用于对水动力学和沉积物运移的耦合系统进行建模的系统和方法

摘要

描述了一种用于取决于地质边界条件的沉积建模的方法，包括接收硅质碎屑地层的基于过程的沉积模型；确定在基于过程的沉积模型的每个边界处的边界条件的类型，其中在至少一个边界上的边界条件是通量保持边界条件或离散边界条件中的一个，并且其中边界条件占水和沉积物随着时间变化流入基于过程的沉积模型、水和沉积物随着时间变化流出基于过程的沉积模型、以及下游控制中的至少一个；对取决于边界条件，沉积物和水流随着时间的速率进行建模，以建立建模的沉积体系；并分析建模的沉积体系以识别潜在的油气藏。该方法可以由计算机系统执行。

说明书

技术领域

所公开的实施例总体上涉及用于对流体动力学和沉积物运移的耦合系统进行建模的技术，并且具体地涉及利用边界条件处理改进对流体动力学和沉积物运移的耦合系统进行建模的方法。

背景技术

对地下油气的勘探需要对地下硅质碎屑岩层的良好理解。仅仅识别地下地层的结构不足以确定地下地层是否具有经济油气藏所需的性质。具体而言，理解地下地层内的对油气流动的屏障和隔板的组织和沉积物性质的空间分布是期望的。这些分布将取决于当现在形成地下地层的沉积物最初铺陈时发生的沉积过程。对这些过程进行建模是非常复杂的，因为它们受流体动力学和沉积物运移两者作为耦合系统的影响。

存在对改进的建模的需要，其将允许更好地理解地下岩层的沉积历史，以改进对这种地层中的潜在油气藏的识别。

发明内容

根据一些实施例，一种用于取决于地质边界条件的沉积建模的方法可以包括：接收感兴趣的硅质碎屑地层的基于过程的沉积模型；确定在基于过程的沉积模型的每个边界处的边界条件的类型，其中在至少一个边界上的边界条件是通量保持边界条件或离散边界条件中的一个，并且其中边界条件占水和沉积物随着时间变化流入基于过程的沉积模型，水和沉积物随着时间变化流出基于过程的沉积模型，以及下游控制中的至少一个；对取决于边界条件，沉积物和水流随着时间的速率进行建模，以建立建模的沉积体系；并分析建模的沉积体系以识别潜在的油气藏。通量保持边界条件被制定为在所述至少一个边界上提供求解波幅并使用特征值来确定沉积物和水流的传播方向的时变解。离散边界条件被制定为在所述至少一个边界上提供时变解，其中定义沉积物和水流的方程已经在空间和时间上离散化并且在与所述至少一个边界相邻的单元的内部边缘上的数值通量是先前时间步长处的单元平均状态变量的解的函数，使得所述离散边界条件等同于找到未知的边界通量边缘，使得下一时间步长处的更新解反映施加的条件。

在本发明的另一方面，为了解决上述问题，一些实施例提供了存储一个或多个程序的非暂态计算机可读存储介质。所述一个或多个程序包括指令，所述指令在由具有一个或多个处理器和存储器的计算机系统执行时使所述计算机系统执行本文提供的任意方法。

在本发明的又一方面，为了解决上述问题，一些实施例提供了一种计算机系统。该计算机系统包括一个或多个处理器、存储器和一个或多个程序。该一个或多个程序存储在存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行。所述一个或多个程序包括操作系统和指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时使所述计算机系统执行本文提供的任意方法。

附图说明

图1示出了根据一些实施例的沉积建模方法的流程图；以及

图2是示出根据一些实施例的沉积建模系统的框图。

相同的附图标记在整个附图中表示相应的部分。

具体实施方式

下面描述的是提供对沉积物沉积进行建模的方式的方法、系统和计算机可读存储介质。这些实施例被设计为特别用于对河流、浅水或深水地质环境中的具有时变边界条件的沉积体系的地貌和地层进行建模。

现在将详细参考各种实施例，其示例在附图中示出。在下面的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本公开和这里描述的实施例的全面理解。然而，这里描述的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，没有详细描述公知的方法、过程、组件和机械装置，以免不必要地模糊实施例的各方面。

近年来，基于过程的地貌和地层的物理模型已经变得越来越流行用于分析和预测各种沉积环境中的沉积体系的行为。物理模型的预测能力源于它们对解析潜在过程的复杂交互的依赖，在所述潜在过程中，自由表面流动的流体动力学和沉积物的运移通常被认为是最具影响力的。流体动力学与沉积物运移的耦合产生了支持“波状(wave-like)”解的偏微分方程双曲系统。基于过程的模型的时间准确边界条件的制定和实施并不是微不足道的，并且在学术或工业出版物中没有得到很多关注(如果有的话)。

