油气虚拟仿真实验平台教学资源
该平台依托“湖北省能源地质与工程实验教学中心”与“构造与油气资源教育部重点实验室”这两个实验室。这两个实验室的分室“地震地质综合解释实验室”(图1)和中国地质大学与中国石化共建的“NEWS实验室”(图2)拥有1台HP ProLiant DL785 G6服务器与3台SunBlade2000工作站,1台HP8400工作站、3台HP ProliantML 350 G4p服务器,53台微机所组成(总计60个终端)。安装的软件主要用于地震资料解释及处理的GeoFrame、LandMark软件;用于储层反演及建模的Jason、Petro软件;用于盆地模拟的IES和BasinMod软件;用于构造及有限元模拟的ANSYS和Abaqus软件,开发了部分有知识产权的软件。能够同时提供60位同学的上机虚拟仿真实习。
(1)本平台已开展的虚拟仿真实验项目
本平台已开展的虚拟仿真实验共5项,具体见表2-1所示。
表2-1 油气虚拟仿真实验平台已开设的实验项目
序号 |
实验项目 |
实验内容 |
实验类型 |
1 |
构造变形的数值模拟实验 |
依托实验室服务器上装载的三维构造应力场模拟软件,模拟仿真地层的构造变形及其作用过程。 |
专业实验 |
2 |
层序形成过程模拟仿真实验 |
基于模拟仿真实验,了解并掌握层序地层学中海平面升、降变化控制了层序内部体系域的发育位置、层序的叠置样式以及有利储集相带的发育位置。 |
专业实验 |
3 |
含油气系统演化过程模拟仿真实验 |
通过模拟仿真实验,了解并掌握盆地构造演化、沉积充填和埋藏的过程中不同阶段油气生成、运移和聚集过程及空间变化特征。 |
专业实验 |
4 |
油藏开发过程模拟仿真实验 |
针对一个特定的油藏,通过改变生产井数、布井方式、油井开采措施等,设计出不同的开发方案,模拟油井的生产状况,分析生产效率及经济效益。 |
专业实验 |
5 |
全液压动力头钻机关键部件有限元模拟仿真实验 |
依托主虚拟机ANSYS模拟仿真软件,对钻机井架、动力头、起升油缸的三维模拟仿真,使学生对钻机在不同工况下的关键部件受力变形情况有一个感性认识 |
专业实验 |
实验项目1:构造变形的数值模拟实验
(1)实验内容:
依托实验室服务器上装载的三维构造应力场模拟软件(Abaqus),模拟仿真地层的构造变形及其作用过程。
(2)实验功能及效果
采用模拟仿真技术搭建的三维构造应力场有限元模拟Abaqus实验平台,建立目标体的几何模型并将目标体介质划分成不同的有限元单元(图3),对单元进行数值模拟分析,然后将每个单元结合起来进行整体研究,模拟结果具有可视化,并可开展交互式操作。该实验可以模拟地层在挤压、伸展、剪切等构造应力作用下产生褶皱弯曲及断裂的过程,再现构造变形的应力和应变的扩展态势(图4)。
图4 构造变形构造的模拟仿真实验
实验项目2:层序形成过程模拟仿真实验
(1)实验内容
依托层序地层模拟软件(软件名称),实现层序地层单元形成过程模拟仿真实验,了解、掌握层序地层学中海平面升降变化、沉降速率、沉积物供给等地质参数的变化,如何有效控制层序内部体系域的发育位置、层序的叠置样式以及有利储集相带的发育位置。
(2)实验功能及效果
基于层序地层单元形成过程模拟仿真实验,通过设定不同的地质模拟仿真参数(盆地初始形态、海(湖)平面曲线、构造沉降、沉积物供应等),观察层序地层单元的形成过程(图5-图10),复习课堂上学习的层序地层学基本知识、基本原理,能够让学生深刻理解层序发育的主要控制因素,强化层序地层学三大基本原理(A/S比值原理、沉积物体积分配原理、相分异原理)、掌握层序地层单元的叠置样式、发育过程和时空配置关系,刻画岩相纵向上组合特征和横向上展布特征,研究沉积体系和沉积相带的形成规律,分析储集相带的演变规律,明确在含油气系统中生、储、盖在空间上的成藏配置关系等问题。
图5 层序地层发育充填过程及其内部层序地层单元时-空分布模拟仿真
实验项目3: 含油气系统演化过程模拟仿真实验
(1)实验内容
通过模拟仿真实验(软件名称,具体内容),了解并掌握盆地构造演化、沉积充填和埋藏的过程中不同阶段油气生成、运移和聚集过程及空间变化特征。
(2)实验功能及效果
含油气系统演化过程受控于盆地构造演化和沉积充填以及地层埋藏,基于构造演化,沉积充填和地层埋藏认识基础之上建立盆地地质模型再现油气生成,运移和聚集以及在含油气系统演化过程中相关参数的变化(图11、12),从而来指示在不同时期盆地油气聚集的有利地区(图13),服务于油气勘探。
图15 开发后期油藏内含油饱和度分布
实验项目4:油藏开发过程模拟仿真实验
(1)实验内容
应用Petro软件,针对一个特定的油藏,通过改变生产井数、布井方式、油井开采措施等,设计出不同的开发方案,模拟油井的生产状况,分析生产效率及经济效益。
(2)实验功能及效果
通过模拟仿真实验,让学生了解不同开发方案对油藏开发效果的影响,理解地下油藏内油、气、水的渗流力学原理,理解导致油藏开发动态差异的基本原因,掌握研究剩余油的分布规律的基本方法。图27和28为采用不同开发方案前后的剩余油饱和度的分布图。
实验项目5:全液压动力头钻机关键部件有限元模拟仿真实验
(1)实验内容
依托主虚拟机ANSYS模拟仿真软件,以3500m全液压动力头钻机的关键部件为模拟仿真对象,通过ANSYS有限元软件,对钻机井架、动力头、起升油缸的三维模拟仿真,使学生对钻机在不同工况下的关键部件受力变形情况有一个感性认识。
(2)实验功能及效果
已经编好全液压动力头钻机关键部件的源码,只要通过ANSYS调用此源代码,即可依据参数自动建模求解分析。模拟仿真效果如下:
整体等效应力(KPa)和位移(mm)图
(2)本平台拟开展的虚拟仿真实验项目
本平台拟开展的虚拟仿真实验共6项,具体见表2-2所示。
油气勘探与开发是一个复杂、庞大、高技术且具有高风险的一个系统工程,主要是通过地球物理、地球化学等手段,探查地下深部的油气藏位置并进行钻探和开发,其中所涉及的:地质模型及其形成过程、油气成藏过程、油田开发过程等方面是教学中的主要内容,这些过程无法通过实验室的真实实验来完成,只能通过计算机的模拟来再现其形成过程,了解其作用机理。基于前期模拟仿真实验研究的经验及基础,结合油气学科的特点,重点开展如下几个方面的模拟仿真研究(表2-2):
表2-2 油气虚拟仿真实验平台拟开展的实验项目
序号 |
实验项目 |
实验内容 |
实验目的 |
实验性质 |
1 |
沉积过程的模拟仿真实验 |
基于展示性、演示性、交互式模拟仿真实验设计,展示不同沉积类型的沉积发育过程、储集相带分布及演变规律。 |
通过模拟,实现自然界不可逆的沉积过程,观察、描述沉积细节,刻画岩相纵向上组合特征和横向上展布特征,研究沉积体系和沉积相带的形成规律,分析有利储集相带演变规律。 |
专业实验 |
2 |
储层类型模拟仿真实验 |
基于模拟仿真实验,实现海平面升降变化控制层序内部体系域的发育位置、层序的叠置样式以及有利储集相带的发育位置。 |
立足岩石标本的实物照片及视频资料,通过展示、演示性的手段,恢复储层沉积构造的的形成过程,以及据此判别其沉积环境和沉积相类型。 |
专业实验 |
3 |
烃源岩热演化及成熟生烃模拟仿真实验 |
通过设定影响烃源岩热演化的参数,再现烃源岩的热演化过程及各过程中烃类生成 |
通过交互式设计思路,让学生在给定不同参数设置条件下,再现烃源岩热演化及生烃过程及结果。 |
专业实验 |
4 |
油气运移模拟仿真实验 |
通过计算机模拟仿真,再现油气的排出过程(初次运移)和在输导层中的流动(二次运移) |
通过交互式设计,立足江汉油田的实际资料,模拟仿真油气运移的时间及形成,明确运移的形式。 |
专业实验 |
5 |
油气差异聚集模拟仿真实验 |
通过交互式的实验手段,通过改变系列圈闭的溢出点位置,动态再现油气的差异聚集过程 |
通过交互式设计,给定不同参数,模拟油气差异聚集的成果,让学生深刻理解油气差异聚集原理以及油气差异聚集所形成的不同结果。 |
专业实验 |
6 |
油气藏的保存与破坏实验 |
通过实验,产生不同的破坏条件,再现油气藏要得以保存所必需的条件,以及在破坏条件下产生的结果 |
结合江汉油气的实际资料,通过模拟不同条件下油气保存于破坏试验,让学生明白油气藏的保存和破坏是具有时间相对性的。 |
专业实验 |
(3)烃源岩热演化及成熟生烃模拟仿真实验:通过交互式的实验手段,设定影响烃源岩热演化的参数,再现烃源岩的热演化过程及各过程中烃类生成。特色在于通过交互式设计思路,让学生在给定不同参数设置条件下,再现烃源岩热演化及生烃过程及结果。
(4)油气运移模拟仿真实验:通过计算机模拟仿真,再现油气的排出过程(初次运移)和在输导层中的流动(二次运移)。特色在于通过交互式设计,立足江汉油田的实际资料,模拟仿真油气运移的时间及形成,明确运移的形式。
(5)油气差异聚集模拟仿真实验:通过交互式的实验手段,通过改变系列圈闭的溢出点位置,动态再现油气的差异聚集过程。特色在于通过交互式设计,给定不同参数,模拟油气差异聚集的成果,让学生深刻理解油气差异聚集原理以及油气差异聚集所形成的不同结果。
(6)油气藏的保存与破坏实验:通过交互式的实验手段,产生不同的破坏条件,再现油气藏要得以保存所必需的条件以及在破坏条件下产生的结果。特色在于结合江汉油气的实际资料,通过交互式设计,模拟不同条件下油气保存于破坏试验,让学生明白油气藏的保存和破坏是具有时间相对性的。