Hoy hablaremos de dos áreas especiales donde el modelado es indispensable, te contaremos cómo los ingenieros saben entender las lecturas de los sensores de bombas, grúas y cuadricópteros, y finalmente averiguar en qué unidades se mide el peso. Cualquier pozo es objeto de construcción de capital, como un edificio o una planta, que requiere inversiones de capital, planificación, reparaciones periódicas y mayores, y solo si se cumplen estos requisitos, podrá devolver los costos de su construcción y generar ganancias tanto en términos energéticos como monetarios. ... La vida del pozo está directamente relacionada con las operaciones de reacondicionamiento tecnológico que se realizan periódicamente en él. Hay operaciones, como bajar y levantar y reemplazar tuberías o bomba, que solo necesitan un plan claro y el mantenimiento de medidas de seguridad por parte del equipo de reparación.Y hay operaciones especiales que requieren un estudio de ingeniería profundo y modelado adicional, y sin estas acciones, la vida del pozo simplemente puede terminar. Un pozo, permítanme recordarles, es una gran inversión de fondos y energía.
Una de las operaciones de pozo más importantes en la actualidad es la fracturación hidráulica (fracturación hidráulica). La esencia de la fracturación hidráulica es la siguiente. Un líquido especial similar a la gelatina se bombea al pozo a alta presión (¡hasta mil atmósferas!) (De hecho, esto es gelatina: se usa un agente gelificante de alimentos en su producción). La presión rompe la formación y separa las capas de roca. A la profundidad donde se suele realizar la fracturación hidráulica, es más fácil mover la roca hacia los lados que hacia arriba, por lo que la fractura es casi plana y vertical, mientras que su ancho es de unos pocos milímetros o centímetros. Luego, junto con el líquido, comienza a alimentarse el apuntalante (a veces también escriben apuntalante, con dos "p" - y así, y así es correcto) - una mezcla de gránulos cerámicos fuertes, similares a la arena, con un diámetro de fracciones de milímetros a milímetros.El propósito de la fracturación hidráulica es inyectar la cantidad requerida de apuntalante en la formación (o, más precisamente, en el reservorio, en la parte de la formación donde se encuentra el petróleo) para que se forme un área permeable, conectada al pozo. El líquido, por supuesto, se filtrará en la formación y el apuntalante permanecerá donde logró llegar. Campos de baja permeabilidad (y ahora casi todos los campos nuevos lo son, todos los grandes campos tradicionales buenos se han encontrado y perforado durante mucho tiempo) es inútil perforar con pozos convencionales: la permeabilidad es baja y el petróleo apenas rezuma a un pozo pequeño. Por supuesto, teóricamente es posible perforar un pozo muy grueso de modo que el área de la pared sea grande, pero es obvio que en la práctica esto no es realista. Pero si se realiza una fracturación hidráulica en el pozo, entonces se forma una fractura extensa con un área de pared grande alrededor del pozo, bien conectada con el pozo.El petróleo se filtra tan lentamente como antes, pero ahora el pozo lo está recolectando lentamente en un área grande, la tasa de producción total es buena y el pozo está económicamente justificado. Para aumentar aún más el área de la cual se recolecta petróleo en un pozo, los pozos se perforan horizontalmente y la fracturación hidráulica se lleva a cabo varias veces, en diferentes lugares del pozo horizontal.
¿Qué puede salir mal aquí y por qué necesita modelado? En primer lugar, la grieta puede ir en el lugar incorrecto y el apuntalante puede no distribuirse a lo largo de ella como nos gustaría. El campo podría haberse desarrollado durante mucho tiempo, y algunas de las capas de roca ya estaban "regadas", saturadas de agua y, posiblemente, desde el principio en el depósito, las capas inferiores estaban saturadas. Si de repente una grieta pasa de un pozo a formaciones saturadas de agua o de gas y se llena con apuntalante, entonces, en lugar de parte del petróleo, el pozo producirá agua o gas.
