Разработка методов и программных комплексов численного трехмерного моделирования мультифизичных процессов в сложных средах и методов многомерной обработки данных при оптимизации технологий геологоразведки и нефтедобычи и при изучении свойств новых материалов

Объект теоретического исследования. Технологии аэрогеофизических исследований и программные системы обработки данных. Технологии добычи трудноизвлекаемой (вязкой и сверхвязкой) нефти, программные системы построения цифровых моделей месторождений и оптимизации технологий добычи. Цель работы. Создание методов обработки данных и методов оптимизации наукоемких технологий, которые характеризуются большими объемами регистрируемых данных и основу которых составляют сложные мультифизичные процессы, описываемые скалярными и векторными дифференциальными уравнениями в частных производных с переменными коэффициентами, определяемыми в сложных областях. Метод или методология проведения работы. Вычислительные схемы 3D-моделирования с учетом совместного протекания в геологической среде электродинамических процессов и процессов индукционной вызванной поляризации базируются на конечноэлементных аппроксимациях с использованием векторных и узловых базисных функций на неконформных шестигранных конечных элементов. Вычислительные схемы 3D-моделирования многофазной фильтрации базируются на последовательном расчете давления с использованием метода конечных элементов, вычислении по полученному давлению потоков фаз и явной схеме переноса фаз между ячейками конечноэлементной сетки на каждом временном шаге. Методы решения обратных задач для восстановления всего набора электрофизических свойств сложной геологической среды и построения цифровых моделей нефтегазовых месторождений с определением их макрохарактеристик в зависимости от микроструктуры коллекторов основаны на минимизации функционала невязки между практическими и расчетными данными по методу Гаусса-Ньютона и специальных способов параметризации, учитывающих как различные физические свойства моделей, так и различные геометрические характеристики их структурных частей. Проверка адекватности и точности моделирования осуществляется сравнением с аналогами, представленными в научных публикациях, и с практическими данными геологоразведки и нефтедобычи. Точность построения цифровых моделей с определением макрохарактеристик проверяется с использованием следующей методологии: построение цифровой модели осуществляется по 2/3 жизни месторождения, а на оставшуюся 1/3 строится прогноз, который сравнивается либо с синтетическими данными, рассчитанными для «истинной» модели, либо с практическими данными. Результаты работы и их новизна. Разработаны новые математические модели и основанные на них вычислительные схемы и программы для 3D-моделирования электромагнитных полей с учетом индукционной вызванной поляризации (ВП) с источником в виде электродвижущей силы (ЭДС) ВП в сложных геологических средах для большого количества положений источника первичного электромагнитного поля. Разработаны новые методы и программы решения трехмерных обратных задач для восстановления всего набора электрофизических свойств сложной геологической среды. Точность, адекватность и преимущества разработанных методов и программ подтверждены сравнением с мировыми аналогами и результатами их применения для обработки практических данных аэрогеофизических исследований. Разработаны новые методы и программы численного трехмерного моделирования многофазной фильтрации в пористых средах с учетом сложной структуры геологической среды при химических воздействиях и основанные на них новые методы определения макрохарактеристик геологической среды, базирующиеся на решении трехмерных обратных задач. Точность, адекватность и преимущества разработанных методов подтверждены путем внутреннего самотестирования, путем сравнения с решениями общепринятых тестов SPE (Society of Petroleum Engineers), путем сравнения с расчетами, полученными с использованием наиболее известных и распространенных коммерческих симуляторов, а также путем сравнения с практическими данными по скважинам месторождений высоковязкой нефти в р. Татарстан, в том числе для многослойного сложного коллектора с большим количеством скважин. Основные технологические характеристики. Программные модули, реализующие 3D-моделирование электродинамических процессов и возбуждаемых ими процессов индукционной ВП, позволяют решать задачи в средах со сложной топографией и большим количеством 3D-неоднородностей, а также оптимизированы для технологий с большим количеством положений приемно-генераторной установки, т.е. для технологий геоэлектроразведки, характеризующихся большим объемом данных. Кроме того, разработанные методы и программы позволяют моделировать различные механизмы возникновения индукционной ВП, что существенно расширяет возможность описания электромагнитных процессов в реальных геологических средах. Разработанные соответствующие методы решения трехмерных обратных задач позволяют восстанавливать весь набор электрофизических свойств сложной геологической среды и геометрические характеристики изогнутых слоев и объектов со сложными границами. Программные модули, реализующие 3D-моделирование многофазной фильтрации, позволяют учитывать сложную структуру многопластовых коллекторов, сжимаемость породы и фаз, гравитацию, многокомпонентность фаз и переходы компонент из одной фазы в другую, а также большое количество скважин и химические методы воздействия на пласт. Основанные на них методы решения обратных задач со специальной параметризацией многопластовых коллекторов со сложной структурой позволяют строить их цифровые модели с определением макрохарактеристик. Область применения. Экономическая эффективность и значимость работы. Разработанные вычислительные схемы решения трехмерных обратных задач с восстановлением всего набора электрофизических свойств сложной геологической среды являются основой для создания программных систем 3D-обработки больших объемов данных аэрогеофизических исследований, использование которых потенциально позволит резко снизить риски бурения пустых скважин при поиске твердых полезных ископаемых методами аэроэлектроразведки. Разработанные методы и программы численного моделирования многофазной фильтрации в многопластовых коллекторах со сложной структурой и большим количеством скважин могут быть использованы в программных системах построения цифровых моделей нефтегазовых месторождений. Их использование потенциально позволит существенно повысить точность прогнозов нефтедобычи для многопластовых нефтегазовых коллекторов со сложной структурой и улучшить проектирование дальнейшей разработки за счет того, что оптимальные режимы разработки (в том числе с использованием высоковязких агентов) и бурение новых скважин будут определяться по высокоадекватным цифровым моделям разрабатываемых месторождений.