Российские ученые в составе международной группы разработали алгоритм для расчета проницаемости горных пород по их 3D-изображениям. Программа поможет нефтяникам выбирать наиболее эффективные схемы разработки месторождений.
Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Результаты работы опубликованы в журнале Computers and Geosciences, кратко о них рассказывается в пресс-релизе.
Любая нефтегазовая компания заинтересована в повышении эффективности добычи полезных ископаемых. Для оптимизации этого процесса важно как можно более точно изучить строение месторождения, а также построить и параметризовать его гидродинамическую модель, то есть математически описать процессы, которые будут происходить при нарушении пластового давления. Последнее особенно важно для повышения эффективности добычи нефти, так как, в отличие от твердых полезных ископаемых, при неправильном подходе к добыче извлечь даже 15-30% углеводородов становится затруднительным.
Один из самых распространенных методов добычи нефти заключается в том, что в горные породы закачивают воду или сжатый газ, которые «выталкивают» нефть. Чтобы воспроизвести процессы, происходящие при разработке месторождения, необходимо учитывать характеристики вмещающих пород. В числе прочих важна проницаемость ― способность горных пород фильтровать флюид (нефть, газ или воду) при наличии перепада давления. Эта характеристика необходима при моделировании течения подземных вод, многофазного потока нефти и газа, а также других промышленных процессов.
Традиционно для изучения образцов породы (кернов), извлеченных из пробуренной скважины, исследователи используют лабораторные методы. Такие исследования занимают несколько месяцев, достаточно затратны и чаще всего полностью разрушают образец после одного эксперимента. Поэтому все большее развитие получают технологии цифрового моделирования. Их суть заключается в том, чтобы моделировать сначала среду (горную породу), а затем фильтрацию (течение через нее флюида). Плюс этого подхода в том, что расчет требует гораздо меньше времени, и для одного образца можно воспроизвести несколько сценариев. С помощью расчетов можно подобрать оптимальные параметры закачивания и выкачивания флюидов на месторождении так, чтобы получить больше углеводородов на выходе.
В цифровом моделировании используются современные программы и алгоритмы расчетов, для которых требуются суперкомпьютеры и значительные затраты времени. Поэтому, достигнув предела точности расчетов, ученые были вынуждены вернуться к менее точным, но не требующим таких вычислительных затрат методам. Авторы статьи, используя численную схему, разработанную советскими математиками в 1956 году, создали свободно распространяемый программный пакет, способный рассчитать проницаемость на основе 3D-изображений горной породы. Ученые исследуют образец керна на рентгеновском томографе и получают модель, на которой решается задача течения в трехмерном пространстве пористых сред. Разработанное ПО на порядок эффективнее существующих сегодня программ для суперкомпьютеров, а потери в точности решения при этом минимальны. Для расчетов в этой программе можно использовать обычный компьютер и даже ноутбук, это позволяет обрабатывать изображения значительных объемов.
Трехмерная визуализация структуры пористой породы (слева), расчетное поле давлений (в центре) и поле скоростей течения флюида (справа), смоделированные для направления потока вдоль приложенного градиента давления
«С помощью оптимизации нашего собственного кода, написанного на языке С++, и нехитрой параллелизации с помощью технологии OpenMP мы достигли очень хороших ускорений, и благодаря применяемым методам, пусть и дедовским, но очень эффективным, у нас получилось сделать то, чего невозможно достичь существующими методами прямого моделирования», ― рассказал один из авторов исследования Кирилл Герке.
Ученые определили абсолютную проницаемость, решая уравнение Стокса в трехмерной воксельной геометрии итерационным методом. Они получили поле скоростей течения в пористых средах для определения их эффективных фильтрационных характеристик. Программа позволяет численно описать сложные процессы, происходящие при фильтрации, в масштабе пор. Хотя проницаемость является достаточно простым для расчетов свойством, не научившись эффективно его моделировать, нельзя перейти к более сложным свойствам породы, описывающим фильтрацию двух и более флюидов. Также авторы провели курс для всех желающих, в рамках которого учили пользоваться своей программой представителей добывающих компаний и ученых, работающих в областях, близких к добыче ископаемых. Кроме нефтяников, программный пакет будет полезен инженерам-геологам, гидрогеологам, петрофизикам, почвоведам и всем, кому может понадобиться определение проницаемости пористых сред.
Речь пока не идет о том, чтобы полностью заменить цифровой технологией лабораторные эксперименты: параллельное использование этих методов поможет получать более полную информацию и раскрывать особенности физики фильтрационных процессов на разных масштабах.
В исследованиях принимали участие ученые из Института динамики геосфер, Института физики Земли и Почвенного института имени В.В. Докучаева РАН, а также геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, Научно-технологического университета имени короля Абдаллы (KAUST) и Австралийского государственного объединения научных и прикладных исследований (CSIRO).
