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专利名称：用于模拟地质力学储层系统的计算机实现的系统和方法
技术领域：
本文件涉及用于模拟地质力学储层系统的计算机实现的系统和方法。
3.
背景技术：
存在几种预测这些地质力学储层系统中的水力裂缝几何形状的不同裂缝仿真器，既包括有限元(Papanastasiou，P. C，1997，Int. J. Rock Mech & Min. ki，34 :3_4， 论文 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，在模拟地质力学储层系统方面需要改进。
4.

发明内容
如本文所公开，提供了模拟地质力学储层系统的计算机实现的系统和方法。例如， 一种系统和方法可以配置成接收指示与地质力学储层系统相关联的物理性质的数据，并通过求解模拟地质力学储层系统的偏微分方程组生成压裂预测。作为另一个例子，一种系统和方法可以进一步包括包含地质力学储层系统的储层流模型、地质力学模型、和裂缝模型的偏微分方程组；其中所述偏微分方程组通过全展开雅可比行列式(Jacobian)耦合；所述偏微分方程组的求解包括在单个时间步长中根据接收的物理性质数据同时求解全展开雅可比行列式。所述方法可以包含向用户、用户接口设备、 计算机可读存储介质、监视器、本地计算机、或作为网络一部分的计算机输出或显示生成的压裂预测。作为另一个例子，一种系统和方法可以配置成用于模拟地质力学储层系统中的裂缝，包含接收指示与地质力学储层系统相关联的物理性质的数据；定义包含多个三维单元(cell)的三维网格，其中每个三维单元包含多个节点；定义包含多个二维单元的二维网格，其中每个二维单元包含多个节点，并且每个二维单元与一个三维单元共享至少四个节点；通过求解模拟地质力学储层系统的偏微分方程组生成压裂预测；其中所述偏微分方程组包含地质力学储层系统的储层流模型、地质力学模型、和裂缝模型；其中所述偏微分方程组通过全展开雅可比行列式耦合；其中所述偏微分方程组的求解包括在单个时间步长中根据接收的物理性质数据同时求解全展开雅可比行列式；其中在三维网格上计算所述储层流模型和地质力学模型；以及其中在二维网格上计算所述裂缝模型。所述方法可以包含向用户、用户接口设备、计算机可读存储介质、监视器、本地计算机、或作为网络一部分的计算机输出或显示生成的压裂预测。 关于耦合，可以用于将储层中的流体流与地质力学模型耦合的全展开雅可比行列式中的变量可以是与地质力学模型相关联的有效应力、孔隙率、和一个或多个位移 (displacement) 0将地质力学模型与流体流耦合的全展开雅可比行列式中的变量可以是 与储层流模型相关联的孔隙率、流体压力、和渗透率；其中将地质力学模型与裂缝模型耦合的全展开雅可比行列式中的变量可以是与裂缝模型相关联的裂缝宽度；以及其中将储层中的流体流与裂缝模型耦合的全展开雅可比行列式中的变量可以是与裂缝模型相关联的泄漏率。所述偏微分方程组还可以进一步包含地质力学储层系统的热模型。将热模型与地质力学模型耦合的全展开雅可比行列式中的变量可以是与热模型相关联的传导和对流； 以及将热模型与储层流模型耦合的全展开雅可比行列式中的变量可以是与热模型相关联的流体粘度和热应力。
5.


图1是用于模拟包括储层模型、地质力学模型、和裂缝流模型的地质力学储层系统的示例性手段的方块图；图2是用于模拟包括储层模型、地质力学模型、裂缝流模型、和热模型的地质力学储层系统的示例性手段的方块图；图3是用于模拟包括储层模型和地质力学模型的地质力学储层系统的示例性手段的方块图；图4是用于模拟包括储层模型、地质力学模型、和热模型的地质力学储层系统的示例性手段的方块图；图5是用于模拟包括储层模型、地质力学模型、和裂缝流模型的地质力学储层系统的示例性手段的方块图，其中裂缝延伸(fracture propagation)生长模型预测裂缝轮廓；图6例示了用于计算裂缝流模型的二维网格的例子和用于计算其它模型的三维网格的例子；图7例示了用在计算中的储层和裂缝网格，其中距离以英尺为单位；图8例示了井相对于显示在图7中的储层和裂缝网格的位置；图9例示了已经插入储层网格中的两条裂缝；图10例示了相对于裂缝末端的临界裂缝张开裂缝延伸判据；图11示出了与裂缝平面(fracture plane)垂直的应力、临界间隔(critical separation)、和能量释放率之间的关系的曲线图；图12例示了内聚单元(cohesive element)的加载/卸载路径；图13例示了相对于裂缝末端的内聚单元裂缝延伸判据；图14示出了部分饱和网格单元的示意图，其中流体从左往右传播并且裂缝宽度从左往右变窄；图15例示了实现本文公开的模拟方法的计算机系统的例子；图16示出了低粘度流体的注入压力与裂缝长度之间的关系的曲线图；图17示出了应力强度因子的预测结果、和具有不同拉伸应力值的内聚模型；图18示出了三种不同网格尺寸的预测裂缝长度；图19示出了裂缝末端附近区域中的流体压力和裂缝半宽度；图20示出了仿真期间的裂缝半宽度；图21示出了仿真结束时的裂缝半宽度；以及图22示出了预测裂缝长度与分析裂缝长度的比较，其中虚线对应于分析结果。 6.
具体实施例方式6. 1地质力学储层模拟方法的例子图1描绘了用于模拟地质力学储层系统的计算机实现的系统的例子。该模拟系统包括描述地质力学储层系统的各个物理方面的多个模型，诸如储层流体流模型、地质力学模型、和裂缝流模型。储层流体流模型描述例如渗流(porous flow)、生产和注入。地质力学储层模型描述，例如，当将流体注入储层中或从储层中生产流体时以及当将应力施加于储层的边界时引起的应力、应变、和位移。裂缝流模型描述，例如，裂缝中的流和从裂缝到储层的泄漏。非线性偏微分方程组将这些模型的各个方面相互关联。在接收到代表与要分析的地质力学储层系统相关联的物理性质的数据之后，解算器通过求解偏微分方程组生成预测(例如，压裂预测)。在图1的解算器中，偏微分方程组通过全展开雅可比行列式耦合。偏微分方程组的求解包括在单个时间步长中根据接收的物理性质数据同时求解全展开雅可比行列式。可以将生成的压裂预测输出给各种部件，譬如， 输出给用户接口设备、计算机可读存储介质、监视器、用户可访问本地计算机、或作为网络一部分的用户可访问计算机。非线性偏微分方程组包含与要用在分析地质力学储层系统中的模型相对应的方程。例如，以及如上所述，图1提供了非线性偏微分方程组包括与地质力学储层系统的储层流模型、地质力学模型、和裂缝模型相对应的方程的例子。作为另一种例示，图2提供了非线性偏微分方程组包括与地质力学储层系统的储层流模型、地质力学模型、裂缝模型、和热模型相对应的方程的例子。在图3中，非线性偏微分方程组包括与地质力学储层系统的储层流模型和地质力学模型相对应的方程。在图4中，非线性偏微分方程组包括与地质力学储层系统的储层流模型、地质力学模型、和热模型相对应的方程。在下文的6. 3节中将提供与地质力学储层系统的不同模型的每一种相对应的方程的例子。模拟地质力学储层系统的方法还可以在单个应用中组合水力裂缝生长、多相/多成分达西(Darcy)/非达西渗流、热传导和对流、固体沉积、和多孔弹性/多孔塑性形变。更进一步，可以组合像裂缝宽度变化、裂缝中的层状渠流(laminar channel flow)、储层中的渗流、热传导和对流、和多孔弹性/多孔塑性形变那样的不同机理的微分方程，来生成隐性全耦合公式。该模型可以包括导致弱固结地层中的裂缝生成的多孔塑性，并且能够模拟在裂缝与储层之间流动的复合多相流体注入。一种方法能够模拟牵涉到包括EOR和热处理的复相行为的多孔弹性/多孔塑性物质中的正在生长的裂缝。
模型各个方面的耦合例如可以通过全展开雅可比行列式中的变量来实现。例如， 全展开雅可比行列式可以通过一个或多个如下变量将储层中的流体流与地质力学模型耦合与地质力学模型相关联的有效应力、孔隙率、和一个或多个位移。将地质力学模型与流体流耦合的全展开雅可比行列式中的变量可以是与储层流模型相关联的孔隙率和渗透率。 将地质力学模型与裂缝模型耦合的全展开雅可比行列式中的变量可以是与裂缝模型相关联的裂缝宽度。将储层中的流体流与裂缝模型耦合的全展开雅可比行列式中的变量可以是与裂缝模型相关联的流体压力和泄漏率。将热模型与地质力学模型耦合的全展开雅可比行列式中的变量可以是与热模型相关联的热应力。将热模型与储层流模型耦合的全展开雅可比行列式中的变量可以是与热模型相关联的储层中的流体粘度、传导和对流。全展开雅可比行列式可以包括与耦合变量的变化率(即，偏时间导数或时间导数)、空间导数、或偏空间导数有关的项，其中导数可以是任意阶的，例如，一阶导数、二阶导数、三阶导数等。耦合变量的一阶、二阶、三阶和/或更高阶导数(无论是时间导数还是空间导数)可以包括在全展开方程组中。在下文的6. 4节中将提供可以耦合不同模型的变量的例子。一种系统和方法可以 通过将不同裂缝延伸模型(描述在下文的6. 5节中)应用于地质力学储层系统来预测裂缝生长。例如，可以通过输入到裂缝模型的参数来预测裂缝的轮廓(6.5. 1节)。在另一个例子中，根据不同裂缝延伸判据预测裂缝的演变轮廓。