今日は、モデリングが不可欠な2つの特別な領域について説明します。エンジニアがポンプ、クレーン、クアッドコプターのセンサーの読み取り値を理解する方法を知っている方法を説明し、最後に重量がどの単位で測定されているかを調べます。建物や工場のように、設備投資、計画、定期的および大規模な修理を必要とする井戸はすべて資本建設の対象であり、これらの要件が満たされた場合にのみ、建設費用を返還し、エネルギーと金銭の両面で利益をもたらすことができます。 ..。井戸の寿命は、定期的に行われる技術的な改修作業に直接関係しています。パイプやポンプの昇降や交換など、明確な計画と修理チームによる安全対策の維持のみが必要な作業があります。そして、深い工学的研究と追加のモデリングを必要とする特別な操作があり、これらのアクションがなければ、井戸の寿命は単に終わるかもしれません。さて、思い出させてください、それは資金とエネルギーの大きな投資です。  

油圧フラクチャリング（油圧フラクチャリング）は、今日最も重要な坑井操作の1つです。油圧フラクチャリングの本質は次のとおりです。ゼリーに似た特殊な液体が高圧（最大1000気圧！）でウェルにポンプで送られます（実際、これはゼリーであり、その製造には食品ゲル化剤が使用されています）。圧力が地層を破壊し、岩層を押し離します。通常、水圧破砕が行われる深さでは、岩を上向きよりも横に移動しやすいため、破砕はほぼ平坦で垂直になり、幅は数ミリメートルまたは数センチメートルになります。次に、液体と一緒に、プロッパントが供給され始めます（2つの「p」が付いたプロッパントを書くこともあります-など、それは正しいです）-砂に似た、直径が数分の1から数ミリの強力なセラミック顆粒の混合物。油圧フラクチャリングの目的は、必要な量のプロッパントを地層（より正確には、貯水池-油が配置されている地層の部分）に注入して、ウェルに接続された透過性領域を形成することです。もちろん、液体は地層に漏れ、プロッパントは到達した場所に留まります。低透過性のフィールド（そして今ではほとんどすべての新しいフィールドがまさにそのようなものであり、すべての大きな優れた伝統的なフィールドが長い間発見され、掘削されてきました）従来の井戸で掘削することは無意味です：透過性が低く、油は小さな坑井にほとんど染み出しません。もちろん、理論的には非常に厚い井戸を掘削して壁の面積を大きくすることは可能ですが、実際にはこれを行うのは非現実的であることは明らかです。しかし、水圧破砕が井戸で行われると、井戸に接続された大きな壁面積を伴う広範な破砕が井戸の周囲に形成されます。油は以前と同じようにゆっくりと浸透しますが、現在、井戸は広い地域からゆっくりとそれを集めており、総生産率は良好であり、井戸は経済的に正当化されています。 1つのウェルがオイルを収集する領域をさらに増やすために、ウェルを水平方向にドリルで開け、水平方向の坑井のさまざまな場所で油圧フラクチャリングを数回実行します。







ここで何がうまくいかない可能性があり、なぜモデリングが必要なのですか？第一に、亀裂が間違った方向に進む可能性があり、プロッパントが希望どおりにその上に分散されない可能性があります。畑は長い間開発されていた可能性があり、いくつかの岩層はすでに「水をまき」、水で飽和しており、おそらく、堆積物の最初から、下の層は水で飽和していました。突然亀裂が井戸から水飽和またはガス飽和の地層に移り、プロパントで満たされている場合、油の一部の代わりに、井戸は水またはガスを生成します。



第二に、プロッパントが混合された液体の粘度が低すぎるか、地層の透過性が計画よりも高いことが判明したため、プロッパントが骨折の入り口で詰まる可能性があり、液体がすぐに漏れて、固体のプロッパントが残ります。液体なしで移動することを拒否します。次に、ウェル全体がプロパントで満たされ、それを洗浄するために追加のフラッシングコストが必要になります。



最後に、第3に、プロッパントは坑井を越えて「ポンピング」し、坑井との接触を失う可能性があります。そうすると、浸透性の良い領域ができますが、井戸とは全く繋がらず、存在感が全くありません。







高圧下で液体とプロッパントをポンピングするときにウェルで何が起こるかをどのようにシミュレートできますか？これは、「油圧フラクチャリングシミュレータ」と呼ばれる特殊なソフトウェアによって実行されます。このシミュレータは、フラクチャ発生の数値的な物理的および数学的モデルを使用します。このようなソフトウェアの開発には、物理​​プロセスの数値シミュレーション用の他のソフトウェアの開発と同様に、物理学者、数学者、高性能並列コンピューティングプログラマー、および便利なインターフェイスを作成できるプログラマーが同時に参加する必要があります。最終的には、水圧破砕シミュレーターが西シベリアの沼地のエンジニアによって使用されるためです。容赦なく蚊に噛まれた！



