Aujourd'hui, nous allons parler de deux domaines particuliers où la modélisation est indispensable, nous vous dirons comment les ingénieurs savent comprendre les lectures des capteurs de pompes, grues et quadricoptères, et enfin découvrir dans quelles unités le poids est mesuré. Tout puits est un objet de construction en capital, comme un bâtiment ou une usine, qui nécessite des investissements en capital, de la planification, des réparations périodiques et majeures, et ce n'est que si ces exigences sont remplies, qu'il pourra rembourser les coûts de sa construction et générer des bénéfices en termes d'énergie et monétaire. ... La durée de vie du puits est directement liée aux opérations de reconditionnement technologique qui y sont effectuées périodiquement. Certaines opérations, comme l'abaissement et le levage et le remplacement de tuyaux ou d'une pompe, ne nécessitent qu'un plan clair et le maintien de la sécurité par l'équipe de réparation.Et il y a des opérations spéciales qui nécessitent une étude d'ingénierie approfondie et une modélisation supplémentaire, et sans ces actions, la vie du puits peut tout simplement se terminer. Un puits, permettez-moi de vous le rappeler, est un gros investissement en fonds et en énergie.
La fracturation hydraulique (fracturation hydraulique) est aujourd'hui l'une des opérations de puits les plus importantes. L'essence de la fracturation hydraulique est la suivante. Un liquide spécial similaire à la gelée est pompé dans le puits sous haute pression (jusqu'à mille atmosphères!) (En fait, il s'agit de gelée - un gélifiant alimentaire est utilisé dans sa production). La pression brise la formation, poussant les couches rocheuses à part. À la profondeur où la fracturation hydraulique est habituellement effectuée, il est plus facile de déplacer la roche sur les côtés que vers le haut, de sorte que la fracture est presque plate et verticale, tandis que sa largeur est de quelques millimètres ou centimètres. Ensuite, avec le liquide, l'agent de soutènement commence à être alimenté (parfois ils écrivent aussi l'agent de soutènement, avec deux "p" - et ainsi, et c'est donc correct) - un mélange de granules de céramique résistants, similaires au sable, d'un diamètre allant de fractions de millimètres à millimètres.Le but de la fracturation hydraulique est d'injecter la quantité requise d'agent de soutènement dans la formation (ou, plus précisément, dans le réservoir - dans la partie de la formation où se trouve le pétrole) de manière à former une zone perméable, reliée au puits. Le liquide, bien sûr, fuira dans la formation et l'agent de soutènement restera là où il a réussi à atteindre. Les champs à faible perméabilité (et maintenant presque tous les nouveaux champs le sont, tous les grands bons gisements traditionnels ont longtemps été trouvés et forés) il est inutile de forer avec des puits conventionnels: la perméabilité est faible et le pétrole suinte à peine dans un petit puits de forage. Il est, bien sûr, théoriquement possible de forer un puits très épais pour que sa surface de paroi soit grande, mais il est évident qu'en pratique cela n'est pas réaliste. Mais si la fracturation hydraulique est effectuée sur le puits, une fracture étendue avec une grande surface de paroi bien reliée au puits se forme autour du puits.Le pétrole suinte aussi lentement qu'avant, mais maintenant le puits le récupère lentement dans une grande zone, et le taux de production total est bon, et le puits est économiquement justifié. Pour augmenter encore la zone à partir de laquelle le pétrole est collecté par un puits, les puits sont forés horizontalement et la fracturation hydraulique est effectuée plusieurs fois - à différents endroits du puits de forage horizontal.
Qu'est-ce qui peut mal tourner ici, et pourquoi avez-vous besoin de modélisation? Premièrement, la fissure peut aller dans le mauvais sens et l'agent de soutènement peut ne pas être distribué dessus comme nous le souhaiterions. Le champ aurait pu être développé pendant longtemps, et certaines couches rocheuses étaient déjà «arrosées», saturées d'eau et, peut-être, dès le début du gisement, les couches inférieures étaient saturées. Si soudainement une fissure passe d'un puits à des réservoirs saturés d'eau ou de gaz et est remplie d'agent de soutènement, alors au lieu d'une partie du pétrole, le puits produira de l'eau ou du gaz.
