專利名稱：借助經(jīng)加速相平衡確定對(duì)巨型地表下儲(chǔ)層的儲(chǔ)層模擬的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)地球中的烴類儲(chǔ)層的計(jì)算機(jī)化模擬，且特定來說，涉及借助對(duì)此些 儲(chǔ)層的單元中的相平衡條件的確定來模擬及預(yù)報(bào)從所述儲(chǔ)層的開采。
背景技術(shù)：
就目前所知，業(yè)內(nèi)對(duì)組成儲(chǔ)層模擬器的早期開發(fā)限制于小到足以由所關(guān)注儲(chǔ)層被 組織成的相對(duì)少的單元(大約100，000個(gè))表征的儲(chǔ)層模型。此早期類型的模型針對(duì)小型 到中型儲(chǔ)層或井田提供足夠數(shù)值分辨率。
對(duì)于已被稱為巨型油氣井田的儲(chǔ)層，早期模型在數(shù)據(jù)內(nèi)容及準(zhǔn)確度上則變得太粗 略。巨型儲(chǔ)層是地球上各個(gè)位置處含有烴類及其它流體的那些龐大的地表下儲(chǔ)層。在巨 型儲(chǔ)層中，可能存在數(shù)千個(gè)井及可能數(shù)百個(gè)井群，當(dāng)考慮到井的總數(shù)時(shí)，全部數(shù)目可能有上 萬個(gè)井。對(duì)于巨型儲(chǔ)層，在模擬與分析一段時(shí)間內(nèi)的動(dòng)態(tài)中，所涉及的龐大數(shù)據(jù)量成為一問 題。
當(dāng)在一段時(shí)間(例如，儲(chǔ)層的以年計(jì)的預(yù)期開采期限)內(nèi)若干日期中的每一者處 模擬儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)的結(jié)果時(shí)，由巨型儲(chǔ)層的數(shù)據(jù)量導(dǎo)致的問題甚至更加如此。由于此情形，在一 些實(shí)例中可能有足夠的單元分辨率。然而，此需要以將巨型儲(chǔ)層模型劃分成單獨(dú)扇區(qū)為代 價(jià)的折衷。接著單獨(dú)地處理不同的單獨(dú)扇區(qū)各自的數(shù)據(jù)。
組成儲(chǔ)層模擬也需要對(duì)儲(chǔ)層中的流體的相平衡組成進(jìn)行快速且準(zhǔn)確的計(jì)算。典型 的儲(chǔ)層模擬是以在地層流體中存在若干種烴類組分(基于實(shí)驗(yàn)室流體表征，所述組分可大 約為從8到17種)以及水為基礎(chǔ)。
已越來越多地關(guān)注用于考慮到經(jīng)增強(qiáng)油回收方法及CO2埋存的儲(chǔ)層分析。為了使 用于此目的的模擬結(jié)果準(zhǔn)確，必須將無機(jī)組分(例如氮、CO2、硫化物)作為將由于這些過程 而存在于儲(chǔ)層中的儲(chǔ)層流體與烴類及水包含在一起。因此，將無機(jī)組分包含到儲(chǔ)層模擬過 程中增加了儲(chǔ)層烴類組分及水的已經(jīng)很大的數(shù)目。
對(duì)儲(chǔ)層中隨著時(shí)間的流體組成及行為的模擬一直由針對(duì)以各種比例存在于儲(chǔ)層 單元中的多組分烴類中的每一者及水的狀態(tài)方程式(或E0S)確定支配。如所提及，在所計(jì) 劃的儲(chǔ)層開采期限內(nèi)若干個(gè)間隔開的時(shí)間間隔處在儲(chǔ)層模擬期間針對(duì)儲(chǔ)層單元中的每一 者做出EOS確定。取決于在所計(jì)劃的儲(chǔ)層開采期限內(nèi)的壓力改變等，還必須考慮到存在的 烴類的相對(duì)百分比以及氣相及液相或蒸汽相的相對(duì)量。
最近關(guān)注度增加的另一領(lǐng)域一直為用以監(jiān)視開采油氣井田的在線/交互式儲(chǔ)層 模擬(也稱為I井田技術(shù))的領(lǐng)域。與本申請案共同擁有的第2009/0276100號(hào)美國公開 專利申請案即為此類型的實(shí)時(shí)儲(chǔ)層管理的實(shí)例。為使此類型的在線/交互式模擬有意義且 有效，重要地，儲(chǔ)層模擬器以將保持跟上從儲(chǔ)層實(shí)時(shí)獲取井田測量數(shù)據(jù)的速率的速度產(chǎn)生 準(zhǔn)確的結(jié)果。
轉(zhuǎn)讓給本申請案的受讓人的第7，526，418號(hào)美國專利提供一種用于處理巨型儲(chǔ) 層模型的某些方面的模擬器。如此一來，儲(chǔ)層被組織成若干單元，所述單元被組織成具有數(shù)百萬個(gè)單元的模型。雖然提供了處理時(shí)間的顯著減少及較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分辨率，但此項(xiàng)技術(shù) 中的最近需要已增加儲(chǔ)層模擬中的數(shù)據(jù)處理速記及準(zhǔn)確度要求。
現(xiàn)有技術(shù)中展示了在其它背景中為避免大量計(jì)算或處理計(jì)算機(jī)時(shí)間而已采取的 其它簡化及折衷措施的實(shí)例。美國專利7，548，840為通過減少將使用近似計(jì)算的變量(組 分)的數(shù)目而節(jié)省計(jì)算機(jī)時(shí)間的努力的實(shí)例。
當(dāng)并不既定應(yīng)用于數(shù)百萬(或數(shù)十億)單元組成儲(chǔ)層模擬時(shí)，則在許多情況中可 能容忍緩慢的常規(guī)方法。舉例來說，當(dāng)僅涉及地表設(shè)施而不涉及儲(chǔ)層時(shí)(如在混合流體流 的開采分配系統(tǒng)中)，商用(基于CPU)過程模擬器通常已相當(dāng)充分。美國專利7，373，285 即為其中處理速度并非問題的此類應(yīng)用的實(shí)例。發(fā)明內(nèi)容