En segundo lugar, el apuntalante puede atascarse en la entrada de la fractura, porque el líquido en el que se mezcla resultó tener una viscosidad demasiado baja, o la permeabilidad de la formación resultó ser más alta de lo planeado, y el líquido simplemente se filtrará rápidamente, dejando un apuntalante sólido, que, por supuesto, es se niega a moverse sin líquido. Luego, todo el pozo se llenará con apuntalante y se requerirán costos de lavado adicionales para limpiarlo.
Finalmente, en tercer lugar, el apuntalante puede "bombear" más allá del pozo y perder contacto con él. Entonces, aunque se creará un área bien permeable, no se conectará al pozo de ninguna manera, y entonces no tiene ningún sentido su existencia.
¿Cómo se puede simular lo que sucederá en el pozo al bombear fluido y apuntalante a alta presión? Esto se realiza mediante un software especializado llamado "simulador de fracturación hidráulica", que utiliza un modelo numérico físico y matemático del desarrollo de fracturas. El desarrollo de dicho software, como el desarrollo de cualquier otro software para el modelado numérico de procesos físicos, requiere la participación simultánea de físicos, matemáticos, programadores de computación paralela de alto rendimiento y programadores que puedan crear una interfaz conveniente, porque en última instancia, los ingenieros de los pantanos de Siberia occidental utilizarán el simulador de fracturación hidráulica. picada sin piedad por los mosquitos!
Literalmente, puede contar los programas que le permiten calcular la fracturación hidráulica, y todos, hasta hace poco, se hacían solo en un país del mundo y se prohibían fácilmente su venta en Rusia. Sí, estamos orgullosos de haber desarrollado y seguimos desarrollando el primer simulador de fracturación hidráulica industrial en nuestro país: RN-GRID. Antes de nuestro desarrollo, no solo nosotros, sino toda la industria nacional nos vimos obligados a usar solo software estadounidense, porque, de hecho, no había otro, y desde 2014 ha habido problemas con la compra de este software (como dicen, no habría felicidad, pero la desgracia ayudó ). Ahora, RN-GRID no solo ha reemplazado por completo todo el software similar dentro de Rosneft, sino que también se está vendiendo con éxito a empresas de terceros.
Para calcular una grieta se necesita un modelo físico y matemático. Pero, ¿qué fenómenos físicos deberían incluirse en el modelo y cuáles pueden "olvidarse"? Las bombas de superficie bombean líquido a presión con apuntalante mezclado. Esta mezcla ingresa a la tubería, bajo presión y su propio peso desciende a una profundidad, en el camino experimenta fricción contra las paredes de la tubería, frena por su propia viscosidad y turbulencia, pierde algo de su energía en las perforaciones y, perforando estas mismas perforaciones como un abrasivo, ingresa a la fisura. , se mueve a lo largo de ella, abriéndola más y más, se rompe en capas más débiles, se atasca en lugares estrechos y cae bajo la influencia de la gravedad, y luego se filtra a través de las paredes de la grieta en todas direcciones, dejando el apuntalante en la grieta.
El movimiento de la mezcla y la apertura (y luego, después de detener la inyección y cerrar) la fractura es una sola tarea, que incluye la mecánica de la deformación elástica de la roca durante la apertura de la fractura y la hidrodinámica del movimiento de la mezcla a través de las tuberías y dentro de la fractura, y muchos problemas particulares como cálculo de la fricción en tuberías, desintegración de un gel gelatinoso bajo la acción de una química especial, desaceleración de las partículas de apuntalante entre sí, disolución de la roca con ácido (si no es simple, pero fracturación ácida), calentamiento del fluido por la roca y enfriamiento de la roca con el fluido, y muchos otros efectos. ¡Comprueba por ti mismo cuánto hay!
