C是沿图3B的储层模型的线A-B截取的竖直截面图。
图4是根据本发明的利用加速的含水层计算用于对并行储层模拟进行改善的计算机处理步骤的功能框图或流程图。
图5是根据本发明的用于全耦合全隐式井筒(wellbore)建模的计算机网络的示意图。
图6是图5的计算机网络的应用服务器或计算机节点的示意图。
图7是数据流程图，其说明图5的计算机网络中的根据本发明的分布式并行网格数据的三个阶段。
图8A、图8B和图8C是根据本发明的模拟模型的含水层列的竖直粗化的示意图。
图8D是储层模拟模型的示意图，其说明根据本发明的并行图划分的节点权重。
图9是在模拟模型中的列的单元之间的单元连通性的示意图。
图10A、图10B、图10C和图10D是在具有外围含水层区域的模拟模型中的根据本发明的含水层列之间的单元连通性的示意图。
图11是根据本发明的实验研究的示例储层模拟模型的等距视图。
图12A是由根据本发明的储层模拟确定的产油量(oil rate)和根据常规储层模拟确定的产油量的比较结果的图。
图12B是由根据本发明的储层模拟确定的产水量(water rate)和根据常规储层模拟确定的产水量的比较结果的图。
图12C是由根据本发明的储层模拟确定的含水率(water cut)和根据常规储层模拟确定的含水率的比较结果的图。
图12D是由根据本发明的储层模拟确定的平均压力和根据常规储层模拟的确定的平均压力的比较结果的图。
具体实施方式
对于从地下储层开采油和气，将井筒钻入用于开采烃类流体的这些地层。在开采过程期间，流体(如，水和/或气)被注入到注入井中，且孔隙空间中的流体混合物产自生产井。为了预测这些储层的未来性能且评估替代的发展计划，使用储层模拟器来运行模拟模型。
根据本发明，储层模拟器用来产生感兴趣的模拟的储层生产措施(measure)的模型所需的时间被减少。储层生产措施以模拟的储层流体压力和流动的形式指示储层行为，例如，储层压力、储层生产措施、传递率、流体产生率、油率、产水率、含水率和平均压力。首先使用现有的生产数据利用历史匹配步骤对这些模型进行校准。校准的模型然后用来评估未来操作情况。例如，历史匹配的模型可用来确定何时何地钻额外的井，以适当的开采剩余烃中的大部分。
对于许多当前储层模拟模型，通常存在大部分为含水层单元的网格。因此，针对具有大量含水层单元的储层模拟模型过去已经花费计算资源来解决含水层中的网格。本发明提供一种基于基础物理的新方法以在没有精度损失的情况下显著加速计算。本发明应用含水层单元的竖直聚合且应用平衡计算来恢复原始精细单元中的压力解。与现有方法相比，本发明减少计算时间同时提供高精度的结果。
储层模拟器是计算机实现的软件代码，其求解每个网格块的离散平衡方程组。离散方程通常由描述储层内的质量、动量和能量守恒方程的非-非线性(non-nonlinear)偏微分方程的控制系统的有限体积离散化构成。图1是离散化成数百万个有限体积的典型的储层模拟域S的地下储层结构化网格的计算机模型的等距视图。
术语
在以下描述中，利用具有以下含义的符号：
p＝压力
q＝产量(production rate)
xi＝摩尔分数
Vj＝相体积
Sj＝相饱和度
ci＝物种i的总浓度
Φ＝孔隙度
ρ＝密度
μ＝黏度
ω＝质量分数
R＝均质反应速率
D＝弥散系数(Dispersion Coefficient)
u＝速度
VΦ＝岩石孔隙体积
上标：
ref＝参考
p＝流体相
t＝总的
下标:
i＝组分索引
j＝相位索引
储层模拟器的示例是GigaPOWERS储层模拟器，能够在Dogru等(SPE119272,“ANext-Generation Parallel Reservoir Simulator for Giant Reservoirs,”Proceedings of the SPE Reservoir Simulation Symposium,The Woodlands,Texas,USA,2-4 February 2009,29pp.)中找到其描述。多相多组分方程组的瞬态解涉及从储层的初始条件开始的一系列时间步长中的质量和能量守恒的演变。对于每个时间步长，使用所谓的广义牛顿法对每个有限体积的非线性离散方程组进行线性化。
