Hari ini kita akan berbicara tentang dua area khusus di mana pemodelan sangat diperlukan, kami akan memberi tahu Anda bagaimana para insinyur tahu cara memahami pembacaan sensor pompa, derek, dan quadcopters, dan akhirnya mencari tahu dalam satuan apa bobot diukur. Sumur apa pun adalah objek konstruksi modal, seperti bangunan atau pabrik, yang membutuhkan investasi modal, perencanaan, perbaikan berkala dan besar, dan hanya jika persyaratan ini terpenuhi, ia akan dapat mengembalikan biaya konstruksinya dan mendatangkan keuntungan baik dalam hal energi maupun moneter. ... Kehidupan sumur secara langsung berkaitan dengan operasi pengerjaan teknologi yang dilakukan secara berkala di atasnya. Ada operasi, seperti menurunkan dan mengangkat dan mengganti pipa atau pompa, yang hanya membutuhkan rencana yang jelas dan pemeliharaan langkah-langkah keselamatan oleh tim perbaikan.Dan ada operasi khusus yang membutuhkan studi teknik mendalam dan pemodelan tambahan, dan tanpa tindakan ini umur sumur mungkin berakhir begitu saja. Sumur, izinkan saya mengingatkan Anda, adalah investasi dana dan energi yang besar.
Salah satu operasi sumur terpenting saat ini adalah rekah hidrolik (hydraulic fracturing). Inti dari rekahan hidrolik adalah sebagai berikut. Cairan khusus yang mirip dengan jelly dipompa ke dalam sumur di bawah tekanan tinggi (hingga ribuan atmosfer!) (Sebenarnya, ini adalah jelly - bahan pembentuk gel makanan digunakan dalam produksinya). Tekanan memecah formasi, mendorong lapisan batuan terpisah. Pada kedalaman dimana rekahan hidrolik biasanya dilakukan, lebih mudah untuk memindahkan batuan ke samping daripada ke atas, sehingga rekahan hampir rata dan vertikal, sedangkan lebarnya beberapa milimeter atau sentimeter. Kemudian, bersama dengan cairan, proppant mulai diberi makan (kadang-kadang mereka juga menulis proppant, dengan dua "p" - dan begitu, dan itu benar) - campuran butiran keramik yang kuat, mirip dengan pasir, dengan diameter dari fraksi milimeter hingga milimeter.Tujuan dari rekahan hidrolik adalah untuk memompa sejumlah proppant yang dibutuhkan ke dalam formasi (atau, lebih tepatnya, ke dalam reservoir - ke dalam bagian formasi dimana minyak berada) sehingga terbentuk area permeabel, yang terhubung ke sumur. Cairan, tentu saja, akan bocor ke dalam formasi, dan proppant akan tetap berada di tempat yang berhasil dijangkau. Ladang dengan permeabilitas rendah (dan sekarang hampir semua ladang baru seperti itu, semua ladang tradisional besar yang bagus telah lama ditemukan dan dibor) tidak ada gunanya mengebor dengan sumur konvensional: permeabilitasnya rendah, dan minyak hampir tidak merembes ke lubang sumur kecil. Tentu saja secara teoritis mungkin untuk mengebor sumur yang sangat tebal sehingga luas dindingnya besar, tetapi jelas bahwa dalam praktiknya hal ini tidak realistis. Tetapi jika rekahan hidrolik dilakukan pada sumur, maka akan terbentuk rekahan ekstensif dengan area dinding besar yang terhubung dengan sumur di sekitar sumur.Minyak mengalir keluar selambat sebelumnya, tetapi sekarang sumur mengumpulkannya perlahan-lahan dari area yang luas, dan tingkat produksi totalnya bagus, dan sumur itu layak secara ekonomi. Untuk lebih meningkatkan area di mana minyak dikumpulkan oleh satu sumur, sumur dibor secara horizontal, dan rekahan hidrolik dilakukan beberapa kali - di tempat yang berbeda dari lubang sumur horizontal.
Apa yang salah di sini, dan mengapa Anda membutuhkan pemodelan? Pertama, celahnya mungkin salah, dan proppant mungkin tidak didistribusikan seperti yang kita inginkan. Ladang tersebut bisa saja dikembangkan untuk waktu yang lama, dan beberapa lapisan batuan sudah "disiram", jenuh dengan air, dan, mungkin, dari awal deposit, lapisan bawah sudah jenuh. Jika tiba-tiba retakan berpindah dari formasi sumur ke formasi jenuh air atau jenuh gas dan diisi dengan proppant, maka alih-alih sebagian minyak, sumur akan menghasilkan air atau gas.