也就是说，可以根据临界应力强度因子(6. 5.2节)，或根据呈现应变软化行为的内聚单元(6. 5.3 节)来模拟裂缝生长计算。可以耦合这两种裂缝延伸判据(6. 5. 4节)。在6. 5. 6和6. 5. 7 节中将讨论裂缝生长预测的其它特征。如6. 5. 5节所讨论，一种系统和方法可以配置成允许干旱带作为求解过程的自然部分出现在裂缝末端处。尤其，该系统和方法能够在裂缝末端处根据两种不同裂缝延伸判据模拟裂缝生长，并且还允许干旱带自然地出现在延伸裂缝的末端处。例如，当沿裂缝存在大压降时，在延伸裂缝的末端处出现干旱带。全展开雅可比行列式的非线性方程组可以通过像在6. 6节中更详细讨论的手段那样的数值手段来求解，其中非线性方程组例如使用所有解变量的完全牛顿-拉夫逊 (Newton-Raphson)展开式来求解，这提高了解的稳定性，并且实现非线性叠代的二阶收敛速率。在6. 7节中将讨论本文所公开的不同方法的装置和计算机程序实现的例子。在另一个方面中，一种方法可以包括如下步骤接收指示与地质力学储层系统相关联的物理性质的数据；定义包含多个三维单元的三维网格，其中每个三维单元包含多个节点；定义包含多个二维单元的二维网格，其中每个二维单元包含多个节点，并且每个二维单元与一个三维单元共享至少四个节点；以及通过求解模拟地质力学储层系统的偏微分方程组生成压裂预测。该偏微分方程组可以包含地质力学储层系统的储层流模型、地质力学模型、和裂缝模型。该偏微分方程组通过全展开雅可比行列式耦合，其中例如使用计算机对该偏微分方程组的求解包括在单个时间步长中根据接收的物理性质数据同时求解全展开雅可比行列式。在三维网格上计算储层流模型和地质力学模型，而在二维网格上计算裂缝模型。将生成的压裂预测输出给用户、用户接口设备、计算机可读存储介质、监视器、本地计算机、或作为网络一部分的计算机。图5例示了将裂缝延伸生长模型用于预测裂缝轮廓，并且还例示了干旱带被模拟。在6. 2节中将描述用于本文的仿真方法的网格。可以将分立网格用于模拟裂缝(以及例如储层等)中的流。例如，使用解变量的完全牛顿-拉夫逊展开式隐性地求解非线性方程组可以提高数值稳定性(例如，当应对裂缝生长、空腔生成、或牵涉到极小网格块的任何仿真时)。模拟与储层流分开的裂缝流使得可以顾及裂缝末端处的干旱带，而使用来自隐性耦合方程组的全展开雅可比行列式使求解过程更加稳定。其它示例性手段显示在所附的美国临时申请第61/098，604号的附录A中。6. 2仿真方法将分立的网格用于模拟裂缝中和其它系统中(例如储层中)的流。图6例示了用于计算裂缝流模型的二维OD)网格602和用于计算其它模型的三维(3D)网格600的例子。例如，可以在3D网格上计算多点通量(例如针对储层和渗流)模型、地质力学模型(例如用于计算应力和位移)、和热模型中的一个或多个。二维OD)网格用于计算沿裂缝的流 (即，水力裂缝仿真)。用于裂缝计算和其它模型的分立网格可以使用并行处理手段来耦合网格。3D网格可以是包含六面体单元的结构化或非结构化六面体网格。六面体网格单元具有八个角、十二个边缘(或边)、六个面。六面体网格单元每一个都可以包括至少八个节点(每个角上一个)，或更多个并且最多达二十七(XT)个节点(即，每个面的中心上，每个边的中心上，每个边缘的中心上，和单元中心处的节点)。不同六面体单元可以包括不同数量的节点。2D网格可以是包含四边形单元的结构化或非结构化四边形网格。每个四边形网格单元具有四个角和四个边缘。四边形网格单元每一个都包括至少四个节点(每个角上一个)，并且最多达五个节点(即，中心处的节点)。2D网格的节点可以配置成与3D网格的外边界之一上的节点重合，并且在公共节点上耦合诸如裂缝宽度和3D位移的某些计算。此外，2D网格上的计算可以是轴对称二维OD)计算。通过用2D网眼(mesh)表示单个2D裂缝表面，可以使用所公开的各种方法仿真裂缝，其中示使用3D坐标指定表面的位置。2D裂缝网眼可以是一般2D表面，无需位于单个平面内。