Что такое дизайн грп
Оптимизация дизайна гидроразрыва пласта для горизонтальной скважины
Б.Н. Старовойтова, к.ф.-м.н., Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, С.В. Головин, д.ф.-м.н., Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, Новосибирский гос. университет, Е.А. Кавунникова, Новосибирский гос. университет, Е.В. Шель, Г.В. Падерин, ООО «Газпромнефть НТЦ»
Многостадийный гидроразрыв пласта (МГРП) в настоящее время является одним из распространенных методов интенсификации добычи углеводородов, а на месторождениях с низкопроницаемыми коллекторами – единственно возможным способом добычи. Технологическим критерием эффективности МГРП служит величина прироста дебита скважины в результате его применения. Вследствие высокой стоимости данной технологии первоочередной задачей является определение оптимального дизайна МГРП, гарантирующего его экономическую рентабельность.
В работе [1] предложена концепция унифицированного дизайна ГРП, в которой предполагается, что величина притока к скважине линейно пропорциональна пере-паду давления в ней, коэффициент пропорциональности получил название «индекс продуктивности» (ИП). Критерием оптимальности дизайна ГРП выступает условие максимального значения ИП. Было показано, что для любого количества проппанта, закачанного в пласт, существуют (единственным образом) геометрические ха-рактеристики трещины ГРП (длина и ширина), при которых достигается максимальное значение ИП и соответственно максимальный приток к скважине. В работе [2] предложен алгоритм оптимизации МГРП, сочетающий технологическую и экономическую эффективность. В этом подходе для каждой массы проппанта находятся оптимальные геометрические характеристики трещины, соответствующие максимуму ИП, затем среди найден-ных геометрических характеристик выбираются те, для которых значение чистой дисконтированной стоимости (NPV) максимальное.
В настоящей работе предлагается другой подход: поиск числа и геометрических характеристик трещин, обеспечивающих максимальный приток к скважине, должен сразу осуществляться при некоторых экономических ограничениях, например, при условии максимального возможного дохода от МГРП при минимальных затратах на его проведение. Такая постановка задачи нахождения оптимального дизайна ГРП приводит к необходимости решения задачи многоцелевой оптимизации, в которой одновременно ищется экстремум нескольких показателей (в рассматриваемом случае это дебит, NPV и затраты на проведение МГРП), называемых целевыми функциями или критериями качества.
Задача оптимизации МГРП, близкая к приведенной в данной статье, рассматривалась в работах [3, 4], где за-дача многоцелевой оптимизации сводилась к минимизации одной целевой функции, являющейся взвешенной суммой всех интересующих функций качества. Недостаток такого подхода – необходимость подбора весовых коэффициентов, который может быть выполнен только после анализа серии оптимизационных расчетов с различными комбинациями весов.
Постановка задачи
Сформулируем задачу оптимизации МГРП следующим образом. Требуется подобрать длину горизонталь-ного ствола скважины, число и геометрические характеристики трещин, которые соответствует достижению целевых показателей: максимальному уровню добычи Qtot, максимальному уровню доходов от операции МГРП на основе расчета NPV или минимальному уровню затрат на операцию МГРП CHF.
Поскольку геометрические характеристики трещины напрямую связаны с количеством закачанного в пласт проппанта, независимыми параметрами оптимизации являются: число трещин Nf; масса проппанта на одну трещину Mp; длина горизонтального ствола скважины Lw. При этом на них накладываются следующие ограничения:
Технологические параметры, такие как скорость закачки Q0 и концентрация проппанта C, в дальнейшем рассмотрении считаются заданными (за концентрацию проппанта C принимается средняя объемная концентрация всего процесса закачки). Продуктивный пласт считается параллелепипедом высотой H, ограниченным снизу и сверху непроницаемыми прослоями. Горизонтальная скважина простирается вдоль центральной линии пласта с поперечными трещинами, расположенными равномерно и перпендикулярно скважине, симметрично относительно ее оси (рис. 1). Высота трещин считается равной толщине пласта.
Вычисление значений целевых функций состоит из трех модулей: расчета геометрических характеристик одной трещины; расчета дебита горизонтальной скважины с несколькими одинаковыми трещинами и расчета экономических показателей.
Метод решения задачи многоцелевой оптимизации
С математической точки зрения любую оптимиза-ционную задачу можно записать в следующем виде.
Модель для экспресс-оценок дизайна ГРП с использованием приближенного аналитического решения
Е.В. Шель, Г.В. Падерин
Научно-Технический Центр «Газпром нефти» (ООО «Газпромнефть НТЦ»)
Ключевые слова: гидроразрыв пласта; Pseudo3D; Aspect ratio
Приведено аналитическое решение для построения модели Pseudo3D гидроразрыва пласта (ГРП) в упрощенной геомеханической постановке. Задача решается в безразмерных параметрах для обеспечения универсальности. Строятся зависимости безразмерной длины от высоты, а также график Aspect ratio трещины для разных трещинностойкостей. Показано наличие глобального максимума Aspect ratio. Полученное решение позволяет быстро находить геометрию трещины ГРП, а также оценить нужный объем закачки жидкости ГРП для достижения нужной длины трещины, в том числе и при проведении гибридного ГРП с несколькими видами жидкости.
The model for the express-estimation of the hydrofracturing design with the approximate analytical solution
PRONEFT». Professional’no o nefti, 2017, no. 4(6), pp. 40-43
E.V. Shel, G.V. Paderin
Gazpromneft NTC LLC, RF, Saint-Petersburg
Keywords: hydrofracturing, Pseudo3D, Aspect ratio
The paper provides an analytical solution for the Pseudo3D model for fracturing in a simplified geomechanical setting. The problem is solved in dimensionless parameters to ensure the universality of the solution. Dimensional lengths on height are plotted, as well as the Aspect ratio graph of the crack for different toughness. The existence of the global maximum Aspect ratio is shown. The obtained solution allows to quickly find the geometry of the fracture during the development, as well as to estimate the required volume of fluid injection to achieve the desired fracture length, including for hybrid fracturing with several liquids.
введение
Гидроразрыв пласта (ГРП) – основной метод интенсификации добычи нефти из традиционных и нетрадиционных коллекторов. Планирование, сопровождение и оптимизация ГРП осуществляются с использованием специализированных программных пакетов, например, MFrac, FracPro, FracCADE, Mangrove, которые либо продаются добывающим и нефтесервисным компаниям, либо являются разработками нефтесервисных компаний, и расчеты в них предоставляются как часть сервисных услуг. Разработка собственных подходов к математическому моделированию дизайна ГРП является одной из приоритетных задач в рамках стратегии импортозамещения.
Основные аналитические модели (PKN, KGD, Radial) в теории ГРП получены в 50-70х годах ХХ века. Из этих моделей наиболее адекватной для месторождений Западной Сибири является модель PKN [1,2]. Однако даже она не учитывает строение геологического разреза, в связи с чем стали разрабатываться численные модели такие, как Рseudo3D, planar3D и Full3D со значительными вычислительными ресурсами. В данной работе сделан акцент на получении прокси и аналитического решений в модели Pseudo3D.
PSEUDO3D МОДЕЛЬ
Псевдотрехмерная модель Pseudo3D [3, 4] (рис. 1) является по сути расширенной моделью PKN и строится с учетом следующих предположений.
Рис. 1. Модель Pseudo3D:
σ0 – напряжение (горное давление); Δσ – изменение напряжения; h – высота трещины; H ‑ толщина слоя; w – раскрытие трещины
Уравнение Пуазейля для одномерного потока в трещине имеет следующий вид:
Основным уравнением развития трещины является закон сохранения массы для одномерного течения
где S – площадь вертикального сечения трещины; Сl – коэффициент утечек по Картеру.
ПОСТРОЕНИЕ ПРОКСИ-МОДЕЛЕЙ
Основная идея при построении прокси-моделей состоит в отказе от численного решения путем построения разностных схем, как при традиционном подходе Cell-based Pseudo3D [6]. Вместо этого предлагается использовать известные аналитические решения и проводить их сшивку. Например, в работе [7] предлагается для определения профиля ширины по высоте трещины использовать точное аналитическое решение, для нахождения высоты – критерий Ирвина, длины – решение PKN, а сшивку выполнять по чистому давлению в отличие от предшествующих работ, например [8], где для определения чистого давления применялось некорректное приближение, а сшивка проводилась по высоте.
ПОЛУЧЕНИЕ АНАЛИТИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
Приближенное аналитическое решение было получено благодаря выделению новых безразмерных параметров, отсутствующих в работе [6]
где А(h0)=L(h0)/h0 – половина аспектного отношения трещины; γ=Eʹ 3 Q/(Δσ 4 H 3 ) – малый параметр задачи, разложение по которому позволяет получить новое аналитическое решение.
Физический смысл параметра γ заключается в отношении толщины пласта к достижимой длине трещины. Чем меньше γ, тем больше длина трещины.
Для дальнейшего решения задачи принимается безразмерная проницаемость трещины
Для выделения безразмерных параметров используется безразмерное время
В результате получаем следующее уравнение:
которое дополняется граничным условием на поток в правую половину в начале трещины
Здесь выделен безразмерный параметр утечек, являющийся для большинства трещин малым. Это параметр влияния утечек на форму трещины, или параметр «мгновенных» утечек. «Интегральный» параметр утечек, как правило, больше на несколько порядков. Он характеризует эффективность жидкости и конечный объем трещины, но не ее форму.
Аналитическое решение получается, если исключить все члены в уравнении (7) с малыми параметрами. Тогда с учетом граничного условия
Уравнение (10) показывает, что поток жидкости вдоль трещины постоянен, т.е. оттоки по вертикали пренебрежимо малы. Это и является основным положением модели Pseudo3D.
Интегрируя уравнение (10) по частям, получаем соотношение в квадратурах
где G(λ 0, K) – универсальная функция, характеризующая достигаемую безразмерную длину трещины при данной высоте
Рис. 2. Зависимость λот параметра l при различных значениях K∈(0,1)
Графики функции G(λ0, K) для разных значений параметра K∈(0,1) приведены на рис. 2. Полудлина трещины L рассчитывается по формуле
Из формулы (13) следует, что выделенный авторами безразмерный параметр γ является единственным параметром, на который влияет дизайн ГРП и который может влиять на длину трещины.
Из этих же формул получаем значение для аспектного отношения трещины
Рис. 3. Зависимость аспекитного отношения трещины А 0 от безразмерного параметра λ 0
Данные решения без труда обобщаются по той же схеме для гелей ГРП, изменение свойств которых подчиняется степенному закону. Приближенное решение постоянного потока позволяет не только получить форму трещины для какого-то одного геля ГРП, но и для трещины, созданной разными гелями, примененными поочередно. Результаты расчета для гибридного ГРП, при котором используются линейный гель и жидкость, подчиняющаяся степенному закону, приведены на рис. 4.
Рис. 4. Пример расчета для гибридного ГРП
ВЫВОДЫ
Список литературы
References
Ссылка на статью в русскоязычных источниках:
The reference to this article in English is:
E.V. Shel, G.V. Paderin. The model for the express-estimation of the hydrofracturing design with the approximate analytical solution (In Russ.), PRONEFT». Professional’no o nefti, 2017, no. 4(6), pp. 40-43.
Е.В. Шель, Г.В. Падерин
Научно-Технический Центр «Газпром нефти» (ООО «Газпромнефть НТЦ»)
Дизайн ГРП
Обоснование необходимости и рациональных параметров проведения гидроразрыва пласта в скважинах с целью увеличения их дебита.
Выбор оптимального с геологической и экономической точек зрения количества трещин ГРП, выбор оптимальной технологии ГРП и компоновки заканчивания скважин для интенсификации притоков углеводородов при разработке месторождений
Задачи
Выполнение дизайнов ГРП, на основе которых специалисты компании-оператора смогут принять решение по использованию технологии обработок ГРП с применением специальных компоновок заканчивания скважин
Подходы
Проектирование дизайнов ГРП осуществляется по следующей последовательности: описание объекта проектирования, выбор оптимального количества трещин, описание технологий ГРП, построение геомеханической модели по данным ГИС и керна, технический проект ГРП с подбором оптимальной конфигурации специальной компоновки, дизайны трещин ГРП, расчет продуктивности скважины после проведения многозонных ГРП.
Есть вопросы по нашим услугам или продуктам?
Хотите заказать готовое решение для своего бизнеса?
Отзывы о нашей работе
ООО «Сибирский НТЦ нефти и газа» является одним из учредителей и основателей Ассоциации по координации деятельности недрапользователей в области изучения и вовлечения в эксплуатацию трудноизвлекаемых ресурсов углеводородов «Научно-технический центр инновационного недропользования».
ООО «Сибирский НТЦ нефти и газа» активно принимает участие в реализации планов работ Ассоциации по созданию геолого-геофизической базы данных по трудноизвлекаемым запасам углеводородного сырья, а так же в реализации плана работ сформированной Рабочей группы. ООО «Сибирский НТЦ нефти и газа» имеет все необходимые компетенции для реализации проектов по геолого-экономическому обоснованию перспектив освоения трудноизвлекаемых запасов Томской области, так как, являясь членом Ассоциации, имеет доступ к проведенным и проводимым работам Ассоциации. Это позволяет комплексно подходить к решению указанной задачи.
Серчиди Константин Дмитриевич, Вице-президент Ассоциации «НТЦ ИН»
В 2012 г. компания выполнила для нас комплекс услуг по разработке программы геологоразведочных работ на лицензионном участке «Рыбальный-2». Отмечаем, что выполненные работы проведены своевременно, на высоком профессиональном уровне. Рекомендуем ООО «Сибирский НТЦ нефти и газа» как надёжного и ответственного партнёра.
Нюхтилин Александр Юрьевич, Генеральный директор ООО «ПетроСтрим»
В 2012-2013 гг. ООО «Сибирский НТЦ нефти и газа» реализован договор по теме «Анализ и обобщение результатов геолого-геофизического изучения лицензионных участков ООО «Альянснефтегаз» за 2003-2011 годы и за предшествующий период, составление геологических отчётов о результатах выполненных работ, разработка программ геологоразведочных работ на 2013-2017 годы».
Исполнителями выполнен большой объем работ по изучению геологического строения недр и сделана геолого-экономическая оценка. Результаты работ характеризуются высоким научно-техническим уровнем, послужили основой для планирования стратегии дальнейшего развития нашей компании.
Легеза Сергей Леонидович, Главный геолог, заместитель генерального директора ООО «Альянснефтегаз»
Силами ООО «Сибирский НТЦ нефти и газа» исполнен ряд договоров по важным для нашего института тематикам – построение геологических моделей, разработка программ геологического изучения нефтегазовых объектов, апробация новой классификации запасов и ресурсов углеводородного сырья и др. Значительная часть работ носила новаторский характер, усилия ООО «Сибирский НТЦ нефти и газа» позволили отрабатывать новые отраслевые методики на примере оценки реальных объектов.
Можно говорить о высокой квалификации и опыте сотрудников ООО «Сибирский НТЦ нефти и газа», высоком профессионализме и организаторских способностях руководства, интеллектуальном и техническом потенциале организации.
Ефимов Аркадий Сергеевич, Генеральный директор ФГУП «СНИИГГиМС»
Нефтянка для инженеров, программистов, математиков и широких масс трудящихся, часть 5
Симулятор гидроразрыва пласта
Одной из самых важных на сегодня операций, проводимых на скважинах, является гидравлический разрыв пласта (ГРП). Суть гидроразрыва пласта в следующем. В скважину под большим давлением (до тысячи атмосфер!) закачивают специальную жидкость, похожую на желе (собственно, это и есть желе – при его производстве используют пищевой гелеобразователь). Давление разрывает пласт, раздвигая слои породы. На той глубине, где обычно производится ГРП, породу проще раздвинуть в стороны, чем вверх, поэтому трещина получается почти плоская и вертикальная, при этом ширина её составляет считанные миллиметры или сантиметры. Затем вместе с жидкостью начинает подаваться пропант (иногда также пишут проппант, с двумя «п» – и так, и так правильно) – похожая на песок смесь крепких керамических гранул диаметром от долей миллиметров до миллиметров. Цель ГРП – закачать нужное количество пропанта в пласт (а, точнее, в коллектор – в ту часть пласта, где находится нефть) так, чтобы образовалась проницаемая область, соединённая со скважиной. Жидкость, конечно, утечёт в пласт, а пропант останется там, куда успел дойти. Низкопроницаемые месторождения (а сейчас почти все новые месторождения именно такие, все большие хорошие традиционные месторождения давно уже нашли и разбурили) бесполезно бурить обычными скважинами: проницаемость мала, и к маленькому стволу скважины нефть еле сочится. Можно, конечно, теоретически и скважину пробурить очень толстую, чтобы площадь стенок у неё была большая, но очевидно, что на практике это сделать нереально. А вот если сделать на скважине ГРП, то вокруг скважины образуется обширная, хорошо соединённая со скважиной трещина с большой площадью стенок. Нефть сочится так же медленно, как и раньше, но теперь скважина собирает её потихоньку с большой площади, и суммарный дебит получается хороший, и скважина экономически оправдана. Чтобы ещё увеличить площадь, с которой собирается одной скважиной нефть, скважины бурят горизонтально, и проводят ГРП несколько раз – в разных местах горизонтального ствола.
Что тут может пойти не так, и зачем нужно моделирование? Во-первых, трещина может пойти не туда, куда нужно, и пропант может распределиться по ней не так, как нам бы хотелось. Месторождение могло разрабатываться уже давно, и часть слоёв породы уже «обводнилась», насытилась водой, а, возможно, и с самого начала на месторождении нижние слои были водонасыщены. Если вдруг трещина пройдёт от скважины к водонасыщенным или газонасыщенным пластам и заполнится пропантом, то вместо части нефти скважина будет добывать воду или газ.
Во-вторых, пропант может застрять на входе в трещину, потому что жидкость, в которую он замешан, оказалась слишком маловязкой, или проницаемость пласта оказалась выше, чем вы планировали, и жидкость просто быстро утечёт, оставляя сплошной пропант, который, понятное дело, без жидкости отказывается двигаться. Тогда вся скважина окажется заполнена пропантом, и для её очистки потребуются дополнительные затраты на промывку.
Наконец, в-третьих, пропант может «прокачаться» дальше ствола скважины и потерять с ней контакт. Тогда хорошо проницаемая область хоть и будет создана, но со скважиной никак соединяться не будет, и тогда толку от её существования вообще никакого.
Как можно смоделировать то, что в скважине будет происходить при закачке под большим давлением жидкости и пропанта? Этим занимается специализированный софт под названием «симулятор ГРП», который использует численную физико-математическую модель развития трещины. Разработка такого софта, как и разработка любого другого софта для численного моделирования физических процессов, требует одновременного участия физиков, математиков, программистов высокопроизводительных параллельных вычислений и программистов, умеющих создавать удобный интерфейс, потому что в конечном счёте симулятором ГРП будут пользоваться инженеры в болотах Западной Сибири, нещадно кусаемые комарами!
Программы, которые позволяют рассчитать ГРП, буквально по пальцам сосчитать, и все они, до недавнего времени, были сделаны только в одной стране мира и легко запрещались к продаже в России. Да, мы гордимся, что разработали и продолжаем развивать первый в нашей стране промышленный симулятор гидроразрыва пласта – РН-ГРИД. До нашей разработки не только мы, но и вся отечественная индустрия была вынуждена пользоваться только американским ПО, потому что другого, собственно, не было, а с 2014 года с покупкой этого ПО возникли проблемы (как говорится, не было бы счастья, да несчастье помогло). Сейчас РН-ГРИД не только полностью заменил всё аналогичное ПО внутри «Роснефти», но и успешно продаётся сторонним компаниям.
Чтобы рассчитать трещину, нужна физико-математическая модель. Но какие физические явления должны быть включены в модель, а про какие можно «забыть»? Насосы на поверхности закачивают под давлением жидкость с замешанным в неё пропантом. Эта смесь поступает в трубу, под давлением и собственным весом спускается на глубину, по пути испытывая трение о стенки трубы, тормозясь из-за собственной вязкости и турбулентности, теряет часть своей энергии на перфорациях и, растачивая словно абразивом эти самые перфорации, поступает в трещину, продвигается по ней, раскрывая её всё шире и шире, прорывается в более слабые пропластки, застревает в узких местах и опускается вниз под действием гравитации, а потом отфильтровывается через стенки трещины во все стороны, оставляя пропант в трещине.
Движение смеси и раскрытие (а потом, после остановки закачки, и закрытие) трещины – это всё единая задача, которая включает в себя и механику упругой деформации породы при раскрытии трещины, и гидродинамику движения смеси по трубам и внутри трещины, и множество частных задач вроде расчёта трения в трубах, распада желеобразного геля под действием специальной химии, торможение частиц пропанта друг о друга, растворение породы кислотой (если это не простой, а кислотный ГРП), прогрев жидкости породой и охлаждение породы жидкостью и ещё множество других эффектов. Оцените сами, сколько тут всего!
Таким образом, чтобы описать все эти процессы, нужно перебрать половину университетских учебников по физике и нехилую часть учебников по химии: механику сплошных сред и гидродинамику, термодинамику и динамику химических реакций. Описать мало, надо ещё и запрограммировать, и тут придётся обложиться учебниками по численным методам и думать, как дискретизировать задачу и не получить систему уравнений, не решаемую за осмысленное время. А потом засесть за мануалы Intel по процессорным инструкциям AVX2, чтобы ваш решатель систем нелинейных уравнений был лучшим в мире.
В итоге получится самый быстрый и самый навороченный в мире… консольный exe-шник. Чтобы подать ему на вход все нужные данные, и красиво отобразить на выходе результаты расчёта, а потом еще и выгрузить их в отчет по нужной форме, понадобится ещё и такое удобное приложение, как пре-пост-процессор. Полевые инженеры, напомню, – довольно суровые ребята, которые сидят ночами, интерпретируя графики и пересчитывая дизайны ГРП. Они всегда готовы высказать всё, что думают о режущем глаза шрифте или о кнопке в диалоге, которая уезжает за пределы экрана на старых ноутбучных мониторах 1024 на 768, которые ты, программист, развалясь в своём уютном офисе за парой 4К мониторов, забыл предусмотреть. А так как работа идёт и днём, и ночью, они тоже очень любят тёмную тему:
Нужно учитывать, что всё описываемое происходит на глубине нескольких километров, и всё, что видят инженеры при проведении ГРП – это показания нескольких приборов на поверхности и иногда показания пары приборов, спущенных в скважину. Поэтому инженерам важно заранее запланировать с помощью модели то, что будет происходить, затем во время операции по показаниям приборов вовремя увидеть, идёт ли всё по плану, вовремя реагировать на нештатные ситуации, а после операции – построить ретроспективную модель того, как ГРП был выполнен, чтобы полученную информацию можно было использовать на соседней скважине или на соседнем месторождении. Про показания приборов мы ещё скажем ниже, потому что этот модуль нужен на всех технологических операциях.
Симулятор операций с гибкой трубой
В хирургии с незапамятных времён привыкли к операциям, выполняемым через вену, а медицинские эндоскопы тоже давно и успешно используются для исследования и манипуляций со всякими внутренними органами человека. В нефтянке есть свой аналог этой операции – это гибкая насосно-компрессорная труба (ГНКТ) меньшего диаметра, которая спускается внутрь обычной насосно-компрессорной трубы и позволяет выполнять разного рода работы, которые иначе выполнять сложно.
Как используют гибкую трубу? Основных вариантов два. Это может быть просто гибкая труба с открытым концом. Её спускают в обычную трубу, по которой до того осуществлялась закачка или добыча, и начинают через неё закачивать жидкость и газ. Но при этом хотят, чтобы они не уходили в пласт, а поднимались по трубе обратно. Посмотрите на схему, и вам станет понятна идея: в трубу 1 засунута труба 2, по трубе 2 подаётся жидкость и газ, а между трубой 1 и трубой 2 закачанные жидкость и газ поднимаются обратно на поверхность. Зачем это нужно? Например, если основная труба 1 была в результате предыдущей неудачной операции забита до половины пропантом, её таким образом можно «промыть»: пропант будет с обратным током жидкости и газа выноситься обратно на поверхность – это называется промывка ствола. Например, если соединение скважины с пластом забилось и плохо пропускает нефть, можно закачивать вместе с жидкостью больше азота, тогда пластовое давление жидкости само прочистит призабойную область. Управляя давлением на входе в трубу 2 и на выходе из трубы 1 можно добиваться, чтобы циркулирующая жидкость не уходила в пласт, потому что нам нужно промыть скважину – а можно, чтобы, наоборот, уходила, если мы закачиваем кислоту, чтобы подрастворить породу или нежелательные загрязнения вокруг скважины.
Второй вариант ещё проще – на низ трубы 2 насаживается какой-нибудь ёршик инструмент, например, фреза с приводом от потока закачиваемой жидкости, и с её помощью, например, рассверливается какое-нибудь препятствие в трубе 1. В любом случае, это тонкая гибкая металлическая труба, которая разматывается с катушки на машине и спускается в ту трубу, которая уже спущена в скважину. Вот на картинке и катушка с трубой, и кран, и характерная «гусиная шея» (так называемый «гузнек») для того, чтобы не перегибать трубу слишком сильно, направляя в скважину.
Мы в нашем институте сейчас разрабатываем наше ПО для проведения расчётов различных операций, производимых через гибкую трубу – РН-ВЕКТОР. Угадаете, где сделан массово применяемый на просторах РФ аналог, который сейчас приходится использовать инженерам?
Во-вторых, гидравлика. На входе в гибкую трубу – одно давление, которое теряется сначала при движении жидкости по намотанной на бобину трубе, потом теряется при движении по гибкой трубе вниз, превращается в какое-то давление внизу. Если вдруг внизу окажется давление больше, чем в пласте, жидкость будет уходить в пласт, теряться, вместо того, чтобы уходить наверх между трубами 1 и 2 на рисунке выше. «Уважаемый мастер бригады Иван Иванович, – скажет рабочий бригады ГНКТ, – несомненно, мы наблюдаем потерю циркуляции, как Вы считаете?». Если наоборот, окажется меньше, то из пласта будет сквозить нефть, а мы же ремонт на скважине делаем, а не добычей занимаемся. Так что симулятор этой технологической операции должен уметь правильно рассчитывать все перепады давления. Кстати, а давление в гибкой трубе обратно влияет на её нагруженное состояние.
В-третьих, вынос частиц. На рисунке выше представьте себе взбаламученный песок на дне скважины: будет ли он потоком жидкости подниматься наверх, или скорости потока не хватит, и он будет падать обратно вниз? А если закачивать жидкость вместе с азотом – азотный пузырь быстрее воду наверх выталкивает, особенно расширяясь на пути снизу вверх, но при этом сам песок выносить не может. Как много «взбаламученного» песка можно вынести наверх и при этом не «уронить пачку»? Нужен расчёт, причём с разными режимами течения.
В-четвертых, нужен учёт усталости трубы. Гибкая труба распрямляется с барабана, снова сгибается на гузнеке, потом снова распрямляется на входе в скважину – а потом всё в обратном порядке. Трубу то спускают, то поднимают, соответственно, какие-то её части сгибаются больше, какие-то меньше. Сталь трубы рассчитана на определённую накопленную усталость, и нужно от работы к работе рассчитывать очередную добавку усталости каждого метра трубы и хранить этот профиль в базе данных. Вот как выглядит этот профиль, после определённого числа работ:
Да, конечно, дефектоскоп никто не отменял, и он возможные нарушения в трубе найдёт и покажет, но проверять на нём трубу после каждой работы технически невозможно или очень дорого.
Графики, графики, графики!
Всё железо, используемое что во время операции с гибкой трубой, что во время операции гидроразрыва пласта, обвешано датчиками, где-то больше, где-то поменьше. Во время операции все данные, конечно же, записываются в файл или в базу данных, но параллельно инженерам нужно настроить себе удобный внешний вид для всех показателей, чтобы и глаза не резало, и все показатели были на виду (обратите внимание на единицы измерения веса – а вы сколько ньютонов весите?).
А вот после окончания операции файл с данными импортируется, и все графики отображаются и вдумчиво анализируются, и не важно, была это работа с гибкой трубой или гидроразрыв пласта. А когда программисты и инженеры отдыхают, они берут свой любимый софт и загружают в него телеметрию любимого квадрокоптера (потому что никакой другой известный софт почему-то не работает так классно с длинными рядами данных):
Но мы отклонились от темы. Вот, например, как может выглядеть в том же самом софте записанная операция ГРП:
Смотрит грамотный инженер на эти графики, и вся картина произошедшего разворачивается перед ним, как линии судьбы на ладони. В точке 1 началась закачка, и забойное давление (давление внизу скважины) начинает резко расти с точки 2 до точки 3, пока, наконец, при давлении 380 атмосфер не открывается трещина гидроразрыва. Обратите внимание, что давление внизу у скважины так и останется почти постоянным, пока трещина будет расти вплоть до точки 11. Кстати, когда трещина открывается при 380 атмосферах, на поверхности манометр показывает более 500 атмосфер в точке 4. Давление в трещине остаётся почти постоянным, а на поверхности показания манометра падают из точки 4 в точку 5. Инженер и глазом не поведёт: он отлично знает, что это почти вода в скважине замещается на тот самый гель, и потери давления на трение в трубе падают именно на разницу между точками 4 и 5. Пытливый инженер даже измерит наклон линии от точки 4 к точке 5, и получит таким образом отношение коэффициентов трения у жидкости, которая была в скважине и которая туда поступает.
В точке 6 начинает подаваться пропант, и смотрите как сразу в точке 7 начинают падать показания манометра на поверхности – это столб жидкости в скважине из-за пропанта становится всё тяжелее и тяжелее. В точке 8 до точки 9 в скважину подбавили понизитель трения, чтобы пропант не слишком сильно тормозился о стенки трубы. В точке 10 перестали подавать пропант, он перестал под своим весом «проваливаться» в скважину, и поэтому сильнее приходится давлением его продавливать в трещину, устьевое давление возрастает до точки 11. А там насосы выключают, и давление мгновенно падает к точке 12, и там уже начинает медленно снижаться по мере того, как из трещины гидроразрыва утекает жизнь жидкость, и она постепенно закрывается.
Все эти графики дают множество информации инженеру, который не может видеть явно, что там происходит на глубине, но благодаря знаниям, может не только качественно оценить то, что происходит, но и количественно оценить многие показатели. Намеренно оставим за скобками то, что называется «анализы тестовых закачек», где к этим графикам прикладывают всякие хитрые линейки и с их помощью вычисляют многие неизвестные параметры пласта. Думаю, и так понятно, насколько обширное поле деятельности для математиков, физиков, программистов и технарей всех мастей представляет собой разработка инженерного ПО!