
Hoje falaremos sobre duas áreas específicas onde a modelagem é indispensável, contaremos como os engenheiros sabem como entender as leituras dos sensores das bombas, guindastes e quadricópteros e, finalmente, descobrir em quais unidades o peso é medido. Qualquer poço é um objeto de construção de capital, como um edifício ou uma planta, o que requer investimentos de capital, planejamento, reparos periódicos e de grande porte, e somente se esses requisitos forem atendidos, ele será capaz de devolver os custos de sua construção e trazer lucro em termos energéticos e monetários. ... A vida útil do poço está diretamente relacionada às operações de workover tecnológico realizadas nele periodicamente. Existem operações, como baixar e içar e substituir tubos ou bomba, que só necessitam de um plano claro e da manutenção das medidas de segurança pela equipa de reparação.E há operações especiais que requerem um estudo profundo de engenharia e modelagem adicional e, sem essas ações, a vida útil do poço pode simplesmente terminar. Um poço, deixe-me lembrá-lo, é um grande investimento de fundos e energia.

Uma das operações de poço mais importantes hoje é o fraturamento hidráulico (fraturamento hidráulico). A essência do fraturamento hidráulico é a seguinte. Um líquido especial semelhante à geleia é bombeado no poço sob alta pressão (até mil atmosferas!) (Na verdade, isso é geleia - um agente gelificante para alimentos é usado em sua produção). A pressão quebra a formação, separando as camadas de rocha. Na profundidade em que o fraturamento hidráulico costuma ser realizado, é mais fácil mover a rocha para os lados do que para cima, de modo que a fratura é quase plana e vertical, enquanto sua largura é de alguns milímetros ou centímetros. Então, junto com o líquido, o propante começa a ser alimentado (às vezes eles também escrevem propante, com dois "p" - e então, e então é correto) - uma mistura de grânulos de cerâmica forte, semelhante à areia, com um diâmetro de frações de milímetros a milímetros.O objetivo do fraturamento hidráulico é injetar a quantidade necessária de propante na formação (ou, mais precisamente, no reservatório - na parte da formação onde o óleo está localizado) de modo que uma área permeável seja formada, conectada ao poço. O líquido, é claro, vazará para a formação e o propante permanecerá onde conseguiu alcançar. Campos de baixa permeabilidade (e agora quase todos os novos campos são exatamente assim, todos os grandes campos bons tradicionais há muito foram encontrados e perfurados) é inútil perfurar com poços convencionais: a permeabilidade é baixa e o petróleo quase não escorre para um pequeno poço. Obviamente, é teoricamente possível perfurar um poço muito espesso de modo que a área de sua parede seja grande, mas é óbvio que na prática isso não é realista. Mas se o fraturamento hidráulico é feito no poço, então uma fratura extensa com uma grande área de parede é formada ao redor do poço, bem conectada ao poço.O óleo vaza tão lentamente quanto antes, mas agora o poço está coletando-o lentamente de uma grande área, a taxa de produção total é boa e o poço é economicamente justificado. Para aumentar ainda mais a área da qual o petróleo é coletado por um poço, os poços são perfurados horizontalmente e o fraturamento hidráulico é realizado várias vezes - em diferentes locais do poço horizontal.
O que pode dar errado aqui e por que você precisa de modelagem? Em primeiro lugar, a rachadura pode ir para o lugar errado e o propante pode não ser distribuído como gostaríamos. O campo poderia ter se desenvolvido por muito tempo, e algumas camadas de rocha já estavam "regadas", saturadas de água e, possivelmente, desde o início do depósito, as camadas inferiores estavam saturadas. Se, repentinamente, uma rachadura passar de um poço para formações saturadas de água ou gás e for preenchida com propante, então, em vez de parte do petróleo, o poço produzirá água ou gás.
Em segundo lugar, o propante pode ficar preso na entrada da fratura, porque o líquido no qual é misturado revelou ser de viscosidade muito baixa, ou a permeabilidade da formação acabou sendo maior do que o planejado, e o líquido simplesmente vazará rapidamente, deixando um propante sólido, que, é claro, é se recusa a se mover sem líquido. Então, todo o poço será preenchido com propante e custos adicionais de lavagem serão necessários para limpá-lo.
Finalmente, em terceiro lugar, o propante pode "bombear" além do furo de poço e perder contato com ele. Então, embora uma área bem permeável seja criada, ela não será conectada ao poço, e então não há sentido em sua existência.

Como você pode simular o que acontecerá no poço ao bombear fluido e propante sob alta pressão? Isso é feito por um software especializado denominado "simulador de fraturamento hidráulico", que usa um modelo físico numérico e matemático de desenvolvimento de fratura. O desenvolvimento de tal software, como o desenvolvimento de qualquer outro software para a simulação numérica de processos físicos, requer a participação simultânea de físicos, matemáticos, programadores de computação paralela de alto desempenho e programadores que são capazes de criar uma interface conveniente, porque em última análise, o simulador de fraturamento hidráulico será usado por engenheiros nos pântanos da Sibéria Ocidental, mordido impiedosamente por mosquitos!
Você pode literalmente contar os programas que permitem calcular o fraturamento hidráulico, e todos eles, até recentemente, eram feitos em apenas um país no mundo e facilmente proibidos para venda na Rússia. Sim, estamos orgulhosos de termos desenvolvido e continuado a desenvolver o primeiro simulador de fraturamento hidráulico industrial em nosso país - RN-GRID. Antes do nosso desenvolvimento, não só nós, mas toda a indústria nacional era obrigada a usar apenas software americano, porque, na verdade, não existia nenhum outro, e desde 2014 tem havido problemas com a compra deste software (como dizem, não haveria felicidade, mas o azar ajudou ) Agora, a RN-GRID não apenas substituiu completamente todos os softwares semelhantes dentro da Rosneft, mas também está sendo vendida com sucesso para empresas terceirizadas.

Para calcular uma fissura, é necessário um modelo físico e matemático. Mas quais fenômenos físicos devem ser incluídos no modelo, e quais podem ser "esquecidos"? As bombas de superfície bombeiam líquido sob pressão com propante misturado a ele. Esta mistura entra no tubo, sob pressão e o seu próprio peso desce a uma profundidade, no caminho experimentando atrito contra as paredes do tubo, travando devido à sua própria viscosidade e turbulência, perde alguma da sua energia nas perfurações e, perfurando estas mesmas perfurações como um abrasivo, entra na fenda , se move ao longo dela, revelando-se cada vez mais amplo, rompe em camadas mais fracas, fica preso em lugares estreitos e cai sob a ação da gravidade, e então é filtrado através das paredes da fenda em todas as direções, deixando o propante na fenda.
O movimento da mistura e a abertura (e então, depois de parar a injeção e fechar) a fratura é uma tarefa única, que inclui a mecânica da deformação elástica da rocha durante a abertura da fratura e a hidrodinâmica do movimento da mistura através dos tubos e dentro da fratura, e muitos problemas particulares como cálculo de fricção em tubos, desintegração de um gel gelatinoso sob a ação de química especial, desaceleração das partículas de propante umas contra as outras, dissolução da rocha com ácido (se não for simples, mas fratura ácida), aquecimento do fluido pela rocha e resfriamento da rocha com fluido e muitos outros efeitos. Veja você mesmo quanto está lá!

Assim, para descrever todos esses processos, você precisa classificar metade dos livros didáticos universitários de física e uma grande parte dos livros didáticos de química: mecânica contínua e hidrodinâmica, termodinâmica e dinâmica de reações químicas. Não basta descrever, é preciso programar também, e então você terá que se sobrepor a livros didáticos de métodos numéricos e pensar em como discretizar o problema e não conseguir um sistema de equações que não possa ser resolvido em um tempo significativo. E, em seguida, assista às instruções do processador AVX2 da Intel para tornar seu solucionador de equações não lineares o melhor do mundo.
O resultado é o mais rápido e sofisticado do mundo ... console exe-shnik. Para fornecer a ele todos os dados necessários como entrada e exibir lindamente os resultados do cálculo na saída e, em seguida, carregá-los em um relatório no formato desejado, você também precisará de um aplicativo conveniente como um pré-pós-processador. Lembro a vocês que os engenheiros de campo são caras bastante durões que se sentam à noite interpretando gráficos e recalculando projetos de fraturamento hidráulico. Eles estão sempre prontos para expressar o que pensam sobre uma fonte atraente ou um botão em um diálogo que sai da tela em monitores de laptop antigos 1024 por 768, que você, um programador, descansando em seu escritório aconchegante atrás de um par de monitores 4K, esqueceu de prever. E como o trabalho continua dia e noite, eles também amam muito o tema escuro:

Deve-se ter em mente que tudo o que é descrito acontece a vários quilômetros de profundidade, e tudo o que os engenheiros veem ao realizar o fraturamento hidráulico são as leituras de vários instrumentos na superfície e às vezes as leituras de um par de instrumentos baixado no poço. Portanto, é importante que os engenheiros planejem com antecedência com a ajuda do modelo o que acontecerá, então durante a operação, de acordo com as leituras dos instrumentos, para ver a tempo se tudo está indo de acordo com o planejado, para responder a situações de emergência a tempo, e após a operação para construir um modelo retrospectivo de como o fraturamento hidráulico foi realizado. de modo que as informações obtidas possam ser utilizadas em um poço adjacente ou em um campo adjacente. Falaremos mais sobre as leituras dos instrumentos abaixo, pois este módulo é necessário para todas as operações tecnológicas.
Simulador de flexitubo
Na cirurgia, desde tempos imemoriais, eles estão acostumados a operações realizadas através de uma veia, e os endoscópios médicos também têm sido usados com sucesso por um longo tempo para o estudo e manipulação de todos os tipos de órgãos internos humanos. A indústria do petróleo tem seu próprio análogo dessa operação - é um flexitubo (CT) de diâmetro menor, que se transforma em um tubo convencional e permite que você execute vários tipos de trabalho que de outra forma seriam difíceis de realizar.

Como o flexitubo é usado? Existem duas opções principais. Pode ser apenas um tubo flexível aberto. Ele é baixado para um tubo comum, através do qual a injeção ou produção era realizada anteriormente, e líquido e gás são bombeados através dele. Mas, ao mesmo tempo, eles querem que não entrem no reservatório, mas que subam pelo tubo de volta. Observe o diagrama e entenderá a ideia: o tubo 2 é empurrado para o tubo 1, o líquido e o gás são fornecidos pelo tubo 2 e entre os tubos 1 e 2 o líquido e o gás injetados sobem de volta à superfície. Por que isso é necessário? Por exemplo, se o tubo principal 1 estava meio obstruído com propante como resultado de uma operação anterior malsucedida, ele pode ser "lavado" desta maneira: o propante será levado de volta à superfície com um fluxo reverso de líquido e gás - isso é chamado de lavagem do poço. Por exemplo,se a conexão de formação de poço estiver obstruída e não permitir que o óleo passe através do poço, mais nitrogênio pode ser injetado com o líquido, então a pressão de formação do líquido limpará a área do poço por si mesma. Ao controlar a pressão na entrada do tubo 2 e na saída do tubo 1, podemos garantir que o fluido circulante não entre na formação, pois precisamos lavar o poço - ou, pelo contrário, pode sair se bombearmos ácido para diluir a rocha ou indesejável poluição ao redor do poço.se estamos bombeando ácido para diluir rocha ou contaminação indesejada ao redor do poço.se estamos bombeando ácido para diluir rocha ou contaminação indesejada ao redor do poço.
A segunda opção é ainda mais simples - no fundo do tubo 2 é colocado algum tipo de

Nós em nosso instituto estamos desenvolvendo nosso software para realizar cálculos de diversas operações realizadas através de um tubo flexível - RN-VECTOR. Você consegue adivinhar onde o analógico, que é amplamente usado na vastidão da Federação Russa, foi feito, que os engenheiros agora têm de usar?
O que precisa ser modelado aqui? Primeiro, as cargas no tubo flexível. Será baixado para outro tubo, esfregará contra as paredes de lá e, primeiro, precisará ser empurrado com esforço adicional e, então, ao contrário, segurado. Mas mesmo quando 2-3 quilômetros de tubo são baixados para dentro do poço, todos esses 2-3 quilômetros estarão em condições muito diferentes: a parte superior ficará pendurada e se esticará sob seu próprio peso, e a parte inferior, que foi para o poço horizontal, ficará e tentará emperrar ... Conseqüentemente, é importante calcular para que não "emperre" ou "quebre" em lugar algum. O cálculo de várias cargas de acordo com o peso do tubo flexível e sua fricção contra as paredes do tubo principal, o espiralamento do tubo e as propriedades mecânicas do aço é a primeira parte de qualquer produto.
Em segundo lugar, hidráulica. Na entrada do tubo flexível - uma pressão, que primeiro é perdida quando o líquido se move ao longo do tubo enrolado em uma bobina, depois é perdida ao descer pelo tubo flexível, se transforma em algum tipo de pressão abaixo. Se de repente houver mais pressão abaixo do que no reservatório, o líquido irá para o reservatório, perdido, ao invés de subir entre os tubos 1 e 2 da figura acima. “Caro capataz da brigada Ivan Ivanovich, - o operário da brigada CT dirá, - sem dúvida, estamos vendo uma perda de circulação, o que você acha?” Se, ao contrário, for menor, então o óleo vai ver através da formação, e estamos fazendo conserto no poço, não estamos fazendo produção. Portanto, o simulador desta operação tecnológica deve ser capaz de calcular corretamente todas as quedas de pressão. A propósito, a pressão no tubo flexível afeta inversamente seu estado carregado.

Terceiro, a remoção de partículas. Na foto acima, imagine a areia agitada no fundo do poço: ela vai subir com uma corrente de fluido ou a vazão não será suficiente e ela vai cair de volta? E se você bombear o líquido junto com o nitrogênio, a bolha de nitrogênio empurra a água para cima com mais rapidez, especialmente se expandindo de baixo para cima, mas ao mesmo tempo a própria areia não consegue sair. Quanta areia "agitada" você pode pegar sem "deixar cair o pacote"? Precisamos de um cálculo e com diferentes regimes de fluxo.
Quarto, é necessário levar em consideração a fadiga do tubo. O tubo flexível é endireitado do tambor, dobrado novamente no pescoço de ganso, então endireitado novamente na entrada do poço - e então tudo está na ordem inversa. O tubo é abaixado ou levantado, respectivamente, algumas de suas partes estão mais dobradas, outras menos. O aço da tubulação é projetado para uma determinada fadiga acumulada, sendo necessário calcular a próxima adição de fadiga para cada metro da tubulação de obra a obra e armazenar esse perfil no banco de dados. Esta é a aparência deste perfil após uma certa quantidade de trabalho:

Sim, claro, ninguém cancelou o detector de falhas, e ele encontrará e mostrará possíveis violações no tubo, mas é tecnicamente impossível ou muito caro verificar o tubo após cada trabalho.
Gráficos, gráficos, gráficos!
Todo o ferro usado durante a operação do flexitubo e durante a operação de fraturamento hidráulico é pendurado com sensores, em algum lugar mais, em algum lugar menos. Durante a operação, todos os dados, é claro, são gravados em um arquivo ou banco de dados, mas, em paralelo, os engenheiros precisam configurar uma aparência conveniente para todos os indicadores para que eles não cortem seus olhos e todos os indicadores estejam à vista (preste atenção às unidades de peso - quantos newtons você pesa?).

Porém, após o término da operação, o arquivo de dados é importado, e todos os gráficos são exibidos e cuidadosamente analisados, e não importa se estava trabalhando com flexitubo ou fraturamento hidráulico. E quando os programadores e engenheiros têm um descanso, eles pegam seu software favorito e carregam nele a telemetria de seu quadricóptero favorito (porque por algum motivo nenhum outro software conhecido funciona tão bem com séries de dados longas):

Mas nos desviamos do assunto. Por exemplo, aqui está como uma operação de fraturamento registrada pode parecer no mesmo software:

Um engenheiro competente olha esses gráficos e toda a imagem do que aconteceu se desdobra diante dele, como as linhas do destino na palma de sua mão. No ponto 1, a injeção começou e a pressão de fundo de poço (pressão no fundo do poço) começa a crescer acentuadamente do ponto 2 ao ponto 3, até que, finalmente, a uma pressão de 380 atmosferas, uma fratura hidráulica se abre. Observe que a pressão no fundo do poço permanecerá quase constante até que a fratura cresça até o ponto 11. A propósito, quando a fratura abre em 380 atmosferas, o medidor de pressão na superfície mostra mais de 500 atmosferas no ponto 4. A pressão na fratura permanece quase constante. e na superfície as leituras do manômetro caem do ponto 4 para o ponto 5. O engenheiro nem vai olhar: sabe muito bem que é quase água no poço que passa pelo mesmo gel,e a perda de pressão devido ao atrito no tubo cai precisamente pela diferença entre os pontos 4 e 5. Um engenheiro inquisitivo vai até medir a inclinação da linha do ponto 4 ao ponto 5 e, assim, obter a razão dos coeficientes de atrito do fluido que estava no poço e que é fornecido lá.
No ponto 6, o propante começa a fluir e veja como imediatamente no ponto 7 as leituras do manômetro na superfície começam a cair - esta é a coluna de líquido no poço devido ao propante se tornar cada vez mais pesado. No ponto 8 ao ponto 9, um redutor de atrito foi adicionado ao poço para que o propante não abrandasse muito contra as paredes do tubo. No ponto 10, eles pararam de fornecer propante, ele parou de "cair" no poço sob seu próprio peso e, portanto, mais pressão deve ser empurrada para a fratura, a pressão da cabeça do poço aumenta para o ponto 11. E lá as bombas são desligadas e a pressão cai instantaneamente para o ponto 12, e ali já começa a diminuir lentamente como sendo de fratura hidráulica vazando líquido
Todos esses gráficos fornecem muitas informações para um engenheiro que não consegue ver claramente o que está acontecendo lá em profundidade, mas graças ao conhecimento, ele pode não apenas avaliar qualitativamente o que está acontecendo, mas também avaliar quantitativamente muitos indicadores. Deixe-nos deliberadamente deixar fora de colchetes o que é chamado de "análise de injeção de teste", onde todos os tipos de réguas complicadas são aplicadas a esses gráficos e com sua ajuda muitos parâmetros de reservatório desconhecidos são calculados. Acho que é compreensível o quão vasto é o campo de atividade para matemáticos, físicos, programadores e técnicos de todos os tipos é o desenvolvimento de software de engenharia!
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