文字通り、水圧破砕を計算できるプログラムを数えることができます。それらはすべて、最近まで、世界の1つの国でのみ製造され、ロシアでの販売が簡単に禁止されていました。はい、私たちは、我が国で最初の産業用油圧破砕シミュレーターであるRN-GRIDを開発し、開発を続けていることを誇りに思っています。私たちの開発前は、私たちだけでなく、国内の業界全体がアメリカのソフトウェアのみを使用することを余儀なくされました。実際には他に何もなかったためです。2014年以降、このソフトウェアの購入に問題がありました（彼らが言うように、幸福はありませんが、不幸は助けになりました） ）。現在、RN-GRIDは、Rosneft内のすべての同様のソフトウェアを完全に置き換えるだけでなく、サードパーティ企業への販売にも成功しています。







亀裂を計算するには、物理​​的および数学的モデルが必要です。しかし、どの物理的現象をモデルに含める必要があり、どの物理的現象を「忘れる」ことができるのでしょうか。表面ポンプは、プロッパントを混合した圧力下で液体をポンプします。この混合物は、圧力下でパイプに入り、自重が深さまで下降し、途中でパイプ壁との摩擦を経験し、それ自体の粘度と乱流のためにブレーキをかけ、ミシン目でエネルギーの一部を失い、研磨剤のようにこれらの非常にミシン目を退屈させ、亀裂に入ります、それに沿って移動し、それがますます広くなることを明らかにし、弱い層に突入し、狭い場所で立ち往生し、重力の作用で落下し、次に亀裂の壁を通してすべての方向にろ過され、プロッパントを亀裂に残します。







混合物と開口部の動き（そして、注入を停止して閉じた後）は、すべて単一のタスクです。これには、破砕開口部中の岩の弾性変形のメカニズム、パイプを通って破砕内の混合物の動きの流体力学、および次のような多くの特定の問題が含まれます。パイプ内の摩擦の計算、特殊な化学作用によるゼリー状のゲルの崩壊、プロッパント粒子の相互の減速、岩の酸による溶解（単純ではないが酸の破砕）、岩による流体の加熱と流体による岩の冷却、およびその他の多くの効果。どれだけあるか自分で確かめてください！







したがって、これらすべてのプロセスを説明するには、物理​​学に関する大学の教科書の半分と化学に関する教科書の大部分（連続体の力学と流体力学、熱力学と化学反応の力学）を分類する必要があります。説明するだけでは不十分で、プログラミングも必要です。次に、数値手法に関する教科書と重複して、問題を離散化し、意味のある時間で解決できない方程式のシステムを取得しない方法を考える必要があります。そして、IntelのAVX2プロセッサ命令に腰を下ろして、非線形方程式ソルバーを世界最高のものにします。



その結果、世界で最も速く、最も洗練されたものになります... consoleexe-shnik。必要なすべてのデータを入力として提供し、計算結果を出力に美しく表示して、目的の形式でレポートにアップロードするには、プリポストプロセッサなどの便利なアプリケーションも必要になります。覚えておくと、フィールドエンジニアは、グラフを解釈し、油圧フラクチャリング設計を再計算する夜に座っているかなりタフな男です。彼らは常に、目を引くフォントやボタンについて考えるすべてのことを、古いラップトップモニター1024 x 768で画面外に表示されるダイアログで表現する準備ができています。プログラマーは、居心地の良いオフィスで4Kモニターのペアの後ろでくつろいでいます。そして、仕事は昼と夜の両方で行われるので、彼らは暗いテーマもとても気に入っています：







説明されていることはすべて数キロメートルの深さで行われることを覚えておく必要があります。油圧フラクチャを実行するときにエンジニアが目にするのは、表面にあるいくつかの機器の読み取り値であり、場合によっては1対の機器の読み取り値がウェルに下がっています。したがって、エンジニアはモデルの助けを借りて事前に何が起こるかを計画し、次に操作中に機器の読み取り値に従って、すべてが計画どおりに進んでいるかどうかを時間内に確認し、時間内に緊急事態に対応し、操作後に油圧フラクチャがどのように実行されたかの遡及モデルを構築することが重要です。得られた情報を隣接するウェルまたは隣接するフィールドで使用できるようにします。このモジュールはすべての技術的操作に必要であるため、以下で機器の読み取りについて詳しく説明します。

コイルドチュービングシミュレーター

手術では、記念すべき時から静脈を介した手術に慣れており、医療用内視鏡は、あらゆる種類の人間の内臓の研究と操作に長い間使用されてきました。石油業界には、この操作に類似した独自の機能があります。これは、直径の小さいコイルドチュービング（CT）であり、従来のチュービングの内部に配置され、他の方法では実行が困難なさまざまな種類の作業を実行できます。







コイルドチュービングはどのように使用されますか？ 2つの主なオプションがあります。それはただのオープンエンドのフレキシブルパイプかもしれません。以前に注入または生産が行われていた通常のパイプに下げられ、液体とガスがポンプで送られます。しかし同時に、彼らは彼らが貯水池に入るのではなく、パイプを上って戻ることを望んでいます。図を見ると、パイプ2がパイプ1に押し込まれ、液体とガスがパイプ2を介して供給され、パイプ1とパイプ2の間で、注入された液体とガスが表面に戻るという考え方がわかります。なぜこれが必要なのですか？たとえば、前の失敗した操作の結果としてメインパイプ1がプロッパントで半分詰まった場合、この方法で「フラッシング」できます。プロッパントは、液体とガスの逆流で表面に戻されます。これは、ボアホールフラッシングと呼ばれます。例えば、井戸と地層の接続が詰まっていて、油が井戸を通過できない場合は、より多くの窒素を液体に注入できます。液体の地層圧力自体が底穴領域をきれいにします。パイプ2の入口とパイプ1の出口の圧力を制御することで、ウェルを洗い流す必要があるため、循環流体が地層に流れ込まないようにすることができます。逆に、酸をポンプで送って岩を希釈したり、不要なものを希釈したりすると、循環流体が離れることがあります。井戸の周りの汚染。岩や井戸の周りの不要な汚染を希釈するために酸を汲み上げている場合。岩や井戸の周りの不要な汚染を希釈するために酸を汲み上げている場合。



2番目のオプションはさらに簡単です-パイプ2の下部に、ある種のブラシツールが配置されます。たとえば、ポンプされた液体の流れによって駆動されるカッターが配置され、その助けを借りて、たとえば、パイプ1に障害物が掘削されます。いずれの場合も、それは薄い柔軟な金属です。マシンのリールから巻き戻され、すでにウェルに下げられているパイプに下がるパイプ。この写真には、パイプを曲げすぎないように、パイプ、クレーン、および特徴的な「グースネック」（いわゆる「グースネック」）を備えたリールがあり、パイプをウェルに向けています。







私たちの研究所では現在、フレキシブルパイプを介して実行されるさまざまな操作を計算するためのソフトウェアであるRN-VECTORを開発しています。ロシア連邦の広大さで広く使用されているアナログがどこで作られたのか、エンジニアが今使用しなければならないのか推測できますか？



ここで何をモデル化する必要がありますか？まず、フレキシブルパイプにかかる負荷。それは別のパイプに下げられ、そこで壁にこすりつけられ、最初に追加の努力で押す必要があり、それから逆に保持されます。しかし、2〜3キロメートルのパイプを井戸に降ろしても、これらの2〜3キロメートルはすべて非常に異なる状態になります。上部は自重で垂れ下がって伸び、水平の坑井に入った下部は横になって動かなくなってしまいます。 ..。したがって、どこにも「行き詰まった」または「壊れた」ことがないように計算することが重要です。フレキシブルパイプの重量とメインパイプの壁に対する摩擦、パイプのスパイラル、および鋼の機械的特性に応じたさまざまな荷重の計算は、このような製品の最初の部分です。



第二に、油圧。フレキシブルパイプの入り口では、流体がボビンに巻かれたパイプに沿って移動するときに最初に失われ、次にフレキシブルパイプを下るときに失われる1つの圧力が、下のある種の圧力に変わります。突然、貯水池よりも底部の圧力が高くなると、液体は上の図のパイプ1と2の間を上昇するのではなく、貯水池に入り、失われます。 「旅団の親愛なる職長、イワン・イワノビッチ、CT旅団の労働者は言うでしょう、間違いなく、私たちは循環の喪失を見ています、あなたはどう思いますか？」逆に少ないことが判明した場合は、地層から油が透けて見えるので、井戸の修理は行っており、生産は行っておりません。したがって、この技術操作のシミュレーターは、すべての圧力降下を正しく計算できなければなりません。ちなみに、フレキシブルパイプ内の圧力は、その負荷状態に逆に影響します。







第三に、粒子の除去。上の写真で、井戸の底にある攪拌された砂を想像してみてください。それは流体の流れで上向きに上昇しますか、それとも流量が十分でなく、下に落ちますか？また、窒素と一緒に液体を注入すると、窒素の泡が水をより速く上向きに押し上げ、特に下から上に向かって膨張しますが、同時に砂自体を取り出すことはできません。 「パックを落とさずに」どれだけの「かき混ぜられた」砂をとることができますか？さまざまなフローレジームで計算する必要があります。