簡單地說，本發(fā)明提供一種在多個(gè)數(shù)據(jù)處理器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)化模擬的 新且改進(jìn)的方法。所述數(shù)據(jù)處理器包含至少一個(gè)中央處理單元及至少一個(gè)圖形處理單元以 及輸出顯示器。所述計(jì)算機(jī)化模擬是針對(duì)巨型地表下儲(chǔ)層的組分烴類流體中的油相及氣相 的組分組成變量進(jìn)行的且經(jīng)完成以從所述儲(chǔ)層模擬動(dòng)態(tài)及開采。將正模擬的巨型地表下儲(chǔ) 層分割成布置成經(jīng)組織單元系統(tǒng)的若干個(gè)單元。所述模擬基于所述儲(chǔ)層的所述單元的地質(zhì) 與流體表征信息。本發(fā)明的方法涉及在所述中央處理單元中接收所述單元及所述儲(chǔ)層的地 質(zhì)與流體表征信息并將所述地質(zhì)與流體表征信息傳送到所述圖形處理單元的計(jì)算機(jī)處理 步驟。本發(fā)明的方法還包含在所述圖形處理單元中處理所述地質(zhì)與流體表征信息以確定所 述儲(chǔ)層的所述單元的組分流體中的流體相的所述組分組成變量的相。接著將所述組分組成 變量的所述所確定的相從所述圖形處理單元傳送到所述中央處理單元。形成所述巨型地表 下儲(chǔ)層中的所要位置處所述單元的所述油相及氣相的個(gè)別烴類物質(zhì)的所述組分組成變量 的輸出顯示以因此從所述巨型儲(chǔ)層模擬動(dòng)態(tài)及開采。
本發(fā)明還提供一種用于對(duì)地球中的儲(chǔ)層的地下層狀地層中的流體的狀態(tài)改變進(jìn) 行計(jì)算機(jī)化模擬的新且改進(jìn)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包含中央處理器，其在中 央處理單元中接收單元及所述儲(chǔ)層的地質(zhì)與流體表征信息并將所述地質(zhì)與流體表征信息 傳送到所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的圖形處理單元。所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)還包含圖形處理器，所述圖 形處理器處理所述地質(zhì)與流體表征信息以確定所述儲(chǔ)層的所述單元的組分流體中的相的 組分組成變量的相。所述圖形處理器還將所述儲(chǔ)層的所述單元的組分烴類流體中的所述油 相及氣相的所述組分組成變量的所述所確定的相傳送到所述中央處理單元。所述數(shù)據(jù)處理 系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)所述儲(chǔ)層的所述單元的組分烴類流體中的所述油相及氣相的所述組 分組成變量的所述所確定的相。
本發(fā)明進(jìn)一步提供一種其中存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)可讀媒體計(jì)算機(jī)可操作指令的新且改 進(jìn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，所述計(jì)算機(jī)可讀媒體計(jì)算機(jī)可操作指令用于使包括至少一個(gè)中央處理 單元、至少一個(gè)圖形處理單元及輸出顯示器的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)模擬地球中的地下層狀地層中 的流體的狀態(tài)改變。存儲(chǔ)于所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置中的所述指令致使所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在所述 中央處理單元中接收單元及儲(chǔ)層的地質(zhì)與流體表征信息且還將所述地質(zhì)與流體表征信息 傳送到所述圖形處理單元。所述指令致使在所述圖形處理單元中處理所述地質(zhì)與流體表征 信息以確定所述儲(chǔ)層的所述單元的組分流體中的相的組分組成變量的相。所述指令還致使將所述組分組成變量的所述所確定的相從所述圖形處理單元傳送到所述中央處理單元。所 述指令還致使形成巨型地表下儲(chǔ)層中的所要位置處所述單元的油相及氣相的個(gè)別烴類物 質(zhì)的組分組成變量的輸出顯示。


圖1是組織成若干個(gè)單元的巨型地下烴類儲(chǔ)層的組成模型的等軸視圖。
圖2是從圖1的組成烴類儲(chǔ)層模型放大的鄰近單元群組的等軸視圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的針對(duì)儲(chǔ)層模擬組織的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的示意圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的在地下儲(chǔ)層的計(jì)算機(jī)化儲(chǔ)層模擬期間在圖3的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元或CPU中執(zhí)行的一組數(shù)據(jù)處理步驟的一部分的功能框圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的在地下儲(chǔ)層的計(jì)算機(jī)化儲(chǔ)層模擬期間在圖3的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 圖形處理單元或GPU中執(zhí)行的一組數(shù)據(jù)處理步驟的部分的功能框圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的在地下儲(chǔ)層的計(jì)算機(jī)化儲(chǔ)層模擬期間在圖3的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元或CPU中執(zhí)行的一組數(shù)據(jù)處理步驟的一部分的功能框圖。
具體實(shí)施方式
在圖式中，字母M標(biāo)識(shí)地表下烴類儲(chǔ)層的一部分的簡化模型，針對(duì)所述地表下烴 類儲(chǔ)層，根據(jù)本發(fā)明基于針對(duì)儲(chǔ)層的單元獲得的地質(zhì)與流體表征信息而在所估計(jì)開采期限 內(nèi)模擬基于操作條件及參數(shù)的開采結(jié)果。因此，所獲得的結(jié)果為可用的且用于歷史動(dòng)態(tài)的 模擬及從儲(chǔ)層的開采的預(yù)報(bào)。基于此模擬的結(jié)果，接著形成組成模型(例如第7，526，418 號(hào)美國專利中所描述及展示的那些模型)且其可用于評(píng)估及分析。第7，526，418號(hào)美國專 利為本發(fā)明的受讓人所擁有且以引用的方式并入本文中。
在預(yù)期儲(chǔ)層開采期限內(nèi)針對(duì)其模擬開采數(shù)據(jù)的類型的實(shí)例性儲(chǔ)層(如模型M所圖 解說明)通常為此項(xiàng)技術(shù)中的人員稱為巨型儲(chǔ)層的儲(chǔ)層。巨型儲(chǔ)層在地球下面延伸的長 度、寬度及深度可為數(shù)英里，且可(舉例來說)具有大約三千億立方英尺的體積或大小。
將模型M分割成適合尺寸的若干個(gè)單元C，圖2中以從圖1放大的形式及比例描繪 所述單元中的數(shù)個(gè)鄰近單元。在出于分析目的將儲(chǔ)層的體積分割成有意義大小的若干單元 時(shí)，在儲(chǔ)層中的共同參考平面中(在儲(chǔ)層中的所述位置處深度或厚度為15英尺或更小)， 典型的單元各自沿著其橫向尺寸為80英尺左右。在一些模型中，所述厚度可為半英尺。因 此，圖1的模型M表示由具有這些尺寸的一百萬或更多個(gè)單元構(gòu)成的儲(chǔ)層。將了解，出于說 明性目的，與模型M相比，圖式中展示為形成模型M的單元C被顯著放大。關(guān)于此類型及復(fù) 雜度的模型的進(jìn)一步信息闡述于先前所提及的以引用方式并入的第7，526，418號(hào)美國專 利中。
在模型M的單元C中，存在流體壓力以及組成流體的各種組分的摩爾隊(duì)。目前，出 于儲(chǔ)層模擬目的，期望針對(duì)可能作為組分流體存在于單元C的組成流體中的具有摩爾Ni到 Nn且包含Ni及Nn的多達(dá)8到17種(或更多)可能組分的烴類流體以及具有摩爾Nw的水 分析儲(chǔ)層開采數(shù)據(jù)。
在幾何學(xué)上，出于參考及定位目的，模型M中的每一個(gè)別單元C位于x、y、z坐標(biāo)系 中的數(shù)值坐標(biāo)位置1、J、K處,如圖1中在坐標(biāo)x =1、y = J及Z=K處所展示,且位置(1、J、K)處的單元C中的N。種可能流體組分η中的每一者具有在液相中的可能摩爾分?jǐn)?shù)Xi及在氣相中的可能摩爾分?jǐn)?shù)yi。
組成儲(chǔ)層模擬需要對(duì)儲(chǔ)層中的流體的相平衡組成進(jìn)行快速且準(zhǔn)確的計(jì)算。最近對(duì)經(jīng)增強(qiáng)油回收方法及CO2埋存的關(guān)注要求將這些及其它無機(jī)組分添加到模型中所包含的數(shù)目已經(jīng)很大的烴類組分。
因此，可了解，模型M中的單元及組成流體的組分的數(shù)目大大超出了常規(guī)組成儲(chǔ)層模擬器的正常處理能力且儲(chǔ)層將被視為巨型的。因此，就目前所知，此大小的儲(chǔ)層的模擬可能僅通過簡化或假設(shè)進(jìn)行，此將危害模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度，如上文也已描述。本申請案的受讓人所擁有的第7, 526，418號(hào)、第7，660，711號(hào)及第7，596，480號(hào)美國專利即為用以減少這些簡化及假設(shè)中的一些的影響的方式的實(shí)例。這些專利中的一些(例如第7，526，418號(hào)及第7，660，711號(hào)美國專利)已使用狀態(tài)方程式(EOS)處理技術(shù)。
一組完整的相平衡確定應(yīng)不僅包含儲(chǔ)層中的流體的相分(油對(duì)氣體的比例)而且包含儲(chǔ)層中的那兩種相中的每一者中的每一烴類或非烴類組分的個(gè)別組成(摩爾分?jǐn)?shù))。 使用狀態(tài)方程式處理技術(shù)的熱力學(xué)相平衡計(jì)算是組成儲(chǔ)層模擬的本質(zhì)組成部分。由于狀態(tài)方程式是高度復(fù)雜且非線性的數(shù)學(xué)函數(shù)，因此迭代程序需要仔細(xì)地線性化這些方程式，從而對(duì)計(jì)算負(fù)擔(dān)施加進(jìn)一步的需求。
為加速這些確定而通常做出的簡化假設(shè)中的一者一直是將儲(chǔ)層條件視為等溫的。 具體來說，在確定儲(chǔ)層流體條件時(shí)，未考慮到儲(chǔ)層溫度對(duì)流體的相條件的影響。然而，事實(shí)上，用于EOS確定的支配方程式組實(shí)際上是基于儲(chǔ)層流體的兩種相的熱力學(xué)逸度的相等性。準(zhǔn)確的EOS確定必須考慮到儲(chǔ)層中的非等溫條件的影響。此可通過在模擬過程中包含流體相的逸度的確定來實(shí)現(xiàn)。
在熱力學(xué)中，流體的相的逸度的自然對(duì)數(shù)是流體的P-V-T (壓力-體積-溫度)性質(zhì)的積分。因此，為準(zhǔn)確模擬及評(píng)估而準(zhǔn)確處理儲(chǔ)層數(shù)據(jù)需要與P-V-T性質(zhì)相關(guān)的狀態(tài)方程式(E0S)。然而，逸度積分的分析積分法導(dǎo)致執(zhí)行起來計(jì)算昂貴的復(fù)雜對(duì)數(shù)表達(dá)式。
申請人已確定追蹤10種或更多種組分的“閃蒸”或逸度平衡可占總儲(chǔ)層模擬時(shí)間的40%或更多。在油氣工業(yè)中所使用的類型的組成儲(chǔ)層模擬器中，典型的EOS計(jì)算(具有 8到17種或更多組分)可占用總計(jì)算時(shí)間的40%或更多，此取決于流體中的烴類組分及存在于油中及/或作為經(jīng)增強(qiáng)回收機(jī)制的一部分添加的無機(jī)組分(例如，C02、N2&H2S)的數(shù)目。因此，獲得指示包含溫度的儲(chǔ)層條件的準(zhǔn)確模擬結(jié)果使模擬計(jì)算時(shí)間增加達(dá)一數(shù)量級(jí)或更多。此為已經(jīng)冗長的計(jì)算機(jī)處理時(shí)間的實(shí)質(zhì)性增加，從而增加可在任何給定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行的儲(chǔ)層研究且對(duì)其強(qiáng)加時(shí)間約束。
借助本發(fā)明，如圖2中所示意性地展示，模型M的特定區(qū)域或細(xì)分區(qū)中鄰近單元C 的適合群組G由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)P分配給CPU 12 (圖3)與GPU 14群組(圖3)的特定“節(jié)點(diǎn)”以供處理。因此，可并行使用多個(gè)計(jì)算“節(jié)點(diǎn)”(通常由一個(gè)或一個(gè)以上CPU及一個(gè)GPU 構(gòu)成)以便將儲(chǔ)層細(xì)分成單獨(dú)的計(jì)算任務(wù)，使得每一 CPU-GPU節(jié)點(diǎn)或組合處理在儲(chǔ)層的其特定經(jīng)指派細(xì)分區(qū)中的數(shù)據(jù)。
以此方式，可通過將一個(gè)群組G的數(shù)萬個(gè)(或甚至更多)單元指派給專用于那些單元的特定CPU-GPU組合以供計(jì)算處理來并行處理由數(shù)百萬或 數(shù)十億個(gè)單元組成的儲(chǔ)層模型。由于單元的熱力學(xué)閃蒸計(jì)算僅取決于個(gè)別單元的組成、壓力及溫度性質(zhì)，因此容易實(shí)現(xiàn)高度可縮放的并行度，因?yàn)獒槍?duì)計(jì)算處理任何單元都不取決于來自任何其它單元的處理結(jié)果。
現(xiàn)在考慮根據(jù)本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如圖3中所圖解說明，提供用于對(duì)地球中 的儲(chǔ)層的模型的地下層狀地層中的流體的狀態(tài)改變進(jìn)行計(jì)算機(jī)化模擬的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)P。 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)P包含一個(gè)或一個(gè)以上中央處理單元或CPU 12。CPU 12具有與其相關(guān)聯(lián)的用 于儲(chǔ)層單元地質(zhì)與流體表征信息的儲(chǔ)層存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)庫16以及用戶接口 18。用戶接口 18 包含用于顯示圖形圖像的圖形顯示器20、打印機(jī)或其它適合圖像形成機(jī)構(gòu)以及用以提供用 戶存取以操縱、存取處理結(jié)果、數(shù)據(jù)庫記錄及其它信息并提供其輸出形式的用戶輸入裝置 22。
儲(chǔ)層存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)庫16通常在外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)28的存儲(chǔ)器26中。插入數(shù) 據(jù)庫16含有包含模型M中的單元的結(jié)構(gòu)、位置及組織的數(shù)據(jù)以及關(guān)于井、處理設(shè)施的數(shù)據(jù)、 包含所測量靜態(tài)井底壓力數(shù)據(jù)的時(shí)間相關(guān)井開采數(shù)據(jù)、包含所測量井口壓力的時(shí)間相關(guān)注 入井?dāng)?shù)據(jù)及注入速率數(shù)據(jù)、地質(zhì)信息與流體表征信息以及供在儲(chǔ)層模擬中使用的其它儲(chǔ)層 開采記錄及參數(shù)，如下文將描述。
數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)P的CPU計(jì)算機(jī)12包含處理器30及耦合到處理器30以存儲(chǔ)操作 指令、控制信息且視需要而用作存儲(chǔ)或傳送緩沖器的內(nèi)部存儲(chǔ)器32。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)P包含 存儲(chǔ)于一或若干CPU 14的存儲(chǔ)器32中的程序代碼34。根據(jù)本發(fā)明，程序代碼34呈計(jì)算機(jī) 可操作指令的形式，其致使CPU 12來回地傳送數(shù)據(jù)以供GPU 14處理以模擬地下地層中的 流體的狀態(tài)改變，如將闡述。
應(yīng)注意，程序代碼34可呈微代碼、程序、例程或符號(hào)計(jì)算機(jī)可操作語言的形式，其 提供控制數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)P的運(yùn)行且引導(dǎo)其操作的一組特定有序操作。程序代碼34的指令 可存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器32中或計(jì)算機(jī)磁盤、磁帶、常規(guī)硬盤驅(qū)動(dòng)器、電子只讀存儲(chǔ)器、光學(xué)存儲(chǔ)裝 置或其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)可使用媒體的其它適當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置上。程序代碼34還可作為計(jì) 算機(jī)可讀媒體含在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置上。
圖形單元或GPU 14為通用可編程圖形處理單元，通常還稱為GPGPU。GPU 14經(jīng) 編程以使用EOS計(jì)算針對(duì)各種組分流體確定儲(chǔ)層中的流體的相組成，如將闡述，針對(duì)流體 中的烴類組分及存在于油中及/或作為經(jīng)增強(qiáng)回收機(jī)制的一部分添加的無機(jī)組分(例如， CO2、N2 及 H2S)。
雖然本發(fā)明與所使用的特定計(jì)算機(jī)硬件無關(guān)，但本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是基于四核 心CPU及240核心NVidia GPU。CPU 12呈AMD四核心Barcelona 2. 5GHz處理器的形式， 且在此實(shí)施例中，GPU 14是240核心NVidia Tesla S1070。然而，應(yīng)理解，還可使用其它計(jì) 算機(jī)硬件，如下文將闡述。
本發(fā)明利用雙層方法以經(jīng)由GPU 14加速，此提供勝過較早方法不止一數(shù)量級(jí)的 速度改進(jìn)。本發(fā)明在包含CPU 12及GPU 14兩者的異質(zhì)(混合)計(jì)算機(jī)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層模 擬。因此，本發(fā)明提供用于使用狀態(tài)方程式(EOS)建模進(jìn)行熱力學(xué)相平衡計(jì)算的基于計(jì)算 機(jī)的系統(tǒng)。本發(fā)明經(jīng)設(shè)計(jì)及實(shí)施以利用GPU(圖形處理單元)14的計(jì)算加速能力。
在本發(fā)明中獲得的使儲(chǔ)層模擬過程的EOD處理序列加速一數(shù)量級(jí)或更多可具有 在節(jié)省計(jì)算機(jī)時(shí)間、減少成本且還允許在給定時(shí)間約束內(nèi)執(zhí)行更多儲(chǔ)層研究方面的實(shí)質(zhì)性 影響。本發(fā)明的另一重要應(yīng)用是在用以監(jiān)視開采油氣井田的在線/交互式儲(chǔ)層模擬(I井田技術(shù))中。如將闡述，在一些實(shí)例中，處理時(shí)間已實(shí)現(xiàn)17倍的加速。在本發(fā)明中由GPU 對(duì)計(jì)算的加速實(shí)現(xiàn)比先前可能實(shí)現(xiàn)的快得多的確定，使得儲(chǔ)層模擬器可跟上井田測量的實(shí) 時(shí)數(shù)據(jù)獲取。
建模方法及數(shù)學(xué)基礎(chǔ)
根據(jù)本發(fā)明的熱力學(xué)相平衡計(jì)算采取圖式的圖4、5及6中所圖解說明的以下組 的處理步驟的形式。借助本發(fā)明，CPU負(fù)責(zé)讀取數(shù)據(jù)、提供邏輯控制并分配局部存儲(chǔ)器。此 外，借助本發(fā)明，將繁重的計(jì)算負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)移給GPU。將信息從CPU傳送到GPU需要低級(jí)C程序 設(shè)計(jì)(例如，NVidia的CUDA-C)或高級(jí)F0RTRAN-90程序設(shè)計(jì)(例如，CUDA-F0RTRAN或加速 指令，如在波特蘭集團(tuán)(Portland Group)的商用PGF90編譯器中)。
在任一情況中，針對(duì)儲(chǔ)層模型中的每個(gè)單元在三階段過程中招致某一量的額外開 銷(a)將數(shù)據(jù)(壓力、溫度及單元組成)從CPU傳送到GPU，如圖4中所指示；(b)在GPU 中執(zhí)行計(jì)算以確定相穩(wěn)定性、相的分裂比及密度以及每組分個(gè)別相組成，如圖5中所圖解 說明；及(c)將在GPU處理期間產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果傳送回到CPU且從所述CPU傳送到數(shù)據(jù)庫， 如圖6中所展示。
假定涉及大量計(jì)算，結(jié)果已展示，與從在GPU上執(zhí)行計(jì)算密集算法(階段b)獲得 的顯著性能增益(加速)相比，數(shù)據(jù)在CPU與GPU之間的雙向傳送(階段a及c)的成本為 相對(duì)小的。對(duì)于儲(chǔ)層模擬中的數(shù)百萬及數(shù)十億單元要求，尤其如此。
在階段a期間，如圖4中所圖解說明，在特定所關(guān)注時(shí)間處針對(duì)模型M從儲(chǔ)層數(shù)據(jù) 庫存儲(chǔ)器16讀取數(shù)據(jù)，如在步驟100處所指示。接著分配CPU 12中的內(nèi)部存儲(chǔ)器32，如在 102處所指示，且在階段104期間，根據(jù)上文所描述的數(shù)據(jù)分配或細(xì)分將儲(chǔ)層數(shù)據(jù)傳送到經(jīng) 指派GPU 14。
由于狀態(tài)方程式為高度復(fù)雜且非線性的數(shù)學(xué)函數(shù)，因此迭代程序需要仔細(xì)地線性 化這些方程式，從而對(duì)計(jì)算負(fù)擔(dān)施加進(jìn)一步的需求?？蓪⒔M成模擬器中的每一單元視為與 煉油廠中的分裂器或分離器單元相當(dāng)，其在給定壓力及溫度下以類似此煉廠單元的方式執(zhí) 行油的組分之間的閃蒸分離。因此，狀態(tài)方程式分析需要迭代確定過程來收斂到每一組分 的相之間的逸度的相等性。預(yù)期隨著每一單元中的壓力、溫度及組成改變，組成模擬器例行 且穩(wěn)健地執(zhí)行此些閃蒸計(jì)算(取決于模型中的單元的數(shù)目，甚至達(dá)數(shù)十億次)。
在階段b (圖5)期間，在GPU的節(jié)點(diǎn)中執(zhí)行的處理步驟具有三個(gè)類別。第一或初 始處理步驟110涉及每一儲(chǔ)層單元中的穩(wěn)定性分析確定。求出表示混合物的吉布斯自由能 的最小化的多組分方程式系統(tǒng)以如在步驟112處所指示確定在現(xiàn)有的壓力及溫度條件下 組分混合物是以一種單相還是以多相存在。下文在標(biāo)題為“穩(wěn)定性分析”的章節(jié)中更詳細(xì) 地描述此處理。
第二類型的處理是針對(duì)單相儲(chǔ)層單元的相識(shí)別的處理。在此處理期間，如果在第 一處理的步驟112中確定了單相，那么在步驟114期間將所述相識(shí)別為液相或氣相。下文 在“相識(shí)別”章節(jié)中更詳細(xì)地描述此處理。
在步驟116處指示GPU 16中的第三類型的處理，其涉及針對(duì)兩相儲(chǔ)層單元的閃蒸 計(jì)算。在此處理期間，將在第一或初始處理期間確定為存在有兩種相的單元“閃蒸”成其液 體及氣體分裂餾分以確定每一相中的每一組分的個(gè)別組成(摩爾分?jǐn)?shù))。用于此確定的支 配方程式組是兩種相中的熱力學(xué)逸度的相等性。這些方程式為高度線性的且針對(duì)混合物中的每一組分公式化一個(gè)此種方程式。在熱力學(xué)中，逸度的自然對(duì)數(shù)是流體的P-V-T(壓力-體積-溫度)性質(zhì)的積分，且因此，其評(píng)估需要與P-V-T性質(zhì)相關(guān)的狀態(tài)方程式(E0S)。
本發(fā)明使用兩個(gè)通用的EOS :彭-羅賓遜(Peng-Robinson)及索阿維-雷德利希-廣卩(Soave-Redlich-Kwong)。逸度積分的分析積分法導(dǎo)致執(zhí)行起來計(jì)算昂貴(且非常有利于GPU中的處理)的復(fù)雜對(duì)數(shù)表達(dá)式。下文在章節(jié)“EOS與性質(zhì)確定”中更詳細(xì)地描述狀態(tài)方程式處理。下文在章節(jié)“針對(duì)兩相單元的閃蒸計(jì)算”中描述閃蒸計(jì)算處理。當(dāng)完成針對(duì)模型的單元的步驟處理時(shí)，將儲(chǔ)層模擬結(jié)果傳送到CPU 12，如在步驟118處所指示。
在處理的階段c (圖6)期間，如在步驟120處所指示，在CPU 12中接收來自GPU 14的儲(chǔ)層模擬結(jié)果以繼續(xù)模擬，且接著將其傳送到儲(chǔ)層數(shù)據(jù)庫16，如步驟122所指示。如在步驟124處所指示將時(shí)間間隔遞增到下一所關(guān)注時(shí)間，且處理控制再次轉(zhuǎn)移到步驟100 以接收另一組數(shù)據(jù)。如在步驟128處所指示，可借助顯示器20在適當(dāng)時(shí)間處形成所關(guān)注數(shù)據(jù)的輸出顯示。
在每一單元處針對(duì)模擬器的每一非線性迭代且在每一時(shí)間步長處執(zhí)行圖5中所圖解說明的處理步驟?？紤]巨型儲(chǔ)層的典型模型可具有5千億個(gè)單元且針對(duì)50年模擬需要每時(shí)間步長平均4個(gè)非線性迭代及平均2000個(gè)時(shí)間步長，在GPU處理期間執(zhí)行的相平衡計(jì)算的數(shù)目可容易達(dá)到數(shù)萬億。因此，模擬的此本質(zhì)內(nèi)核的加速對(duì)總體模擬周轉(zhuǎn)時(shí)間具有戲劇性的影響。如較早所論述，穩(wěn)定性分析處理涉及多個(gè)對(duì)數(shù)評(píng)估。類似地，步驟116的閃蒸計(jì)算處理具有多個(gè)超越函數(shù)評(píng)估。借助本發(fā)明執(zhí)行的步驟110的處理有助于對(duì)GPU的非常有效的利用。
在本發(fā)明的算法中，在兩個(gè)不同層級(jí)上利用借助本發(fā)明通過GPU提供的加速。在第一層級(jí)上，在GPU中求出多種組分的吉布斯自由能最小化及逸度方程式系統(tǒng)的迭代非線性解以獲得加速。這些方程式的復(fù)雜數(shù)學(xué)形式從經(jīng)加速的數(shù)值計(jì)算獲益，因?yàn)槠湓u(píng)估在典型的組成儲(chǔ)層模擬期間可能執(zhí)行數(shù)十億次。
在第二層級(jí)上，使一組競爭回歸方程式與之前的壓力及組成計(jì)算擬合，且使用選定的選擇以便依據(jù)針對(duì)新壓力及組成的閃蒸計(jì)算預(yù)測結(jié)果，因此節(jié)省非線性迭代的花費(fèi)。 回歸方程式采用當(dāng)在GPU上執(zhí)行時(shí)極其快速的超越函數(shù)及分?jǐn)?shù)求冪，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)通過非線性方程式的迭代解提供的加速水平的額外加速水平。
可并行使用多個(gè)計(jì)算“節(jié)點(diǎn)”(通常由一個(gè)或一個(gè)以上CPU及一個(gè)GPU構(gòu)成)以便將儲(chǔ)層細(xì)分成單獨(dú)的計(jì)算任務(wù)，使得每一 CPU-GPU組合處理在儲(chǔ)層的其特定細(xì)分區(qū)中的數(shù)據(jù)。以此方式，可通過將數(shù)萬(或甚至數(shù)百萬)個(gè)單元指派給每一 CPU-GPU組合來并行處理由數(shù)百萬或數(shù)十億個(gè)單元組成的儲(chǔ)層模型。假定熱力學(xué)閃蒸計(jì)算僅取決于每個(gè)單元處的組成、壓力及溫度性質(zhì)，則自然地實(shí)現(xiàn)高度可縮放的并行度，因?yàn)槿魏螁卧疾蝗Q于任何其它單元的結(jié)果。
應(yīng)注意,此符號(hào)CPU-GPU過程與實(shí)施方案的并行度不同,但與其互補(bǔ)。由一個(gè)或一個(gè)以上多核心CPU及一個(gè)眾核心GPU組成的每一計(jì)算機(jī)“節(jié)點(diǎn)”通過并行化的域分解(即， MPI實(shí)施方案)而僅處置指派給其的儲(chǔ)層“塊”。大量的這些節(jié)點(diǎn)并行操作，其中典型的計(jì)算“群集 ”由那些節(jié)點(diǎn)中的512個(gè)組成，每一節(jié)點(diǎn)由兩個(gè)4核心CPU及一個(gè)240核心GPU組成。
當(dāng)前，“多核心” CPU的標(biāo)識(shí)正在每CPU4個(gè)與8個(gè)計(jì)算核心之間演變，且“眾核心” GPU的標(biāo)識(shí)正在每GPU 240個(gè)與512個(gè)計(jì)算核心之間演變。目前，CPU核心含有比GPU核心顯著更多的存儲(chǔ)器(約100X)及更高的時(shí)鐘頻率 (約2X到3X)。有限的存儲(chǔ)器強(qiáng)加對(duì)在CPU與GPU之間選擇性地傳送所需信息(上文所 描述的階段a及c)的需要。還應(yīng)注意，相對(duì)于CPU，GPU核心的較慢時(shí)鐘因GPU核心對(duì)CPU 核心的大得多的數(shù)目(50X到100X)而得到更多補(bǔ)償。E0S及性質(zhì)確定假設(shè)多組分流體行為遵循熱力學(xué)狀態(tài)方程式(E0S)。所選的E0S對(duì)于液相及蒸汽 相兩者來說均應(yīng)為準(zhǔn)確的，因?yàn)槠渲饕康氖窃谙嗥胶庥?jì)算期間提供兩種相的密度及逸度 系數(shù)。本發(fā)明提供使用彭-羅賓遜或索阿維-雷德利希-鄺(業(yè)內(nèi)廣泛已知的兩個(gè)通用狀 態(tài)方程式)的選擇。這些狀態(tài)方程式的一般(或“典范”)形式為
權(quán)利要求
1.一種在多個(gè)數(shù)據(jù)處理器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行計(jì)算機(jī)化模擬的方法，所述多個(gè)數(shù)據(jù)處理器包含至少一個(gè)中央處理單元及至少一個(gè)圖形處理單元以及一輸出顯示器，所述計(jì)算機(jī)化模擬是針對(duì)巨型地表下儲(chǔ)層的組分烴類流體中的油相及氣相的組分組成變量進(jìn)行的以從所述儲(chǔ)層模擬動(dòng)態(tài)及開采，所述巨型地表下儲(chǔ)層是通過分割成布置成經(jīng)組織單元系統(tǒng)的若干個(gè)單元的模型模擬的，所述模擬進(jìn)一步基于所述儲(chǔ)層的所述單元的地質(zhì)與流體表征信息，所述方法包括以下計(jì)算機(jī)處理步驟(a)在所述中央處理單元中接收所述單元及所述儲(chǔ)層的地質(zhì)與流體表征信息；(b)將所述地質(zhì)與流體表征信息傳送到所述圖形處理單元；(C)在所述圖形處理單元中處理所述地質(zhì)與流體表征信息以確定所述儲(chǔ)層的所述單元的所述組分流體中的流體相的所述組分組成變量的相；(d)將所述組分組成變量的所述所確定的相從所述圖形處理單元傳送到所述中央處理單元；及(e)形成所述巨型地表下儲(chǔ)層中的所要位置處所述單元的所述油相及氣相的個(gè)別烴類物質(zhì)的所述組分組成變量的輸出顯示以從所述巨型儲(chǔ)層模擬動(dòng)態(tài)及開采。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述處理所述地質(zhì)與流體表征信息以確定所述組分組成變量的所述相的計(jì)算機(jī)處理步驟指示所述相為液體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其進(jìn)一步包含以下計(jì)算機(jī)處理步驟確定所述液相中的組分的摩爾分?jǐn)?shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其進(jìn)一步包含以下計(jì)算機(jī)處理步驟確定所述液相的密度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述處理所述地質(zhì)與流體表征信息以確定所述組分組成變量的所述相的計(jì)算機(jī)處理步驟指示所述相為氣體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其進(jìn)一步包含以下計(jì)算機(jī)處理步驟確定所述氣相中的組分的摩爾分?jǐn)?shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其進(jìn)一步包含以下計(jì)算機(jī)處理步驟確定所述氣相的密度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述處理所述地質(zhì)與流體表征信息以確定所述組分組成變量的所述相的計(jì)算機(jī)處理步驟包含確定所述單元的所述組分流體的所述流體相的熱力學(xué)穩(wěn)定性的步驟。
9.一種用于對(duì)地球中的儲(chǔ)層的地下層狀地層中的流體的狀態(tài)改變進(jìn)行計(jì)算機(jī)化模擬的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括(a)中央處理器，其用于執(zhí)行以下步驟(1)在中央處理單元中接收單元及所述儲(chǔ)層的地質(zhì)與流體表征信息；(2)將所述地質(zhì)與流體表征信息傳送到圖形處理單元；(b)圖形處理器，其用于執(zhí)行以下步驟(1)在所述圖形處理單元中處理所述地質(zhì)與流體表征信息以確定所述儲(chǔ)層的所述單元中的每一者的組分烴類流體中的油相及氣相的組分組成變量的相；(2)將所述儲(chǔ)層的所述單元的組分烴類流體中的所述油相及氣相的所述組分組成變量的所述所確定的相從所述圖形處理單元傳送到所述中央處理單元；及(C)存儲(chǔ)器，其用于存儲(chǔ)所述儲(chǔ)層的所述單元的組分烴類流體中的所述油相及氣相的所述組分組成變量的所述所確定的相。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其中所述在所述圖形處理器中處理所述地質(zhì)與流體表征信息以確定所述組分組成變量的所述相的計(jì)算機(jī)處理步驟指示所述相為液體。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含執(zhí)行以下計(jì)算機(jī)處理步驟的所述圖形處理器確定所述液相中的組分的摩爾分?jǐn)?shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含執(zhí)行以下計(jì)算機(jī)處理步驟的所述圖形處理器確定所述液相的密度。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其中所述在所述圖形處理器中處理所述地質(zhì)與流體表征信息以確定所述組分組成變量的所述相的步驟指示所述相為氣體。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含執(zhí)行以下計(jì)算機(jī)處理步驟的所述圖形處理器確定所述氣相中的組分的摩爾分?jǐn)?shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含執(zhí)行以下計(jì)算機(jī)處理步驟的所述圖形處理器確定所述氣相的密度。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其中所述在所述圖形處理器中處理所述地質(zhì)與流體表征信息以確定所述組分組成變量的所述相的步驟包含確定所述單元的所述組分流體中的流體相的熱力學(xué)穩(wěn)定性的步驟。
17.一種其中存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)可讀媒體計(jì)算機(jī)可操作指令的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，所述計(jì)算機(jī)可讀媒體計(jì)算機(jī)可操作指令用于致使包括至少一個(gè)中央處理單元及至少一個(gè)圖形處理單元以及一輸出顯示器的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)模擬地球中的地下層狀地層中的流體的狀態(tài)改變，存儲(chǔ)于所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置中的所述指令致使所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)執(zhí)行以下步驟(a)在所述中央處理單元中接收單元及儲(chǔ)層的地質(zhì)與流體表征信息；(b)將所述地質(zhì)與流體表征信息傳送到所述圖形處理單元；(C)在所述圖形處理單元中處理所述地質(zhì)與流體表征信息以確定所述儲(chǔ)層的所述單元中的每一者的組分烴類流體中的油相及氣相的組分組成變量的相；(d)將所述組分組成變量的所述所確定的相從所述圖形處理單元傳送到所述中央處理單元；及(e)形成巨型地表下儲(chǔ)層中的所要位置處所述單元的所述油相及氣相的個(gè)別烴類物質(zhì)的所述組分組成變量的輸出顯示以從所述巨型儲(chǔ)層模擬動(dòng)態(tài)及開采。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，其中所述組分組成變量的所述所確定的相指示所述相為液體，且所述指令進(jìn)一步包含致使所述數(shù)據(jù)處理器系統(tǒng)執(zhí)行以下計(jì)算機(jī)處理步驟的指令確定所述氣相的密度。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，其中所述組分組成變量的所述所確定的相指示所述相為液體，且所述指令進(jìn)一步包含致使所述數(shù)據(jù)處理器系統(tǒng)執(zhí)行以下計(jì)算機(jī)處理步驟的指令確定所述液相的密度。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，其中所述組分組成變量的所述所確定的相指示所述相為氣體，且所述指令進(jìn)一步包含以下計(jì)算機(jī)處理步驟確定所述氣相中的組分的摩爾分?jǐn)?shù)。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，其中所述組分組成變量的所述所確定的相指示所述相為氣體，且所述指令進(jìn)一步包含以下計(jì)算機(jī)處理步驟確定所述氣相的所述密度。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，其中所述致使所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)執(zhí)行所述處理所述地質(zhì)與流體表征信息以確定所述組分組成變量的所述相的步驟的指令包含用以執(zhí)行確定所述單元的所述組分流體中的流體相的熱力學(xué)穩(wěn)定性的步驟的指令。
全文摘要
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析來自被組織成若干個(gè)組分單元的巨型地表下烴類儲(chǔ)層的數(shù)據(jù)并基于熱力學(xué)相平衡的確定而使用狀態(tài)方程式EOS建模來模擬所述儲(chǔ)層中的條件。所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采取包含計(jì)算機(jī)處理器單元(或CPU)及圖形處理單元(或GPU)的異質(zhì)(混合)計(jì)算機(jī)環(huán)境的形式。所述系統(tǒng)利用所述圖形處理單元的計(jì)算加速能力，同時(shí)利用所述計(jì)算機(jī)處理單元來進(jìn)行數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)器的執(zhí)行控制、輸入/輸出。通過勝過現(xiàn)有方法不止一數(shù)量級(jí)的速度改進(jìn)而減少處理時(shí)間要求。
文檔編號(hào)G01V11/00GK103069306SQ201180038566
公開日2013年4月24日 申請日期2011年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者若熱·A·皮塔, 納比勒·M·阿勒扎邁勒, 阿里·H·多魯 申請人:沙特阿拉伯石油公司