数值模拟与可视化分析实用教案

1、 目录目录(ml)(ml)4力学分析(fnx)和模拟技术1235油气藏的模拟(mn)分析技术矿床模拟分析技术其它问题的模拟分析可视化技术第1页/共40页第一页，共40页。 目录目录(ml)(ml)4力学分析(fnx)和模拟技术1235油气藏的模拟分析(fnx)技术矿床模拟分析技术其它问题的模拟分析可视化技术第2页/共40页第二页，共40页。 大多数的工程问题，物体的几何形状较复杂或者其某些特征是非线性的，很少可直接获得问题的解析(ji x)解。 目前解决途径: 简化假设，（只在有限的情况可行，过多的简化将可能导致不正确的甚至错误的解） 借助计算机来获得满足工程要求的数值解，这就是数值模拟技术第

2、3页/共40页第三页，共40页。 目前(mqin)在工程技术领域内常用的数值模拟方法有： 有限单元法：ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、MARC 边界单元法：Examine2D、Examine3D 离散单元法：UDEC、3DEC、PFC 有限差分法：FLAC3D、 FLAC2D 但就其实用性和应用的广泛性而言，有限单元法更为突出。 第4页/共40页第四页，共40页。力学分析和模拟力学分析和模拟(mn)(mn)技术技术力学(l xu)分析和模拟技术模拟模拟(mn)(mn)软件软件 四种模拟方法四种模拟方法第5页/共40页第五页，共40页。四种模拟四种模拟(mn)(mn)方法方法四种四种(

3、s (s zhn)zhn)模模拟方法拟方法离散离散(lsn)(lsn)单元法单元法一有限单元法有限单元法有限差分法有限差分法边界单元法边界单元法第6页/共40页第六页，共40页。有限有限(yuxin)单单元法元法基本原理：将一个连续的求解域分割成有限个单元，用未知参数方程表征单元的特性，然后将各个单元的特征方程组合成大型代数方程组，通过求解方程组得到结点上的未知参数，获取(huq)结构内力等需要考察的输出结果。载荷约束节点单元第7页/共40页第七页，共40页。 由于单元可以被分割不同的形状和大小，所以它能很好的适应(shyng)复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件。 加之成熟的大型软

4、件系统支持，有限元法成为一种应用广泛的数值计算方法。有限单元法的应用已广泛涉及各个工程领域。 软件：ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、MARC有限有限(yuxin)(yuxin)单元法单元法第8页/共40页第八页，共40页。 边界单元法（BEM）边界单元法是20世纪70年代兴起的一种数值方法。其通过结点之间插值，把边界积分方程转变为线性代数方程组，由此解出各边界单元的结点处待定的边界值，再利用把边界值与域内函数值联系起来(q li)的解析公式，求得计算区域内任一点的函数值。且计算精度、计算效率高，更适用于均质材料和线性性态情况。 软件(run jin)：Examine2D、Examin

5、e3D边界边界(binji)(binji)单元法单元法第9页/共40页第九页，共40页。 离散单元法（DEM）岩体往往为众多的节理或结构面所切割，在某些情况下，岩体不能视为连续介质，具有明显的不连续性，很难用连续介质力学方法如有限(yuxin)单元法来处理。离散单元法是处理非连续介质力学的数值方法，特别适用于节理岩体的应力分析，在土木工程方面应用广泛，尤其在边坡稳定分析方面。软件(run jin)：UDEC、3DEC、PFC2D、PFC3D离散离散(lsn)(lsn)单元法单元法第10页/共40页第十页，共40页。 有限差分法（FDM）有限差分法的基本原理与有限单元法类似，只是它们各自的求解方

6、法有所差别。有限单元法通过刚度矩阵的形式求解每一单元的应力与应变，而在有限差分中，空间离散点处的控制方程组中每一个导数直接(zhji)由含场变量的代数表达式替换，通过“显式”的方式逐步求解每一单元的应力与应变。 有限有限(yuxin)(yuxin)差分法差分法软件(run jin)：FLAC3D、 FLAC2D第11页/共40页第十一页，共40页。 目录目录(ml)(ml)4力学分析和模拟(mn)技术1235油气藏的模拟分析(fnx)技术矿床模拟分析技术其它问题的模拟分析可视化技术第12页/共40页第十二页，共40页。直接观察法直接观察法钻观察井钻观察井井下测试井下测试井下电视井下电视岩心实验

