JP2018119967A - コンピュータ実装方法、データ処理システム、及びデータストレージデバイス - Google Patents
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Abstract
Description
導入部として、上記で確認されたタイプの既知のコンピュータ油層シミュレーションのより詳細な説明が提供される。地下油層からの石油およびガスの採取のために、掘削孔は炭化水素流体の採取用にこれらの層に掘削される。採取プロセスの間、水および/またはガスなどの流体は、圧入井に注入され、孔隙内の流体混合物は生産井から生産される。これらの油層の将来の挙動を予測し、代替の開発計画を評価するために、油層シミュレータはシミュレーションモデルを実行するために使用される。これらのモデルは、最初に、既存の生産データを使用して、履歴整合ステップで較正される。較正されたモデルは、次いで、将来の操業シナリオを評価するために使用される。たとえば、履歴整合モデルは、所定の位置に残っている炭化水素のうちの多くを採取するために、さらなる坑井をいつどこで掘削するかを判断するために使用される場合がある。
下記に記載される方程式内のシンボルは以下の意味を有する。
p=圧力
q=生産率
xi=モル分率
Vj=相体積
Sj=相飽和
ci=化学種iの全体濃度
φ=多孔度
ρ=密度
μ=粘度
ω=質量分率
R=均一反応率
D=分散係数
u=速度
Vi=岩孔体積
ni t=モル総数
上付き文字:
ref=基準
p=流体相
t=合計
下付き文字:
i=成分インデックス
j=相インデックス
化学種成分i用の一般的な化学種保存方程式は、
によって与えられる。
ここで、
である。
と簡略化される。
として表すことができる。
ここで、細孔体積Vφは圧力のみの関数であり、
として記述される。
である。
を有する。
WIは、通常、レイヤ坑井インデックスと呼ばれる。WIは、坑井の近くの定常状態の圧力プロファイルを介する坑井の坑底圧力に対する坑井セル有限差分グリッド圧力および坑井セルについての相当半径roの決定に関する。Peaceman数式として知られているものは、しばしば、油層シミュレータにおいてレイヤ坑井インデックスを決定するために使用され、これは、後に、異方性矩形グリッドおよび他のより複雑な状況に拡張されている。
陰解坑井方程式および陰解油層方程式を有する完全連成系は、以下の通りである。
ここで、非線形坑井方程式および非線形油層方程式のヤコビ導関数は、
であり、XWおよびXRは、坑井変数および油層変数であり、RWおよびRRは、初期坑井残差および初期油層残差である。各グリッドセルは複数の方程式を有することができ、坑井グリッド用の方程式の数と油層グリッド用の方程式の数は異なるので、nvarはグリッド当たりの油層方程式の数として、nwvarはグリッド当たりの坑井方程式の数として使用される。nvarは、一般に、nwvarと等しくないことを留意されたい。したがって、AWW内の各非ゼロ値は(nwvar*nwvar)の高密度ブロックであり、ARR内の各非ゼロ値は(nvar*nvar)の高密度ブロックであり、AWR内の各非ゼロ値は(nwvar*nvar)の高密度ブロックであり、ARW内の各非ゼロ値は(nvar*nwvar)の高密度ブロックである。
この方法では、複合行列が直接解かれた。すなわち、行列方程式は
と設定された。
ここで、
である。
この解法は、最初に油層方程式から坑井方程式を切り離して縮約系を形成する。
図5は、式(16)による縮約系行列50を有する、図4の油層モデルM−2の同じ例を示す。図5は、完全陰解坑井結合項によって誘導された追加の非ゼロ高密度ブロック導関数を有する縮約系行列の小さな例である。モデル内の坑井が非常に少ないグリッドセルを貫通するとき、この方法は許容できる可能性がある。しかしながら、油層内の坑井が多くのグリッドセルを貫通する場合、縮約系行列50内の追加の非ゼロ値の数は過剰になり、この方法の魅力を失う。これは、縮約系行列
が多くの坑井誘導非ゼロ項を有していたためであって、坑井項がない油層行列と比較して、解くことをはるかに高価にする。
