Heute werden wir über zwei bestimmte Bereiche sprechen, in denen die Modellierung unverzichtbar ist. Wir werden Ihnen erklären, wie Ingenieure die Messwerte der Sensoren von Pumpen, Kränen und Quadcoptern verstehen und schließlich herausfinden, in welchen Einheiten das Gewicht gemessen wird. Jeder Brunnen ist ein Objekt des Kapitalbaus, wie ein Gebäude oder eine Anlage, das Kapitalinvestitionen, Planung, regelmäßige und größere Reparaturen erfordert. Nur wenn diese Anforderungen erfüllt sind, kann er die Kosten seines Baus zurückzahlen und sowohl energetisch als auch monetär Gewinn bringen. ... Die Lebensdauer des Bohrlochs hängt direkt mit den technologischen Aufarbeitungsvorgängen zusammen, die regelmäßig daran durchgeführt werden. Es gibt Vorgänge wie das Absenken und Anheben und Ersetzen von Rohren oder einer Pumpe, für die nur ein klarer Plan und die Aufrechterhaltung von Sicherheitsmaßnahmen durch das Reparaturteam erforderlich sind.Und es gibt spezielle Operationen, die gründliche technische Studien und zusätzliche Modellierung erfordern, und ohne diese Maßnahmen kann die Lebensdauer des Bohrlochs einfach enden. Ein Brunnen, möchte ich Sie daran erinnern, ist eine große Investition von Geldern und Energie.
Eine der wichtigsten Bohrlochoperationen ist heute das hydraulische Brechen (hydraulisches Brechen). Das Wesen des hydraulischen Brechens ist wie folgt. Eine spezielle Flüssigkeit, die Gelee ähnelt, wird unter hohem Druck (bis zu tausend Atmosphären!) In den Brunnen gepumpt (tatsächlich handelt es sich um Gelee - bei seiner Herstellung wird ein Lebensmittelgeliermittel verwendet). Der Druck bricht die Formation und drückt die Gesteinsschichten auseinander. In der Tiefe, in der normalerweise hydraulische Brüche durchgeführt werden, ist es einfacher, das Gestein zur Seite als nach oben zu bewegen, sodass der Bruch fast flach und vertikal ist, während seine Breite einige Millimeter oder Zentimeter beträgt. Dann beginnt zusammen mit der Flüssigkeit das Stützmittel zugeführt zu werden (manchmal schreiben sie auch Stützmittel mit zwei "p" - und so, und so ist es richtig) - eine Mischung aus starkem Keramikgranulat, ähnlich wie Sand, mit einem Durchmesser von Bruchteilen von Millimetern bis Millimetern.Der Zweck des hydraulischen Aufbrechens besteht darin, die erforderliche Menge an Stützmittel in die Formation (oder genauer gesagt in das Reservoir - in den Teil der Formation, in dem sich Öl befindet) zu pumpen, so dass ein durchlässiger Bereich gebildet wird, der mit dem Bohrloch verbunden ist. Die Flüssigkeit wird natürlich in die Formation austreten und das Stützmittel bleibt dort, wo es erreicht wurde. Felder mit geringer Permeabilität (und jetzt sind fast alle neuen Felder genau so, alle großen guten traditionellen Felder wurden schon lange gefunden und ausgebohrt) ist es nutzlos, mit herkömmlichen Bohrlöchern zu bohren: Die Permeabilität ist gering, und Öl sickert kaum in ein kleines Bohrloch. Es ist natürlich theoretisch möglich, einen sehr dicken Brunnen so zu bohren, dass seine Wandfläche groß ist, aber es ist offensichtlich, dass dies in der Praxis unrealistisch ist. Wenn jedoch ein hydraulischer Bruch am Bohrloch durchgeführt wird, wird um das Bohrloch herum ein ausgedehnter Bruch mit einer großen Wandfläche gebildet, der mit dem Bohrloch verbunden ist.Das Öl sickert so langsam wie zuvor heraus, aber jetzt sammelt das Bohrloch es langsam auf einer großen Fläche, und die Gesamtproduktionsrate ist gut, und das Bohrloch ist wirtschaftlich gerechtfertigt. Um den Bereich, in dem Öl von einem Bohrloch gesammelt wird, weiter zu vergrößern, werden die Bohrlöcher horizontal gebohrt und mehrmals hydraulisch gebrochen - an verschiedenen Stellen des horizontalen Bohrlochs.
Was kann hier schief gehen und warum brauchen Sie Modellierung? Erstens kann der Riss an der falschen Stelle verlaufen und das Stützmittel kann nicht so verteilt werden, wie wir es möchten. Das Feld könnte für eine lange Zeit entwickelt worden sein, und einige der Gesteinsschichten wurden bereits "bewässert", mit Wasser gesättigt, und möglicherweise waren die unteren Schichten von Anfang an wassergesättigt. Wenn plötzlich ein Riss von einem Brunnen zu wassergesättigten oder gasgesättigten Formationen übergeht und mit Stützmittel gefüllt ist, erzeugt der Brunnen anstelle eines Teils des Öls Wasser oder Gas.
Zweitens kann das Stützmittel am Eingang des Bruchs stecken bleiben, da sich herausstellte, dass die Flüssigkeit, in die es eingemischt ist, eine zu niedrige Viskosität aufweist oder die Permeabilität der Formation höher ist als geplant, und die Flüssigkeit einfach schnell ausläuft und ein festes Stützmittel zurückbleibt, was natürlich der Fall ist weigert sich, sich ohne Flüssigkeit zu bewegen. Dann wird der gesamte Brunnen mit Stützmittel gefüllt, und zusätzliche Spülkosten sind erforderlich, um ihn zu reinigen.
Drittens kann das Stützmittel über das Bohrloch hinaus "pumpen" und den Kontakt damit verlieren. Dann wird ein gut durchlässiger Bereich, obwohl er geschaffen wird, nicht mit dem Brunnen verbunden, und dann gibt es überhaupt keinen Sinn in seiner Existenz.
Wie können Sie simulieren, was im Brunnen passiert, wenn Flüssigkeit und Stützmittel unter hohem Druck gepumpt werden? Dies geschieht durch eine spezielle Software namens "Hydraulic Fracturing Simulator", die ein numerisches physikalisches und mathematisches Modell der Bruchentwicklung verwendet. Die Entwicklung einer solchen Software erfordert, wie auch die Entwicklung einer anderen Software zur numerischen Simulation physikalischer Prozesse, die gleichzeitige Teilnahme von Physikern, Mathematikern, Hochleistungs-Parallelrechner-Programmierern und Programmierern, die in der Lage sind, eine bequeme Schnittstelle zu schaffen, da der hydraulische Frakturierungssimulator letztendlich von Ingenieuren in den Sümpfen Westsibiriens verwendet wird. gnadenlos von Mücken gebissen!
Sie können buchstäblich die Programme zählen, mit denen Sie das hydraulische Brechen berechnen können. Bis vor kurzem wurden alle Programme nur in einem Land der Welt hergestellt und konnten in Russland problemlos zum Verkauf verboten werden. Ja, wir sind stolz darauf, dass wir den ersten industriellen hydraulischen Fracking-Simulator in unserem Land entwickelt haben und weiterentwickeln - RN-GRID. Vor unserer Entwicklung waren nicht nur wir, sondern die gesamte heimische Industrie gezwungen, nur amerikanische Software zu verwenden, da es tatsächlich keine andere gab, und seit 2014 gab es Probleme beim Kauf dieser Software (wie sie sagen, es würde kein Glück geben, aber das Unglück half ). Jetzt hat RN-GRID nicht nur alle ähnlichen Softwareprodukte in Rosneft vollständig ersetzt, sondern wird auch erfolgreich an Drittunternehmen verkauft.
Zur Berechnung eines Risses wird ein physikalisches und mathematisches Modell benötigt. Aber welche physikalischen Phänomene sollten in das Modell aufgenommen werden und welche können "vergessen" werden? Oberflächenpumpen pumpen unter Druck stehende Flüssigkeit mit eingemischtem Stützmittel. Diese Mischung tritt unter Druck in das Rohr ein und ihr eigenes Gewicht sinkt bis zu einer Tiefe ab. Auf dem Weg dorthin erfährt sie Reibung an den Rohrwänden, bremst aufgrund ihrer eigenen Viskosität und Turbulenz, verliert einen Teil ihrer Energie bei Perforationen und tritt beim Bohren dieser Perforationen wie ein Schleifmittel in den Riss ein , bewegt sich daran entlang, zeigt es immer weiter, bricht in schwächere Schichten durch, bleibt an engen Stellen stecken und fällt unter der Einwirkung der Schwerkraft herunter und wird dann in alle Richtungen durch die Wände des Risses gefiltert, wobei das Stützmittel im Riss verbleibt.
Die Bewegung des Gemisches und das Öffnen (und dann nach dem Stoppen der Injektion und Schließen) des Bruchs ist eine einzige Aufgabe, die die Mechanik der elastischen Verformung des Gesteins während des Öffnens des Bruchs und die Hydrodynamik der Bewegung des Gemisches durch Rohre und innerhalb des Bruchs sowie viele besondere Probleme wie z Berechnung der Reibung in Rohren, Zerfall eines geleeartigen Gels unter Einwirkung einer speziellen Chemie, Verzögerung der Stützmittelpartikel gegeneinander, Auflösung des Gesteins mit Säure (wenn es nicht einfach ist, aber Säurebruch), Erhitzen der Flüssigkeit durch das Gestein und Abkühlen des Gesteins mit der Flüssigkeit und viele andere Effekte. Überzeugen Sie sich selbst, wie viel da ist!
Um all diese Prozesse zu beschreiben, müssen Sie die Hälfte der Lehrbücher der Universität über Physik und einen großen Teil der Lehrbücher über Chemie sortieren: Kontinuumsmechanik und Hydrodynamik, Thermodynamik und Dynamik chemischer Reaktionen. Es reicht nicht aus zu beschreiben, es ist auch notwendig zu programmieren, und dann müssen Sie sich mit Lehrbüchern über numerische Methoden überschneiden und überlegen, wie Sie das Problem diskretisieren können, und kein Gleichungssystem erhalten, das nicht in einer sinnvollen Zeit gelöst werden kann. Lesen Sie dann die Anweisungen des Intel AVX2-Prozessors, um Ihren nichtlinearen Gleichungslöser zum besten der Welt zu machen.
Das Ergebnis ist die schnellste und raffinierteste der Welt ... Konsole exe-shnik. Um alle erforderlichen Daten als Eingabe bereitzustellen und die Ergebnisse der Berechnung an der Ausgabe schön anzuzeigen und sie dann in der gewünschten Form in einen Bericht hochzuladen, benötigen Sie auch eine so praktische Anwendung wie einen Pre-Post-Prozessor. Ich erinnere Sie daran, dass Feldingenieure ziemlich harte Typen sind, die nachts sitzen, um Diagramme zu interpretieren und hydraulische Frakturierungskonstruktionen neu zu berechnen. Sie sind immer bereit, alles auszudrücken, was sie über eine auffällige Schriftart oder eine Schaltfläche in einem Dialog denken, der auf alten Laptop-Monitoren 1024 x 768 außerhalb des Bildschirms angezeigt wird. Sie als Programmierer, der in Ihrem gemütlichen Büro hinter zwei 4K-Monitoren sitzt, haben vergessen, dies vorauszusehen. Und da die Arbeit Tag und Nacht weitergeht, lieben sie auch das dunkle Thema sehr:
Es sollte bedacht werden, dass alles, was beschrieben wird, in einer Tiefe von mehreren Kilometern geschieht. Alles, was Ingenieure bei der Durchführung von Hydraulic Fracturing sehen, sind die Messwerte mehrerer Instrumente an der Oberfläche und manchmal die Messwerte eines Instrumentenpaares, das in den Brunnen abgesenkt wurde. Daher ist es für Ingenieure wichtig, mit Hilfe des Modells im Voraus zu planen, was passieren wird, und dann während des Betriebs anhand der Messwerte der Instrumente rechtzeitig zu prüfen, ob alles nach Plan verläuft, rechtzeitig auf Notsituationen zu reagieren und nach dem Betrieb ein retrospektives Modell für die Durchführung des hydraulischen Bruchs zu erstellen. so dass die erhaltenen Informationen in einem benachbarten Bohrloch oder in einem benachbarten Feld verwendet werden können. Wir werden im Folgenden mehr über die Messwerte der Instrumente sprechen, da dieses Modul für alle technologischen Operationen benötigt wird.
Spiralschlauch-Simulator
In der Chirurgie waren sie seit jeher an Operationen gewöhnt, die über eine Vene durchgeführt wurden, und medizinische Endoskope wurden auch lange Zeit erfolgreich zur Erforschung und Manipulation aller Arten menschlicher innerer Organe eingesetzt. Die Ölindustrie hat ein eigenes Analogon zu diesem Vorgang: Es handelt sich um einen Spiralschlauch (CT) mit kleinerem Durchmesser, der in einen herkömmlichen Schlauch übergeht und es Ihnen ermöglicht, verschiedene Arten von Arbeiten auszuführen, die sonst schwierig durchzuführen wären.
Wie werden Spiralschläuche verwendet? Es gibt zwei Hauptoptionen. Es könnte sich nur um ein offenes flexibles Rohr handeln. Es wird in ein gewöhnliches Rohr abgesenkt, durch das zuvor eine Injektion oder Produktion durchgeführt wurde, und Flüssigkeit und Gas werden durch das Rohr gepumpt. Gleichzeitig wollen sie, dass sie nicht in den Stausee gehen, sondern das Rohr zurück. Schauen Sie sich das Diagramm an und Sie werden die Idee verstehen: Rohr 2 wird in Rohr 1 gedrückt, Flüssigkeit und Gas werden durch Rohr 2 zugeführt, und zwischen Rohr 1 und Rohr 2 steigen die injizierte Flüssigkeit und das injizierte Gas zurück an die Oberfläche. Warum wird das benötigt? Wenn beispielsweise das Hauptrohr 1 infolge eines zuvor erfolglosen Vorgangs zur Hälfte mit Stützmittel verstopft war, kann es auf diese Weise „gespült“ werden: Das Stützmittel wird mit einem Rückfluss von Flüssigkeit und Gas an die Oberfläche zurückgeführt - dies wird als Bohrlochspülung bezeichnet. Zum Beispiel,Wenn die Verbindung des Bohrlochs mit der Formation verstopft ist und die Ölbohrung nicht passiert, kann mehr Stickstoff zusammen mit der Flüssigkeit injiziert werden, dann reinigt der Formationsdruck der Flüssigkeit selbst den Bodenlochbereich. Durch Steuern des Drucks am Einlass zu Rohr 2 und am Auslass von Rohr 1 können wir sicherstellen, dass die zirkulierende Flüssigkeit nicht in die Formation gelangt, da wir das Bohrloch spülen müssen - oder im Gegenteil, wenn wir Säure pumpen, um das Gestein zu verdünnen, oder unerwünscht Verschmutzung um den Brunnen.wenn wir Säure pumpen, um Gestein oder unerwünschte Verunreinigungen um den Brunnen herum zu verdünnen.wenn wir Säure pumpen, um Gestein oder unerwünschte Verunreinigungen um den Brunnen herum zu verdünnen.
Die zweite Option ist noch einfacher: Auf der Unterseite von Rohr 2 befindet sich eine Art
Wir an unserem Institut entwickeln jetzt unsere Software zur Berechnung verschiedener Operationen, die über ein flexibles Rohr ausgeführt werden - RN-VECTOR. Können Sie sich vorstellen, wo das Analogon hergestellt wurde, das in der Weite der Russischen Föderation massiv verwendet wird und das die Ingenieure jetzt verwenden müssen?
Was muss hier modelliert werden? Zunächst die Belastungen des flexiblen Rohres. Es wird in ein anderes Rohr abgesenkt, es wird dort an den Wänden reiben, und zuerst muss es mit zusätzlicher Anstrengung geschoben und dann im Gegenteil gehalten werden. Aber selbst wenn 2-3 Kilometer Rohr in den Brunnen abgesenkt werden, befinden sich alle diese 2-3 Kilometer unter sehr unterschiedlichen Bedingungen: Der obere Teil wird unter seinem eigenen Gewicht hängen und sich dehnen, und der untere Teil, der in das horizontale Bohrloch gegangen ist, wird liegen und versuchen, stecken zu bleiben ... Dementsprechend ist es wichtig zu berechnen, dass es nirgendwo "hängen bleibt" oder "bricht". Die Berechnung verschiedener Belastungen gemäß dem Gewicht des flexiblen Rohrs und seiner Reibung an den Wänden des Hauptrohrs, der Spirale des Rohrs und den mechanischen Eigenschaften von Stahl ist der erste Teil eines solchen Produkts.
Zweitens Hydraulik. Am Eingang zum flexiblen Rohr - ein Druck, der zuerst verloren geht, wenn sich die Flüssigkeit entlang des auf eine Spule gewickelten Rohrs bewegt, und dann beim Herunterfahren des flexiblen Rohrs verloren geht, wird zu einem Druck darunter. Wenn plötzlich mehr Druck als im Reservoir herrscht, gelangt die Flüssigkeit verloren in das Reservoir, anstatt zwischen den Rohren 1 und 2 in der obigen Abbildung zu steigen. "Lieber Vorarbeiter der Brigade Iwan Iwanowitsch", wird der CT-Mitarbeiter sagen, "zweifellos sehen wir einen Kreislaufverlust, was denken Sie?" Wenn sich im Gegenteil herausstellt, dass es weniger ist, wird Öl aus der Formation durchschauen, und wir führen Reparaturen am Bohrloch durch und produzieren nicht. Der Simulator dieser technologischen Operation muss also in der Lage sein, alle Druckabfälle korrekt zu berechnen. Übrigens wirkt sich der Druck im flexiblen Rohr umgekehrt auf seinen belasteten Zustand aus.
Drittens die Entfernung von Partikeln. Stellen Sie sich im obigen Bild bewegten Sand am Boden des Brunnens vor: Steigt er mit einem Flüssigkeitsstrom nach oben oder reicht die Durchflussrate nicht aus und fällt er wieder ab? Und wenn Sie Flüssigkeit zusammen mit Stickstoff pumpen, drückt die Stickstoffblase das Wasser schneller nach oben, insbesondere auf dem Weg von unten nach oben, aber gleichzeitig kann der Sand selbst nicht herausnehmen. Wie viel "aufgewühlter" Sand kann nach oben getragen werden, ohne "die Packung fallen zu lassen"? Wir brauchen eine Berechnung und mit unterschiedlichen Strömungsregimen.
Viertens ist es notwendig, die Rohrermüdung zu berücksichtigen. Das flexible Rohr wird von der Trommel begradigt, wieder auf den Schwanenhals gebogen und dann am Eingang zum Brunnen wieder begradigt - und dann ist alles in umgekehrter Reihenfolge. Das Rohr wird entweder abgesenkt bzw. angehoben, einige seiner Teile sind mehr gebogen, andere weniger. Der Rohrstahl ist für eine bestimmte akkumulierte Ermüdung ausgelegt, und es ist erforderlich, die nächste Ermüdungsaddition für jeden Meter Rohr von Arbeit zu Arbeit zu berechnen und dieses Profil in der Datenbank zu speichern. So sieht dieses Profil nach einer gewissen Arbeit aus:
Ja, natürlich hat niemand den Fehlerdetektor storniert, und er wird mögliche Verstöße im Rohr finden und anzeigen, aber es ist technisch unmöglich oder sehr teuer, das Rohr nach jeder Arbeit zu überprüfen.
Charts, Charts, Charts!
Das gesamte Eisen, das während des Spiralrohrbetriebs und während des hydraulischen Aufbrechvorgangs verwendet wird, wird mit Sensoren aufgehängt, irgendwo mehr, irgendwo weniger. Während des Vorgangs werden natürlich alle Daten in eine Datei oder in eine Datenbank geschrieben. Parallel dazu müssen die Ingenieure für alle Indikatoren ein geeignetes Erscheinungsbild festlegen, damit sie sich nicht die Augen schneiden und alle Indikatoren sichtbar sind (achten Sie auf die Gewichtseinheiten - Wie viele Newton wiegen Sie?).
Nach dem Ende des Vorgangs wird die Datendatei importiert, und alle Diagramme werden angezeigt und sorgfältig analysiert. Dabei spielt es keine Rolle, ob mit Spiralschläuchen oder hydraulischem Brechen gearbeitet wurde. Und wenn sich Programmierer und Ingenieure ausruhen, nehmen sie ihre Lieblingssoftware und laden die Telemetrie ihres Lieblingsquadcopters hinein (weil keine andere bekannte Software aus irgendeinem Grund so gut mit langen Datenreihen funktioniert):
Aber wir sind vom Thema abgewichen. So könnte beispielsweise eine aufgezeichnete Frakturierungsoperation in derselben Software aussehen:
Ein kompetenter Ingenieur betrachtet diese Grafiken, und das gesamte Bild dessen, was passiert ist, entfaltet sich vor ihm, wie die Schicksalslinien in seiner Handfläche. Bei Punkt 1 begann die Injektion, und der Bohrlochdruck (Druck am Boden des Bohrlochs) beginnt von Punkt 2 auf Punkt 3 stark anzusteigen, bis sich schließlich bei einem Druck von 380 Atmosphären ein hydraulischer Bruch öffnet. Beachten Sie, dass der Druck am Boden des Bohrlochs nahezu konstant bleibt, bis der Bruch bis zu Punkt 11 ansteigt. Wenn sich der Bruch bei 380 Atmosphären öffnet, zeigt das Manometer auf der Oberfläche am Punkt 4 mehr als 500 Atmosphären an. Der Druck im Bruch bleibt nahezu konstant. und an der Oberfläche fallen die Manometerwerte von Punkt 4 auf Punkt 5. Der Ingenieur wird nicht einmal ein Auge darauf werfen: Er weiß sehr gut, dass es fast Wasser im Brunnen ist, das durch dasselbe Gel ersetzt wird.und der Druckverlust aufgrund der Reibung im Rohr fällt genau um die Differenz zwischen den Punkten 4 und 5. Ein neugieriger Ingenieur misst sogar die Neigung der Linie von Punkt 4 zu Punkt 5 und erhält so das Verhältnis der Reibungskoeffizienten des Fluids, das sich im Bohrloch befand und das dort zugeführt wird.
Bei Punkt 6 beginnt das Stützmittel zu fließen und zu sehen, wie sofort bei Punkt 7 die Manometerwerte auf der Oberfläche zu fallen beginnen - dies ist eine Flüssigkeitssäule im Bohrloch, da das Stützmittel immer schwerer wird. Bei Punkt 8 bis Punkt 9 wurde dem Bohrloch ein Reibungsminderer hinzugefügt, damit das Stützmittel gegen die Rohrwände nicht zu stark verlangsamt. Bei Punkt 10 hörten sie auf, Stützmittel zu liefern, es hörte unter seinem eigenen Gewicht auf, in das Bohrloch zu "fallen", und daher muss mehr Druck in den Bruch gedrückt werden, der Bohrlochkopfdruck steigt auf Punkt 11. Und dort werden die Pumpen ausgeschaltet und der Druck fällt sofort auf Punkt 12 und dort schon beginnt es langsam , wie der hydraulischen Bruch zu sinken ist undicht
Alle diese Grafiken bieten einem Ingenieur viele Informationen, der nicht klar erkennen kann, was dort in der Tiefe geschieht. Dank seines Wissens kann er jedoch nicht nur qualitativ beurteilen, was geschieht, sondern auch viele Indikatoren quantitativ bewerten. Lassen wir bewusst die sogenannten "Testinjektionsanalysen" in Klammern weg, bei denen alle möglichen kniffligen Lineale auf diese Graphen angewendet werden und mit deren Hilfe viele unbekannte Reservoirparameter berechnet werden. Ich denke, es ist verständlich, wie weit ein Tätigkeitsfeld für Mathematiker, Physiker, Programmierer und Techniker aller Art die Entwicklung von Software entwickelt!
Die ganze Serie: