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: цифровые модели нефтегазовых месторождений и оптимизация технологий добычи, геофизические модели месторождений полезных ископаемых, композиты, методы 3D-моделирования и решения обратных задач. 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: методы решения обратных многопараметрических задач основаны на минимизации регуляризированного функционала взвешенных невязок наблюденных и расчетных данных, методе Гаусса-Ньютона и адаптивной регуляризации, обеспечивающей выполнение ограничений на параметры модели и устойчивую сходимость процесса нелинейной инверсии. Для получения расчетных данных от очередного приближения восстанавливаемой модели и чувствительностей данных к ее параметрам используется численное 3D-моделирование соответствующего физического процесса (или связанных процессов). Точность построения цифровых моделей проверяется как на синтетических, так и на практических данных. Результаты работы и их новизна: Разработаны методы и программы решения многопараметрических трехмерных обратных задач неизотермической многофазной фильтрации при тепловых воздействиях на пласт. Лежащий в основе этих методов гидродинамический симулятор, разработанный сотрудниками лаборатории, основан на новом методе 3D-моделирования многофазного многокомпонентного неизотермического потока в пористой среде с учетом гравитации, сжимаемости породы и флюидов, перехода компонент между фазами, смены агрегатных состояний и учета существенных изменений свойств фаз в результате различных воздействий на пласт. Отличительными особенностями являются способы учета связи давления и температуры при возникновении в отдельных подобластях процессов парообразования/конденсации и «явный» перенос фаз между ячейками конечноэлементной сетки в зависимости от объема и состава фаз, втекающих, вытекающих и оставшихся в ячейке. Для месторождений, разработка которых ведется с использованием вертикальных скважин, предложены подходы к решению оптимизационных задач, отличительной особенностью которых является вид целевой функции, включающей основные показатели разработки, использование геолого-гидродинамических моделей, полученных в результате автоадаптации по истории разработки, способы минимизации и адаптивной регуляризации взвешенного целевого функционала. Разработаны методы и программы численного моделирования напряженно-деформированного состояния композитов при термоупругих и упругопластичных деформациях с учетом микроструктуры композита. Предложены и реализованы в программном комплексе подходы к определению макросвойств композитов по их микроструктуре. Отличительной особенностью предложенных подходов является то, что они основаны на решении обратных задач, в которых для расчета чувствительностей используется конечноэлементное решение связанных задач термоупругости и упругопластичности. Апробация программного обеспечения трехмерной обработки больших объемов геофизических данных на объектах горнодобывающих и нефтяных компаний показала, что разработанное программное обеспечение «строгой» 3D-обработки (базирующейся на 3D-моделировании электромагнитных полей без значимых упрощений исследуемой неоднородной среды) для широкого спектра технологий электромагнитных зондирований позволяет решать наиболее сложные задачи поиска различных месторождений с учетом реальных условий и может быть использовано при проведении производственных геофизических работ. Основные технологические характеристики: 1) Усовершенствованные на текущем этапе методы термогидродинамического моделирования, методы решения многомерных многопараметрических обратных задач и методы построения оптимизированных планов разработки нефтяных месторождений объединены в единый программный комплекс, который функционирует в распределенной вычислительной системе и может применяться для решения следующих задач: – автоматическая адаптация цифровых гидродинамических моделей нефтяных месторождений и построение на их основе прогнозов добычи, в том числе для проектных скважин, с оценкой неопределенности; – моделирование технологий повышения нефтеотдачи для адаптированных по истории разработки гидродинамических моделей месторождений; – решение оптимизационных задач по управлению разработкой нефтяного месторождения на основе адаптированной гидродинамической модели. 2) Программное обеспечение 3D-моделирования геоэлектромагнитных полей и 3D-инверсии данных электромагнитных зондирований обладает адаптированными, удобными для использования геофизиками-производственниками интерфейсами и может быть использовано для проектирования полевых геофизических работ и многомерной обработки данных. Область применения и экономическая эффективность и значимость работы: Разрабатываемые методы и программы численного моделирования неизотермической многофазной фильтрации с возможностью учета химических и тепловых воздействий и основанные на них методы автоматической адаптации и оптимизации составляют основу программной системы для цифрового сопровождения технологий нефтедобычи. Ее внедрение позволит повысить точность прогнозов и эффективность разработки за счет того, что оптимальные режимы разработки (в том числе с использованием высоковязких агентов и теплоносителей) и бурение новых скважин будут определяться по высокоадекватным цифровым моделям разрабатываемых месторождений. Разрабатываемые методы моделирования напряженно-деформированного состояния композитов при механических и тепловых воздействиях и подходы к определению макросвойств композитов могут существенно расширить возможности изучения поведения конструкций из композитов, а также дадут возможность проектировать композиты с требуемыми свойствами. Это, в свою очередь, позволит повысить качество таких изделий и снизить затраты на их изготовление. Внедрение создаваемого программного обеспечения 3D-моделировании и 3D-инверсии в производство электроразведочных работ позволит повысить точность геофизического прогноза и снизить затраты на бурение скважин за счет более надежного выявления целевых объектов и повышения точности определения их локализации.