Por lo tanto, para describir todos estos procesos, debe clasificar la mitad de los libros de texto universitarios sobre física y una gran parte de los libros de texto sobre química: mecánica e hidrodinámica continuas, termodinámica y dinámica de reacciones químicas. No basta con describir, también es necesario programar, y luego hay que superponerse con libros de texto sobre métodos numéricos y pensar cómo discretizar el problema y no conseguir un sistema de ecuaciones que no se pueda resolver en un tiempo significativo. Y luego siéntese con las instrucciones del procesador AVX2 de Intel para hacer que su solucionador de ecuaciones no lineales sea el mejor del mundo.
El resultado es la consola más rápida y sofisticada del mundo ... exe-shnik. Para proporcionarle todos los datos necesarios como entrada, y mostrar bellamente los resultados del cálculo en la salida, y luego cargarlos en un informe en la forma deseada, también necesitará una aplicación tan conveniente como pre-post-procesador. Como recordatorio, los ingenieros de campo son tipos bastante duros que se sientan de noche a interpretar gráficos y recalcular los diseños de fracturamiento hidráulico. Siempre están listos para expresar lo que piensen sobre una fuente llamativa o un botón en un diálogo que desaparece de la pantalla en los monitores portátiles antiguos de 1024 por 768, que usted, un programador, que descansa en su acogedora oficina detrás de un par de monitores 4K, olvidó prever. Y dado que el trabajo se desarrolla tanto de día como de noche, también les encanta el tema oscuro:
Hay que tener en cuenta que todo lo descrito ocurre a una profundidad de varios kilómetros, y lo único que ven los ingenieros al realizar la fracturación hidráulica son las lecturas de varios instrumentos en superficie y en ocasiones las lecturas de un par de instrumentos bajados al pozo. Por lo tanto, es importante que los ingenieros planifiquen de antemano con la ayuda del modelo lo que sucederá, luego durante la operación, de acuerdo con las lecturas de los instrumentos, para ver a tiempo si todo va según lo planeado, para responder a las situaciones de emergencia a tiempo, y después de la operación construir un modelo retrospectivo de cómo se realizó la fracturación hidráulica. de modo que la información obtenida se pueda utilizar en un pozo adyacente o en un campo adyacente. Hablaremos más sobre las lecturas de los dispositivos a continuación, porque este módulo es necesario para todas las operaciones tecnológicas.
Simulador de tubería flexible
En cirugía, desde tiempos inmemoriales, se han acostumbrado a las operaciones realizadas a través de una vena, y los endoscopios médicos también se han utilizado con éxito durante mucho tiempo para la investigación y manipulación de todo tipo de órganos internos humanos. La industria petrolera tiene su propio análogo de esta operación: es una tubería flexible (CT) de un diámetro más pequeño, que baja a una tubería convencional y le permite realizar varios tipos de trabajo que de otra manera serían difíciles de realizar.
¿Cómo se usa la tubería flexible? Hay dos opciones principales. Podría ser simplemente una tubería flexible de extremo abierto. Se baja a una tubería ordinaria, a través de la cual se realizó antes la inyección o producción, y se bombea líquido y gas a través de ella. Pero al mismo tiempo, quieren que no vayan al depósito, sino que suban por la tubería de regreso. Mire el diagrama y comprenderá la idea: la tubería 2 se empuja hacia la tubería 1, el líquido y el gas se suministran a través de la tubería 2, y entre la tubería 1 y la tubería 2, el líquido y el gas inyectados vuelven a la superficie. ¿Por qué es necesario? Por ejemplo, si la tubería principal 1 estaba medio obstruida con apuntalante como resultado de una operación fallida anterior, se puede "lavar" de esta manera: el apuntalante se llevará de regreso a la superficie con un flujo inverso de líquido y gas; esto se denomina lavado del pozo. Por ejemplo,Si la conexión de la formación del pozo está obstruida y no permite que el petróleo pase a través del pozo, se puede inyectar más nitrógeno con el líquido, entonces la presión de formación del líquido limpiará el área del fondo del pozo por sí misma. Controlando la presión en la entrada a la tubería 2 y en la salida de la tubería 1, podemos asegurar que el fluido circulante no entre en la formación, porque necesitamos enjuagar el pozo - o, por el contrario, puede salir si bombeamos ácido para diluir la roca o no deseado contaminación alrededor del pozo.si estamos bombeando ácido para diluir rocas o contaminación no deseada alrededor del pozo.si estamos bombeando ácido para diluir rocas o contaminación no deseada alrededor del pozo.
