计算分析服务

      Mechsoft可为大型岩土工程结构利用RFPA分析系统进行有限元计算。RFPA并行分析系统结合高性能计算机发挥了其超强的并行计算能力。经数多年年的发展,RFPA并行系统承接了多项国内外的计算分析服务项目,得到了客户好评,检验了系统的稳定性和结果的可靠性。

计算分析服务案例

(一)胜利油田滩坝砂油藏可压性研究

      由大连理工大学、大连力软科技有限公司以下简称力软共同负责的项目滩坝砂油藏可压性研究顺利通过由胜利油田组织的结题答辩,标志着RFPA家族可成功应用于石油开采领域,为页岩油储层的水力压裂工程设计与施工提供了更为有效的解决方案。

      胜利油田滩坝砂油藏未动用储量9850万吨,埋深多在3000米以下,储层具有横向非均质强,泥砂交错分布,水平连通性差,纵向砂-泥互层跨度大,层多层薄的特点。特别是由于泥岩的可压性差,无法实现有效改造,难以实现有效沟通。针对此技术难点,力软基于RFPA软件系统平台,建立了符合储层特征的数值模型,开展了多种工况条件下的数值模拟实验,并对水力压裂的机理进行了深入研究,为水力压裂设计及现场施工提供了可靠指导,该项目成果得到胜利油田项目委托方的一致好评。

(二)力软携手胜利油田,为页岩油储层开采加油

按照中石化集团公司提出的目标要求,胜利油田要实现“东部硬稳定、西部快上产、非常规大发展”,实现“十二五”末页岩油钻井400余口、产能100万吨的奋斗目标。中国石化于2009年正式启动了页岩油气选区评价工作,随后进行了6口页岩油气井的压裂改造及试气先导试验,同国外相比,胜利油田页岩油储层压裂改造技术基本上处于技术探索和现场实验阶段,尚未形成成熟、配套的有效改造技术。由于页岩储层的沉积类型、矿物成分及流体特征(胜利油田以页岩油为主)存在巨大差异,因此需要系统开展页岩油储层岩石力学特征、可压性评价及裂缝起裂-扩展规律等基础性研究,对压裂工艺技术及压裂材料进行攻关研究。


   在此背景下,力软接受了胜利油田的委托,克服了项目时间短、任务重等难点,利用RFPA数值模拟技术,针对页岩油储层的低渗透性、低孔隙度等特征,建立了与之相应的数值模型,对层理、井间干扰等复杂条件下的水力压裂裂缝的扩展模式进行了深入系统的研究,为页岩油储层的水力压裂设计与施工提供了良好借鉴,从而为中石化集团公司顺利完成开采目标提供有力保证。

(三) RFPA可有效模拟双阶压裂裂缝的起裂与延伸规律

      据了解,我国致密气资源丰富,技术可采资源量超过10万亿立方米,在对低孔隙度、低渗透-特低渗透砂岩油气藏压裂中,由于储层基质向裂缝的供油气能力较差,仅靠单一的压裂主缝(不管缝有多长、导流能力有多高)很难取得预期的增产效果。近年来以北美为代表,通过缝网压裂技术大幅提高单井产量,实现了页岩气等极致密储层的工业开发,因此开展复杂缝网压裂技术在致密砂岩储层中的适用性及可行性非常必要,即通过正确的人工干扰和引导,实现各分支缝的相互沟通,以形成的复杂裂缝网络在更大的储集空间内扩大泄油面积,提高低渗、超低渗储层的导流能力,该技术在现场的完善与应用,有望大幅提高致密气的单井产量,从而使得众多致密气储层得以经济有效动用,具有极大的借鉴和参考价值。

      力软在中石油勘探开发研究院廊坊分院的委托下,采用RFPA数值模拟技术,针对处于地下环境的油藏岩体,研究在双阶压裂条件下岩体内部应力变化及裂缝起裂延伸规律,在最大主应力方向与水平井上的压裂裂缝走向相同的情况下,复杂缝网形成的可能性及形成条件,该研究为工程中的增产提供另一种实现可能,其成果是应用RFPA方法探索石油开采领域的又一成功案例。




应用RFPA开展水力裂缝起裂与延伸规律研究取得新进展

      在石油开采领域,水力压裂作为提高低渗透油田产量的有效方法被广泛应用,然而,由于水压致裂作为地下工程的一种,不可见性为其主要特征,因此,数值模拟手段就成为解决问题的有效方法。目前,力软依托软件开发与工程应用领域的核心竞争力,基于 RFPA家族系统平台,开发了适用于石油开采领域水力压裂工程的新版本,并成功应用于胜利油田、中石油勘探开发研究院廊坊分院等企业委托项目,为水力压裂研究提供一种新方法、新捷径。

      随着合作领域的深入,力软与中石油勘探开发研究院廊坊分院在原有合作的基础上,又携手进行“复杂条件下裂缝起裂延伸数值模拟”项目研究。项目中,RFPA对定向射孔、地应力转向等复杂条件下水力裂缝的延伸特点进行了深入剖析,取得的数值试验结果与物理试验结果一致,再次验证了数值模拟实验的准确性,得到了业界的广泛认可,为水力压裂设计与施工提供了有效方法。

(四)RFPA并行分析系统助力中石油工程技术研究院石油勘探开发研究

近日,大连力软科技有限公司最新推出的RFPA并行分析系统成功助力中国石油工程技术研究院石油勘探开发研究。受中国石油工程技术研究院固井研究所(天津)委托,大连力软科技有限公司承建的“石油勘探固井研究数值试验工作站”于2009年5月20构建成功并正式启用。该数值试验工作站在石油勘探开发领域首次成功构建,标志着RFPA并行分析系统将助力石油勘探开发领域的研究工作。为推动我国石油勘探开发技术研究的发展做出贡献。

图1:为中石油工程技术研究院与固井研究所

      同时,也标志着计算机模拟正在成为科学和工程许多领域内解决问题的主流方法,与理论分析、实验研究一起成为科学研究的三大支柱之一,基于模拟的工程和科学已经成为国家的核心竞争力。

图2:为工作站服务器端(左)和客户端(右)

整体解决方案:

       根据中国石油工程技术研究院固井研究所的需求情况,力软提出了包括硬件、软件和技术服务在内的整体解决方案,建立“石油勘探固井研究数值试验工作站”。

       系统硬件:数值试验工作站硬件系统采用联想万全R630 G7服务器和联想启天M6900工作站客户端。服务器配置4*Inter Xeon六核E7450(2.4GHz)CPU,24GB内存,580GB硬盘,集成Inter双口千兆网卡;客户端配置Inter Core 2 Duo E8400(3.0GHz)CPU,2G内存,320GB硬盘,集成千兆网卡,22寸液晶显示器。该硬件配置24个CPU和24GB内存,单个CPU具有1GB的使用内存,保证其高性能;配置千兆网卡保证数据高速传输。
      系统软件:数值试验工作站服务器端操作系统采用RedHat Enterprise Linux AS4.0,使其具有良好的稳定性和安全性;客户端操作系统采用Windows XP,使其具有方便简捷的操作性。

      应用软件:数值试验工作站采用力软公司研发的“真实破裂过程分析并行系统(RFPA-Parallel)” 作为核心并行计算分析软件。RFPA并行分析系统采用MPICH和FORTRAN编制基于Linux操作系统的有限元并行计算程序,采用C++编制基于Windows的前后处理客户端程序,前处理数据和后处理数据通过安全数据传输协议SSH传输交换,从而是数据传输高速、安全、可靠;最新的RFPA并行系统实现了三维条件下流-固-热多场耦合并行计算模拟分析,且并行计算突破2000万自由度以上量级有限计算。为石油勘探固井研究中大规模多场耦合数值试验提供有力保障。

图3:力软科技技术工程师与中石油工程师们

测试算例:
测试算例名称:“三维水压致裂过程并行计算分析”

数值模型(Z向自重,X、Y方向位移约束)

计算模拟结果:

Z方向上不同高程处的压裂模式(水压分布)

Z方向上不同高程处的压裂模式(最大主应力分布)


最终压裂模式的三方向透视(声发射图)

(五)溪洛渡拱坝三维非线性有限元精细模型整体仿真

      溪洛渡水电站是金沙江下游四个巨型水电站中最大的一个,年发电量位居世界第三,是中国仅次于三峡工程的第二大水电站。为了研究施工面貌状态下开挖后揭示的地质条件下,水电站相应的构造设计及基础处理措施,拱坝及坝基整体的安全性,力软科技有限公司受中国水电顾问集团成都勘测设计研究院委托,与清华大学水利水电工程系合作,开展了溪洛渡拱坝三维非线性有限元精细模型整体仿真分析。根据溪洛渡拱坝实际开挖的地质、地形资料和大坝体形结构设计、建基面开挖及基础处理设计,建立精细有限元计算分析模型,对拱坝基础、拱坝结构及基础处理措施等开展整体仿真分析。

      项目采用全六面体建立溪洛渡超大模型(6,632,192个单元,6,893,485个节点,2000多万自由度),实现大坝分层、整体、多工况、多场作用下的应力精细模拟和拱坝受超载作用开裂破坏分析。2000万自由度的计算规模已经远远超过国内外同类型软件。

工程现场实景图

      为了研究施工面貌状态下及开挖后揭示的地质条件下,水电站相应的构造设计及基础处理措施,拱坝及坝基整体的安全性,力软科技受中国水电顾问集团成都勘测设计研究院委托,与清华大学水利水电工程系合作,开展了溪洛渡拱坝三维非线性有限元精细模型整体仿真分析。根据溪洛渡拱坝实际开挖的地质、地形资料和大坝体形结构设计、建基面开挖及基础处理设计,建立精细有限元计算分析模型,对拱坝基础、拱坝结构及基础处理措施等开展整体仿真分析。

      项目采用全六面体单元建立溪洛渡超大模型(6,632,192个单元,6,893,485个节点,2000多万自由度),实现大坝分层、整体、多工况、多场作用下的应力精细模拟和拱坝受超载作用开裂破坏分析。



计算网格图(整体图)

      目前,制约数值计算的瓶颈不是计算机硬件的速度和容量,而在于软件的建模能力。虽然,在理论上,某些商业软件在64位操作系统下,配置足够大的内存,便可以建立任意大的模型,但是,实际建模过程中,要使用各种复杂的处理,例如:单元显示、消除重复节点、对单元和节点重新排序号、设置边界条件等等各种操作,这些操作往往要对模型整体处理,显示内存不够、CPU运算能力不够等瓶颈问题便突显出来。因此,为了突破亿级自由度超大有限元计算模型这一目标,我公司依靠分组拼装和单元无限分割的方法,自主研发出一套满足坝-基-岸整体建模要求的前后处理软件RFPA。 

计算网格图(放大局部图)




层间层内错动带和坝体之间的关系网格图

溪洛渡拱坝下游坝面顺河向位移图(正常荷载工况,单位:mm)


溪洛渡拱坝上游坝面横河向位移图(正常工况,单位:mm)


溪洛渡拱坝顺河向位移俯视图(工况17,单位:mm)


溪洛渡拱坝拱冠梁纵剖面应力图(正常工况;单位:MPa;正为压应力,负为拉应力)



基础横河向位移(山体自重应力场+坝体自重+上游正常蓄水位+相应下游水位+泥沙压力+温降;单位:mm)



基础最大主应力(山体自重应力场+坝体自重+上游正常蓄水位+相应下游水位+泥沙压力+温升;单位:MPa)

溪洛渡拱坝上游面最小主应力云图(工况6,2倍水载荷;单位:MPa。黑点表示破坏点)


溪洛渡拱坝上游面声发射图(工况8,4倍水载荷。蓝色表示剪切应力破坏点、红色表示拉破坏点)