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

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. Точность построения цифровых моделей проверяется как на синтетических, так и на практических данных. Численное 3D-моделирование выполняется с использованием метода конечных элементов со скалярными и векторными (в зависимости от моделируемых физических процессов) базисными функциями на неконформных шестигранных сетках с изогнутыми границами. Используются собственные алгоритмы полностью автоматического построения оптимизированных неконформных сеток, учитывающих специфику расчетной области и требуемую точность решений. Результаты за 4 этап. Разработан и реализован метод повышения вычислительной эффективности решения многопараметрических трехмерных обратных задач при построении цифровой термогидродинамической модели (цифрового двойника) нефтяного месторождения. Метод основан на автоматическом секционировании расчетной области и позволяет практически без ущерба точности решения рассчитывать чувствительности данных добычи к параметрам модели на небольших сетках, построенных специальным образом. Показано, что применение этого метода уже на относительно небольших месторождениях позволяет в 3 раза ускорить расчеты полей влияния искомых параметров модели, что является принципиальным, если принять во внимание общее время счета этих задач, исчисляемое в сутках. Проведены исследования работоспособности предложенных и программно реализованных методов моделирования парового воздействия на пластовую систему на практических данных с месторождений сверхвязкой нефти и выполнена оценка чувствительности показателей добычи к структуре геологической среды. Показано, что данные моделирования и практические данные достаточно хорошо соответствуют друг другу для различных пар скважин месторождения при достаточно длинном периоде разработки – 3.5 года, а также что геометрия проницаемой зоны и расположение в ней зон с уменьшенной проницаемостью существенно влияют на показатели добычи, а объем паровой камеры довольно существенно изменяется в процессе разработки месторождения. С использованием разработанных методов и программ численного моделирования термоупругого состояния композитов и определения макросвойств по их микроструктуре путем решения обратных задач для многослойного композита, слои которого армированы в различных направлениях, получен многослойный «эквивалентный» материал (с аналогичными макросвойствами), слои которого имеют анизотропные свойства. Проведены исследования точности расчета термоупругих напряжений в локальных участках конструкции с учетом микроструктуры композита при условии, что при расчете полной конструкции использовался «эквивалентный» материал. Показано, что с использованием предложенного подхода значения напряжений в локальных участках можно получить с достаточно высокой точностью и при этом существенно (за счет использования «эквивалентного» материала) сократить вычислительные затраты на расчет термоупругого поведения конструкции в целом. Разработанные методы и программное обеспечение 3D-моделирования и 3D-инверсии для сопровождения «multisource» технологий электромагнитных зондирований Земли дополнены возможностью расчета откликов от техногенных металлических объектов. Проведенные для задач морской электроразведки исследования показали, что уровень влияния трубопроводов существенно зависит от их характеристик: изоляции, толщины стенок и диаметра. На основе пространственно-временного характера сигналов от трубопроводов, был предложен способ их учета при проведении 3D-обработки данных. Предложена конфигурация буксируемой измерительной системы и разработана соответствующая многоэтапная методология выполнения 3D-инверсии данных морской электроразведки, максимально учитывающая априорные сейсмические и геологические данные и позволяющая выделять как глубокозалегающие целевые объекты повышенного сопротивления (непосредственно соответствующие нефтегазовым резервуарам), так и объекты с повышенной поляризуемостью, которые расположены в верхней части разреза и могут соответствовать «ореолам» над залежами углеводородов, образующимся вследствие их миграции, что в конечном итоге дает возможность более надежной идентификации месторождений за счет использования двух критериев.