储层模拟器的单元中的组分i的一般物种守恒方程(species conservationequation)由下式给出:
其中：
如果忽略弥散、化学反应和吸收，则物种方程简化为:
由于多孔介质的孔隙空间必须充满存在的流体，因此，孔隙体积必须等于总的流体体积。这能够被表达为:
其中，孔隙体积VΦ仅是压力的函数且被描述为:
压力和总摩尔数是主要变量。为了闭合，所使用的其他公式是约束，如下面给出的：
对每相的摩尔分数的约束:
对每个组分的总摩尔的约束:
对流体饱和度的约束:
其中：
和
相速度通过达西(Darcy)定律描述:
这里，K是渗透率张量，其被定义为:
通常，全场模拟模型包括含水层单元的区域。如果外围和/或底部含水层是活跃的并对烃开采操作提供重要的持续的储层压力支持，则这是尤其重要的。
图2示意性说明典型的全场模拟模型M，其具有储层区域20和周围的含水层区域22。含水层区域22的地质和结构与储层本身同样复杂，且瞬态外围水侵会受到这些局部特征的强烈影响，导致跨越储层边界的变化的岸线移动。因此，岸线移动的正确建模是全场储层模拟的重要方面。经验指示模拟模型通常可能包含从30％到80％以上的含水层网格单元。在多储层全场模型中，在含水层的储层区域之间的压力响应对附近区域中的生产操作的影响进行正确地建模可以是重要的。
本发明提供用于被组织成模拟域(如图1中的S所示的)的连通的网格单元的竖直合并方法的方法。针对与储层区域(如图2的20所示)相邻的含水层区域(如图2的22所示)中的连通的网格执行本发明的方法。
如将要陈述的，本发明的方法维护原始精细网格数据，该数据用来构造3D连通图、连通系数(传递率(transmissibility))、孔隙体积和压缩率。然而，本发明减少在储层模拟的非线性和线性解空间中的活跃的单元计数。使用合并的含水层粗网格单元内的竖直平衡条件根据单元中心压力确定含水层的精细网格压力。该处理在使用中的HPC模拟系统硬件的所有处理核上并行分布且负载平衡(图5和图6)。如下所述，本发明还能够提供与原始精细网格模拟模型相同的结果，但运行时间为用于计算机处理的原始模拟时间的一部分。
储层模拟网格中的含水层单元包含单个水相。由于水只是稍微可压缩的，因此，本发明形成含水层单元的连通的竖直列。连通的竖直列的含水层单元处于流体静力学平衡，且含水层单元的压力曲线随重力势变化，该重力势是水密度和深度的函数。因此，利用本发明，已经发现足以确定给定深度下的单个压力值以获得连通的含水层单元的列的竖直压力分布。
根据本发明，网格合并方法被提供用于含水层单元的连通的列，以减少整个模拟模型的活跃的单元计数，如图1或图2中所示。本发明保留原始模型的完整地质说明，且含水层能够包含复杂结构地势(structure relief)、断层、裂缝等。因此，储层工程师和分析人员能够利用原始地质模型数据工作以进行历史匹配和场预测，正如利用原始的常规获得的模拟模型完成的一样。本发明适用于使用结构化网格或非结构化网格表示的大量当前可用的储层模拟模型。本发明同样适用于单孔隙度或多孔隙度多渗透率模型。本发明提供的加速处理还能够容易通过模型文件中的单个关键字完成。
图3说明储层模拟模型R的示意图，其具有储层模型M的网格单元的储层(含烃)区域30。还如图3中所示，网格单元的烃区域30由网格单元的外围含水层区域32界定。随着储层耗尽，储层区域30中的压力下降，且水从含水层区域32侵入烃储层区域30。水侵对储层提供压力支持且改善烃开采。然而，产水量随时间增加，并伴随由于额外的流体提升要求和提供地面设施以处理额外的产水量而导致的运营成本增加。
图4是根据本发明的利用加速的含水层计算用于对并行储层模拟进行改善的计算机处理步骤的功能框图或流程图。储层模拟网格(结构化和非结构化)是分层的以符合沉积学设置。根据图4的处理基于储层模拟的并行分布的非结构化数据基础设施，该储层模拟的并行分布的非结构化数据基础设施由本作者在美国专利(No.8,386,227,“Machine,computer program product and method to generate unstructured grids and carryout parallel reservoir simulation”；美国专利No.8,433,551,“Machine,computerprogram product and method to carry out parallel reservoir simulation”；和美国专利No.9,177,086,“Machine,computer program product and method to carry outparallel reservoir simulation”)中的之前公开内容中公开，上述专利的申请人Fung是指定的发明人。
在图4的处理中，首先对模拟网格单元进行竖直排序，然后其次对其进行区域的排序。方法步骤410基于某标准识别含水层列，然后执行含水层粗化。标准包括如果饱和度是输入属性且在列中的所有活跃的单元的水饱和度大于(1-ε)，其中，ε是非常小的数，则该列被标记为含水层列。另一标准是如果在储层模拟器内部计算饱和度，则将每个单元的深度与油水界面(oil water contact，OWC)进行比较。如果该列中的所有活跃的单元的深度比该位置处的OWC深，则列被识别为含水层列。另一标准是如果在列中存在任一油井射孔，则该列不被识别为含水层列。
对于那些被识别的含水层列，将单元分组为连通的网格块，该连通的网格块利用本发明被称为竖直合并的网格块或粗化的网格块。如果整个列被液压连通，则其是该含水层列的单个合并的网格块。在此情况下，在非线性或线性求解阶段(solution phase)期间，整个列仅存在一个活跃的网格单元，其中，大部分模拟执行时间驻留且取决于被模拟的储层单元(烃和含水层)的数量。
为了计算目的，第一单元被标记为活跃的，而余下的被标记为不活跃的(VE-INACTIVE)。如果原始模拟模型包含大的含水层区域，则在求解阶段期间的活跃的单元的数量能够被显著减少。
如图8A所示，大的竖直网格块600聚合N个活跃的含水层精细网格单元602的体积，且网格块600的中心深度是整个含水层列的中心深度。参考标记610说明精细网格块602的连通的含水层列，且参考标记620是竖直粗化后的合并的粗网格块。如果模型是双孔双渗的，则对于每个列位置，存在合并的矩阵含水层单元和合并的裂缝含水层单元。如果在含水层列中存在不活跃的单元，则含水层列包含多个块，如图8B中所示。在图8B中，参考标记630说明由障碍634隔开的N-1个网格单元632的断开连通的含水层列，且参考标记640示出竖直粗化后的两个合并的粗块。
方法步骤420(图4)使用平衡子域权重且最小化边缘切割(edge cut)的图划分软件程序计算负载平衡的域划分。图的每个节点表示网格单元的列，且活跃的单元计数是节点权重。这在图8D中进行了说明。每个实心圆652是网格单元列的中心。连通实心圆652的虚线654表示图的连通，且列构成2D图的节点。子域权重是属于该子域的所有列的权重的和。
对于具有一个合并的块的含水层列，权重为1。对于非含水层列，权重为NA(列中活跃的网格单元的数量)。如果列中所有单元是活跃的，则NA＝NZ。基于如图8D中所示的合并的块计数计算节点权重。如果列为双孔的且均为活跃的和连通的，则计数为2。对于非含水层列，权重为列中活跃的单元的数量。
方法步骤430生成分布的单元级连通图并计算连通系数(还称为传递率)。为了维护含水层中的整个地质描述，考虑原始含水层精细网格单元的几何信息和渗透率信息建立新的连通和连通系数(传递率)。
根据本发明存在三种情况来确定单元连通和传递率:(1)邻近油列的含水层列；(2)邻近含水层列的含水层列；和(3)具有底部含水层的油列。这些在下面进行了解释:
1、邻近油列的含水层列
在图9中，如果列中的N个含水层单元已经被合并，则原始的一对一横向单元连通已经变成合并的块到N个油列单元连通的一对多横向连通，同时传递率值保持不变，这意味着含水层列与油列中的单元号i之间的导水性与原始含水层列中的单元号i和油列中的单元号i之间的导水性相同。由于存在一个合并的块，含水层列中的竖直连通消失。
2、邻近含水层列的含水层列
在图10A中，对于含水层列能够被粗化成每列仅一个合并的含水层块900的最简单情况，原始的N个横向单元连通减小到两个合并的块之间的一个连通。单元连通的数量显著降低。新的导水性Tnew是N个原始导水性Ti的和，由下式给出:
在图10B中示出更一般的情况，其中，在含水层列中存在流动障碍902。在此说明中，在两个合并的含水层列906之间存在三个横向连通904。图10C说明两个含水层列908之间的连通，涉及其间的传导断层面910。在该示例中，存在在两个合并的列之间的两个横向连通912。
3、具有底部含水层的油列
在图10D中，如果油列中的N个底部含水层单元已经被合并，则原始的N个竖直单元连通已经变成在合并的块914和油单元916之间的一个竖直连通。由于存在一个合并的块914，含水层中的竖直连通消失。新导水性值被视为精细单元导水性的调和平均值的孔隙体积加权平均，其由以下公式给出：
将Ti表示为原始精细单元导水性且将PVi表示为合并的含水层块中的单元i的孔隙体积。新导水性被表示为：
对于i＝1，...，N
其中，
对于i＝2，...，N
和
HM_T1＝T1
步骤440(图4)是模拟器时间步进循环，其包括由储层模拟器执行的非线性和线性求解过程。非线性迭代和线性求解在储层模拟器中以常规方式执行。然而，如上所述，利用本发明，在储层模拟器中处理的含水层单元的数量通过形成合并的活跃的含水层单元而被极大地减少。
在步骤450中，合并的单元的孔隙体积被差别的更新。由于孔隙度随着压力被非线性的更新且在压缩性上会是非均质的或在精细单元中会存在不同的参考孔隙度，因此，合并的单元的更新的孔隙体积应当是原始精细单元的更新的孔隙体积的和，通过下式给出：
其中，单元i的孔隙度被计算为：
步骤460是储层模拟中时间步进过程的收敛检查。合并的含水层单元的收敛公差是单元压力的变化标准，而残留公差是物质平衡的变化标准。这类似于常规收敛公差标准。
步骤470使用粗单元内的平衡条件及其压力解更新而填入含水层精细单元。使用以下平衡公式更新含水层中的原始精细网格的压力：
Pi＝P+(depth(i)-depth)*ρg (16)
在方程16中，P是合并的块的压力，且Pi是精细网格单元i的压力，Pi用于计算上面方程15中的精细单元孔隙度更新以及详细的压力图输出。图4的处理和方法步骤适用于在各种现有的HPC硬件上部署。这些通常是具有若干计算节点的机架式硬件，其包含具有多核架构的多个CPU。节点与常规低延时高带宽网络、开关和路由器互联。
用于与该模拟系统一起使用的典型HPC环境是现有的多节点、多CPU、多核计算集群。示例的这种集群在图5的数据处理系统D中的C处进行了说明。集群C由多个计算机节点50(图5和图6)构成，多个计算机节点50由(一个或多个)路由器服务器54并行地提供数据，如箭头52所指示的。必要时，可使用若干这种路由器服务器用于此目的。上述类型的原始模拟或输入数据存储在适当数量的数据存储/文件服务器56中。在存储在存储器中的计算机节点55的控制下的路由器服务器54并行地传递来自存储服务器56的输入模拟数据，以及从集群C的计算机节点50以及向集群C的计算机节点50传递如箭头58指示的模拟处理结果。根据本发明的程序代码55是非临时计算机可操作指令的形式，该非临时计算机可操作指令使(一个或多个)服务器54索引、排序和传递数据。通常，数据处理系统D包括通过网络59连通到该系统的一组适当的常规类型的工作站57。
集群C的计算机节点50包括图6中所示类型的多个处理器或核60，其在计算机节点的指令或存储在计算机节点50的存储器64中的程序产品62的指令下并行操作。根据本发明的程序节点62是非临时计算机可操作指令的形式，非临时计算机可操作指令使数据处理器60利用根据本发明的加速的含水层计算执行并行储层模拟。
应当注意，程序代码55和62可以是以下形式：微代码、程序、例程或符号计算机可操作语言，其提供特定的一组有序操作，这些操作控制数据处理系统D的功能并指导其操作。程序代码55和62的指令可以存储在服务器54或处理器节点50的存储器中，或存储在计算机磁盘、磁带、常规硬盘驱动器、电子只读存储器、光学存储装置或其上存储有非临时计算机可用介质的其他适当数据存储装置上。如图所示，程序代码60还可以包含在作为计算机可读介质的数据存储装置(如，服务器56)上。
RAM和高速缓冲存储器是分布式的并且对于每个计算节点是本地的，且由每个节点上的处理核共享。
由本发明的系统模拟的物理现象是紧密耦合的全局多相流动问题，其本质上是对流的和扩散的。高带宽低延时网络延迟是优选的，以最小化过程间通信开销。消息传递接口(MPI)标准用于过程间通信操作，而MPI-2用于并行I/O操作。用于模拟或模型数据和处理输出结果的磁盘存储通常在集中的NAS、SAN、GPFS或其他并行文件系统上。对于较小规模的并行性，还能够使用驻留于集群上的本地硬盘存储。并行分布的I/O方法用来在模拟期间最小化从磁盘的读取时间/向磁盘的写入时间。
以上方程中的符号具有这些含义:
i＝含水层列中的单元号
ρ＝水密度
c＝岩石压缩性
g＝重力常数
P＝压力
Pr＝参考压力
PV＝孔隙体积
BV＝总体积
假设模拟模型具有以下属性:
NZ＝层的数量
x＝含水层列的百分数
T＝原始运行时间
本发明的估计性能会具有运行时间的理想下界:
图7示出伴随本发明的图4中的处理步骤的并行数据流程图。如图所示，整个数据流并行分布且涉及用于模拟网格处理的三个主要网格数据空间：(1)并行输入处理网格数据空间；(2)非结构化图和连通系数数据空间；和(3)模拟时间步进网格数据空间。第一数据空间是包括死单元和尖灭单元的全网格数据的简单连续块的朴素组织。第二数据空间对应于用于针对模拟阶段构造活跃的网格单元的并行图的数据空间。该阶段的网格数据包括用于连通系数计算的单元几何结构信息，且还包括不是用于模拟阶段的活跃的网格单元的一部分的精细网格含水层单元。第三阶段是求解阶段，其中在模拟时间步进中仅涉及活跃的单元。存在腋生(axillary)精细网格含水层单元阵列以支持对合并的含水层单元孔隙体积和压缩性的精确计算。在第二阶段期间创建双向索引系统以在合并的单元和精细网格单元之间来回索引。讨论以图4中的方法步骤开始，接着是对图5中方法步骤的数据空间的解释。
图7是数据流程图，其中，来自服务器56的磁盘文件网格数据510以连续相等块被读取到每个并行处理核的数据空间中，如在参考标记520处示出的以列的方式组织网格数据。参考标记410中的处理步骤是参考标记510中的软件的一部分，其中，计算域图划分的信息。处理步骤420创建模拟网格域分解，其是参考标记510中的软件的一部分。
根据模拟域分解，能够针对从IO域数据空间到图和连通系数数据空间的数据传递协议生成并行数据通信信息。数据传递的方法基本与申请人之前提到的美国专利No.8,386,227和No.8,433,551中详细描述的一样，除了网格空间530包括被标记为VE-INACTIVE的活跃的含水层精细网格单元。在数据空间530中，额外的代码算法可用于计算邻近的含水层-含水层列之间或邻近的含水层-储层列之间的网格单元的连通，如上面在方法步骤430中讨论的。
所得的连通图将涉及每个活跃的单元(储层单元和合并的含水层单元)的节点。如图7中530示出的节点50中的软件代码62还包括图和单元重排序方案以适应在求解过程中利用的特定线性求解方法。图和单元重排序方案类似申请人之前提到的美国专利No.8,386,227和No.8,433,551中的那些方案。
如在图7中540处所示，在所有单元连通建立且用于收集模拟空间的数据的信息准备好的情况下，网格数据然后从输入子域分区传递到模拟子域分区，其中，移除每个不活跃的单元。然而，在模拟阶段中还需要精细网格含水层单元的一些网格数据(包括被标记为VE-INACTIVE的)以更新合并的含水层单元的复合孔隙体积和压缩率且在需要时存储计算的精细网格压力解。这被示出为数据参考标记550和560。活跃的单元数据550类似申请人之前提到的美国专利No.8,386,227和No.8,433,551中的那些活跃的单元数据，其中在模拟器执行时间步进时，在求解过程中仅涉及活跃的单元。参考标记560描绘含水层精细单元和在他们之间的双向索引参考作为新的数据项，该新的数据项被构造以支持在参考标记550中存在的合并的含水层的正确的孔隙体积和压缩性更新。数据参考标记560是含水层精细网格数据以提供合并的单元的精确的孔隙体积和压缩性计算且在非线性或线性求解过程中不直接涉及。
包括全场案例研究，其是具有2959个井的950万网格单元(450*1249*17)三相黑油储层模型。图11示出储层模型的图。储层模型包括大量含水层描述。已知含水层水侵是明显的且跨越主要储层的储层边界是可变的。
图12A至图12D示出，与当前商业模拟器的常规方法中的当前实践的储层建模相比，作为使用本发明的示例储层生产措施的生产率和压力图。图12A是由根据本发明的利用加速的含水层计算的储层模拟确定的产油量与利用与含烃区域相同的方式处理的含水层单元的当前实践的储层建模确定的产油量相比的比较图。结果中不能看到明显差别。图12B、图12C和图12D分别是产水量、含水率和平均压力的可比较的比较图，每个比较图也是由根据本发明的利用加速的含水层计算的储层模拟与利用与含烃区域相同的方式处理的含水层单元的当前实践的储层建模相比确定的。正如图12A的图，在图12B、12C和12D中绘图的结果中不能看到明显差别。这些结果表明本发明的有效性及其在精确表示模型流动物理量方面的保真度，且运行成本为常规建模的一部分。
本发明提供一种改善且更有效的方法来加速储层模拟模型的含水层区域中的网格单元的计算。尽管能够结合每个网格单元求解方法(可用时)的可变数量的方程使用本发明，但使用该方法实现的加速更大，使得不必包括较低效率方法。本发明通过减少在含水层中所需的单元计数而加速模拟。通过使用合并的粗单元内的竖直平衡计算，其重新构建含水层中的精细网格解。如果连通网格单元的竖直列，则潜在的节省倍数大致等于模型中的层数。因此，100层的模型将为含水层区域节省大约100的系数的计算量。
通过聚合含水层网格且然后使用竖直平衡计算合并的网格内的压力分布，本发明加速储层模拟计算机处理运行。本发明保留含水层中的孔隙度和渗透率的精细尺度的非均质，同时，降低要由模拟器求解的活跃的单元和连通的数量。增加新的处理步骤以在求解阶段期间基于活跃的单元计数确定正确的聚合方案且使模型负载平衡。这比针对每个含水层网格单元求解的商用模拟器中的当前可用方法更有效。在求解阶段期间，能够以常规方式处理所有平衡方程。在粗化的网格水平对油进入含水层的溢出建模，且该溢出可在模拟阶段被检测以指示其发生时的去合并要求。模拟结果提供在包括含水层区域的精细网格水平的完整压力剖面。
利用本发明，提供方法以检测含水层单元的竖直连通的列。本发明在现有模拟器中是通用的且适用于各种平衡或非平衡初始化方法。模拟模型能够是单孔隙度类型或多孔隙度多渗透率类型。模型可包含各种类型的地质的复杂性，包括断层、尖灭单元和死单元。该数据用来构造竖直粗化的含水层单元。这些粗化的单元带有下面的精细单元的孔隙度、渗透率和孔隙压缩性方面的内部非均质性。然而，仅需要单个压力解以完全限定粗化的含水层单元内的压力分布，该粗化的含水层单元包含连通的精细单元的合并的列。整个计算工作是与现在明显降低的活跃的单元计数成比例的。含水层区域越大，计算处理时间和成本节省将越大。
本发明使用每列网格单元的活跃的单元计数进行并行域分解和负载平衡。其包括新的分布式数据管理系统和另一系统，该新的分布式数据管理系统对并行分布式输入数据进入并行分布式工作空间的传递进行管理，该并行分布式工作空间用于建立并行分布式3D连通图和相关的传递率(连通系数)，另一系统对并行分布式输入数据进入以下两个并行分布式模拟数据空间的传递进行管理:(1)普通活跃的网格单元数据空间，和(2)含水层精细网格单元数据空间。活跃的网格单元数据空间包含粗化的含水层单元。在活跃的网格单元数据空间和含水层精细网格数据空间之间存在双向参考系统。含水层精细网格数据空间包含必要和充足的数据来构建用于对应于粗化的含水层单元的方程的Jacobian矩阵项和残留项。在获得来自减小的解空间的解之后，使用竖直平衡计算含水层精细网格压力。在从减小的解空间获得加速解之后，能够在每个时间步长下或在需要时计算原始模拟模型的精细网格单元面中的每个的水相流动项(水侵)。
本发明加速储层模型的模拟，该储层模型在模型中可包括大的含水层区域。现有技术中的模拟器以与包含烃的储层网格单元相同的方式执行含水层网格单元的质量、液体流动和输送计算。在一些情况中，如果在整个模拟过程中这些含水层网格单元能够已知为先验单水相唯一网格单元且到含水层的烃侵入未发生，则可以排除烃物质平衡的计算。由于该处理需要能够提供每网格单元的可变数量的方程的求解器的额外的复杂度，因此，通常不这样做。该额外的复杂度将减慢计算速度且得到较差的结果或没有加速。
具有合并的粗单元的本发明保留下面的精细单元的网格属性来计算孔隙体积、压缩性和流动项。不涉及的网格升级。因此，模拟结果与没有加速的原始模拟模型完全或几乎完全相同。然而，加速的模型在模拟器中执行地更快。本发明实现模型加速而不影响结果。模拟用户能够应用模型更新和场预测，正如常规进行的。不需要额外的工作量来实现改善的模拟性能。
已经充分描述了本发明，使得具有该事项的一般知识的人可以再现并获得本发明中提到的结果。尽管如此，本发明的主题的技术领域中的任何技术人员可以执行在本申请中未描述的修改，将这些修改应用于确定的结构或其制造过程，需要在所附权利要求中要求保护的内容；这些结构应包括在本发明的范围内。
应该注意和理解的是，在不脱离所附权利要求中阐述的本发明的精神或范围的情况下，可以对上面详细描述的本发明进行改进和修改。

Claims (6)

1.一种模拟具有烃区域和外围含水层区域的地下储层的储层生产措施的机器，所述储层由指定的多个网格单元限定，所述多个网格单元被组织为用于所述储层的所述烃区域的烃网格单元和用于所述外围含水层区域的含水层网格单元，所述多个网格单元被划分成多个处理子域，每个处理子域包含所述多个网格单元的至少一部分，所述机器包括：
具有一个或多个处理器的多个处理器节点，所述多个处理器节点被分配给处理子域，所述处理子域包括：
并行输入处理网格子域，所述并行输入处理域中的所述处理器节点将所述储层的所述网格单元组织成用于处理的单元数据的输入块；
非结构化图和连通系数子域，所述非结构化图和连通系数子域中的所述处理器节点构成用于合并含水层网格单元和限定由所述烃网格单元组成的活跃的网格单元的单元几何结构，构成负载平衡处理网络；以及
模拟处理子域，其用来执行所述活跃的网格单元的储层模拟。
2.根据权利要求1所述的机器，其中，所述非结构化图和连通系数子域中的所述处理器节点执行以下步骤：
(a)确定所述含水层区域的单元的竖直列存在；
(b)将所述含水层区域的单元的竖直列分组为合并的含水层单元的连通的网格块；
(c)对所述烃区域的所述单元和所述含水层区域的所述合并的含水层单元执行负载平衡的域划分；以及
(d)生成所述含水层区域的所述合并的含水层单元的单元之间的传递率。
3.根据权利要求1所述的机器，其中，在用来执行所述活跃的网格单元的储层模拟的所述模拟处理子域中的所述处理器节点执行以下步骤：
(a)执行所述烃区域和所述含水层区域的所述单元的所述储层模拟，以确定所述烃区域和所述含水层区域的所述单元的所述网格单元内的储层生产措施；
(b)基于在所述储层模拟期间确定的所确定的压力来确定所述合并的含水层单元的孔隙体积和孔隙度；
(c)确定针对所述储层模拟的收敛是否已经发生，如果是，则利用所确定的压力和所述含水层单元的孔隙体积填入所述合并的含水层单元内的所述含水层区域的所述单元；如果为否，则
(d)更新模拟参数且返回到执行所述储层模拟的步骤。
4.在具有烃区域和在所述烃区域外围的含水层区域的地下储层的计算机储层模拟中，所述计算机储层模拟在处理器中被执行，所述处理器具有多个计算机节点，每个计算机节点均包括并行操作的多个计算机核，所述储层由储层模型限定，所述储层模型由多个网格单元组成，一种模拟在所述储层模型的所述单元中的储层生产措施的计算机实现的方法，包括以下步骤：
(a)确定所述含水层区域的单元的竖直列存在；
(b)将所述含水层区域的单元的竖直列分组为合并的含水层单元的连通的网格块；
(c)对所述烃区域的所述单元和所述含水层区域的所述合并的含水层单元执行负载平衡的域划分；
(d)生成所述含水层区域的所述合并的含水层单元的单元之间的传递率；
(e)执行所述烃区域和所述含水层区域的所述单元的所述储层模拟，以确定所述烃区域的所述单元的所述网格单元内的储层生产措施；
(f)基于在所述储层模拟期间确定的所确定的压力来确定所述合并的含水层单元的孔隙体积和孔隙度；
(g)确定针对所述储层模拟的收敛是否已经发生，如果是，则利用所确定的压力和所述含水层单元的孔隙体积填入所述合并的含水层单元内的所述含水层区域的所述单元；如果为否，则
(h)更新模拟参数且返回到执行所述储层模拟的步骤。
5.一种用于具有烃区域和在所述烃区域的外围的含水层区域的地下储层的计算机储层模拟的数据处理系统，所述储层由储层模型限定，所述储层模型由多个网格单元组成，所述数据处理包括：
处理器，所述处理器具有多个计算机节点，每个计算机节点均包括并行操作的多个计算机核且执行以下步骤：
(a)确定所述含水层区域的单元的竖直列存在；
(b)将所述含水层区域的单元的竖直列分组为合并的含水层单元的连通的网格块；
(c)对所述烃区域的所述单元和所述含水层区域的所述合并的含水层单元执行负载平衡的域划分；
(d)生成所述含水层区域的所述合并的含水层单元的所述单元之间的传递率；
(e)执行所述烃区域和所述含水层区域的所述单元的所述储层模拟以确定所述烃区域的所述单元的所述网格单元内的储层生产措施；
(f)基于在所述储层模拟期间确定的所确定的压力来确定所述合并的含水层单元的孔隙体积和孔隙度；
(g)确定针对所述储层模拟的收敛是否已经发生，如果是，则利用所确定的压力和所述含水层单元的孔隙体积填入所述合并的含水层单元内的所述含水层区域的所述单元；如果为否，则
(h)更新模拟参数且返回到执行所述储层模拟的步骤；和
存储器，其用来将模拟的储层生产措施存储在所述储层模型的所述单元中；和
显示器，其用来显示在所述储层模型的所述单元中存储的模拟的储层生产措施。
6.一种数据存储装置，其在非临时计算机可读介质中存储有计算机可操作指令，所述计算机可操作指令使处理器执行具有烃区域和在所述烃区域的外围的含水层区域的地下储层的计算机储层模拟，所述计算机储层模拟在处理器中被执行，所述处理器具有多个计算机节点，每个计算机节点均包括并行操作的多个计算机核，所述储层由储层模型限定，所述储层模型由多个网格单元组成，一种模拟在所述储层的所述单元中的储层生产措施的计算机实现的方法，在所述数据存储装置中存储的指令使所述处理器执行以下步骤：
(a)确定所述含水层区域的单元的竖直列存在；
(b)将所述含水层区域的单元的所述竖直列分组为合并的含水层单元的连通的网格块；
(c)对所述烃区域的所述单元和所述含水层区域的所述合并的含水层单元执行负载平衡的域划分；
(d)生成所述含水层区域的所述合并的含水层单元的所述单元之间的传递率；
(e)执行所述烃区域的所述单元的所述储层模拟以确定所述烃区域的所述单元的所述网格单元内的压力；
(f)基于在所述储层模拟期间确定的所确定的压力来确定所述合并的含水层单元的孔隙体积和孔隙度；
(g)确定针对所述储层模拟的收敛是否已经发生，如果是，则利用所确定的压力和所述含水层单元的孔隙体积填入所述合并的含水层单元；如果为否，则
调节模拟参数且返回到执行所述储层模拟的步骤。
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