現在のシミュレータにおいて使用される完全陰解結合系解法用の最新の技術の始まりの主要な方法は、RowsumまたはColsumのいずれかの事前調整方法である。この方法は、簡単で、適当な数の坑井が穴を開けたグリッドセルを有する坑井に適しているが、シミュレーションモデルが、複雑な異成分を有し、非常に高い穿孔多相フローレートを有する数千のグリッドセルに穴を開ける場合がある多くの複合マルチラテラル長距離坑井を含んでいるとき、それは全ソルバーに対して収束が遅くて正常に動かなくなるか、または収束に失敗する場合がある。これらの複雑な状況では、結合ソルバーは、セル間のフロー項に対してわずかに事前調整されているだけの過剰な坑井影響係数の結合に起因して、失速するか、または全く収束できない可能性がある。
は、元のARR行列よりもかなり多くの非ゼロ値を有することができるので、それは明示的に計算されない。事前調整のために、最新技術は、列和(Colsum)または行和(Rowsum)のいずれかを行って坑井影響行列を対角化する。ネスト化因数分解(NF)事前調整アルゴリズムでは、NFは、行列:
に適用される。
に適用される。
行列−ベクトル積は、積が必要なときはいつでも、一連の行列−ベクトル乗数として計算される。
前述の困難を克服するために、本発明は、縮約系行列用の高度に並列化可能なプレコンディショナに基づく、堅牢で、さらに計算するのに効率的である、コンピュータ実装方法論を提供する。本発明は、炭化水素貯留層の挙動を分析し、それらの開発を評価するために使用される、油層シミュレーションの既存の技術的プロセスに対する改善点を提供する。本発明はまた、シミュレータ処理において不十分な収束または収束の失敗に起因して失われる処理時間を削減することにおいて、およびデータ処理システムのネットワーク内の通信の複雑さを低減することにおいても、油層シミュレーションの挙動におけるコンピュータの機能化を改善する。式(16)において、
である。
[命名法]
ARR=油層グリッドヤコビ行列
AWR=坑井から油層への結合ヤコビ行列
ARW=油層からの坑井への結合ヤコビ行列
AWW=マルチセグメント坑井ヤコビ行列
AP=圧力係数ヤコビ行列
C=圧力係数セレクタ
CT=圧力係数セレクタの移項
ER=油層グリッドヤコビ行列の残余成分
EW=坑井影響係数ヤコビ行列
M−1=全系統プレコンディショナ
PR=油層グリッドヤコビ行列の区分化成分
R,r=残差ベクトル
W=圧力減結合演算子行列
X=解ベクトル
添字:
C=補正
P=圧力
R=油層
W=坑井
T=合計
坑井結合および油層グリッド非ゼロ値充填項用の可変次数を用いた並列1レベル線解べき級数(LSPS)事前調整
均一1レベル事前調整方法は、以下のように記載される。
この方法では、以下の置換が行われる。
ARR=[PR+ER](21)
である。
である。
を与える。
である。
である。
である。
の結果は簡単に計算することができる。たとえば、PRの1つの適切な選択は、Z線で順序付けられた油層連立方程式用のブロック三重対角行列である。
を使用する近似逆プレコンディショナは、
と書くことができる。
である。
である。
になる。
である。
ri=b−[A]xi
が行われ得るように推定値xiが選択される。
が方程式(28)に従い、その成分は、完全連成完全陰解坑井影響ヤコビ行列を伴う方程式(21)から(27)によって詳述されている。近似逆プレコンディショナは、記載されるように、クリロフ部分空間反復法内で適用される。
[並列CPR型線解べき級数事前調整]
拘束圧残差CPR事前調整方法として知られているものは、Wallis,J.R.らの「Constrained Residual Acceleration of Conjugate Residual Methods」、SPE 13563、Proceedings of the 8th SPE Reservoir Simulation Symposium、ダラス、米国、1985年2月10〜13日に最初に記載された。CPR法の変形形態は、FungおよびDogruの「Parallel Unstructured Solver Methods for Simulation of Complex Giant Reservoirs」、SPE(2008年12月)、ページ440〜446においてさらに説明された。
と書くことができる。
ここで、
である。
である。
によって与えられる。
W=DIAG−1(A)(47)
として計算される。
がもう少しで正定値になるように選択される必要があることに留意されたい。これは、LSPS、またはILU変形形態のうちのいずれかに対する要件ではない。
は以下のように略述することができる。
1.全系統残差を圧力系に限定する。
rp=CTWr (48)
2.圧力系を繰り返し解く。
Apxp=rp (49)
3.圧力解を全系統に拡張する。
s=Cxp (50)
4.圧力残差から全系統残差を補正する。
