地學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)01

1、2009年資源與地球科學(xué)學(xué)院地學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)課程提綱 參考文獻(xiàn)資源與地球科學(xué)學(xué)院地學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)數(shù)值模擬的核心技術(shù) 潘鐘祥潘鐘祥. 石油地質(zhì)學(xué)石油地質(zhì)學(xué). 北京：地質(zhì)出版社，北京：地質(zhì)出版社，1986 陳榮書陳榮書. 天然氣地質(zhì)學(xué)天然氣地質(zhì)學(xué). 北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1986 李思田，林暢松李思田，林暢松. 沉積盆地分析沉積盆地分析. in：肖慶輝主編：肖慶輝主編. 當(dāng)代地質(zhì)科學(xué)前沿當(dāng)代地質(zhì)科學(xué)前沿. 北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，出版社，1993 郝石生，陳明章，高耀斌郝石生，陳明章，高耀斌. 天然氣藏的形成和保存天然氣藏的形成和保存. 北京：石油

2、工業(yè)出版社，北京：石油工業(yè)出版社，1995 龐雄奇，陳章明，陳發(fā)景龐雄奇，陳章明，陳發(fā)景. 含油氣盆地地史、熱史、生留排烴史數(shù)值模擬研究與烴源巖定量含油氣盆地地史、熱史、生留排烴史數(shù)值模擬研究與烴源巖定量評(píng)價(jià)評(píng)價(jià). 北京：地質(zhì)出版社，北京：地質(zhì)出版社，1993 李明誠(chéng)，李明誠(chéng)， 石油與天然氣運(yùn)移石油與天然氣運(yùn)移(第二版第二版). 北京：石油工業(yè)出版社，北京：石油工業(yè)出版社，1994 j.w.哈博，哈博，c.博納姆博納姆-卡特卡特. 地質(zhì)過程的計(jì)算機(jī)模擬地質(zhì)過程的計(jì)算機(jī)模擬. 北京：地質(zhì)出版社，北京：地質(zhì)出版社，1986 范士芝，姜鵬，陶一川等范士芝，姜鵬，陶一川等. 塔里木盆地北部油氣運(yùn)移二維

3、二相流數(shù)值模擬分析塔里木盆地北部油氣運(yùn)移二維二相流數(shù)值模擬分析. 地球科學(xué)地球科學(xué)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，20(3)：321327 韋重韜，煤層甲烷地質(zhì)演化史數(shù)值模擬，徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，韋重韜，煤層甲烷地質(zhì)演化史數(shù)值模擬，徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1998 陸金甫，顧麗珍，陳景良陸金甫，顧麗珍，陳景良. 偏微分方程差分方法偏微分方程差分方法. 北京：高等教育出版社，北京：高等教育出版社，1988 plays h w, flaneily b p, tokolsky s a, et al. 數(shù)值方法大全數(shù)值方法大全. 王璞，何玉江，苗天住譯王璞，何玉江，苗天住譯. 蘭

4、州：蘭州：蘭州大學(xué)出版社，蘭州大學(xué)出版社，1991 作業(yè)要求資源與地球科學(xué)學(xué)院地學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)數(shù)值模擬的核心技術(shù)針對(duì)某一講座內(nèi)容，查閱參考文獻(xiàn)，編寫圖書報(bào)告。針對(duì)某一講座內(nèi)容，查閱參考文獻(xiàn)，編寫圖書報(bào)告。要求：要求： 反映本學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)；反映本學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)； 字?jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)3000-5000。編寫計(jì)算機(jī)程序編寫計(jì)算機(jī)程序天然氣擴(kuò)散方程的結(jié)算天然氣擴(kuò)散方程的結(jié)算條件：條件： 烴源層不生烴，初始含氣量烴源層不生烴，初始含氣量30m3/m3; 擴(kuò)散通道和儲(chǔ)層的初始甲烷濃度均為擴(kuò)散通道和儲(chǔ)層的初始甲烷濃度均為0； 擴(kuò)散通道厚度為擴(kuò)散通道厚度為30m，擴(kuò)散系數(shù)為，擴(kuò)散系數(shù)為2.

5、5*10-8； 所有巖石的密度均為所有巖石的密度均為2.5g/cm3； 模擬模擬100ma之后，儲(chǔ)層的甲烷含量。之后，儲(chǔ)層的甲烷含量。 模擬技術(shù)-什么是模擬？/simulation/modeling 模擬建立模擬現(xiàn)實(shí)的模型，并以此模型做實(shí)驗(yàn)。其目的是某一過程的理解、預(yù)測(cè)和控制。 在地質(zhì)學(xué)中，模擬的主要作用是理解地質(zhì)過程和控制、預(yù)測(cè)地質(zhì)過程的結(jié)果。資源與地球科學(xué)學(xué)院地學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)概述水平羽狀煤層氣井 平均單井71120m3/d，產(chǎn)水75m3 模擬技術(shù)-模擬技術(shù)的種類 數(shù)值模擬建立地質(zhì)/物理模型、數(shù)學(xué)模型、編制計(jì)算機(jī)程序，利用程序的設(shè)定不同條件運(yùn)行程序，考察地質(zhì)過程的性狀，預(yù)測(cè)地質(zhì)過程的結(jié)果。資

6、源與地球科學(xué)學(xué)院地學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)概述水平羽狀煤層氣井 平均單井71120m3/d，產(chǎn)水75m3 模擬技術(shù)-模擬技術(shù)的種類資源與地球科學(xué)學(xué)院地學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)概述 物理模擬/實(shí)驗(yàn)室模擬構(gòu)建地質(zhì)/物理模型，根據(jù)模型，采用適當(dāng)?shù)牟牧辖⒖s小比例的實(shí)體模型以及所需的外界物理、化學(xué)條件，由此模仿實(shí)際的地質(zhì)過程，并考察地質(zhì)過程的性狀，預(yù)測(cè)地質(zhì)過程的結(jié)果。煤體三軸應(yīng)力-應(yīng)變模擬測(cè)試裝置模擬地層條件下吸附甲烷的煤體在應(yīng)力作用下的變形特征昆士蘭大學(xué)物理、化學(xué)和建筑系 模擬技術(shù)-模擬工作的步驟資源與地球科學(xué)學(xué)院地學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)概述 定義系統(tǒng)系統(tǒng)是由若干成分組成的，當(dāng)系統(tǒng)的任何一部分發(fā)生改變時(shí)，將會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)。建

7、立系統(tǒng)時(shí)需要考慮的內(nèi)容： 系統(tǒng)的元素：即系統(tǒng)的組成部分 系統(tǒng)的界限：即確定系統(tǒng)的外邊界，因?yàn)榭紤]的問題肯定是一個(gè)大系統(tǒng)的一小部分，所以必須做這個(gè)工作 系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系：通常要建立組成元素內(nèi)在聯(lián)系結(jié)構(gòu)圖 物質(zhì)和能量的遷移和記載：運(yùn)送和儲(chǔ)存的過程、物質(zhì)的交換等等 時(shí)間流程：動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的變化，很大程度上是以時(shí)間為基礎(chǔ)來進(jìn)行的，在描述一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，沒有時(shí)間因素幾乎是不可能的。所以，時(shí)間是系統(tǒng)中的一個(gè)最重要的因素。此外，在定義系統(tǒng)時(shí)需要非常注意的一個(gè)問題是系統(tǒng)的簡(jiǎn)化。因?yàn)榈刭|(zhì)過程是非常復(fù)雜的，如果不簡(jiǎn)化，對(duì)下一步的建模、計(jì)算非常不利，有時(shí)甚至是不可解。 模擬技術(shù)-模擬工作的步驟資源與地球科學(xué)學(xué)院地學(xué)數(shù)值模擬技

8、術(shù)概述 建立模型地質(zhì)模型和數(shù)學(xué)模型模型確性檢校模型地質(zhì)模型/物理模型數(shù)學(xué)模型一種假說，定性地描述整個(gè)地質(zhì)過程對(duì)地質(zhì)模型的定量表述采用對(duì)已知的過程進(jìn)行模擬，觀察模擬結(jié)果是否與實(shí)際結(jié)果相符合來進(jìn)行opening faultground surfacecoal organic mattergenerates gasdiffusion dissipation inverticle directioncap outburst dissipationpermeation dissipationalong cleats and faults general description of the proces

9、s by mass conservationgsd=qqqqg quantity of gas generated by coal organic material, m3/t;qs gas storing in coal reservoir, m3/t;qd gas dissipated from the coal reservoir, m3/t; gas generation qg by thermal simulation test of coal organic matterggo,maxn()qf rmro, max vitrinite reflectance of coal, %;

10、mn pure organic material in coal (dry, ash-free) , t/t-coal; and fg(ro, max)432go,maxo,maxo,maxo,maxo,max()1.691() -23.216()90.950() -23.928()-2.831f rrrrrin qinshui basin:maturation history of coal organic material is a key toaccess gas generation history 模擬技術(shù)-模擬工作的步驟資源與地球科學(xué)學(xué)院地學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)概述觀察模型的性態(tài)研制計(jì)算機(jī)

11、程序觀察模型的性態(tài)編程、調(diào)試、檢校、調(diào)整模型、完成程序研制在模擬軟件的入口輸入不同的條件，觀察和研究模擬的結(jié)果，包括過程的時(shí)間變化特征、最終結(jié)果特征等等，從而達(dá)到認(rèn)識(shí)自然過程、根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行控制、預(yù)測(cè)的目的 數(shù)值模擬技術(shù)在地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用資源與地球科學(xué)學(xué)院地學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)概述 油氣地質(zhì)學(xué) 盆地模擬/儲(chǔ)層模擬 構(gòu)造地質(zhì)學(xué) 沉積學(xué) 水文地質(zhì)學(xué) 工程地質(zhì)學(xué) 學(xué)科領(lǐng)域 模擬內(nèi)容 相關(guān)軟件petromod (ies)/temispack (ifp)/basinmod (platte river inc.)coal gas (holdich inc.)/comet (ari) ies（德國(guó)有機(jī)地化研究所）

12、ifp（法國(guó)石油研究院）wasy（德國(guó)水資源規(guī)劃與系統(tǒng)研究所）adina(automatic dynamic incremental nonlinear analysis)feflow (finite element subsurface flow system) 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模擬 沉積體形成過程模擬 地下水動(dòng)力學(xué)過程 巖體應(yīng)力-應(yīng)變feflow (wsy) adina (adina r&d co.) adina (adina r&d co.) matlab (mathworks co.) matlab (mathworks co.) 數(shù)值模擬技術(shù)的核心偏微分方程資源與地球科學(xué)學(xué)

13、院地學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)數(shù)值模擬的核心技術(shù) 偏微分方程（partial differential equations/pde方程） 含有未知函數(shù)及其偏導(dǎo)數(shù)的方程。拉普拉斯方程： 偏微分方程的依據(jù) 質(zhì)量守恒定律：參加反應(yīng)前各物質(zhì)的質(zhì)量總和等于反應(yīng)后生成各物質(zhì)的質(zhì)量總和 能量守恒定律：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為 別的形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程 中其總量不變0222222zuyuxu u為一個(gè)未知的函數(shù) 數(shù)值模擬技術(shù)的核心偏微分方程資源與地球科學(xué)學(xué)院地學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)數(shù)值模擬的核心技術(shù) 根據(jù)質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)的天然氣擴(kuò)散運(yùn)移方程 地質(zhì)模型：擴(kuò)散是一種

14、自然界中常見的物質(zhì)傳遞過程，特點(diǎn)： 動(dòng)力是性狀的差異，如濃度差、溫度差、密度差； 速度非常緩慢，天然氣的擴(kuò)散運(yùn)移是一種濃度擴(kuò)散； 遵循費(fèi)克定律，即擴(kuò)散的量與擴(kuò)散系數(shù)成正比，與濃度梯度成正比，假定有天然氣（甲烷）從烴源層已擴(kuò)散的方式向儲(chǔ)層運(yùn)移烴 源 層擴(kuò)散通道儲(chǔ) 層在天然氣運(yùn)移的通道上選擇的任意單元控制體 zxyz擴(kuò)散入擴(kuò)散出 數(shù)值模擬技術(shù)的核心偏微分方程資源與地球科學(xué)學(xué)院地學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)數(shù)值模擬的核心技術(shù) 根據(jù)質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)的天然氣擴(kuò)散運(yùn)移方程根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在某一時(shí)刻t，有控制體內(nèi)部的甲烷質(zhì)量變化率擴(kuò)散進(jìn)入控制體的甲烷量擴(kuò)散出控制體的甲烷量甲烷在控制體內(nèi)質(zhì)量的變化率為：tzyxtc zx

15、yz擴(kuò)散入擴(kuò)散出c為t時(shí)間內(nèi)控制體中的甲烷濃度由費(fèi)克定律，在t時(shí)間內(nèi)沿z軸擴(kuò)散進(jìn)入控制體的甲烷質(zhì)量為：tzyxnec. ：煤層甲烷的通量矢量ecn.tzyxzntzyxnecec.同理，擴(kuò)散出控制體的甲烷質(zhì)量為：根據(jù)質(zhì)量守恒和控制體 的任意性：zyx0.zntcec 數(shù)值模擬技術(shù)的核心偏微分方程資源與地球科學(xué)學(xué)院地學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)數(shù)值模擬的核心技術(shù) 根據(jù)質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)的天然氣擴(kuò)散運(yùn)移方程表示甲烷濃度變化的pde方程 zxyz擴(kuò)散入擴(kuò)散出cdnec.d：煤層甲烷在封蓋層中的擴(kuò)散系數(shù) ：哈密爾頓算子222222zcycxc所以：0d22tczc烴 源 層擴(kuò)散通道儲(chǔ) 層進(jìn)一步：cz表明在t時(shí)刻，從烴

16、源層到擴(kuò)散層，甲烷濃度c在空間上的變化量；表明，甲烷濃度是空間和時(shí)間的函數(shù)；擴(kuò)散運(yùn)移量可以通過費(fèi)克定律來計(jì)算),(tzfc 數(shù)值模擬技術(shù)的核心偏微分方程資源與地球科學(xué)學(xué)院地學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)數(shù)值模擬的核心技術(shù) pde方程的解算數(shù)值法/numerical solution目前常見的解算方法有： 經(jīng)驗(yàn)公式法 有限差分法 有限元法 邊界元法 0d22tczc本質(zhì)上是想辦法把方程轉(zhuǎn)化為加、減、乘、除的計(jì)算按照偏導(dǎo)數(shù)的原始定義，把 、 和 等離散化：22zczctc所以，在t=j 時(shí)刻：將擴(kuò)散通道等分為n份，則每份的高度為n+1ni+1ii -1210z同時(shí)假定，總的擴(kuò)散時(shí)間為t，將其等分為m份，則擴(kuò)散時(shí)間

17、可以表示為：zcmt nhh/h 和h分別稱為時(shí)間步長(zhǎng)和空間步長(zhǎng) 數(shù)值模擬技術(shù)的核心偏微分方程資源與地球科學(xué)學(xué)院地學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)數(shù)值模擬的核心技術(shù) pde方程的解算數(shù)值法/numerical solution-離散化的過程i-1ii+1h有：z在t=j 時(shí)刻：thcchcchcczcjijijijijijiji21111hhcchcczcjijijijiji2112221122hcccjijijii-1ii+1hz在t=（j+1） 時(shí)刻：tjicjic1jic11jic11jic11jicjijijicctc1以上為偏微分的差分格式 數(shù)值模擬技術(shù)的核心偏微分方程資源與地球科學(xué)學(xué)院地學(xué)數(shù)值模擬技

18、術(shù)數(shù)值模擬的核心技術(shù) pde方程的解算數(shù)值法/numerical solution-離散化的過程各種差分格式hcczcjijiji21111顯式蛙跳格式hcczcjijiji211隱式蛙跳格式hcccczcjijijijiji4111111隱式二層格式2112222hccczcjijijiji隱式格式2111111122422hcccccczcjijijijijijiji隱式二層格式1jijijicctc隱式格式i-1ii+1hzjicjic1jic10d22tczc 數(shù)值模擬技術(shù)的核心偏微分方程資源與地球科學(xué)學(xué)院地學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)數(shù)值模擬的核心技術(shù) pde方程的解算數(shù)值法/numerical solution-離散化的過程令：022d1211jijijijijicchccc通式：22dh有：111)2(jijijijijiccccc由此得線性方程組jmjmjmjmjmjmjmjmjmjmjijijijijijjjjjjjijjjccccccccccccccccccccccccc11111111111112123201121)2()2()2()2()2(轉(zhuǎn)化為：jmjmjmjjjjmjmjjrccccrccccccrrrrrrrrrr11111201112121212121三對(duì)角線性方程組，很容易求解但在求解之前，需要設(shè)定初始條件和邊界條件pde方程差分后，可能