第四に、パイプの疲労を考慮する必要があります。フレキシブルパイプはドラムからまっすぐになり、グースネックで再び曲がり、ウェルの入り口で再びまっすぐになります。その後、すべてが逆の順序になります。パイプはそれぞれ下降または上昇し、一部の部品はより大きく、一部はより小さく曲がっています。パイプの鋼は一定の累積疲労を考慮して設計されており、作業から作業までのパイプの各メートルの次の疲労の追加を計算し、このプロファイルをデータベースに保存する必要があります。これは、一定量の作業を行った後のこのプロファイルの外観です。







はい、もちろん、誰も欠陥検出器をキャンセルしませんでした。パイプ内の違反の可能性を見つけて表示しますが、各作業の後にパイプをチェックすることは技術的に不可能または非常に費用がかかります。

チャート、チャート、チャート！

コイルドチュービング操作中および油圧フラクチャリング操作中に使用されるすべての鉄は、どこかより多く、どこかより少ないセンサーで吊るされています。もちろん、操作中はすべてのデータがファイルまたはデータベースに書き込まれますが、並行して、エンジニアはすべてのインジケーターが目をつぶらないように便利な外観を設定する必要があり、すべてのインジケーターがはっきりと見えます（重量単位に注意してください-何ニュートンの重さがありますか？）







ただし、操作の終了後、データファイルがインポートされ、すべてのグラフが表示され、慎重に分析されます。コイルドチュービングで動作していたか、油圧フラクチャで動作していたかは関係ありません。そして、プログラマーとエンジニアが休憩するとき、彼らはお気に入りのソフトウェアを取り、お気に入りのクアッドコプターのテレメトリーをロードします（何らかの理由で他の既知のソフトウェアが長いデータシリーズでうまく機能しないため）：







しかし、私たちはトピックから逸​​脱しました。たとえば、記録されたフラクチャリング操作が同じソフトウェアでどのように見えるかを次に示します。







有能なエンジニアがこれらのグラフを見ると、手のひらにある運命の線のように、起こったことの全体像が彼の前に現れます。ポイント1で注入が開始され、ボトムホール圧力（ウェルの底の圧力）がポイント2からポイント3に急激に増加し始め、最終的に380気圧の圧力で油圧破壊が開きます。ウェルの底の圧力は、割れ目がポイント11まで成長するまでほぼ一定のままであることに注意してください。ちなみに、割れ目が380気圧で開くと、表面の圧力計はポイント4で500気圧以上を示します。割れ目の圧力はほぼ一定のままです。表面では、マノメーターの測定値はポイント4からポイント5に下がります。エンジニアは目を離さないでしょう。同じゲルに置き換えられるのはウェル内のほとんど水であることを完全によく知っています。パイプ内の摩擦による圧力損失は、ポイント4とポイント5の差によって正確に低下します。好奇心旺盛なエンジニアは、ポイント4からポイント5までの線の傾きを測定し、ウェル内に供給された流体の摩擦係数の比率を取得します。



ポイント6でプロッパントが流れ始め、ポイント7で表面の圧力計の読み取り値がすぐに下がり始めるのを確認します。これは、プロッパントがどんどん重くなっているため、ウェル内の液柱です。ポイント8からポイント9で、プロッパントがパイプの壁に対して過度に減速しないように、摩擦低減剤がウェルに追加されました。ポイント10で、彼らはプロパントの供給を停止し、自重でウェルに「落下」しなくなったため、より多くの圧力を骨折に押し込む必要があり、ウェルヘッドの圧力はポイント11に上昇します。そこでポンプがオフになり、圧力は即座にポイント12に低下します。すでに水圧破砕で生命液が漏れているためゆっくりと下降し始め、徐々に閉じていきます。



これらのグラフはすべて、そこで何が起こっているのかを深く理解できないエンジニアに多くの情報を提供しますが、知識のおかげで、彼は何が起こっているのかを定性的に評価できるだけでなく、多くの指標を定量的に評価することもできます。あらゆる種類のトリッキーな定規がこれらのグラフに適用され、それらの助けを借りて多くの未知の貯留層パラメータが計算される、いわゆる「テスト注入分析」を意図的に括弧から外してみましょう。数学者、物理学者、プログラマー、あらゆる分野の技術者にとって、エンジニアリングソフトウェアの開発がどれほど広大な活動分野であるかは理解できると思います。



シリーズ全体：

• パート1
• パート2
• パート3
• パート4
• パート5