本发明公开了用于耦合物理模型的两种边界处理框架，其可以应用于所有通常遇到的边界类型，诸如时间相关的入口、出口和各种类型的壁模型。本发明适用于地貌和地层的通过深度平均或深度参数化方法解析流动物理的所有物理模型。

通过考虑过程模型的原型来说明该方法，该原型包括但不限于：

1)水相的质量守恒

2)悬浮沉积物各组分的质量守恒

3)耦合系统的动量守恒，其源项可能包含或不包含粒子流和/或粒子-粒子动量交换(particle-particle momentum exchange)的参数化效应。

图1中示出了沉积建模方法100。接收感兴趣的硅质碎屑地层的基于过程的沉积模型10。硅质碎屑地层可以处于特定的地理位置，或者可以是合成构造。硅质碎屑地层是由沉积过程(例如由河流和/或河流三角洲形成的河道体系或浊流)产生的地层。该模型代表了地球表面已经存在的、以便将埋藏和压实的沉积物沉积到感兴趣的地下硅质碎屑地层中的物理条件。

在操作12处，使用在操作10接收到的模型对沉积过程进行建模。这些沉积过程涉及对流体动力学(水流)和沉积物运移(悬浮在水中的沉积物)两者进行建模。流体动力学和沉积物运移作为耦合系统相互依赖。建模取决于基于过程的模型的每个边界处的特殊边界条件。如本文所用，术语“边界”是指施加合理的地质条件的沉积模型的外部约束极限。

在基于过程的沉积模型的每个边界处的边界条件可以被设计为处理水和沉积物随着时间变化流入盆地/储层，水和沉积物随着时间变化流出盆地/储层，和/或下游控制，诸如海面升降以及海平面的短时间尺度变化，如潮汐状况。这些可以包括已知的边界条件，诸如壁边界条件，但模型中的至少一个边界将是通量保持边界条件或离散边界条件。

对于通量保持边界条件，流动方程开始于：

在方程(1a-1c)中，h、和C_i分别表示流动深度、沿笛卡尔方向有两个分量u和v的深度平均流动速度场、以及第i个粒径的深度平均沉积物浓度，而g、R和R₀是重力加速度9.81m/s²、沉积物的淹没比重、R₀是分别针对陆上流(subaerial>h、和是水深、速度和浓度方程的源项，并且n_g≥1是用来模拟粒径的连续分布的离散粒径箱的数量。这种方法借鉴了两种完善建立的用于粘性空气动力学流动的边界条件处理的概念，即，Poinsot，T.J.：“用于可压缩粘性流动的直接模拟的边界条件”，计算物理学期刊101，104-129(1992)(Poinsot,T.J.:“Boundary>

方程(2a-2c)是推导所公开的用于基于过程的地貌/地层模型的边界处理框架的起点。这个系统可以被示出为构成具有真正特征值的双曲或“波状”系统。特征值决定了可以组合来重建解的各条系统信息的局部传播方向。

在实施例中，通量保持边界条件现在可以通过以下来推导：

步骤(1)：根据可以被解释为某些波幅的时间变化的适当量来重新制定方程(2a-2c)的均一系统。

步骤(2)：使用特征值的符号来区分进入和传出信息束。

步骤(3)：及时演化边界上的解。

在步骤(1)中，将方程乘以雅可比矩阵(Jacobian)的左特征向量l，以用紧凑形式将方程写成

其中U＝[h，u，v，C_i]^T是状态，并且是地貌系统的特征值，其中c是表面波的传播速度。将用于重写控制方程的量无非是Θ_i是作为状态向量U的分量的线性组合的l_iδU的时间变化率，并由下式给出：

步骤(1)的最后一步是根据原始状态变量U将(3)向回重写。这通过将(3)与左特征向量矩阵的逆相乘来完成。

方程(5)是将用于应用各种边界条件的原始方程的最终形式。利用(5)，边界条件可以通过如下求解未知数Θ_i而应用于边界上的任意点：

1.对于λ_i>0，信息流是从域内部朝向边界，并且通过在边界处使用单边差分算子来计算相应的Θ_i。

2.对于λ_i<0，信息流从外部朝向域的内部，并且必须施加边界条件。可以针对反映所需的边界行为的剩余波幅来求解线性方程组。在步骤(3)中，借助方程(5)及时推进边界解，并将其存储以用于下一时间步长。

存在很多可以使用这个实施例进行求解的场景。例如，该实施例可以用于对潮汐边界条件的沉积进行建模，其中短期海平面变化但流动速率Q恒定。或者，流动速率可能会变化，而其他参数保持恒定，如下例所示。