Kedua, proppant bisa macet di pintu masuk patahan, karena cairan yang diaduk ternyata viskositasnya terlalu rendah, atau permeabilitas formasi ternyata lebih tinggi dari yang Anda rencanakan, dan cairan akan cepat bocor, meninggalkan proppant padat, yang tentu saja adalah menolak untuk bergerak tanpa cairan. Kemudian seluruh sumur akan diisi dengan proppant, dan biaya pembilasan tambahan akan diperlukan untuk membersihkannya.
Akhirnya, ketiga, proppant dapat "memompa" ke luar lubang sumur dan kehilangan kontak dengannya. Kemudian, meskipun daerah permeabel yang baik akan dibuat, itu tidak akan terhubung ke sumur, dan kemudian tidak ada artinya sama sekali.
Bagaimana Anda bisa mensimulasikan apa yang akan terjadi di dalam sumur saat memompa fluida dan proppant di bawah tekanan tinggi? Hal ini dilakukan oleh perangkat lunak khusus yang disebut "simulator rekahan hidrolik", yang menggunakan model pengembangan rekahan secara fisik dan matematis. Pengembangan perangkat lunak semacam itu, seperti pengembangan perangkat lunak lain untuk pemodelan numerik proses fisik, membutuhkan partisipasi simultan dari fisikawan, matematikawan, pemrogram dan pemrogram komputasi paralel berkinerja tinggi yang dapat membuat antarmuka yang nyaman, karena pada akhirnya, insinyur di rawa-rawa Siberia Barat akan menggunakan simulator rekahan hidrolik. tanpa ampun digigit nyamuk!
Anda benar-benar dapat menghitung program yang memungkinkan Anda menghitung rekahan hidraulik, dan semuanya, hingga saat ini, hanya dibuat di satu negara di dunia dan dengan mudah dilarang untuk dijual di Rusia. Ya, kami bangga telah mengembangkan dan terus mengembangkan simulator rekah hidrolik industri pertama di negara kita - RN-GRID. Sebelum pengembangan kami, tidak hanya kami, tetapi seluruh industri dalam negeri terpaksa hanya menggunakan perangkat lunak Amerika, karena, pada kenyataannya, tidak ada yang lain, dan sejak 2014 ada masalah dengan pembelian perangkat lunak ini (seperti yang mereka katakan, tidak akan ada kebahagiaan, tetapi kemalangan membantu ). Sekarang RN-GRID tidak hanya sepenuhnya menggantikan semua perangkat lunak serupa di dalam Rosneft, tetapi juga berhasil dijual ke perusahaan pihak ketiga.
Untuk menghitung suatu retakan diperlukan model fisik dan matematis. Tetapi fenomena fisik mana yang harus dimasukkan dalam model, dan mana yang dapat "dilupakan"? Pompa permukaan memompa cairan di bawah tekanan dengan proppant dicampur ke dalamnya. Campuran ini memasuki pipa, di bawah tekanan dan beratnya sendiri turun ke kedalaman, dalam perjalanan mengalami gesekan dengan dinding pipa, pengereman karena viskositas dan turbulensinya sendiri, kehilangan sebagian energinya pada perforasi dan, mengebor perforasi ini seperti abrasif, memasuki retakan , bergerak di sepanjang itu, mengungkapkannya lebih lebar dan lebih luas, menerobos menjadi lapisan yang lebih lemah, terjebak di tempat-tempat sempit dan jatuh di bawah aksi gravitasi, dan kemudian disaring melalui dinding retakan ke segala arah, meninggalkan proppant di celah.
Pergerakan campuran dan bukaan (dan kemudian, setelah menghentikan injeksi, dan menutup) rekahan adalah tugas tunggal, yang meliputi mekanisme deformasi elastis batuan selama pembukaan rekahan, dan hidrodinamika pergerakan campuran melalui pipa dan di dalam rekahan, dan banyak masalah khusus seperti perhitungan gesekan dalam pipa, disintegrasi gel seperti jeli di bawah aksi kimia khusus, perlambatan partikel proppant terhadap satu sama lain, pelarutan batuan dengan asam (jika tidak sederhana, tetapi rekah asam), pemanasan fluida oleh batuan dan pendinginan batuan dengan fluida, dan banyak efek lainnya. Lihat sendiri berapa harganya!
