Нефтянка для инженеров, программистов, математиков и широких масс трудящихся, часть 5
Сегодня мы поговорим о двух частных областях, где без моделирования не обойтись, расскажем, как инженеры умеют разбираться в показаниях датчиков насосов, кранов и квадрокоптеров и выясним, наконец, в каких единицах измеряется вес. Любая скважина — это объект капитального строительства, как здание или завод, который требует капитальных вложений, планирования, периодического и капитального ремонта, и только при удовлетворении этих требований она сможет вернуть затраты на своё строительство и принести прибыль как в энергетическом, так и в денежном выражении. Жизнь скважины напрямую связана с периодически проводимыми на ней технологическими ремонтными операциями. Есть операции, как, например, спуск-подъём и замена труб или насоса, которые нуждаются только в наличии чёткого плана и соблюдении техники безопасности ремонтной бригадой. А есть операции особенные, требующие глубокой инженерной проработки и дополнительного моделирования, и без этих действий жизнь скважины может просто закончиться. А скважина, напомню — это большое вложение средств и энергии.
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.
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?
Что здесь нужно моделировать? Во-первых, нагрузки на гибкую трубу. Её будут спускать в другую трубу, она будет там тереться о стенки, и сначала её нужно будет заталкивать с дополнительным усилием, а потом наоборот, удерживать. Но даже когда в скважину будет спущено 2–3 километра трубы, все эти 2–3 километра будут находиться в очень разных условиях: верхняя часть будет висеть и под собственным весом растягиваться, а нижняя часть, ушедшая в горизонтальный ствол, будет лежать и стараться застрять. Соответственно, важно рассчитать, чтобы нигде и не «застряло», и не «порвалось». Расчёт разнообразных нагрузок в соответствии с весом гибкой трубы и её трением о стенки основной трубы, «гулянием» трубы по спирали и механическими свойствами стали — это первая часть любого такого продукта.
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.
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!
