基于非结构六面体网格模型和并行计算的裂缝性油藏数值模拟研究

How to process the fractures with various scales, including extend fractures, is one of the most challenging technologies in the fracture reservoir simulation. Currently, one method adopts the dual porous media model, which results in a relative large calculation error; another method is the discrete fracture model, which is based on the normal structural mesh system and owns low calculation efficiency. In this research, firstly a compound mathematical model of dual porous media and discrete fracture is planned to be established. Secondly, to improve the numerical simulation efficiency, unstructured hexahedron mesh will be utilized in the solution of the numerical model. Thirdly, the mesh generation algorithm will be researched and parallel computing technique will be introduced based on the high performance parallel computer cluster (which has already been equipped).The key technologies to the research are the description and processing of the extend fractures, the elimination of the minimal cells in the numerical model, the mesh generation technology and the application of parallel computing technology. This research will provide an efficient and powerful tool to solve the problems about fluid flow in the natural fracture reservoir, the hydraulic fracturing reservoir and shale gas reservoir simulation.

裂缝性油藏模拟的技术难点是大裂缝处理和大量不同尺度裂缝的处理，目前常采用的双重介质模型由于对大裂缝的粗化模拟处理，导致计算误差较大，而基于结构性规则网格的离散裂缝模型，网格数量巨大，致使计算效率降低。本项目拟建立双重介质-离散裂缝混合数学模型，在数值模型求解上采用非结构性六面体网格，研究解决网格剖分算法；引入并行计算技术，利用高性能并行计算机集群（已具备）实施裂缝性油藏数值模拟并提高计算效率。项目技术关键是数学模型的大裂缝描述和处理、数值模型消除极小化网格的网格剖分以及并行计算技术的应用。研究成果有望为解决天然裂缝性油藏、人工压裂措施后裂缝油藏及页岩气开发数值模拟提供有效途径。

目前裂缝型油藏的数值模拟研究常采用的双重介质模型由于对大裂缝的粗化模拟处理，导致计算误差较大，而基于结构性规则网格的离散裂缝模型，网格数量巨大，致使计算效率降低；而非结构网格在处理大裂缝时会产生大量的极小化网格，显著降低了裂缝性油藏数值模拟效率。 .针对离散裂缝的处理问题，本项目建立了消除极小化网格的非结构网格离散方法，提出了线裂缝的概念，忽略裂缝的宽度进行网格剖分，实现了离散介质嵌入连续介质的模拟方法，消除了一阶极小化网格，并在不影响计算结果的条件下消除了离散裂缝附近区域出现的二阶极小化网格。然后，研究建立了双重介质-离散裂缝混合数学模型，针对TPFA方法(two-point flow approximation)和MPFA方法(multi-points flow approximation)在非结构网格系统中的应用，在不降低精度的前提下提高计算速度，在油藏层面方向采用MPFA方法，而在垂向方向采用TPFA方法建立数值模型。为提高计算效率，引入了并行计算技术，采用了裂缝性油藏数值模拟前处理和核心模拟器整合的方法，设计了适应于奇异性较高的非线性迭代算法和线性方程组求解算法，利用高性能并行计算机集群（已具备）实现了裂缝性油藏数值模拟计算，并进行了大量数值实验，与结构网格模型结果和计算时间进行了对比。.本项目对大裂缝、多裂缝油气藏进行了精细描述和处理、对复杂裂缝的数值模型消除极小化网格的网格剖分和并行计算技术进行了充分的研究，对高角度裂缝的直接描述方法进行探索，设计开发了基于数值模拟前处理和核心模拟器一体化的软件系统，采用MPI作为并行计算编程工具，将本项目所提出的方法集成。在刀片服务器进行测试，结果显示所建立的模型显著改善了离散裂缝收敛速度缓慢的技术难题，并行计算方法具有良好的加速比。.然而，对于高角度的大裂缝描述，目前只能用等效方法，尚不能直接描述并模拟高角度裂缝；对数值模拟中矩阵的病态和求解方法带来的截断误差，目前仍在探索阶段，尚不能很好地解决计算过程中由于参数配置问题带来的收敛性问题。