2D裂缝网格的输入数据格式可以非常类似于3D储层网格的格式。通过指定网格单元的维度或坐标，可以将一个网格标识成裂缝网格。2D裂缝网格与3D储层网格之间的连接性通过将定义裂缝单元的四个节点与定义每个储层单元的每个表面的四个节点相比较来确定。图7例示了用在计算中的储层和裂缝网格的视图，其中距离以英尺为单位。对于某些计算，将2D裂缝网格中的四边形裂缝单元与3D地质力学/渗流网格中的六面体单元的面对齐，以便使诸如流体流、位移、裂缝宽度、和牵引力的参数在分立的网格之间是一致的。作为考虑到裂缝网格与储层网格之间的相互作用的程序(用于实现本文所公开的方法)中的算法的结构的例子，这样的结构可以类似于在已经开发出来运行在具有分布式存储器的并行处理系统上的应用程序中实现的算法的结构。可以使用例如几个2D网格在单次仿真中引入多个水力裂缝。2D裂缝网格可以被限制成沿着三维网格的边、顶部或底部。6. 3 模型下面提供与地质力学储层系统的每种不同模型相对应的微分方程的例子。组合包括在计算中的模型的微分方程以生成隐性全耦合公式。将一组一致的单位用于包括在计算中的方程中的所有变量。
6. 3. 1储层模型用于渗流的方程组包括质量守恒
权利要求
1.一种用于模拟地质力学储层系统的计算机实现的方法，包含通过计算机系统接收指示与地质力学储层系统相关联的物理性质的数据； 通过计算机系统求解模拟地质力学储层系统的偏微分方程组来生成压裂预测； 其中，所述偏微分方程组包含地质力学储层系统的储层流模型、地质力学模型、和裂缝模型；其中，所述偏微分方程组通过全展开雅可比行列式耦合；其中，所述偏微分方程组的求解包含在单个时间步长中根据接收的物理性质数据同时求解全展开雅可比行列式；以及其中，所述压裂预测对于所述时间步长模拟地质力学储层系统；以及通过计算机系统输出或显示生成的压裂预测。
2.如权利要求1所述的方法，其中，全展开雅可比行列式中的将储层中的流体流与地质力学模型耦合的耦合变量是与地质力学模型相关联的有效应力、孔隙率、和一个或多个位移中的至少一个；全展开雅可比行列式中的将地质力学模型与流体流耦合的耦合变量是与储层流模型相关联的孔隙率和渗透率中的至少一个；全展开雅可比行列式中的将地质力学模型与裂缝模型耦合的耦合变量是与裂缝模型相关联的裂缝宽度；以及全展开雅可比行列式中的将储层中的流体流与裂缝模型耦合的耦合变量是与裂缝模型相关联的流体压力和泄漏率。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述全展开雅可比行列式包含至少一个耦合变量的偏时间导数、时间导数、空间导数、或偏空间导数。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述全展开雅可比行列式包含裂缝宽度的偏时间导数、时间导数、空间导数、或偏空间导数。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述偏微分方程组进一步包含地质力学储层系统的热模型。
6.如权利要求5所述的方法，其中，全展开雅可比行列式中的将热模型与地质力学模型耦合的耦合变量是与热模型相关联的热应力；以及全展开雅可比行列式中的将热模型与储层流模型耦合的耦合变量是与热模型相关联的储层中的流体粘度、传导和对流中的至少一个。
7.一种用于模拟地质力学储层系统中的裂缝的计算机实现的方法，包含 通过计算机系统接收指示与地质力学储层系统相关联的物理性质的数据；通过计算机系统定义包含多个三维单元的三维网格，其中每个三维单元包含多个节点通过计算机系统定义包含多个二维单元的二维网格，其中每个二维单元包含多个节点，并且每个二维单元与一个三维单元共享至少四个节点；通过计算机系统求解模拟地质力学储层系统的偏微分方程组来生成压裂预测； 其中，所述偏微分方程组包含地质力学储层系统的储层流模型、地质力学模型、和裂缝模型；其中，所述偏微分方程组通过全展开雅可比行列式耦合；其中，所述偏微分方程组的求解包含在单个时间步长中根据接收的物理性质数据同时求解全展开雅可比行列式；其中，在三维网格上计算所述储层流模型和地质力学模型；其中，在二维网格上计算所述裂缝模型；以及其中，所述压裂预测对于所述时间步长模拟地质力学储层系统；以及通过计算机系统输出或显示生成的压裂预测。
