使用擴展有限元法的水力壓裂仿真的制作方法
【專利摘要】一種計算機實現的方法包括定義富集區中的第一組節點和第二組節點的各自位置，并在富集區上的第一組節點處執行耦合孔隙流體擴散和應力分析。然后根據分析的結果確定第二組節點是否被激活一表示壓裂，并將該結果視覺上地輸出至用戶。
【專利說明】使用擴展有限元法的水力壓裂仿真
【技術領域】
[0001]本文描述的實施例總體涉及仿真建模，并更具體地，涉及對巖石中的水力壓裂進行仿真和對生命科學中的流體流動進行建模。
【背景技術】
[0002]水力壓裂(通常稱為“壓裂”)是通過在相對高的流速和壓力下泵送流體而產生并傳播地下裂紋的過程。因為多種原因而期望獲得水力壓裂，包括增強地球深處的油氣回收。來自水力壓裂操作中的現場數據主要以壓力響應曲線的形式存在。單從這個數據定義真實的水力壓裂幾何結構是困難的。因此，分析解法和數值仿真用來評估和預測這些水力壓裂的位置、方向和程度。
[0003]水力壓裂早期簡化的理論模型使用彈性平面應變裂紋的解決方案，以建立所謂的PK模型。其它嘗試性的解決方案已使用了大量的研究來取得不同情況下的分析解法。然而，因為分析模型和經驗方法不能處理任意形狀和取向的壓裂，所以對于石油工業而言，全三維(3D)水力壓裂仿真器是至關重要的。
[0004]一種這樣的仿真器是全3D壓裂分析代碼，其被稱為FRANC3D，在康奈爾大學開發，并基于對每一級裂紋生長的邊界條件進行網格重劃分(remeshing)和更新。然而，FRANC3D基于線性彈性破裂力學(LEFM)，其通常為堅硬的(易碎的)巖石水力壓裂提供合理的預測。然而，對于韌性巖石，例如粘土或弱膠結砂巖(低粘性顆粒狀物質)，基于LEFM的方法則通常保守地預測壓裂的幾何結構，這是因為未考慮裂紋之前的韌性壓裂處理區。另外，FRANC3D忽略了在壓裂周圍的介質中的流體連續性方程。
[0005]一些已知的仿真產品使用孔隙壓力的內聚力模型(CZM)來解決巖石塑性(例如韌性頁巖)和流體流動的連續性。這種技術已經被石油和天然氣公司用于預測具有對于注水井而言不同巖石特性的水力壓裂。然而，當使用孔隙壓力粘性元素時，裂紋路徑必須被預定義或與元素邊緣對齊。
[0006]因此，對水力壓裂進行建模要求裂紋沿任意、依賴于解法的路徑產生和傳播。常規方法的一個缺點是網格需要符合幾何不連續性。對生長的裂紋進行建模是更麻煩的，這是因為網格必須持續更新以匹配在裂紋進展時的不連續的幾何結構。此外，粘性元素的使用是受限的，這是因為粘性元素必須與下層的元素的邊界相對齊，而裂紋沿著一組預定義的路徑來傳播。
【發明內容】
[0007]—方面，計算機實現的方法包括定義在富集區中的第一組節點和第二組節點的各自位置，并在富集區上的第一組節點處執行耦合孔隙流體擴散和應力分析。然后根據分析的結果確定第二組節點是否被激活，以及將該結果視覺上地輸出至用戶。
[0008]另一方面，計算機包括存儲區域，其被配置為存儲富集區中的第一組節點和第二組節點的各自位置。計算機還包括處理器，其耦合至存儲區，并被配置為在富集區上的第一組節點處執行耦合的孔隙流體擴散和應力分析；根據分析的結果確定第二組節點是否被激活；以及將該結果視覺上地輸出至用戶。
[0009]另一方面，計算機程序產品包括具有計算機可執行組件的一個或多個非暫態的計算機可讀存儲介質。計算機可執行組件包括定義組件，在該定義組件由處理器執行時使處理器定義富集區中的第一組節點和第二組節點的各自位置。計算機可執行組件還包括分析組件，該分析組件使處理器在富集區上的第一組節點處執行耦合孔隙流體擴散和應力分析；根據分析的結果確定第二組節點是否被激活；以及將該結果視覺上地輸出至用戶。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]在以下附圖和說明書中將闡述本發明的一個或多個實施例的細節。根據說明書、附圖和權利要求，本發明的其它特征、目的和優點將是明顯的。