示例：陆上流或重力流的亚临界入口

在亚临界入口处，Θ₁和Θ_3+i，i＝1，...，n_g，将信息带入域中，并且需要通过施加适当的边界条件来求解，同时通过使用内部解的单边导数模板来计算Θ₂。因此，需要n_g+2个边界条件。如果我们决定施加零切向速度和所有进入粒径的浓度的时间变化率，则立即得到：

Θ₃＝0.0

为了确定Θ₁仍然需要一个额外的边界条件。例如，如果已知进入体积流动速率Q的时间变化率，则可以关于时间区分Q＝uh，并且从(5)中替换状态变量的时间导数并找出剩余的未知Θ₁。在这个阶段，(5)可以被及时推进并且边界状态将被存储以备将来使用。

虽然上述通量保持边界技术处理最复杂的流动条件，但数值实验表明，对于在边界处或边界附近具有主动沉降的小空间域，其可能引入非物理振荡。以下使用离散边界条件的实施例是一种边界处理技术，其不像以前的技术那样严格地遵守波传播的物理学，而是在边界处的快速时间水深测量(bathymetry)变化的严酷条件下提供物理边界条件的稳定实现。模拟将定期检查沿边界的水深变化速率和/或沉降速率，以便在两种方法之间进行选择。对于离散边界条件，不同的方程组是起点：

在方程(6)中，h、V和C_i表示流动深度、具有沿笛卡尔方向的两个分量u和v的深度平均流动速度场、以及第i个粒径的深度平均沉积物浓度，而g、R、R_w、η_x和η_y分别是重力加速度9.81m/s²、沉积物的淹没比重、R_w是分别针对陆上流和重力流，等于一和零的标量、以及x和y方向上的底床坡度。E_i和D_i代表侵蚀时间速率和沉积时间速率，C_d是底床上的摩擦系数。

推导离散边界条件的主要步骤是：

步骤(1)：在空间和时间上离散控制方程(6)。

步骤(2)：在与边界段相邻的单元的内边缘上的数值通量是在前一时间步长的单元平均状态变量的解的函数。这些数值通量被认为是已知的并且集中到也在前一时间步长中计算的源项。

步骤(3)：边界条件处理现在等同于找到未知边界通量边缘，使得下一时间步长的更新解精确地反映施加的条件。

步骤(4)：对于硬边界条件，计算通量分量，使得最接近的内部单元中的状态变量反映条件。

步骤(5)：对于状态的剩余分量，适当选择的单元平均变量的时间变化率被从内部域外推，并用于找到边界通量的剩余分量。

针对亚临界入口示出了该方法。“硬”边界条件被选择为排水量的时间变化率Q_t和进入沉积物浓度的时间变化率C_it。

在步骤(1)中，我们用以(i，j)为中心的矩形单元上的有限体积方法，并且以其边界边缘按索引i和j相对于单元中心坐标的半增量从时间步长n到n+1将控制方程离散。

假设入口边界条件被施加在边界边缘(i-1/2，j)上并且与该边缘相关联的通量被表示为F_b，注意到可以将(8)中的所有其他通量项看作是通过由前一时间步长n处的内部解确定的已知项。如果已知项被集中到如下在前一时间步长计算的源项П中，则方程(8)可以进一步简化：

未知边界通量的第二和第三分量被设置为使得更新的单元平均解满足施加的排水量的时间变化率。

边界通量的第一分量通过从内部域外推水深的时间变化率来找到

然后可以通过使用(9)中的(10)来计算边界通量的第一分量：

通过施加(9)中的沉积物浓度的变化率来发现剩余分量：

在(13)中，以单元为中心的变量上的条表示深度平均和/或参数化量。

利用计算的边界通量，解可以用如下方程及时推进

再次参考方法100，在已经利用特殊边界条件对硅质碎屑岩的沉积历史进行建模之后，可以使用建模的过程来识别潜在的油气储层14。例如，建模的过程可以揭示可能的孔隙度分布、河道结构、和/或对油气流动的屏障和隔板。该信息对划定潜在的油气藏、估算潜在储量以及包括生产井和注水井在内的井规划很有用。

图2是示出根据一些实施例的沉积建模系统500的框图。尽管示出了某些具体特征，但是本领域技术人员将从本公开理解的是，为了简洁起见并且以免模糊在此公开的实施例的更多相关方面，没有示出各种其他特征。

为此，沉积建模系统500包括一个或多个处理单元(CPU)502、一个或多个网络接口508和/或其他通信接口503、存储器506以及用于将这些和各种其他组件相互连接的一个或多个通信总线504。沉积建模系统500还包括用户界面505(例如，显示器505-1和输入设备505-2)。通信总线504可以包括互连并控制系统组件之间的通信的电路(有时称为芯片组)。存储器506包括高速随机存取存储器，诸如DRAM、SRAM、DDR RAM或其他随机存取固态存储器设备；并且可以包括非易失性存储器，诸如一个或多个磁盘存储设备、光盘存储设备、闪存设备或其他非易失性固态存储设备。存储器506可以可选地包括远程于CPU 502定位的一个或多个存储设备。包括存储器506内的非易失性和易失性存储器设备的存储器506包括非暂态计算机可读存储介质并且可以存储现场数据、初始盆地/储层地形、来自地震数据和/或地震图像的表面、和/或地质结构信息。

在一些实施例中，存储器506或存储器506的非暂态计算机可读存储介质存储以下程序、模块和数据结构或其子集，该子集包括操作系统516、网络通信模块518和耦合系统流程模块520。

操作系统516包括用于处理各种基本系统服务和用于执行硬件相关任务的过程。

网络通信模块518促进经由通信网络接口508(有线或无线)和一个或多个通信网络(诸如因特网、其他广域网、局域网、城域网等)与其他设备进行通信。

在一些实施例中，耦合系统流程模块520执行方法100的操作。它可以包括子模块以执行方法100的各个步骤。

边界条件子模块522包含指令集522-1并接受将使其能够确定如方法100所述的各种边界的边界条件的元数据和参数522-2。流程子模块523包含指令集523-1并且接受将使其能够取决于边界条件对耦合系统进行建模的元数据和参数532-2。分析子模块524包含指令集524-1并接受将有助于分析建模的过程的元数据和参数524-2。尽管已经为本文讨论的子模块标识了具体操作，但这并不意味着限制。每个子模块可以被配置为执行标识为其他子模块的一部分的操作，并且可以包含允许其执行用于演变沉积物运移和流体动力学的控制方程的其他操作的其他指令、元数据和参数。例如，任意子模块可以可选地能够生成将被发送到并显示在用户界面显示器505-1上的显示。另外，可以经由通信接口503(一个或多个)或网络接口508发送任意模型或边界条件，并且可以将其存储在存储器506中。

方法100可选地由存储在计算机存储器或非暂态计算机可读存储介质(例如，图2中的存储器506)中并且由一个或多个计算机系统的一个或多个处理器(例如处理器502)执行的指令来控制。计算机可读存储介质可以包括磁或光盘存储设备、诸如闪存的固态存储设备、或其他非易失性存储设备(一个或多个)。存储在计算机可读存储介质上的计算机可读指令可以包括以下中的一个或多个：源代码、汇编语言代码、目标代码或由所述一个或多个处理器解译的另一指令格式。在各种实施例中，每个方法中的一些操作可以被组合和/或一些操作的顺序可以从图中所示的顺序改变。为了便于说明，方法100被描述为由计算机系统执行，但是在一些实施例中，方法100的各种操作跨单独的计算机系统分布。

尽管以上描述了特定实施例，但将理解的是，其不旨在将本发明限制于这些特定实施例。相反，本发明包括在随附权利要求的精神和范围内的替换、修改和等价物。阐述了许多具体细节以便提供对本文呈现的主题的透彻理解。但是对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践主题。在其他情况下，没有详细描述公知的方法、过程、组件和电路，以免不必要地模糊实施例的各方面。

这里在本发明的描述中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不旨在限制本发明。如在本发明的描述和随附权利要求中所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式。还将理解的是，本文所使用的术语“和/或”是指并且包含相关所列项目中的一个或多个的任意和所有可能的组合。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指明所陈述特征、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、操作、元件、组件和/或其组合。

如本文所使用的，术语“如果”取决于上下文可被解释为意指“当……时”或“在……时”或“响应于确定……”或“根据确定……”或“响应于检测到……”，所陈述的先决条件是真实的。类似地，短语“如果确定[所陈述的先决条件是真实的]”或“如果[所陈述的先决条件是真实的]”或“当[所陈述的先决条件是真实的]”取决于上下文可以被解释为“在确定所陈述的先决条件是真实的时”或“响应于确定所陈述的先决条件是真实的”或“根据确定所陈述的先决条件是真实的”或“在检测到所陈述的先决条件是真实的时”或“响应于检测到所陈述的先决条件是真实的”。

虽然各种附图中的一些以特定顺序示出了多个逻辑阶段，但不依赖顺序的阶段可以被重新排序并且其他阶段可以被组合或者分解。虽然具体提到了一些重新排序或其他分组，但是其他重新排序或分组对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的，因此不提供可选方案的穷举列表。而且，应该认识到，这些阶段可以用硬件、固件、软件或其任意组合来实现。

为了说明的目的，前面的描述已经参照具体实施例进行了描述。然而，以上的说明性讨论并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变化是可能的。选择和描述实施例以便最好地说明本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够最好地利用本发明以及具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种实施例。