7、岩心实验开辟开辟(kip)(kip)生产生产实验区实验区 研究油藏的基本(jbn)方法模拟法模拟法物理模拟数学模拟第13页/共40页第十三页，共40页。u直接观察法u优点(yudin)：直观（看得见，摸得着）；u 准确（客观存在，避免人为误差）。u缺点：有一定的局限性，范围小；u 成本高，周期长；u 不能重复进行。u模拟法u优点：能重复开发，进行所谓的“多次开发”；u 可以在短期内进行“开发”，成本相对较低；u 可模拟各种非均质条件和开发要求(yoqi)；u 结果可直接用于油田开发。u缺点：简介模拟基础在于油藏描述和生产动态，若参数 u 和数据不准确，将导致模拟误差；u 模型本身有一定假设条件

8、，与实际有一定误差。第14页/共40页第十四页，共40页。数学模拟数学模拟 数学模型求解(qi ji)方法解析(ji x)法数值(shz)方法油藏数值模拟油藏数值模拟第15页/共40页第十五页，共40页。油藏数值油藏数值(shz)(shz)模拟及模拟及其重要性其重要性油藏数值模拟概念油藏数值模拟概念油藏数值模拟是应用油藏数值模拟是应用(yngyng)(yngyng)计算机研究油气藏计算机研究油气藏中多相流体渗流规律的数值计算方法。中多相流体渗流规律的数值计算方法。重要性重要性第16页/共40页第十六页，共40页。油藏油藏(yu cn)(yu cn)数值模拟基本数值模拟基本过程过程建立(jinl

9、)数学模型建立(jinl)数值模型建立计算机模型建立一套描述油藏流体渗流的偏微分方程组。完整的数学模型包括定解条件（初始条件和边界条件）。线性化离散化将各种数学模型的计算方法编制成计算机程序，用计算机计算各种结果。第17页/共40页第十七页，共40页。油藏数值模拟主要油藏数值模拟主要(zhyo)(zhyo)步骤步骤明确油藏工程问题选择模型模拟策略方法资料输入与数据的检查历史拟合灵敏度试验动态预测油藏数值(shz)模拟的主要步骤经费(jngfi)预算报告的形成第18页/共40页第十八页，共40页。专题和机理问题(wnt)的研究评价(pngji)潜力研究剩余(shngy)油饱和度分布评价提高采收率

10、的方法对已开发油田历史模拟油田初期开发方案油藏数值模拟应用油藏数值模拟应用第19页/共40页第十九页，共40页。油田初期开发油田初期开发(kif)(kif)方案方案油田初期开发(kif)方案实施方案的可行性评价(pngji)油藏和流体性质的敏感性研究对比不同的产量效果选择井网、开发层系、井数和井位选择注水方式第20页/共40页第二十页，共40页。对已开发对已开发(kif)(kif)油田历史模拟油田历史模拟指出问题(wnt)、潜力所在区域一一二二三三四四确定产液量和生产(shngchn)周期确定油藏和流体特征证明地质储量，确定基本的驱替机理第21页/共40页第二十一页，共40页。一次采油(ci

11、yu)注水、注气注聚合物、注胶束、注表面(biomin)活性剂注C02和其它(qt)混相驱注蒸汽、火烧Description of the contents评价提高采收率的方法评价提高采收率的方法第22页/共40页第二十二页，共40页。研究剩余油饱和度分布(fnb)范围和类型一一二二三三四四回答油田开发(kif)中所遇到的问题及解决问题的方法单井进行调整，改变(gibin)液流方向、改变(gibin)注采井别、改变(gibin)注水层位扩大水驱油流率和波及系数研究剩余油饱和度分布研究剩余油饱和度分布第23页/共40页第二十三页，共40页。二三一确定产量、开采方式确定地面和井的设备评价评价(pn