[0011]圖1是說明使用擴展有限元法(XFEM)對水力壓裂進行仿真的示例性方法的流程圖。
[0012]圖2A-2D是說明如圖1的流程圖中所描述的富集區內的流體流動特性的視圖。
[0013]圖3是用于執行本文描述的實施例的示例性計算機網絡的示意性框圖。
[0014]圖4是與圖3所示的計算機設備一起使用的示例性計算機架構的示意性框圖。
【具體實施方式】
[0015]本文描述的實施例涉及擴展有限元法(XFEM)，其減輕了與網格化裂紋表面相關聯的上述缺點。這些實施例基于單位分解的概念，其使得局部富集函數(enriched function)能夠易于并入有限元近似。不連續性的存在是由特殊的富集函數連同額外的自由度來確保的。然而，本文描述的實施例的優點之一是這些實施例不需要網格去匹配不連續的幾何結構。因此，本文描述的實施例提供了一個非常有吸引力且有效的方式以沿著任意的、依賴于解法的路徑來對離散裂紋的產生和傳播進行仿真，而不需要網格重劃分。
[0016]此外，本文描述的實施例包括用于水力壓裂分析的孔隙壓力場。具體來說，具有孔隙壓力自由度的附加的虛擬節點引入到每個富集元素(enriched element)的邊緣。直到裂紋與邊緣相交時，才激活每個元素邊緣的虛擬節點。流體被假定為是不可壓縮的。保持流體流動的連續性，其導致了切向和法向流動，包括在裂紋元素表面內和穿過該裂紋元素表面的流體泄露，以及裂紋元素表面的開口率。裂紋元素表面上的流體壓力有助于富集元素中的粘性段的牽引分離行為，這使得能夠對水力驅動壓裂進行建模。
[0017]本文描述的通過先前嘗試以有效地對水力壓裂分析進行建模的實施例的一個優點是本文描述的實施例不需要網格去匹配不連續的幾何結構。這種數字技術是非常有吸引力且有效的方式，以沿著任意的、依賴于解法的路徑來對離散裂紋的產生和傳播進行仿真，而不要求網格重劃分。這基于與虛擬節點結合的粘性段的方法。這使得能夠對在水力驅動壓裂中的裂紋元素表面內的流體壓力場以及流體流動的不連續性進行建模。
[0018]圖1是使用具有孔隙壓力自由度的擴展有限元法(XFEM)對水力壓裂進行仿真的示例性方法的流程圖100。特別地，圖1所示的方法使用帶有孔隙壓力自由度的XFEM。利用傳統的有限元法對固定的不連續性(例如裂紋)進行建模將要求網格符合幾何不連續性。因此，在裂紋尖端附近需要相當大的網格細化以充分捕獲奇異漸進場。對生長的裂紋進行建模甚至更加麻煩，這是因為網格必須連續更新以匹配在裂紋發展時的不連續幾何結構。XFEM過程減輕與網格化裂紋表面相關聯的缺點。不連續性的存在是由特殊的富集函數結合附加的自由度一起來確保的。然而，保留了有限元框架和其特性，例如稀疏性和對稱性。
[0019]為了進行壓裂分析，富集函數通常包括捕獲在裂紋尖端周圍的奇點的近尖端漸進函數和表示跨越裂紋表面的移位中的跳躍的不連續性函數。方程(I)中示出了對于具有單位富集分解的移位向量函數U的近似:
[0020]
【權利要求】
1.一種計算機實現的方法，包括: 定義富集區中的第一組節點和第二組節點的各自位置； 在富集區上的所述第一組節點處執行耦合孔隙流體擴散和應力分析； 根據所述分析的結果，確定所述第二組節點是否被激活；以及 視覺上地將所述結果輸出至用戶。
2.根據權利要求1所述的計算機實現的方法，還包括定義所述富集區。
3.根據權利要求1所述的計算機實現的方法，還包括定義在所述富集區內的初始裂紋。
4.根據權利要求1所述的計算機實現的方法，還包括定義在所述富集區內的裂紋產生準則和裂紋傳播準則。
5.根據權利要求1所述的計算機實現的方法，其中確定所述第二組節點是否被激活包括: 基于所述富集區的特性來定義壓裂準則；以及 確定在所述分析期間是否滿足所述壓裂準則。
6.根據權利要求1所述的計算機實現的方法，還包括計算一個或多個平衡方程的解，所述一個或多個平衡方程基于根 據所述分析的結果所述第二組節點是否被激活。
7.—種計算機,包括: 存儲區，其配置為存儲富集區中的第一組節點和第二組節點的各自位置；以及 耦合至所述存儲區的處理器，所述處理器配置為: 在所述富集區上的所述第一組節點處執行耦合孔隙流體擴散和應力分析； 根據所述分析的結果，確定所述第二組節點是否被激活；以及 視覺上地將所述結果輸出至用戶。
8.根據權利要求7所述的計算機，其中，所述處理器還配置為定義所述富集區。
9.根據權利要求7所述的計算機，其中，所述處理器還配置為定義在所述富集區內的初始裂紋。
10.根據權利要求7所述的計算機，其中，所述處理器還配置為定義在所述富集區內的裂紋產生準則和裂紋傳播準則。
11.根據權利要求7所述的計算機，其中，所述處理器還配置為: 基于所述富集區的特性來定義壓裂準則；以及 確定在所述分析期間是否滿足所述壓裂準則。
12.根據權利要求7所述的計算機，其中，所述處理器還配置為計算一個或多個平衡方程的解，所述一個或多個平衡方程基于根據所述分析的結果所述第二組節點是否被激活。
13.根據權利要求7所述的計算機，其中，所述處理器還配置為對所述富集區內的流體壓力場和流體流動的不連續性進行建模。
14.一種計算機程序產品，包括: 具有計算機可執行組件的一個或多個非暫態的計算機可讀存儲介質，所述計算機可執行組件包括: 定義組件，在所述定義組件由處理器執行時使處理器定義富集區中的第一組節點和第二組節點的各自位置；以及分析組件，在所述分析組件由處理器執行時，使處理器: 在所述富集區上的所述第一組節點處執行耦合孔隙流體擴散和應力分析； 根據所述分析的結果，確定所述第二組節點是否被激活；以及 視覺上地將所述結果輸出至用戶。
15.根據權利要求14所述的計算機程序產品，所述定義組件還使所述處理器定義所述富集區。
16.根據權利要求14所述的計算機程序產品，所述定義組件還使所述處理器定義在所述富集區內的初始裂紋。
17.根據權利要求14所述的計算機程序產品，所述定義組件還使所述處理器定義在所述富集區內的裂紋產生準則和裂紋傳播準則。
18.根據權利要求14所述的計算機程序產品，其中，所述分析組件還使所述處理器: 基于所述富集區的特性來定義壓裂準則；以及 確定在所述分析期間是否滿足所述壓裂準則。
19.根據權利要求14所述的計算機程序產品，其中，所述分析組件還使處理器計算一個或多個平衡方程的解，所述一個或多個平衡方程基于根據所述分析的結果所述第二組節點是否被激活。
20.根據權利要求14所述的計算機程序產品，其中，所述分析組件還使所述處理器對所述富集區中的流體壓力場和流`體流動的不連續性進行建模。
【文檔編號】G06F17/50GK103488811SQ201310288872
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年6月7日 優先權日:2012年6月7日
【發明者】L·夏, Z-Z·杜, C·沃爾利弗 申請人:達索系統西姆利亞公司