rc=r−A・s (51)
5.第2段階の事前調整を使用して全系統を解く。
Mx=rc (52)
6.圧力解から全系統解を補正する。
xc=x+s (53)
7.圧力系事前調整は、並列代数マルチグリッド法(parallel algebraic multi−grid)すなわちPAMG法、または、上記の実施形態1に記述されたILU(k)法もしくはLSPS法の使用を含む、いくつかの方法で遂行することができる。
を伴う。油層解ベクトルが計算された後、行列方程式(17)を使用して、坑井解ベクトルが計算される。図7に示された処理は、図15のデータ処理システムにおいて実施される。
であり、逆数
は、方程式(29)から(33)におけるように、[U]−1[L]−1として計算される。
[並列結合事前調整]
この不均一事前調整方法は、坑井影響係数行列に対して上記の実施形態1による事前調整を使用するが、油層係数行列用の異なる方法を含む。これは、油層項と坑井影響項に対して異なるプレコンディショナを適用するために必要とされる場合の助けになる。結合プレコンディショナは、
と書かれる。
と書くことができる。
は、油層項向けの別の効果的なプレコンディショナであり得る。たとえば、並列アプリケーションのための適切な領域分解法を有するA行列の油層部向けのILU(k)またはILUTが、ここで選ばれる場合がある。
がILU(k)プレコンディショナである場合、
である。
を伴う近似解ベクトルを計算するための近似逆事前調整方法を含む。近似逆プレコンディショナは、クリロフ部分空間反復アルゴリズム内で適用される。
図8および図9は、それぞれ、図2および図3の20および22に示されたような結合陰解掘削孔用のデータを処理するために、図1の領域Dの油層グリッドの非構造化部分領域の分散並列処理のためのグリッドデータの構成を概略的に示す。油層領域向けの分散並列処理用のデータは、構造化グリッドおよび非構造化グリッドのために複数の部分領域に区分化され、異なる計算プロセスに割り当てられた各部分領域は、それぞれ、米国特許第8,433,551号および米国特許第8,386,227号に記載されており、それらの各々において、出願人は発明者と呼ばれる。完全連成完全陰解坑井−油層解法のための分散並列処理は、以下の方式で遂行される。
Claims (27)
- 地下の炭化水素貯留層内のマルチラテラル坑井の掘削孔内の多相流体のフローのシミュレーションのコンピュータ実装方法であって、前記マルチラテラル坑井が、入力された油層データに基づいて油層セルのグリッドに編成された地下の油層のセルを有する前記油層内の長さ方向の範囲に沿った複数の位置で流体の交差を有し、前記油層セルが、その中で起こる多相流体フローを有し、
前記コンピュータにおいて、前記マルチラテラル坑井のうちのいくつかとのフロー交差を有する油層セル用の油層データを有する陰解油層方程式、圧力方程式、および流動方程式の完全連成非線形セットを、油層計算行列、油層および流体フローの未知数のベクトル、ならびに油層質量平衡残差のベクトルに編成するステップと、
前記コンピュータにおいて、前記油層セルのうちのいくつかとのフロー交差を有する掘削孔セル用の坑井データを有する陰解坑井方程式および流動方程式の完全連成非線形セットを、掘削孔計算行列、流体フロー未知数のベクトル、ならびに掘削孔質量および運動量平衡残差のベクトルに編成するステップと、
前記コンピュータにおいて、前記掘削孔セルと前記油層セルの前記フロー交差に基づいて坑井影響行列を編成するステップと、
前記コンピュータにおいて、前記油層計算行列および前記掘削孔計算行列を備える全系統計算行列、全系統未知数のベクトル、および全系統残差のベクトルを編成するステップと、
前記油層計算行列および前記掘削孔計算行列の圧力係数を抽出するステップと、
前記全系統残差から圧力残差を抽出するステップと、
前記抽出された圧力残差を最小化することにより、前記全系統計算行列の前記油層セルおよび掘削孔セル内の圧力についての近似圧力解法を解くステップと、
前記近似圧力解法に基づいて前記全系統計算行列の前記油層セルについての流体圧力および前記残差を更新するステップと、
前記全系統計算行列、前記坑井影響行列、ならびに前記更新された圧力および残差についての近似全系統更新値を計算するステップと、
前記近似全系統更新値を前記更新された流体圧力と組み合わせるステップと、
前記全系統残差を更新するステップと、
保存方程式の前記完全連成非線形セットおよび前記更新された系統残差を使用して前記全系統計算行列を解くことにより、前記多相流体フローを決定するステップと