Jadi, untuk menggambarkan semua proses ini, Anda perlu menyortir setengah dari buku teks universitas tentang fisika dan sebagian besar buku teks tentang kimia: mekanika dan hidrodinamika kontinum, termodinamika, dan dinamika reaksi kimia. Tidak cukup untuk menjelaskan, itu juga perlu untuk memprogram, dan kemudian Anda harus tumpang tindih dengan buku teks tentang metode numerik dan memikirkan bagaimana membedakan masalah dan tidak mendapatkan sistem persamaan yang tidak dapat diselesaikan dalam waktu yang berarti. Dan kemudian ikuti instruksi prosesor AVX2 Intel untuk pemecah persamaan nonlinier terbaik di dunia.
Hasilnya adalah yang tercepat dan tercanggih di dunia ... konsol exe-shnik. Untuk menyediakan semua data yang diperlukan sebagai masukan, dan menampilkan hasil perhitungan dengan indah pada keluaran, dan kemudian mengunggahnya ke laporan dalam bentuk yang diinginkan, Anda juga akan membutuhkan aplikasi yang nyaman seperti pra-pasca-prosesor. Sebagai pengingat, teknisi lapangan adalah orang yang agak tangguh yang duduk di malam hari menafsirkan grafik dan menghitung ulang desain rekahan hidraulik. Mereka selalu siap untuk mengekspresikan semua yang mereka pikirkan tentang font yang menarik atau tombol dalam dialog yang keluar dari layar monitor laptop lama 1024 x 768, yang Anda, seorang programmer, duduk-duduk di kantor yang nyaman di belakang sepasang monitor 4K, lupa untuk meramalkannya. Dan karena pekerjaan ini berlangsung siang dan malam, mereka juga sangat menyukai tema gelap:
Perlu diingat bahwa semua yang dijelaskan terjadi pada kedalaman beberapa kilometer, dan semua yang dilihat para insinyur saat melakukan rekahan hidrolik adalah pembacaan beberapa instrumen di permukaan dan terkadang pembacaan sepasang instrumen diturunkan ke dalam sumur. Oleh karena itu, penting bagi para insinyur untuk merencanakan terlebih dahulu dengan bantuan model apa yang akan terjadi, kemudian selama operasi, menurut pembacaan instrumen, untuk melihat pada waktunya apakah semuanya berjalan sesuai rencana, untuk menanggapi situasi darurat pada waktunya, dan setelah operasi untuk membangun model retrospektif tentang bagaimana rekahan hidrolik dilakukan. sehingga informasi yang diperoleh dapat digunakan di sumur yang berdekatan atau di lapangan yang berdekatan. Kami akan berbicara tentang pembacaan instrumen di bawah ini, karena modul ini diperlukan untuk semua operasi teknologi.
Simulator tabung melingkar
Dalam pembedahan, sejak dahulu kala, mereka telah terbiasa dengan pembedahan yang dilakukan melalui pembuluh darah, dan endoskopi medis juga telah berhasil digunakan sejak lama untuk mempelajari dan memanipulasi semua jenis organ dalam manusia. Industri minyak memiliki analogi sendiri untuk operasi ini - ini adalah pipa melingkar (CT) dengan diameter lebih kecil, yang diturunkan menjadi pipa konvensional dan memungkinkan Anda melakukan berbagai jenis pekerjaan yang jika tidak akan sulit dilakukan.
Bagaimana tabung melingkar digunakan? Ada dua opsi utama. Ini mungkin hanya pipa fleksibel berujung terbuka. Itu diturunkan menjadi pipa biasa, di mana injeksi atau produksi dilakukan sebelumnya, dan cairan dan gas dipompa melaluinya. Tetapi pada saat yang sama, mereka ingin mereka tidak pergi ke waduk, tetapi naik kembali ke pipa. Lihatlah diagramnya, dan Anda akan memahami idenya: pipa 2 didorong ke pipa 1, cairan dan gas disuplai melalui pipa 2, dan antara pipa 1 dan pipa 2 cairan dan gas yang diinjeksikan naik kembali ke permukaan. Mengapa ini dibutuhkan? Misalnya, jika pipa utama 1 setengah tersumbat oleh proppant akibat operasi sebelumnya yang tidak berhasil, maka dapat "dibilas" dengan cara ini: proppant akan dibawa kembali ke permukaan dengan aliran balik cairan dan gas - ini disebut pembilasan lubang bor. Misalnya,Jika sambungan sumur dengan formasi tersumbat dan tidak melewatkan minyak dengan baik, lebih banyak nitrogen dapat disuntikkan bersama dengan cairan, maka tekanan pembentukan cairan dengan sendirinya akan membersihkan area lubang bawah. Dengan mengontrol tekanan pada saluran masuk ke pipa 2 dan pada saluran keluar dari pipa 1, kita dapat memastikan bahwa fluida yang bersirkulasi tidak masuk ke dalam formasi, karena kita perlu menyiram sumur - atau sebaliknya, dapat keluar jika kita memompa asam untuk mengencerkan batuan atau tidak diinginkan. polusi di sekitar sumur.jika kita memompa asam untuk mengencerkan batuan atau kontaminasi yang tidak diinginkan di sekitar sumur.jika kita memompa asam untuk mengencerkan batuan atau kontaminasi yang tidak diinginkan di sekitar sumur.
