有限元在石油化工行业的分析与应用

应用广泛随着现代社会对石油资源需求的不断快速增长，国际石油资源日益紧缺，采用新的技术发现石油资源、高效开发和利用石油资源是人们所关心的实际课题。无论是上游的勘探开发、还是中游的油田开发、以及下游的石油炼化加工等环节均在利用数值模拟技术进行辅助分析和设计。可以说，以有限元、有限差分、有限体积为代表的CAE技术已经渗透到石油工业的方方面面。随着找油、采油难度的与日俱增，石油工业对数值模拟提出了更艰巨的要求，比如，用新的成油理论进行模拟，发现油田新“大陆”，降低勘探风险；三次采油工艺的多相多场模拟；特殊地质条件下的油藏模拟；特殊地质条件下流体固体相互作用；高原条件下的勘探开发工艺模拟；海洋石油地质条件下的石油开采模拟等。总的来说，需要考虑新的计算模型和计算方法，需要考虑多个物理量相互作用的时空演化，这些都是现有的模拟手段需要发展和完善的方向，以适应石油行业复杂计算模拟需求。钻井测井在石油工业中，为便于找寻石油和探明储量，需要用到地球物理的方法来测出地下岩层和异常地体的物理参数。阵列方位电阻率成像测井仪作为测定井下地体电阻率的有力工具在石油工业中得到了广泛的应用。还有钻孔测井分析是通过模拟钻孔后油压变化，来估计油层的压力和开采潜能。目前关于这方面的数值模拟软件很少，基本上在方法上探讨工作，就看这方面的方法发展状况，大部分还是在解释和经验上发展。石油勘探我国的石油地震勘探工作正面临着比过去更为困难复杂的情况。到目前为止，大的、简单的油田勘探已基本结束，为了满足经济建设和人民生活对石油日益增长的需求，一方面要寻找更为复杂的勘探目标（包括西部油田），其地表条件一般是起伏地表，且常常覆盖着沙漠、森林或沼泽；其地下介质条件一般是高度非均匀的，不同介质交界一般是高度非规则的，还常常包含断层等地质构造。另一方面，东部油田很多已进入中晚期，需要寻找剩余油分布，提高老油田的采收率。这些都要求进一步提高勘探方法和技术。我国石油勘探有关部门多年来致力于地震波传播总体研究。地震勘探中的地震波传播问题都是大型问题，对这类问题靠改进数值计算方法来提高计算速度其潜力是有限的，大幅度提高更是不可能的，唯一可行的途径是采用并行计算。石油开采石油开采的任务就是要从油田的客观实际出发，以最少的投资，最合适的速度去获得最高的最终采收率，也就是获得最大的经济效益。油藏数值模拟就是为了实现石油开采而发展起来的一种新技术。油藏数值模拟就是预演或重演石油的开采的全过程，从而获取一系列能指导油田开采的数据，和优选出最佳的开发方案。此项技术根据油气藏实际情况，运用计算机技术，在选择合适数学模型或模拟软件的基础上模拟和预测油气藏开发动态，为制定经济有效的开采战略和技术措施提供科学依据。石油工程的力学性质非常复杂，影响其应力和变形的因素很多，例如地层的结构、孔隙、密度、应力历史、荷载特征、油气水运移过程及时间效应等等，这种复杂性决定了技术人员在计算有关石油问题时往往需要做一些针对具体问题的创新性研究或改进。pFEPG的高度开放性和广泛适应性非常适合于此类问题的计算。它可以根据用户需求，用极短的时间来解决问题（例如增加一种新的单元类型，或是增加新的材料本构模型等等），可以方便地人为控制或修改有限元计算过程中的任何一个细节或参数。而使计算不再是一个黑匣子，保证计算分析正确合理，达到预测并且指导设计生产的目的。pFEPG在石油领域的应用成果盆地演化数值分析在生产测井的数值分析油田套管损坏机理数值分析人工裂缝井生产动态模拟塔里木盆地油气运移研究两相渗流与非线性固体变形耦合分析岩石注水压裂出沙机理与井眼稳定性分析软件SWAS地震波传播数值分析软件SWS等等石油领域应用案例：1、石油储量评估：中科院数学所与美国加州大学柏克莱分校地质地球物理研究所合作，用pFEPG开发了盆地演化的数值模拟软件，该软件可计算包括任意多条断层的相互耦合的古热力场、古水动力场、古生物和化学反应场的时空演化过程。其中地质条件考虑了最复杂的任意多种不同介质及各向异性，断层考虑了沿断层方向和垂直断层方向岩石的渗透率有显著差别，断层两边的岩石有相对运动的情况，该软件已应用于我国海洋石油的勘探，为石油地质研究和目标勘探提供了有力的手段。二维盆地演化模拟2、石油开采：与香港理工大学、苏州大学合作，应用pFEPG生成黑油模型的有限元程序，模拟石油开采过程中油、气、水三相的动态过程；应用pFEPG进行非线性固体变形和两相渗流的有限元计算，考虑岩石的弹塑性变形和油相、水相压力与饱和度分布，模拟在开采过程中井壁的变形和应力，为调整注水开采工艺，减少套管破损提供指导。石油开采过程中套管应力和变形文章来源：元计算科技发展有限公司