使用扩展有限元法的水力压裂仿真的制作方法

使用扩展有限元法的水力压裂仿真的制作方法
【专利摘要】一种计算机实现的方法包括定义富集区中的第一组节点和第二组节点的各自位置，并在富集区上的第一组节点处执行耦合孔隙流体扩散和应力分析。然后根据分析的结果确定第二组节点是否被激活一表示压裂，并将该结果视觉上地输出至用户。
【专利说明】使用扩展有限元法的水力压裂仿真
【技术领域】
[0001]本文描述的实施例总体涉及仿真建模，并更具体地，涉及对岩石中的水力压裂进行仿真和对生命科学中的流体流动进行建模。
【背景技术】
[0002]水力压裂(通常称为“压裂”)是通过在相对高的流速和压力下泵送流体而产生并传播地下裂纹的过程。因为多种原因而期望获得水力压裂，包括增强地球深处的油气回收。来自水力压裂操作中的现场数据主要以压力响应曲线的形式存在。单从这个数据定义真实的水力压裂几何结构是困难的。因此，分析解法和数值仿真用来评估和预测这些水力压裂的位置、方向和程度。
[0003]水力压裂早期简化的理论模型使用弹性平面应变裂纹的解决方案，以建立所谓的PK模型。其它尝试性的解决方案已使用了大量的研究来取得不同情况下的分析解法。然而，因为分析模型和经验方法不能处理任意形状和取向的压裂，所以对于石油工业而言，全三维(3D)水力压裂仿真器是至关重要的。
[0004]一种这样的仿真器是全3D压裂分析代码，其被称为FRANC3D，在康奈尔大学开发，并基于对每一级裂纹生长的边界条件进行网格重划分(remeshing)和更新。然而，FRANC3D基于线性弹性破裂力学(LEFM)，其通常为坚硬的(易碎的)岩石水力压裂提供合理的预测。然而，对于韧性岩石，例如粘土或弱胶结砂岩(低粘性颗粒状物质)，基于LEFM的方法则通常保守地预测压裂的几何结构，这是因为未考虑裂纹之前的韧性压裂处理区。另外，FRANC3D忽略了在压裂周围的介质中的流体连续性方程。
[0005]一些已知的仿真产品使用孔隙压力的内聚力模型(CZM)来解决岩石塑性(例如韧性页岩)和流体流动的连续性。这种技术已经被石油和天然气公司用于预测具有对于注水井而言不同岩石特性的水力压裂。然而，当使用孔隙压力粘性元素时，裂纹路径必须被预定义或与元素边缘对齐。
[0006]因此，对水力压裂进行建模要求裂纹沿任意、依赖于解法的路径产生和传播。常规方法的一个缺点是网格需要符合几何不连续性。对生长的裂纹进行建模是更麻烦的，这是因为网格必须持续更新以匹配在裂纹进展时的不连续的几何结构。此外，粘性元素的使用是受限的，这是因为粘性元素必须与下层的元素的边界相对齐，而裂纹沿着一组预定义的路径来传播。

【发明内容】

[0007]—方面，计算机实现的方法包括定义在富集区中的第一组节点和第二组节点的各自位置，并在富集区上的第一组节点处执行耦合孔隙流体扩散和应力分析。然后根据分析的结果确定第二组节点是否被激活，以及将该结果视觉上地输出至用户。
[0008]另一方面，计算机包括存储区域，其被配置为存储富集区中的第一组节点和第二组节点的各自位置。计算机还包括处理器，其耦合至存储区，并被配置为在富集区上的第一组节点处执行耦合的孔隙流体扩散和应力分析；根据分析的结果确定第二组节点是否被激活；以及将该结果视觉上地输出至用户。
[0009]另一方面，计算机程序产品包括具有计算机可执行组件的一个或多个非暂态的计算机可读存储介质。计算机可执行组件包括定义组件，在该定义组件由处理器执行时使处理器定义富集区中的第一组节点和第二组节点的各自位置。计算机可执行组件还包括分析组件，该分析组件使处理器在富集区上的第一组节点处执行耦合孔隙流体扩散和应力分析；根据分析的结果确定第二组节点是否被激活；以及将该结果视觉上地输出至用户。
【专利附图】