Opsi kedua bahkan lebih sederhana - di bagian bawah pipa 2 beberapa jenis alat
Kami di institut kami sekarang mengembangkan perangkat lunak kami untuk melakukan kalkulasi berbagai operasi yang dilakukan melalui pipa fleksibel - RN-VECTOR. Dapatkah Anda menebak di mana analog, yang digunakan secara masif di Federasi Rusia, dibuat, insinyur mana yang sekarang harus digunakan?
Apa yang perlu dimodelkan di sini? Pertama, beban pada pipa fleksibel. Itu akan diturunkan ke pipa lain, itu akan bergesekan dengan dinding di sana, dan pertama-tama perlu didorong dengan upaya tambahan, dan kemudian, sebaliknya, dipegang. Tetapi bahkan ketika pipa 2-3 kilometer diturunkan ke dalam sumur, semua 2-3 kilometer ini akan berada dalam kondisi yang sangat berbeda: bagian atas akan menggantung dan meregang karena beratnya sendiri, dan bagian bawah, yang telah masuk ke lubang sumur horizontal, akan berbaring dan mencoba macet ... Karenanya, penting untuk menghitung agar tidak "macet" atau "putus" di mana pun. Perhitungan berbagai beban sesuai dengan berat pipa fleksibel dan gesekannya terhadap dinding pipa utama, spiral pipa dan sifat mekanik baja adalah bagian pertama dari produk semacam itu.
Kedua, hidrolika. Di pintu masuk ke pipa fleksibel - satu tekanan, yang pertama kali hilang saat cairan bergerak di sepanjang luka pipa di spul, kemudian hilang saat bergerak ke bawah pipa fleksibel, berubah menjadi semacam tekanan di bawah. Jika tiba-tiba ada lebih banyak tekanan di bawah daripada di reservoir, cairan akan masuk ke reservoir, hilang, bukannya naik di antara pipa 1 dan 2 pada gambar di atas. “Mandor brigade Ivan Ivanovich yang terhormat, - pekerja dari brigade CT akan berkata, - tidak diragukan lagi, kami melihat kehilangan sirkulasi, bagaimana menurut Anda?” Kalau sebaliknya ternyata kurang, maka minyak akan tembus dari formasi, dan kita melakukan perbaikan di sumur, dan tidak produksi. Jadi simulator operasi teknologi ini harus dapat menghitung dengan benar semua penurunan tekanan. Ngomong-ngomong, tekanan pada pipa fleksibel mempengaruhi keadaan terbebani secara terbalik.
Ketiga, penghilangan partikel. Pada gambar di atas, bayangkan pasir bergejolak di dasar sumur: apakah akan naik ke atas dengan aliran fluida, atau apakah kecepatan alirannya tidak cukup dan akankah turun kembali? Dan jika Anda memompa cairan bersama dengan nitrogen, gelembung nitrogen mendorong air ke atas lebih cepat, terutama mengembang dari bawah ke atas, tetapi pada saat yang sama pasir itu sendiri tidak bisa keluar. Berapa banyak pasir yang "diaduk" yang bisa dibawa ke atas tanpa "menjatuhkan pak"? Kami membutuhkan perhitungan, dan dengan rezim aliran yang berbeda.
Keempat, perlu memperhitungkan kelelahan pipa. Pipa fleksibel diluruskan dari drum, ditekuk lagi pada leher angsa, lalu diluruskan lagi di pintu masuk sumur - dan kemudian semuanya dalam urutan terbalik. Pipa diturunkan atau dinaikkan masing-masing, beberapa bagiannya lebih bengkok, beberapa lebih sedikit. Baja pipa dirancang untuk akumulasi kelelahan tertentu, dan penambahan kelelahan berikutnya perlu dihitung untuk setiap meter pipa dari pekerjaan ke pekerjaan dan menyimpan profil ini dalam database. Seperti inilah tampilan profil ini setelah melakukan sejumlah pekerjaan:
Ya, tentu saja, tidak ada yang membatalkan detektor cacat, dan itu akan menemukan dan menunjukkan kemungkinan pelanggaran di pipa, tetapi secara teknis tidak mungkin atau sangat mahal untuk memeriksa pipa di atasnya setelah setiap pekerjaan.