La segunda opción es aún más simple: en la parte inferior de la tubería 2 se coloca algún tipo de herramienta de
En nuestro instituto ahora estamos desarrollando nuestro software para calcular varias operaciones realizadas a través de una tubería flexible - RN-VECTOR. ¿Puedes adivinar dónde se fabricó el análogo, que se usa masivamente en la inmensidad de la Federación de Rusia, que los ingenieros ahora tienen que usar?
¿Qué hay que modelar aquí? Primero, las cargas en la tubería flexible. Se bajará a otra tubería, se frotará contra las paredes allí y primero será necesario empujarlo con un esfuerzo adicional y luego, por el contrario, sostenerlo. Pero incluso cuando se bajan 2-3 kilómetros de tubería al pozo, todos estos 2-3 kilómetros estarán en condiciones muy diferentes: la parte superior colgará y se estirará por su propio peso, y la parte inferior, que ha entrado en el pozo horizontal, se acostará e intentará atascarse. ... En consecuencia, es importante calcularlo para que no se "atasque" o "se rompa" en ninguna parte. El cálculo de varias cargas de acuerdo con el peso de la tubería flexible y su fricción contra las paredes de la tubería principal, la espiral de la tubería y las propiedades mecánicas del acero es la primera parte de cualquier producto de este tipo.
En segundo lugar, hidráulica. En la entrada de la tubería flexible, una presión, que primero se pierde cuando el fluido se mueve a lo largo de la tubería enrollada en una bobina, luego se pierde cuando baja por la tubería flexible, se convierte en algún tipo de presión debajo. Si de repente hay más presión en el fondo que en el depósito, el líquido entrará en el depósito, perdido, en lugar de subir entre las tuberías 1 y 2 en la figura de arriba. "Estimado capataz de la brigada Ivan Ivanovich", dirá el trabajador de CT, "indudablemente estamos viendo una pérdida de circulación, ¿qué le parece?" Si, por el contrario, resulta ser menor, entonces el petróleo se verá a través de la formación y estamos haciendo reparaciones en el pozo y no produciendo. Por tanto, el simulador de esta operación tecnológica debe poder calcular correctamente todas las caídas de presión. Por cierto, la presión en la tubería flexible afecta inversamente a su estado cargado.
En tercer lugar, la eliminación de partículas. En la imagen de arriba, imagine arena agitada en el fondo del pozo: ¿se elevará hacia arriba con una corriente de fluido o el caudal no será suficiente y volverá a caer? Y si bombea líquido junto con nitrógeno, la burbuja de nitrógeno empuja el agua hacia arriba más rápido, especialmente expandiéndose en el camino de abajo hacia arriba, pero al mismo tiempo la arena misma no puede sacar. ¿Cuánta arena "removida" puede absorber sin "dejar caer el paquete"? Necesitamos un cálculo, con diferentes regímenes de flujo.
En cuarto lugar, es necesario tener en cuenta la fatiga de la tubería. La tubería flexible se endereza del tambor, se dobla nuevamente en el cuello de cisne, luego se endereza nuevamente en la entrada del pozo, y luego todo está en el orden inverso. La tubería se baja o se levanta, respectivamente, algunas de sus partes se doblan más, otras menos. La tubería de acero está diseñada para una cierta fatiga acumulada, y es necesario calcular la siguiente adición de fatiga por cada metro de tubería de un trabajo a otro y almacenar este perfil en la base de datos. Así es como se ve este perfil después de una cierta cantidad de trabajo:
Sí, por supuesto, nadie canceló el detector de fallas, y encontrará y mostrará posibles violaciones en la tubería, pero es técnicamente imposible o muy costoso revisar la tubería después de cada trabajo.