Deuxièmement, l'agent de soutènement peut rester coincé à l'entrée de la fracture, car le liquide dans lequel il est mélangé s'est avéré être une viscosité trop faible, ou la perméabilité de la formation s'est avérée plus élevée que ce que vous aviez prévu, et le liquide fuirait simplement rapidement, laissant un agent de soutènement solide, qui, bien sûr, est refuse de bouger sans liquide. Ensuite, tout le puits sera rempli d'agent de soutènement et des frais de rinçage supplémentaires seront nécessaires pour le nettoyer.
Enfin, troisièmement, l'agent de soutènement peut «pomper» au-delà du puits de forage et perdre le contact avec celui-ci. Ensuite, bien qu'une zone bien perméable soit créée, elle ne sera pas connectée au puits, et son existence n'a alors aucun sens.
Comment pouvez-vous simuler ce qui se passera dans le puits lors du pompage du fluide et de l'agent de soutènement sous haute pression? Ceci est fait par un logiciel spécialisé appelé "simulateur de fracturation hydraulique", qui utilise un modèle numérique physique et mathématique du développement de la fracture. Le développement d'un tel logiciel, comme le développement de tout autre logiciel de modélisation numérique des processus physiques, nécessite la participation simultanée de physiciens, de mathématiciens, de programmeurs de calcul parallèle haute performance et de programmeurs capables de créer une interface pratique, car en fin de compte, les ingénieurs des marais de la Sibérie occidentale utiliseront le simulateur de fracturation hydraulique. impitoyablement mordu par les moustiques!
Vous pouvez littéralement compter les programmes qui vous permettent de calculer la fracturation hydraulique, et tous, jusqu'à récemment, n'étaient fabriqués que dans un seul pays au monde et étaient facilement interdits à la vente en Russie. Oui, nous sommes fiers d'avoir développé et de continuer à développer le premier simulateur industriel de fracturation hydraulique dans notre pays - RN-GRID. Avant notre développement, non seulement nous, mais l'ensemble de l'industrie nationale, étions obligés d'utiliser uniquement des logiciels américains, car en fait, il n'y en avait pas d'autre, et depuis 2014, il y a eu des problèmes avec l'achat de ce logiciel (comme on dit, il n'y aurait pas de bonheur, mais le malheur a aidé ). Maintenant, RN-GRID a non seulement complètement remplacé tous les logiciels similaires à l'intérieur de Rosneft, mais est également vendu avec succès à des sociétés tierces.
Pour calculer une fissure, un modèle physique et mathématique est nécessaire. Mais quels phénomènes physiques devraient être inclus dans le modèle, et lesquels peuvent être «oubliés»? Les pompes de surface pompent le liquide sous pression avec un agent de soutènement mélangé. Ce mélange pénètre dans le tuyau, sous pression et son propre poids descend à une profondeur, sur le chemin subissant un frottement contre les parois du tuyau, un freinage dû à sa propre viscosité et turbulence, perd une partie de son énergie sur les perforations et, forant ces mêmes perforations comme un abrasif, pénètre dans la fissure , se déplace le long de celle-ci, l'ouvrant de plus en plus large, se brise en couches plus faibles, se coince dans des endroits étroits et tombe sous l'influence de la gravité, puis est filtrée à travers les parois de la fissure dans toutes les directions, laissant l'agent de soutènement dans la fissure.
Le mouvement du mélange et l'ouverture (puis, après l'arrêt de l'injection et la fermeture) la fracture est une seule tâche, qui comprend la mécanique de la déformation élastique de la roche lors de l'ouverture de la fracture, et l'hydrodynamique du mouvement du mélange à travers les tuyaux et à l'intérieur de la fracture, et de nombreux problèmes particuliers comme calcul du frottement dans les tuyaux, désintégration d'un gel gélatineux sous l'action d'une chimie spéciale, décélération des particules d'agent de soutènement les unes contre les autres, dissolution de la roche avec de l'acide (si ce n'est pas simple, mais fracturation acide), chauffage du fluide par la roche et refroidissement de la roche avec du fluide, et bien d'autres effets. Voyez par vous-même combien il y en a!