12、gji)(pngji)潜力潜力确定(qudng)井位、加密井的位置第24页/共40页第二十四页，共40页。专题和机理专题和机理(j l)(j l)问题问题的研究的研究研究各种注水方式效果研究不同开发层系油藏动态研究井距、井网对油藏动态的影响验证油藏面积和地址储量研究注水速度对产油量和采收率影响矿山生产矿山生产管理优化管理优化十个方面十个方面研究油藏平面性质和层间非均质性对油藏动态影响5 5101048 81 16 67 7对比注水注气和天热枯竭开采动态研究单井产量对采收率影响2 29 93 3研究不同开发方案的指标为谈判和开发提供必要数据第25页/共40页第二十五页，共40页。 目录目录(ml

13、)(ml)4力学分析和模拟(mn)技术1235油气藏的模拟分析(fnx)技术矿床模拟分析技术其它问题的模拟分析可视化技术第26页/共40页第二十六页，共40页。 线框模型技术线框模型技术; 块段模型技术块段模型技术; 地质地质(dzh)储量估值方法与技术。储量估值方法与技术。本节主要本节主要(zhyo)(zhyo)介绍的技术有介绍的技术有: :一、线框模型技术一、线框模型技术 线框模型的构建主要是采用了线框模型的构建主要是采用了TINTIN技术（不规则三角网模型）技术（不规则三角网模型）中的中的VoronoiVoronoi图与图与DelaunayDelaunay三角形算法。三角形算法。TINT

14、IN是一种表示数字高程模是一种表示数字高程模型的方法，它既减少规则格网方法带来的数据冗余，同时在计算效型的方法，它既减少规则格网方法带来的数据冗余，同时在计算效率（如坡度）方面又优于纯粹基于等高线的方法。率（如坡度）方面又优于纯粹基于等高线的方法。第27页/共40页第二十七页，共40页。DelaunayDelaunay三角网具有以下特征：三角网具有以下特征：（1 1）DelaunayDelaunay三角网是唯一的；三角网是唯一的；（2 2）三角网的外边界构成了点集）三角网的外边界构成了点集P P的凸多边形的凸多边形“外壳外壳”；（3 3）没有任何点在三角形的外接圆内部，反之，如果一个三角网满）

15、没有任何点在三角形的外接圆内部，反之，如果一个三角网满 足此条件，那么它就是足此条件，那么它就是(jish)Delaunay(jish)Delaunay三角网；三角网；（4 4）如果将三角网中的每个三角形的最小角进行升序排列，则）如果将三角网中的每个三角形的最小角进行升序排列，则 Delaunay Delaunay三角网的排列得到的数值最大，从这个意义上讲，三角网的排列得到的数值最大，从这个意义上讲， Delaunay Delaunay三角网是三角网是“最接近于规则化的最接近于规则化的“的三角网。的三角网。图实线为图实线为Delaunay三角形，虚线三角形，虚线(xxin)为为Voronoi图

16、图第28页/共40页第二十八页，共40页。Delaunay三角形网的主要三角形网的主要(zhyo)算法算法逐点插入逐点插入(ch r)算法算法 Watson的算法的算法Lawson的算法或对角线交换算法的算法或对角线交换算法 限制性的限制性的Delaunay三角化三角化 (CDT) 扫描线算法（扫描线算法（Sweepline algorithm） 在所有的优化算法中，逐点插入在所有的优化算法中，逐点插入(ch r)算法是一种通用的算法是一种通用的算法，而算法，而Watson的算法是的算法是Delaunay三角化最简单和最广泛应用的三角化最简单和最广泛应用的算法算法 。第29页/共40页第二十九

17、页，共40页。二、块段模型二、块段模型(mxng)技术技术规则规则(guz)块段模块段模型型 六十年代初为描述浸染状矿床而发展起来的一种建模方法，实质是采六十年代初为描述浸染状矿床而发展起来的一种建模方法，实质是采用一系列的相同尺寸的立方块去表达矿体。用一系列的相同尺寸的立方块去表达矿体。优点：优点： 在一个资源有限的计算环境中，编制程序时可以采用隐含的定位在一个资源有限的计算环境中，编制程序时可以采用隐含的定位技术，即采用一系列的三维数组来存放各个块段的信息，从而可以节技术，即采用一系列的三维数组来存放各个块段的信息，从而可以节省存储空间与计算时间；省存储空间与计算时间； 由于采用相同尺寸的

18、块段，在进行地质统计学品位估值时，克里格方程由于采用相同尺寸的块段，在进行地质统计学品位估值时，克里格方程组的系数矩阵组的系数矩阵K只需计算一次，可以大大减少计算量，同时也方便进行储只需计算一次，可以大大减少计算量，同时也方便进行储量的统计和计算。量的统计和计算。不足：不足： 使用起来很不灵活；使用起来很不灵活； 这种方法不能精确描述矿体的边界这种方法不能精确描述矿体的边界 。第30页/共40页第三十页，共40页。变块模型变块模型(mxng)(mxng) 变块模型又叫做不规则块段模型。这种建模方法与规则块段模型一样，变块模型又叫做不规则块段模型。这种建模方法与规则块段模型一样，也是在整个建模范

19、围内用立方块来模拟矿体，不同的是，这些立方体尺寸也是在整个建模范围内用立方块来模拟矿体，不同的是，这些立方体尺寸不在是固定的，当对最初的由尺寸相同不在是固定的，当对最初的由尺寸相同(xin tn)(xin tn)的方块组成的模型施的方块组成的模型施加了地质解释之后，就沿着边界或地质界面建立加了地质解释之后，就沿着边界或地质界面建立“子块段子块段”，以保证更加，以保证更加逼近详细的地质要求。逼近详细的地质要求。 采用变块模型虽然能够比较精确的描述矿体边界，减少了存储空间采用变块模型虽然能够比较精确的描述矿体边界，减少了存储空间 。 三、地质储量估值方法与技术三、地质储量估值方法与技术主要方法主要

20、方法：趋势面法、距离幂次反比法趋势面法、距离幂次反比法 、各种克里格估值方法、各种克里格估值方法 。第31页/共40页第三十一页，共40页。在实际矿床在实际矿床(kungchung)(kungchung)估值中，主要采用的方法有：距离幂估值中，主要采用的方法有：距离幂次反比法次反比法 和普通克里格估值方法和普通克里格估值方法 ，简单介绍下这两种方法：，简单介绍下这两种方法：距离距离(jl)(jl)幂次反幂次反比法比法第32页/共40页第三十二页，共40页。普通普通(ptng)(ptng)克里克里格法格法 普通克里格必须先算出变异函数，然后用公式：将其转变为协方差函普通克里格必须先算出变异函数，

21、然后用公式：将其转变为协方差函数求普通克里格方程。另外数求普通克里格方程。另外(ln wi)，普通克里格发有一个无偏约束条，普通克里格发有一个无偏约束条件，对数据分布要求较松，应用范围更广。件，对数据分布要求较松，应用范围更广。 而实际上，需要先计算出实验变异函数，实验变异函数计算公式为：而实际上，需要先计算出实验变异函数，实验变异函数计算公式为： vdxxzhxzvxzhxZEh2221 式中，式中，h h称为滞后距，对结构性的结果有一定的影响。具体应用中，称为滞后距，对结构性的结果有一定的影响。具体应用中，应计算不同方向、距离的变异函数，如层状矿体一般应计算走向、倾向、应计算不同方向、距离

22、的变异函数，如层状矿体一般应计算走向、倾向、对角线方向的变异函数，非层状矿体则应计算走向、倾向、对角线、厚对角线方向的变异函数，非层状矿体则应计算走向、倾向、对角线、厚度等方向的变异函数。度等方向的变异函数。第33页/共40页第三十三页，共40页。 实验变异函数计算实验变异函数计算(j sun)后，必须按照一定的方法确定其理论后，必须按照一定的方法确定其理论变异函数参数。理论变异函数由众多类型，但对矿藏而言，目前采用变异函数参数。理论变异函数由众多类型，但对矿藏而言，目前采用较多的是球状模型。球状模型的计算较多的是球状模型。球状模型的计算(j sun)公式为：公式为： ahCChahahahCCh0230223 式中，式中，Co为块金常数（代表随机变化部分），为块金常数（代表随机变化部分），C指基台，指基台，C+Co 为先验方差，为先验方差，a为变程，在变程范围内才有结构