8.如权利要求7所述的方法，其中，全展开雅可比行列式中的将储层中的流体流与地质力学模型耦合的耦合变量是与地质力学模型相关联的有效应力、孔隙率、和一个或多个位移中的至少一个；全展开雅可比行列式中的将地质力学模型与流体流耦合的耦合变量是与储层流模型相关联的孔隙率和渗透率中的至少一个；全展开雅可比行列式中的将地质力学模型与裂缝模型耦合的耦合变量是与裂缝模型相关联的裂缝宽度；以及全展开雅可比行列式中的将储层中的流体流与裂缝模型耦合的耦合变量是与裂缝模型相关联的流体压力和泄漏率。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述全展开雅可比行列式包含至少一个耦合变量的偏时间导数、时间导数、空间导数、或偏空间导数。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述全展开雅可比行列式包含裂缝宽度的偏时间导数、时间导数、空间导数、或偏空间导数。
11.如权利要求7所述的方法，其中，所述偏微分方程组进一步包含地质力学储层系统的热模型。
12.如权利要求11所述的方法，其中，全展开雅可比行列式中的将热模型与地质力学模型耦合的耦合变量是与热模型相关联的热应力；以及全展开雅可比行列式中的将热模型与储层流模型耦合的耦合变量是与热模型相关联的储层中的流体粘度、传导和对流中的至少一个。
13.如权利要求7所述的方法，其中，每个三维单元与另一个三维单元共享一个界面， 并且每个二维单元与一个三维单元的一个界面对齐。
14.如权利要求7所述的方法，其中，所述偏微分方程组的求解包含应用牛顿-拉夫逊技术。
15.如权利要求7所述的方法，其中，从地质力学模型中的一个或多个位移中确定与裂缝模型相关联的裂缝宽度，所述方法进一步包含在通过计算机系统输出或显示生成的压裂预测之前，将裂缝延伸判据应用于生成的裂缝预测的步骤。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包含，如果所述裂缝延伸判据未得到满足 修正对裂缝边界上的二维网格的一个或多个节点的一个或多个约束；以及重复通过计算机系统生成压裂预测的步骤。
17.如权利要求15所述的方法，其中，所述裂缝延伸判据基于应力强度因子或内聚单兀。
18.如权利要求15所述的方法，其中，应用所述裂缝延伸判据包含评估裂缝附近的流体压力、应力、和位移，以确定裂缝是否延伸。
19.一种用于模拟地质力学储层系统的计算机实现的系统，所述系统包含驻留在存储器中的一个或多个数据结构，用于存储代表二维网格和三维网格的数据；以及在一个或多个数据处理器上执行的软件指令，用于通过求解模拟地质力学储层系统的偏微分方程组来生成压裂预测；其中所述偏微分方程组包含地质力学储层系统的储层流模型、地质力学模型、和裂缝模型；所述偏微分方程组通过全展开雅可比行列式耦合；所述偏微分方程组的求解包含在单个时间步长中根据接收的物理性质数据同时求解全展开雅可比行列式；在三维网格上计算所述储层流模型和地质力学模型； 在二维网格上 计算所述裂缝模型；以及所述压裂预测对于所述时间步长模拟地质力学储层系统。
全文摘要
本发明提供了模拟地质力学储层系统以便提供压裂预测的计算机实现的系统和方法。该压裂预测是通过求解模拟地质力学储层系统的偏微分方程组生成的。
文档编号G01V11/00GK102203638SQ200980144172
公开日2011年9月28日 申请日期2009年9月17日 优先权日2008年9月19日
发明者J·H·施密特, R·H·迪安 申请人:雪佛龙美国公司