【附图说明】
[0010]在以下附图和说明书中将阐述本发明的一个或多个实施例的细节。根据说明书、附图和权利要求，本发明的其它特征、目的和优点将是明显的。
[0011]图1是说明使用扩展有限元法(XFEM)对水力压裂进行仿真的示例性方法的流程图。
[0012]图2A-2D是说明如图1的流程图中所描述的富集区内的流体流动特性的视图。
[0013]图3是用于执行本文描述的实施例的示例性计算机网络的示意性框图。
[0014]图4是与图3所示的计算机设备一起使用的示例性计算机架构的示意性框图。
【具体实施方式】
[0015]本文描述的实施例涉及扩展有限元法(XFEM)，其减轻了与网格化裂纹表面相关联的上述缺点。这些实施例基于单位分解的概念，其使得局部富集函数(enriched function)能够易于并入有限元近似。不连续性的存在是由特殊的富集函数连同额外的自由度来确保的。然而，本文描述的实施例的优点之一是这些实施例不需要网格去匹配不连续的几何结构。因此，本文描述的实施例提供了一个非常有吸引力且有效的方式以沿着任意的、依赖于解法的路径来对离散裂纹的产生和传播进行仿真，而不需要网格重划分。
[0016]此外，本文描述的实施例包括用于水力压裂分析的孔隙压力场。具体来说，具有孔隙压力自由度的附加的虚拟节点引入到每个富集元素(enriched element)的边缘。直到裂纹与边缘相交时，才激活每个元素边缘的虚拟节点。流体被假定为是不可压缩的。保持流体流动的连续性，其导致了切向和法向流动，包括在裂纹元素表面内和穿过该裂纹元素表面的流体泄露，以及裂纹元素表面的开口率。裂纹元素表面上的流体压力有助于富集元素中的粘性段的牵引分离行为，这使得能够对水力驱动压裂进行建模。
[0017]本文描述的通过先前尝试以有效地对水力压裂分析进行建模的实施例的一个优点是本文描述的实施例不需要网格去匹配不连续的几何结构。这种数字技术是非常有吸引力且有效的方式，以沿着任意的、依赖于解法的路径来对离散裂纹的产生和传播进行仿真，而不要求网格重划分。这基于与虚拟节点结合的粘性段的方法。这使得能够对在水力驱动压裂中的裂纹元素表面内的流体压力场以及流体流动的不连续性进行建模。
[0018]图1是使用具有孔隙压力自由度的扩展有限元法(XFEM)对水力压裂进行仿真的示例性方法的流程图100。特别地，图1所示的方法使用带有孔隙压力自由度的XFEM。利用传统的有限元法对固定的不连续性(例如裂纹)进行建模将要求网格符合几何不连续性。因此，在裂纹尖端附近需要相当大的网格细化以充分捕获奇异渐进场。对生长的裂纹进行建模甚至更加麻烦，这是因为网格必须连续更新以匹配在裂纹发展时的不连续几何结构。XFEM过程减轻与网格化裂纹表面相关联的缺点。不连续性的存在是由特殊的富集函数结合附加的自由度一起来确保的。然而，保留了有限元框架和其特性，例如稀疏性和对称性。
[0019]为了进行压裂分析，富集函数通常包括捕获在裂纹尖端周围的奇点的近尖端渐进函数和表示跨越裂纹表面的移位中的跳跃的不连续性函数。方程(I)中示出了对于具有单位富集分解的移位向量函数U的近似:
[0020]
【权利要求】
1.一种计算机实现的方法，包括: 定义富集区中的第一组节点和第二组节点的各自位置； 在富集区上的所述第一组节点处执行耦合孔隙流体扩散和应力分析； 根据所述分析的结果，确定所述第二组节点是否被激活；以及 视觉上地将所述结果输出至用户。
2.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，还包括定义所述富集区。
3.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，还包括定义在所述富集区内的初始裂纹。
4.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，还包括定义在所述富集区内的裂纹产生准则和裂纹传播准则。
5.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中确定所述第二组节点是否被激活包括: 基于所述富集区的特性来定义压裂准则；以及 确定在所述分析期间是否满足所述压裂准则。
6.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，还包括计算一个或多个平衡方程的解，所述一个或多个平衡方程基于根 据所述分析的结果所述第二组节点是否被激活。
7.—种计算机,包括: 存储区，其配置为存储富集区中的第一组节点和第二组节点的各自位置；以及 耦合至所述存储区的处理器，所述处理器配置为: 在所述富集区上的所述第一组节点处执行耦合孔隙流体扩散和应力分析； 根据所述分析的结果，确定所述第二组节点是否被激活；以及 视觉上地将所述结果输出至用户。
8.根据权利要求7所述的计算机，其中，所述处理器还配置为定义所述富集区。
9.根据权利要求7所述的计算机，其中，所述处理器还配置为定义在所述富集区内的初始裂纹。
10.根据权利要求7所述的计算机，其中，所述处理器还配置为定义在所述富集区内的裂纹产生准则和裂纹传播准则。
11.根据权利要求7所述的计算机，其中，所述处理器还配置为: 基于所述富集区的特性来定义压裂准则；以及 确定在所述分析期间是否满足所述压裂准则。
12.根据权利要求7所述的计算机，其中，所述处理器还配置为计算一个或多个平衡方程的解，所述一个或多个平衡方程基于根据所述分析的结果所述第二组节点是否被激活。
13.根据权利要求7所述的计算机，其中，所述处理器还配置为对所述富集区内的流体压力场和流体流动的不连续性进行建模。
14.一种计算机程序产品，包括: 具有计算机可执行组件的一个或多个非暂态的计算机可读存储介质，所述计算机可执行组件包括: 定义组件，在所述定义组件由处理器执行时使处理器定义富集区中的第一组节点和第二组节点的各自位置；以及分析组件，在所述分析组件由处理器执行时，使处理器: 在所述富集区上的所述第一组节点处执行耦合孔隙流体扩散和应力分析； 根据所述分析的结果，确定所述第二组节点是否被激活；以及 视觉上地将所述结果输出至用户。
15.根据权利要求14所述的计算机程序产品，所述定义组件还使所述处理器定义所述富集区。
16.根据权利要求14所述的计算机程序产品，所述定义组件还使所述处理器定义在所述富集区内的初始裂纹。
17.根据权利要求14所述的计算机程序产品，所述定义组件还使所述处理器定义在所述富集区内的裂纹产生准则和裂纹传播准则。
18.根据权利要求14所述的计算机程序产品，其中，所述分析组件还使所述处理器: 基于所述富集区的特性来定义压裂准则；以及 确定在所述分析期间是否满足所述压裂准则。
19.根据权利要求14所述的计算机程序产品，其中，所述分析组件还使处理器计算一个或多个平衡方程的解，所述一个或多个平衡方程基于根据所述分析的结果所述第二组节点是否被激活。
20.根据权利要求14所述的计算机程序产品，其中，所述分析组件还使所述处理器对所述富集区中的流体压力场和流`体流动的不连续性进行建模。
【文档编号】G06F17/50GK103488811SQ201310288872
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年6月7日 优先权日:2012年6月7日
【发明者】L·夏, Z-Z·杜, C·沃尔利弗 申请人:达索系统西姆利亚公司