Ainsi, pour décrire tous ces processus, il faut trier la moitié des manuels universitaires de physique et une grande partie des manuels de chimie: mécanique des continuums et hydrodynamique, thermodynamique et dynamique des réactions chimiques. Il ne suffit pas de décrire, il faut aussi programmer, puis il faut chevaucher des manuels sur les méthodes numériques et réfléchir à comment discrétiser le problème et ne pas obtenir un système d'équations qui ne peut être résolu dans un temps significatif. Et puis asseyez-vous aux instructions du processeur AVX2 d'Intel pour faire de votre solutionneur d'équations non linéaires le meilleur au monde.
Le résultat est le plus rapide et le plus sophistiqué du monde ... console exe-shnik. Pour lui fournir toutes les données nécessaires en entrée et afficher magnifiquement les résultats du calcul en sortie, puis les télécharger dans un rapport sous la forme souhaitée, vous aurez également besoin d'une application aussi pratique en tant que pré-post-processeur. Je vous rappelle que les ingénieurs de terrain sont plutôt durs qui s'assoient la nuit pour interpréter des graphiques et recalculer les conceptions de fracturation hydraulique. Ils sont toujours prêts à exprimer tout ce qu'ils pensent d'une police accrocheuse ou d'un bouton dans un dialogue qui disparaît de l'écran sur les anciens moniteurs d'ordinateurs portables 1024 par 768, que vous, un programmeur, vous prélassant dans votre bureau confortable derrière une paire de moniteurs 4K, avez oublié de prévoir. Et comme le travail se poursuit de jour comme de nuit, ils aiment aussi beaucoup le thème sombre:
Il faut garder à l'esprit que tout ce qui est décrit se déroule à une profondeur de plusieurs kilomètres, et tout ce que les ingénieurs voient lors de la fracturation hydraulique, ce sont les lectures de plusieurs instruments en surface et parfois les lectures d'une paire d'instruments descendus dans le puits. Par conséquent, il est important pour les ingénieurs de planifier à l'avance à l'aide du modèle ce qui se passera, puis pendant l'opération, en fonction des lectures des instruments, de voir à temps si tout se passe comme prévu, de répondre aux situations d'urgence à temps, et après l'opération de construire un modèle rétrospectif de la façon dont la fracturation hydraulique a été réalisée. afin que les informations obtenues puissent être utilisées dans un puits adjacent ou dans un champ adjacent. Nous parlerons plus en détail des lectures des instruments ci-dessous, car ce module est nécessaire pour toutes les opérations technologiques.
Simulateur de tube enroulé
En chirurgie, depuis des temps immémoriaux, ils ont été habitués aux opérations effectuées à travers une veine, et les endoscopes médicaux ont également été utilisés avec succès pendant longtemps pour l'étude et la manipulation de toutes sortes d'organes internes humains. L'industrie pétrolière a son propre analogue de cette opération - il s'agit d'un tube enroulé (CT) d'un diamètre plus petit, qui descend dans un tube conventionnel et vous permet d'effectuer divers types de travaux qui seraient autrement difficiles à effectuer.
Comment le tube spiralé est-il utilisé? Il existe deux options principales. Il peut s'agir simplement d'un tuyau flexible à extrémité ouverte. Il est abaissé dans un tuyau ordinaire, à travers lequel l'injection ou la production a été effectuée auparavant, et le liquide et le gaz y sont pompés. Mais en même temps, ils veulent qu'ils ne rentrent pas dans le réservoir, mais remontent par le tuyau. Regardez le schéma et vous comprendrez l'idée: le tuyau 2 est poussé dans le tuyau 1, le liquide et le gaz sont fournis par le tuyau 2, et entre le tuyau 1 et le tuyau 2, le liquide et le gaz injectés remontent à la surface. Pourquoi est-ce nécessaire? Par exemple, si le tuyau principal 1 était à moitié obstrué par un agent de soutènement à la suite d'une opération précédente infructueuse, il peut être «rincé» de cette manière: l'agent de soutènement sera ramené à la surface avec un écoulement inverse de liquide et de gaz - c'est ce qu'on appelle le rinçage du forage. Par exemple,si la connexion puits-formation est obstruée et ne permet pas au pétrole de passer à travers le puits, plus d'azote peut être injecté avec le liquide, alors la pression de formation du liquide nettoiera la zone du fond du trou d'elle-même. En contrôlant la pression à l'entrée du tuyau 2 et à la sortie du tuyau 1, nous pouvons nous assurer que le fluide calorigène ne pénètre pas dans la formation, car nous devons rincer le puits - ou, au contraire, il peut partir si nous pompons de l'acide pour diluer la roche ou non. pollution autour du puits.si nous pompons de l'acide pour diluer la roche ou une contamination indésirable autour du puits.si nous pompons de l'acide pour diluer la roche ou une contamination indésirable autour du puits.
La deuxième option est encore plus simple: sur le fond du tuyau 2, une sorte de
Dans notre institut, nous développons actuellement notre logiciel de calcul de diverses opérations effectuées à travers une conduite flexible - RN-VECTOR. Pouvez-vous deviner où l'analogue, qui est massivement utilisé dans l'immensité de la Fédération de Russie, a été fabriqué, que les ingénieurs doivent maintenant utiliser?
Que faut-il modéliser ici? Tout d'abord, les charges sur le tuyau flexible. Il sera abaissé dans un autre tuyau, il frottera contre les murs à cet endroit, et il faudra d'abord le pousser avec un effort supplémentaire, puis, au contraire, le maintenir. Mais même lorsque 2-3 kilomètres de tuyau sont descendus dans le puits, tous ces 2-3 kilomètres seront dans des conditions très différentes: la partie supérieure se suspendra et s'étirera sous son propre poids, et la partie inférieure, qui est entrée dans le puits de forage horizontal, s'allongera et essaiera de rester coincée. ... En conséquence, il est important de calculer de façon à ce qu'il ne «se coince» ou ne «casse» nulle part. Le calcul de diverses charges en fonction du poids du tuyau flexible et de son frottement contre les parois du tuyau principal, de la spirale du tuyau et des propriétés mécaniques de l'acier est la première partie d'un tel produit.
Deuxièmement, l'hydraulique. À l'entrée du tuyau flexible - une pression, qui est d'abord perdue lorsque le fluide se déplace le long du tuyau enroulé sur une bobine, puis est perdue lors du déplacement dans le tuyau flexible, se transforme en une sorte de pression en dessous. Si du coup il y a plus de pression au fond que dans le réservoir, le liquide ira dans le réservoir, perdu, au lieu de remonter entre les tuyaux 1 et 2 sur la figure ci-dessus. «Cher contremaître de la brigade Ivan Ivanovitch, - dira l'ouvrier de la brigade CT, - sans aucun doute, nous assistons à une perte de circulation, qu'en pensez-vous? Si, au contraire, il s'avère être moins, alors le pétrole verra à travers la formation, et nous effectuons des réparations au puits, sans faire de production. Le simulateur de cette opération technologique doit donc être capable de calculer correctement toutes les pertes de charge. À propos, la pression dans le tuyau flexible affecte inversement son état chargé.
Troisièmement, l'élimination des particules. Sur la photo ci-dessus, imaginez du sable agité au fond du puits: montera-t-il vers le haut avec un courant de fluide, ou le débit ne sera-t-il pas suffisant et retombera-t-il? Et si vous pompez du liquide avec de l'azote, la bulle d'azote pousse l'eau plus rapidement vers le haut, en particulier en se dilatant de bas en haut, mais en même temps, le sable lui-même ne peut pas sortir. Quelle quantité de sable «agité» peut être transportée à l'étage sans «faire tomber le paquet»? Nous avons besoin d'un calcul, et avec différents régimes d'écoulement.
Quatrièmement, il est nécessaire de prendre en compte la fatigue du tuyau. Le tuyau flexible est redressé du tambour, plié à nouveau sur le col de cygne, puis redressé à nouveau à l'entrée du puits - puis tout est dans l'ordre inverse. Le tuyau est respectivement abaissé ou relevé, certaines de ses parties sont plus pliées, d'autres moins. L'acier du tuyau est conçu pour une certaine fatigue accumulée, et il est nécessaire de calculer l'ajout suivant de fatigue pour chaque mètre de tuyau du travail au travail et de stocker ce profil dans la base de données. Voici à quoi ressemble ce profil après un certain travail:
Oui, bien sûr, personne n'a annulé le détecteur de défauts, et il trouvera et montrera d'éventuelles violations dans le tuyau, mais il est techniquement impossible ou très coûteux de vérifier le tuyau après chaque travail.
Graphiques, graphiques, graphiques!
Tout le fer utilisé pendant l'opération de tubage enroulé et pendant l'opération de fracturation hydraulique est accroché avec des capteurs, quelque part plus, quelque part moins. Pendant l'opération, toutes les données, bien sûr, sont écrites dans un fichier ou dans une base de données, mais en parallèle, les ingénieurs doivent configurer une apparence pratique pour tous les indicateurs afin qu'ils ne se coupent pas les yeux et que tous les indicateurs soient bien visibles (faites attention aux unités de poids - combien de newtons pesez-vous?).
Mais après la fin de l'opération, le fichier de données est importé, et tous les graphiques sont affichés et soigneusement analysés, et peu importe si cela fonctionnait avec des tubes enroulés ou une fracturation hydraulique. Et lorsque les programmeurs et les ingénieurs se reposent, ils prennent leur logiciel préféré et y chargent la télémétrie de leur quadricoptère préféré (car pour une raison quelconque, aucun autre logiciel connu ne fonctionne aussi bien avec de longues séries de données):
Mais nous nous sommes écartés du sujet. Par exemple, voici à quoi pourrait ressembler une opération de fracturation enregistrée dans le même logiciel:
Un ingénieur compétent regarde ces graphiques, et l'image entière de ce qui s'est passé se déroule devant lui, comme les lignes du destin dans la paume de sa main. Au point 1, l'injection a commencé, et la pression de fond (pression au fond du puits) commence à croître fortement du point 2 au point 3, jusqu'à ce que, finalement, à une pression de 380 atmosphères, une fracture hydraulique s'ouvre. Notez que la pression au fond du puits restera presque constante jusqu'à ce que la fracture atteigne le point 11. À propos, lorsque la fracture s'ouvre à 380 atmosphères, le manomètre en surface indique plus de 500 atmosphères au point 4. La pression dans la fracture reste presque constante. et en surface, les lectures du manomètre chutent du point 4 au point 5. L'ingénieur ne fera même pas attention: il sait parfaitement que c'est presque de l'eau dans le puits qui est remplacée par le même gel,et la perte de charge due au frottement dans la conduite tombe précisément par la différence entre les points 4 et 5. Un ingénieur curieux va même mesurer la pente de la ligne du point 4 au point 5, et ainsi obtenir le rapport des coefficients de frottement du fluide qui était dans le puits et qui y est fourni.
Au point 6, l'agent de soutènement commence à couler, et voyez à quel point immédiatement au point 7 les lectures du manomètre à la surface commencent à tomber - c'est la colonne de liquide dans le puits en raison du fait que l'agent de soutènement devient de plus en plus lourd. Du point 8 au point 9, un réducteur de friction a été ajouté au puits afin que l'agent de soutènement ne ralentisse pas trop contre les parois du tuyau. Au point 10, ils ont cessé de fournir de l'agent de soutènement, il a cessé de «tomber» dans le puits sous son propre poids, et donc plus de pression doit être poussée dans la fracture, la pression de la tête de puits monte au point 11. Et là, les pompes sont éteintes, et la pression chute instantanément au point 12, et là déjà il commence à décliner lentement comme étant une fracture hydraulique qui fuit du liquide
Tous ces graphiques fournissent beaucoup d'informations à un ingénieur qui ne peut pas voir clairement ce qui s'y passe en profondeur, mais grâce à ses connaissances, il peut non seulement évaluer qualitativement ce qui se passe, mais aussi évaluer quantitativement de nombreux indicateurs. Laissons délibérément entre parenthèses ce qu'on appelle les "analyses d'injection de test", où toutes sortes de règles délicates sont appliquées à ces graphiques et avec leur aide de nombreux paramètres de réservoir inconnus sont calculés. Je pense qu'il est compréhensible à quel point un vaste domaine d'activité pour les mathématiciens, physiciens, programmeurs et techniciens de tous horizons est le développement de logiciels d'ingénierie!
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