を備える、コンピュータ実装方法。 - 前記コンピュータ実装方法が、各々が並行して動作する複数のコンピュータコアを備える複数のコンピュータノードを有するプロセッサ内で実施され、
並列に動作するコンピューティングコアの数に従って、前記油層データおよび前記坑井データをいくつかの並列データ下位領域に区分化するステップと、
前記区分化されたデータ下位領域を割り当てて、並列データ下位領域を形成するステップと
をさらに含む、請求項1に記載のコンピュータ実装方法。 - 前記陰解坑井方程式が坑井レート方程式を備える、請求項1に記載のコンピュータ実装方法。
- 前記陰解油層方程式が物質収支方程式を備える、請求項1に記載のコンピュータ実装方法。
- 前記陰解油層方程式が相飽和平衡を備える、請求項1に記載のコンピュータ実装方法。
- 前記陰解油層方程式が相平衡方程式を備える、請求項1に記載のコンピュータ実装方法。
- 前記油層が百万セルよりも大きいグリッドブロックの領域に編成される、請求項1に記載のコンピュータ実装方法。
- 前記決定された多相流体フローの出力表示を形成するステップ
をさらに含む、請求項1に記載のコンピュータ実装方法。 - 前記決定された多相流体フローの記録を形成するステップ
をさらに含む、請求項1に記載のコンピュータ実装方法。 - 地下の炭化水素貯留層内のマルチラテラル坑井の掘削孔内の多相流体のフローのシミュレーションのシミュレーション用のデータ処理システムであって、前記マルチラテラル坑井が、入力された油層データに基づいて油層セルのグリッドに編成された地下の油層のセルを有する前記油層内の長さ方向の範囲に沿った複数の位置で流体の交差を有し、前記油層セルが、その中で起こる多相流体フローを有し、
前記コンピュータにおいて、前記マルチラテラル坑井のうちのいくつかとのフロー交差を有する油層セル用の油層データを有する陰解油層方程式、圧力方程式、および流動方程式の完全連成非線形セットを、油層計算行列、油層および流体フローの未知数のベクトル、ならびに油層残差のベクトルに編成するステップと、
前記コンピュータにおいて、前記油層セルのうちのいくつかとのフロー交差を有する掘削孔セル用の坑井データを有する陰解坑井方程式および流動方程式の完全連成非線形セットを、掘削孔計算行列、流体フロー未知数のベクトル、および掘削孔残差のベクトルに編成するステップと、
前記コンピュータにおいて、前記掘削孔セルと前記油層セルの前記フロー交差に基づいて坑井影響行列を編成するステップと、
前記コンピュータにおいて、前記油層計算行列および前記掘削孔計算行列を備える全系統計算行列、全系統未知数のベクトル、および全系統残差のベクトルを編成するステップと、
前記油層計算行列および前記掘削孔計算行列の圧力係数を抽出するステップと、
前記全系統残差から圧力残差を抽出するステップと、
前記抽出された圧力残差を最小化することにより、前記全系統計算行列の前記油層セルおよび掘削孔セル内の圧力についての近似圧力解法を解くステップと、
前記近似圧力解法に基づいて前記全系統計算行列の前記油層セルについての流体圧力および前記残差を更新するステップと、
前記全系統計算行列、前記坑井影響行列、ならびに前記更新された圧力および残差についての近似全系統更新値を計算するステップと、
前記近似全系統更新値を前記更新された流体圧力と組み合わせるステップと、
前記全系統残差を更新するステップと、
保存方程式の前記完全連成非線形セットおよび前記更新された系統残差を使用して前記全系統計算行列を解くことにより、前記多相流体フローを決定するステップと
を実施するプロセッサ
を備える、データ処理システム。 - プロセッサが、各々が並行して動作する複数のコンピューティングコアから構成される複数のコンピュータノードを備え、前記コンピューティングコアが、
並列に動作するコンピューティングコアの数に従って、前記油層データおよび前記坑井データをいくつかの並列データ下位領域に区分化するステップと、
前記区分化されたデータ下位領域を割り当てて、並列データ下位領域を形成するステップと
を実施する、請求項10に記載のデータ処理システム。 - 前記陰解坑井方程式が坑井レート方程式を備える、請求項10に記載のデータ処理システム。
- 前記保存方程式が物質収支方程式を備える、請求項10に記載のデータ処理システム。
- 前記保存方程式が相飽和平衡を備える、請求項10に記載のデータ処理システム。
- 前記保存方程式が相平衡方程式を備える、請求項10に記載のデータ処理システム。
- 前記油層が百万セルよりも大きいグリッドブロックの領域に編成される、請求項10に記載のデータ処理システム。
- 前記決定された多相流体フローの出力表示を形成するワークステーション
をさらに含む、請求項10に記載のデータ処理システム。 - 前記決定された多相流体フローの記録を記憶するデータメモリ
をさらに含む、請求項10に記載のデータ処理システム。 - 地下の炭化水素貯留層内のマルチラテラル坑井の掘削孔内の多相流体のフローをプロセッサにシミュレートさせるためのコンピュータ動作可能命令を、非一時的コンピュータ可読媒体に記憶したデータストレージデバイスであって、前記マルチラテラル坑井が、入力された油層データに基づいて油層セルのグリッドに編成された地下の油層のセルを有する前記油層内の長さ方向の範囲に沿った複数の位置で流体の交差を有し、前記油層セルが、その中で起こる多相流体フローを有し、前記データストレージデバイスに記憶された前記命令が、
前記コンピュータにおいて、前記マルチラテラル坑井のうちのいくつかとのフロー交差を有する油層セル用の油層データを有する陰解油層方程式、圧力方程式、および流動方程式の完全連成非線形セットを、油層計算行列、油層および流体フローの未知数のベクトル、ならびに油層残差のベクトルに編成するステップと、
前記コンピュータにおいて、前記油層セルのうちのいくつかとのフロー交差を有する掘削孔セル用の坑井データを有する陰解坑井方程式および流動方程式の完全連成非線形セットを、掘削孔計算行列、流体フロー未知数のベクトル、および掘削孔残差のベクトルに編成するステップと、
前記コンピュータにおいて、前記掘削孔セルと前記油層セルの前記フロー交差に基づいて坑井影響行列を編成するステップと、
前記コンピュータにおいて、前記油層計算行列および前記掘削孔計算行列を備える全系統計算行列、全系統未知数のベクトル、および全系統残差のベクトルを編成するステップと、
前記油層計算行列および前記掘削孔計算行列の圧力係数を抽出するステップと、
前記全系統残差から圧力残差を抽出するステップと、
前記抽出された圧力残差を最小化することにより、前記全系統計算行列の前記油層セルおよび掘削孔セル内の圧力についての近似圧力解法を解くステップと、
前記近似圧力解法に基づいて前記全系統計算行列の前記油層セルについての流体圧力および前記残差を更新するステップと、
前記全系統計算行列、前記坑井影響行列、ならびに前記更新された圧力および残差についての近似全系統更新値を計算するステップと、
前記近似全系統更新値を前記更新された流体圧力と組み合わせるステップと、
前記全系統残差を更新するステップと、
保存方程式の前記完全連成非線形セットおよび前記更新された系統残差を使用して前記全系統計算行列を解くことにより、前記多相流体フローを決定するステップと
を前記プロセッサに実施させる、データストレージデバイス。 - 前記コンピュータ実装方法が、各々が並行して動作する複数のコンピューティングコアを備える複数のコンピュータノードを有するプロセッサ内で実施され、前記命令が、
並列に動作するコンピューティングコアの数に従って、前記油層データおよび前記坑井データをいくつかの並列データ下位領域に区分化するステップと、
前記区分化されたデータ下位領域を割り当てて、並列データ下位領域を形成するステップと
を前記コンピュータコアに実施させる命令をさらに備える、請求項19に記載のデータストレージデバイス。 - 前記陰解坑井方程式が坑井レート方程式を備える、請求項19に記載のデータストレージデバイス。
- 前記保存方程式が物質収支方程式を備える、請求項19に記載のデータストレージデバイス。
- 前記保存方程式が相飽和平衡を備える、請求項19に記載のデータストレージデバイス。
- 前記保存方程式が相平衡方程式を備える、請求項19に記載のデータストレージデバイス。
- 前記油層が百万セルよりも大きいグリッドブロックの領域に編成される、請求項19に記載のデータストレージデバイス。
- 前記データストレージデバイスに記憶された前記命令が、
前記決定された多相流体フローの出力表示を形成するステップ
を前記コンピュータコアにさらに実施させる、請求項19に記載のデータストレージデバイス。 - 前記データストレージデバイスに記憶された前記命令が、
前記決定された多相流体フローの記録を形成するステップ
を前記コンピュータコアにさらに実施させる、請求項19に記載のデータストレージデバイス。
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