¡Gráficos, gráficos, gráficos!
Todo el hierro utilizado durante la operación de tubería flexible y durante la operación de fracturamiento hidráulico se cuelga con sensores, en algún lugar más, en algún lugar menos. Durante la operación, todos los datos, por supuesto, se escriben en un archivo o en una base de datos, pero en paralelo, los ingenieros deben configurar una apariencia conveniente para todos los indicadores para que no se corten los ojos y todos los indicadores estén a la vista (preste atención a las unidades de peso - ¿cuántos newtons pesas?).
Pero después del final de la operación, se importa el archivo de datos, y todos los gráficos se muestran y se analizan cuidadosamente, y no importa si estaba trabajando con tubería flexible o fracturación hidráulica. Y cuando los programadores e ingenieros descansan, toman su software favorito y cargan la telemetría de su quadcopter favorito en él (porque por alguna razón ningún otro software conocido funciona tan bien con series de datos largas):
pero nos desviamos del tema. Por ejemplo, así es como se vería una operación de fractura registrada en el mismo software:
Un ingeniero competente mira estos gráficos y la imagen completa de lo que sucedió se despliega ante él, como las líneas del destino en la palma de su mano. En el punto 1 comenzó la inyección y la presión de fondo de pozo (presión en el fondo del pozo) comienza a crecer bruscamente del punto 2 al punto 3, hasta que, finalmente, a una presión de 380 atmósferas, se abre una fractura hidráulica. Tenga en cuenta que la presión en el fondo del pozo permanecerá casi constante hasta que la fractura crezca hasta el punto 11. Por cierto, cuando la fractura se abre a 380 atmósferas, el manómetro en la superficie muestra más de 500 atmósferas en el punto 4. La presión en la fractura permanece casi constante. y en la superficie, las lecturas del manómetro bajan del punto 4 al punto 5. El ingeniero ni le echa un ojo: sabe muy bien que es casi agua en el pozo la que se reemplaza por el mismo gel,y la pérdida de carga por fricción en la tubería cae precisamente por la diferencia entre los puntos 4 y 5. Un ingeniero inquisitivo incluso medirá la pendiente de la línea desde el punto 4 al punto 5, y así obtendrá la relación de los coeficientes de fricción del fluido que estaba en el pozo y que se suministra allí.
En el punto 6, el apuntalante comienza a fluir, y observe cómo inmediatamente en el punto 7 las lecturas del manómetro en la superficie comienzan a caer; esta es una columna de fluido en el pozo debido a que el apuntalante se vuelve cada vez más pesado. En el punto 8 al punto 9, se agregó un reductor de fricción al pozo para que el apuntalante no desacelerara demasiado contra las paredes de la tubería. En el punto 10, dejaron de suministrar apuntalante, dejó de "caer" al pozo por su propio peso y, por lo tanto, se debe empujar más presión hacia la fractura, la presión de la boca del pozo aumenta al punto 11. Y allí se apagan las bombas, y la presión cae instantáneamente al punto 12, y allí ya comienza a declinar lentamente como siendo de fractura hidráulica con fugas de líquido
Todos estos gráficos brindan mucha información a un ingeniero que no puede ver claramente lo que está sucediendo allí en profundidad, pero gracias al conocimiento, no solo puede evaluar cualitativamente lo que está sucediendo, sino también evaluar cuantitativamente muchos indicadores. Dejemos deliberadamente fuera de paréntesis lo que se llama "análisis de inyección de prueba", donde se aplican todo tipo de reglas complicadas a estos gráficos y con su ayuda se calculan muchos parámetros desconocidos del yacimiento. Creo que es comprensible cuán vasto campo de actividad para matemáticos, físicos, programadores y técnicos de todo tipo es el desarrollo de software de ingeniería.
Toda la serie: