Всего за одно последнее десятилетие интерес к полностью сгорающему природному газу как топливу, удовлетворяющему основной глобальный спрос в энергоносителях, резко изменился. Например, в 2000 г. на сланцевый газ приходился лишь один процент поставок природного газа в США. Сегодня этот показатель равен уже 30 процентам и продолжает расти.
Почему? Потому что инновационные решения, разработанные на основе технологий, давно используемых нефтегазовыми компаниями, в настоящее время успешно применяются и к таким особым ресурсам, как сланцевые породы. Эти подземные разработки связаны со многими техническими проблемами, требующими детальной аналитики и понимания сложных физических аспектов. ExxonMobil является одной из крупных компаний, которые играют лидирующую роль в использовании имитационного моделирования для ускорения таких инноваций.
Компания ExxonMobil одной из первых (в конце 1970-х годов) получила лицензию на использование программного обеспечения Abaqus в энергетическом секторе. Отношения выходили за рамки просто коммерческих — ExxonMobil с самого начала совместно с SIMULIA разрабатывала технологии имитационного моделирования факторов, определяющих ключевые показатели энергетического сектора. Например, сотрудничество с ExxonMobil привело к тому, что в Abaqus впервые появилась возможность учитывать значительное скользящее смещение. Эту технологию использовали для повышения параметров давления и температуры, а также надежности нарезных трубных элементов и оборудования.
Брюс Дейл (Bruce Dale), главный инженер по подземным разработкам ExxonMobil, в своем основном докладе на Конференции сообщества SIMULIA в 2010г. впервые изложил более чем тридцатилетнюю историю сотрудничества своей компании с SIMULIA и ее предшественниками. Вскоре после этого доклада инженерная команда приступила к новому проекту с SIMULIA для дальнейшего расширения возможностей имитационного моделирования, помогающего решить многие проблемы, связанные с подземной добычей сланцевого газа. Сотрудничество будет сосредоточено на разработке современных моделей материалов общего назначения, технологии конечных элементов и вычислительных процедурах, используемых для того, чтобы определять решения указанных проблем.
В команду включены ведущие инженеры ExxonMobil, сотрудничающие напрямую с персоналом SIMULIA. Так, в частности, Кевин Сирлс (Kevin Searles) играет значительную роль в создании ключевой технической поддержки и консультировании совместной команды с момента ее создания. Важными также являются лидерские качества постоянных руководителей от ExxonMobil — Билла Клайна (Bill Kline), Джейсона Бердетта (Jason Burdette) и Эрики Бидигер (Erika Biediger)— в течение всего времени выполнения совместного проекта. (См. сведения об участниках проекта в боковых колонках.)
В этом году на Конференции сообщества SIMULIA (SCC) в Берлине Дейл выступил снова, представив интереснейший глубокий рассказ о том, насколько продвинулось партнерство с SIMULIA и насколько хорошо проработаны возможности, появившиеся за последние пять лет. Помимо SCC, команда ExxonMobil представляет эти технологии и на других технических конференциях нефтегазового сектора.
«Совместными усилиями ExxonMobil и SIMULIA фундаментально улучшили имитационное моделирование для решения ключевых задач нефтегазовой отрасли по бурению, заканчиванию скважин и их эксплуатации, — говорит Дейл. — Передовые технологии имитационного моделирования и 3D-визуализация играют все более важную роль в успехе энергетической отрасли и предоставляют такие возможности моделирования, как анализ конечных элементов (FEA), расчетная гидрогазодинамика (CFD) и динамика потока частиц (PFD)».
Дейл является участником этих разработок с начала своей карьеры в Exxon в 1980-х годах. Начинал с исследований и разработок в области буровых работ, а со временем перешел к управленческим задачам и руководству командой. Дейл отвечает за кардинально новые технологии и на протяжении всей своей 34-летней карьеры содействует инновациям, творчеству и эффективности. «Когда-то давно у меня была возможность работать с ПО Abaqus, входящим в набор инструментов SIMULIA Dassault Systèmes, и это был отличный способ применить передовые технологии для имитационного моделирования того, что раньше мы могли проверять только в лаборатории или на площадке, — сказал Дейл в интервью после своего выступления в 2015 г.
— Я от природы любопытен, постоянно задаю вопрос „почему?“, и это, в частности, привело к тому, что мы начали использовать такие технологии с момента их появления». [Помимо прочего, любопытство Дейла привело к получению 20 патентов, воплощающих его идеи, и оформлению еще 40 патентных заявок!] Дейл сказал, что ему посчастливилось работать с рядом очень талантливых и ярких людей над расширением возможностей имитационного моделирования в Abaqus: «Когда мы работали вместе и располагали такими инструментами, идеи появлялись одна за другой».
Дейл отметил, что использование имитационного моделирования повысило конкурентоспособность ExxonMobil. «В лаборатории нельзя целиком реализовать возможность получения полной картины из-за ограниченности расходов, размеров и времени, — говорит он. — В прошлом требуемое время часто превышало период принятия решения.
Теперь возможна визуализация с использованием имитационного моделирования, что позволяет выполнять обработку данных и выявлять возможности или недостатки намного раньше. Это оказывает непосредственное воздействие и влияние в гораздо большей степени, чем когда-либо раньше. Таким образом, в сегменте разведки и добычи визуализация значительно способствует объединению людей, выполняющих несопоставимый по типу анализ разнородных данных для решения некоторых весьма сложных задач».
В своей речи на SCC-2015 Дейл рассказал о стремлении своей компании разрабатывать ресурсы природного газа безопасным и надежным образом. Компания ExxonMobil разработала передовые методы управления с повышением эффективности и одновременным снижением общей экологической нагрузки, сказал он. Методы предусматривают защиту локальных ресурсов подземных вод, тесное взаимодействие с населением и властями, содействие прозрачности и эффективному регулированию.
Дейл пояснил, что при добыче природного газа из сланцевых пород приходится учитывать сложные физические явления на следующих этапах:
- бурение (создание пригодных для использования скважин);
- заканчивание скважин (в т. ч. установка обсадных труб от газоносного пласта до поверхности земли);
- интенсификация скважин (улучшение сообщаемости скважины с плоскостью забоя в пластовой породе);
- эксплуатация скважин (управление потоком пластовых флюидов через скважину, станции подготовки и систему трубопроводов);
- утилизация отходов (обратная безопасная закачка необрабатываемых флюидов в глубокие подземные горизонты).
Чтобы точно моделировать критические факторы, которые могут повлиять на успешное осуществление многих этапов добычи, ExxonMobil и SIMULIA разработали связанное математическое описание распространения разрыва под воздействием флюидов (описание гидравлического разрыва пласта) с использованием двух усовершенствованных методов конечных элементов. В методе когезионной зоны (CZM) траектория разрыва ограничивается плоскостью, а в расширенном методе конечных элементов (XFEM) траектория разрыва полностью описывается зависимостями.
В дополнение к этим усовершенствованным методам конечных элементов в Abaqus также реализованы усовершенствованные определяющие модели. В них учитывается неупругая деформация, зависящая от специфического типа сложного разрушения мягких пород.
Во всех случаях строгая валидация методик проводилась в широком диапазоне свойств горных пород и флюидов, а также в условиях потери флюидов. Использовались как полуаналитические решения, так и экспериментальные результаты лабораторных исследований.
ExxonMobil накопила уникальный экспериментальный потенциал внутри своей компании, а затем начала работу с SIMULIA по созданию 2D- и 3D-моделей для различных аспектов управляемого гидравлического разрыва горных пород. «После ввода фактических измеренных значений входных параметров и получения полной физической картины, а не просто «подстройки» моделей для достижения требуемого результата, мы можем быть уверены в валидации цифровых функций Abaqus, которые были недавно разработаны двумя компаниями совместно», — сказал Дейл.
Он подчеркнул, что эти недавно разработанные возможности имитационного моделирования служат основой для использования гидравлического разрыва пород компанией ExxonMobil. «Устранение проблем с бурением позволяет снизить расходы,— говорит Дейл. — Управление рисками бурения означает, что небольшим проблемам не позволят усугубиться. Усовершенствованное 3D-моделирование повышает нашу способность предвидеть такие проблемы, связанные с буровыми работами, как нестабильность сланцевых пород или уход бурового раствора в пески, и впоследствии снижать риски. Имитационное моделирование также помогает нам разрабатывать инновационные схемы извлечения, чтобы сделать эксплуатацию скважин более экономичной».
В заключение Дейл отмечает: «Совместная работа с SIMULIA весьма плодотворна. В течение нескольких следующих десятилетий компаниям во всем мире придется расширить поставки энергии безопасным, надежным, экономичным и экологически ответственным образом. Имитационное 3D-моделирование делает возможными инновационные решения, опираясь на основные принципы энергообеспечения в XXI веке».