Bagan, bagan, bagan!
Semua besi yang digunakan selama operasi pipa melingkar dan selama operasi rekahan hidraulik digantung dengan sensor, di tempat lain, di tempat yang lebih sedikit. Selama operasi, semua data, tentu saja, ditulis ke file atau ke database, tetapi secara paralel, insinyur perlu mengatur tampilan yang nyaman untuk semua indikator sehingga mereka tidak memotong mata mereka, dan semua indikator terlihat jelas (perhatikan unit bobot - berapa banyak newton yang kamu timbang?).
Tetapi setelah operasi berakhir, file data diimpor, dan semua grafik ditampilkan dan dianalisis dengan cermat, dan tidak masalah jika itu bekerja dengan pipa melingkar atau rekahan hidrolik. Dan ketika pemrogram dan insinyur beristirahat, mereka menggunakan perangkat lunak favorit mereka dan memuat telemetri quadcopter favorit mereka ke dalamnya (karena untuk beberapa alasan tidak ada perangkat lunak lain yang dikenal bekerja dengan baik dengan seri data yang panjang):
Tapi kami menyimpang dari topik. Misalnya, berikut adalah tampilan operasi rekahan yang direkam pada perangkat lunak yang sama:
Seorang insinyur yang kompeten melihat grafik ini, dan gambaran keseluruhan dari apa yang terjadi terbentang di hadapannya, seperti garis takdir di telapak tangannya. Pada titik 1, injeksi dimulai, dan tekanan lubang bawah (tekanan di dasar sumur) mulai meningkat tajam dari titik 2 ke titik 3, hingga, akhirnya, pada tekanan 380 atmosfer, retakan hidraulik terbuka. Perhatikan bahwa tekanan di dasar sumur akan tetap hampir konstan sampai rekahan tumbuh hingga titik 11. Ngomong-ngomong, saat rekahan terbuka di 380 atmosfer, pengukur tekanan di permukaan menunjukkan lebih dari 500 atmosfer di titik 4. Tekanan di rekahan tetap hampir konstan. dan di permukaan, pembacaan manometer turun dari poin 4 ke poin 5. Insinyur bahkan tidak akan memerhatikan: dia tahu betul bahwa hampir air di dalam sumur yang diganti dengan gel yang sama,dan kehilangan tekanan akibat gesekan pada pipa turun tepat dengan selisih antara titik 4 dan 5. Seorang insinyur yang ingin tahu bahkan akan mengukur kemiringan garis dari titik 4 ke titik 5, dan dengan demikian mendapatkan rasio koefisien gesekan fluida yang ada di dalam sumur dan yang disuplai di sana.
Pada poin 6, proppant mulai mengalir, dan lihat bagaimana segera pada poin 7 pembacaan pengukur tekanan di permukaan mulai turun - ini adalah kolom fluida di dalam sumur karena proppant menjadi lebih berat dan lebih berat. Pada poin 8 hingga poin 9, sebuah peredam gesekan ditambahkan ke dalam sumur sehingga proppant tidak akan terlalu melambat terhadap dinding pipa. Pada titik 10, mereka berhenti memasok proppant, ia berhenti "jatuh" ke dalam sumur karena beratnya sendiri, dan oleh karena itu lebih banyak tekanan harus didorong ke dalam rekahan, tekanan kepala sumur naik ke titik 11. Dan di sana pompa dimatikan, dan tekanan langsung turun ke titik 12, dan di sana sudah mulai menurun secara perlahan karena retakan hidrolik yang membocorkan cairan
Semua grafik ini memberikan banyak informasi kepada seorang insinyur yang tidak dapat melihat dengan jelas apa yang terjadi di sana secara mendalam, namun berkat pengetahuan, dia tidak hanya dapat menilai secara kualitatif apa yang sedang terjadi, tetapi juga secara kuantitatif mengevaluasi banyak indikator. Mari kita dengan sengaja meninggalkan tanda kurung apa yang disebut "analisis injeksi uji", di mana segala jenis penggaris rumit diterapkan pada grafik ini dan dengan bantuannya banyak parameter reservoir yang tidak diketahui dihitung. Saya pikir dapat dimengerti betapa luasnya bidang aktivitas bagi ahli matematika, fisikawan, pemrogram, dan teknisi dari semua bidang adalah pengembangan perangkat lunak teknik!
Seluruh seri: