XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение:

Моделирование – это построение моделей реальных объектов, систем, процессов, с целью их исследования и прогнозирования.

Компьютерное моделирование в нефтегазовой отрасли нашло широкое применение в процессе разработки и внедрения автоматизированных систем управления, в различных технологических процессах начиная от автоматизации нефтегазодобычи и завершая нефтегазопереработки.

Моделирование месторождения нефти и газа, а также процессов разработки и эксплуатации состоит из нескольких последовательных этапов: оценки геологии района, определение закономерностей осадконакоплений, построение геологической модели, построение гидродинамической модели, расчета параметров гидродинамической модели, прогнозирование процесса разработки и эксплуатации месторождения.

Основными видами моделирования в нефтегазовой отрасли являются: гидродинамическое моделирование, моделирование пласта, моделирование процессов разработки и эксплуатации месторождений геолого-фильтрационное моделирование.

Если учесть невысокую результативность геологических мероприятий последних лет и долю в общей добыче углеводородов крупнейших месторождений, эффективная доразработка месторождений-гигантов с максимально возможным извлечением углеводородного сырья, несомненно, является очень серьезной и актуальной задачей на сегодняшний день. Решение этой задачи невозможно без полного знания всех геологических особенностей разрабатываемого объекта, которые играют основную роль в распределении запасов углеводородов на месторождении и характере их выработки.

На сегодняшнем этапе развития геологической науки и компьютерных технологий появилась возможность комплексирования всей имеющейся геолого-геофизической и промысловой информации и ее интегрированного анализа с помощью цифрового трехмерного моделирования геологического строения месторождения. В настоящее время имеется много удобных для моделирования пакетов программ, однако вопросы методики и технологии построения моделей остаются очень сложной инженерной задачей. Поэтому создание адекватных детализированных геологических моделей сложнопостроенных карбонатных резервуаров гигантских многозалежных месторождений углеводородного сырья является актуальной задачей, требующей глубокого предварительного научного анализа, систематизации большой информации и применения специально разработанных алгоритмов, методик и технологий. [1]

Проведенный во введении краткий ракурс применения математического моделирования в нефтегазовой промышленности показывают актуальность изучения разработанных и внедренных математических моделей для дальнейшего совершенствования существующих моделей и разработки новых систем. Таким образом, целью данной работы является проведение аналитического обзора основных систем моделирования в нефтегазовой области с точки зрения их применения.

Для достижения поставленной цели рассмотрим следующие задачи:

- рассмотреть принципы моделирования в нефтегазовой промышленности;

- провести научный обзор внедренных систем моделирования на нефтегазовых предприятиях;

- оценить экономический эффект наиболее популярных систем моделирования.

1 Общие принципы моделирования в нефтяной и газовой промышленности

В настоящее время в связи с ростом темпа производства работ в области проектирования, строительства и эксплуатации объектов нефтегазовой промышленности, скоростью развития информационно-коммуникационных технологий актуален вопрос расширения применения современных программных комплексов и автоматизированных систем управления. Использование инновационных информационных технологий, позволяющих существенно улучшить технико-экономические показатели, обосновано снижением стоимости и ускорением процесса производства. В условиях глобальной конкуренции задача цифровой трансформации предприятий, отраслей и государства в целом приобретает особую актуальность [2].

На сегодняшний день в области нефтегазовой промышленности существует множество программ для моделирования в областях промысловой геофизики, геологии, бурения, разработки, переработки и т.д. В каждой из этих областей для моделирования существует несколько видов программ [3]. Современные информационные технологии все активнее внедряются в нефтегазовой промышленности – без них уже не представляется возможным оперативное управление объектами на всех стадиях жизненного цикла: проектирования, строительства, эксплуатации [4].

Система автоматизированного проектирования — это совокупность программного комплекса и информационно-коммуникационного устройства, использующая цифровой метод выполнения задач и функций проектирования, представляющая собой упорядоченную систему, предназначенную для выполнения автоматизации процесса проектирования, включающую комплекс программных устройств автоматизации.

К наиболее важным преимуществам моделирования технологических процессов относятся:

‒ организация расчетных исследований и причинно-следственного анализа для выбора оптимального варианта технологического процесса, соответствующего поставленным целям;

‒ нахождение оптимальных режимов работы оборудования для получения желаемой производительности установок и желаемого качества продуктов;

‒ оценка влияния изменения характеристик сырья, сбоев в работе и остановки оборудования на безопасность, надежность и рентабельность установки;

‒ возможность расчета и проверки параметров системы управления в режиме динамического моделирования; ‒ наблюдение за состоянием оборудования;

‒ оценка таких дефектов оборудования, как загрязнение теплообменников и захлебывание тарелок ректификационных колонн путем моделирования и мониторинга оборудования реальной установки

2 Классификация программного обеспечения (ПО) для методов моделирования

2.1 Геологическое моделирование

Построение трехмерных цифровых геологических моделей в настоящее время уже стало естественной составляющей технологических процессов обоснования бурения скважин и составления планов разработки месторождений углеводородов, включая оценку экономической эффективности предлагаемых геолого-технологических мероприятий. В значительной степени это связано с усложнением строения разрабатываемых месторождений и новыми технологиями добычи, например, бурением горизонтальных скважин. Несмотря на богатые традиции геологической науки России, построение трехмерных цифровых геологических моделей нефтяных и газовых месторождений является в нашей стране относительно молодым направлением в прикладной нефтегазовой геологии, возникнув и развиваясь около 20 лет.

Появление трехмерного геологического моделирования как самостоятельного направления оказалось возможным вследствие следующих основных факторов:

- разработки математических принципов и алгоритмов трехмерного моделирования;

- появления достаточно мощных компьютеров и рабочих станций, позволяющих выполнять сложные математические расчеты с достаточным быстродействием и визуализацией результатов;

- накопления обширного опыта двумерного геологического моделирования, подсчета запасов и нефтегазопромысловой геологии;

- разработки коммерческих программ, обеспечивающих цикл построения трехмерных моделей (загрузка, корреляция, картопостроение, построение кубов ФЕС, визуализация, анализ данных, выдача графики и др.).

В России, активное развитие получило направление по оценке качества и экспертизе 3D-геологических моделей. Развитие программных пакетов геологического моделирования обеспечивается, с одной стороны, появлением новых принципов и алгоритмов 3D-моделирования (нейронные сети, многоточечная статистика - MPS), с другой - расширением функциональности за счет включения и интеграции новых модулей (анализ данных сейсморазведки, сопровождение бурения горизонтальных скважин). [5]

Симулятор PH-ГЕОСИМ – современный геологический программный продукт для геологического моделирования и анализа месторождений углеводородов с использованием трехмерных геологических моделей, PH-ГЕОСИМ предлагает пользователям широкий набор возможностей, позволяющих решать наиболее сложные задачи в области геологического моделирования. PH-ГЕОСИМ предлагает полный спектр следующих инструментов: интерактивная визуализация, импорт и управление данными, корреляция разрезов скважин, структурное моделирование с учетом тектонических нарушений, фациальное и петрофизическое 3D – моделирование, подсчет запасов и построение отчетной графики.

Преимущества программного комплекса PH-ГЕОСИМ

- Высокопроизводительные вычисления;

- моделирование гигантских месторождений;

- единая база данных и многопользовательский режим;

- автокорреляция разрезов скважин;

- повторяемость и управление данными рабочего процесса;

- удобный и быстрый доступ к данным;

- моделирование любых типов разломов;

- известные и неклассические алгоритмы геостатики;

- автоматическое создание дерева рабочего процесса;

- интеграция с другими продуктами линейки программного обеспечения;

Таким образом, трехмерное цифровое геологическое моделирование продолжает оставаться интересным, увлекательным и экономически эффективным направлением нефтегазовой геологии.[6]

2.2 Геомеханическое моделирование и геомеханический симулятор РН-СИГМА

Чтобы реализовать на практике возможности геомеханики, прежде всего необходимо создать так называемую Геомеханическую Модель Земли (GEM). Геомеханическая Модель Земли состоит из шести ключевых компонентов, которые могут быть как рассчитаны, так и оценены, используя полевые данные:

Вертикальный стресс, δv (часто называемое геостатическим давлением);

Максимальный горизонтальный стресс, δHmax;

Минимальный горизонтальный стресс δHmin;

Ориентационный стресс, Azi δHmax;

Поровое давление, Pp;

Механические свойства горной породы

Техники геомеханического моделирования включают в себя аналитические, эксперименальные и численные методы – у каждого есть свои достоинства и недостатки.

В целом, численные модели точнее аналитических, но они требуют ввода дополнительных данных и больше времени. Аналитические техники, напротив, быстрее и проще. Экспериментальные модели базируются на данных физических и механических лабораторных тестов, проводимых на образцах горных пород. С помощью таких тестов можно получить ценную информацию о свойствах горной породы, но они достаточно дороги и продолжительны по времени.

Анализ разрушения стенок скважины (кавернообразование и трещины, вызванные бурением и отражающиеся на каротажах) является одной из техник определения наиболее вероятного диапазона значений горизонтального стресса (δHmax) и его ориентации. Существуют и альтернативные методики, включающие в себя анализ кавернометрии, акустических каротажей и лабораторных измерений восстановления упругой деформации. [7]

РН-СИГМА – программный продукт для решения задач геомеханического моделирования и анализа устойчивости ствола наклонно-направленных и горизонтальных скважин.

Набор реализованных инструментов позволяет выполнять полный цикл работ по сбору, анализу и предварительной обработке данных, построению и переносу одномерных геомеханических моделей, прогнозированию осложнений при бурении, возникающих по геологическим причинам, оптимизации траектории конструкции скважины, расчету безопасного диапазона плотности бурового раствора. [6]

Преимущества программного комплекса PH-СИГМА

- полный цикл моделирования устойчивости ствола скважины;

- пользовательские шаблоны типовых расчетов для одновременной обработки нескольких скважин;

- пользовательские алгоритмы на языке программирования Python;

- наличие дополнительных нестандартных расширений;

- понятный и простой интерфейс;

- интеграция с другими продуктами линейки программного обеспечения

2.3 Гидродинамическое моделирование

Гидродинамический симулятор РН-КИМ – комплексное высокопроизводительное решение для трехмерного цифрового моделирования процессов разработки всех типов месторождений.

РН-КИМ обеспечивает полный цикл моделирования от создания гидродинамической модели до автоадаптации под фактические данные многовариантные расчеты прогнозных вариантов в условиях полномасштабного и секторного моделирования.

В симуляторе реализован ряд востребованных опций для проведения расчетов «сложных» геолого-технических мероприятий и оптимизации заводнения (водогазовое воздействие, полимерное заводнение, индикаторные исследования). [6]

Достоинства программного симулятора РН-КИМ

Достоинствами программного симулятора РН-КИМ будут являться: поддержание совместимости с форматами данных Eclipse, Tempest, tNavigator; точные расчеты, которые подтверждены тестами SPE; сертификат соответствия государственных органов РФ; ускорение расчетов до 24-х раз на 32-х узлах кластера; неявная схема расчета (FullImplicit); перетоки по стволу скважины (Crossflow); эффективный линейный решатель (CPR + AMG); модель двойной пористости/проницаемости; групповой контроль скважин, экономические ограничения, автоматические действия; аквиферы (Фетковича, Картера-Трейси и др.); возможность управления расчетом с помощью пользовательских Python-скриптов; использование версии для ускорения расчетов с использованием графических ускорителей GPU (NVIDIACUDA); учет геомеханики совместно с РН-КИМ; комплексирование с результатами ПГИ и ГДИС.

2.4 Геонавигационное моделирование

РН-ГОРИЗОНТ - программный инструмент геологического сопровождения бурения горизонтальных скважин и боковых стволов. Позволяет оперативно загружать информацию по скважинам, строить модель геонавигации, обновлять ее в режиме реального времени на основе данных фактического бурения, индефицировать структурные углы залегания пласта, прогнозировать направление дальнейшего бурения, формировать и рассылать сводки и отчеты в автоматизированном режиме.

Программный комплекс обладает полным набором инструментов для решения смежных с геонавигацией задач, таких как построение корреляционных схем, интерпретация имиджей и данных геолого-технологических исследований, построение структурных карт и тд.

Достоинства программного симулятора РН- ГОРИЗОНТ

Достоинствами программного симулятора РН-КИМ будут являться: комплексная геонавигация в рамках одного программного модуля; обновление исходных данных и модели пласта в режиме реального времени по протоколу WITSML; решение сопутствующих задач: интерпретация имиджей, данных геолого-технологических исследований, построение корсхем; автоматизированное формирование различных отчетов, включая финальный отчет; геонавигация на основе трехмерных алгоритмов моделирования структурного каркаса и свойств пласта; многопользовательская параллельная работа с проектами геонавигации; продвинутая аналитика на базе встроенного интерпретатора Python; интеграция с другими продуктами линейки программного обеспечения. [6]

3 Обзор систем моделирования AspenPlus

Aspen Plus является ведущим программным обеспечением на рынке оптимизации физико-химических процессов, который используется в различных отраслях промышленности для проектирования, эксплуатации и улучшения работы промышленных предприятий. Продукт имеет возможность решать проблемы и задачи разной степени сложности непосредственно во время технологического процесса.

Предоставляет широкий спектр инструментов для разработки и оптимизации моделей процессов, включая лучший в своем классе набор физико-химических свойств, способность обрабатывать твердые, жидкие и газовые процессы, процессы с участием электролитов.

Aspen Plus предназначен для моделирования в стационарном режиме, проектирования технологических процессов, контроля производительности и диагностики неисправностей оборудования, оптимизации и бизнес-планирования. Средства моделирования Aspen Plus: расчет материальных и энергетических балансов, фазового и химического равновесия, расчет реакторов с учетом кинетики протекающих в них реакций.

Aspen Plus содержит в себе обширную базу данных по физико-химическим свойствам веществ, модели единиц оборудования, а также возможности создания отчетов, разработки пользовательских моделей и специализированные модели (например, процессы с участием электролитов).

В состав Aspen Plus могут входит:

Aspen Dynamics	Система динамических, технологических расчетов, применяемая для создания тренажеров
Aspen FFC	Расчет реакторов каталитического крекинга
Aspen CatRef	Расчет реакторов каталитического риформинга
Aspen Plus Optimizer	Система оптимизации
Aspen Hydrocracker&Hydrotreater	Расчет гидрокрекинга и гидроочистки

С Aspen Plus, при помощи встроенной функции Modeler, пользователи имеют возможность написать дополнительные модели операционного блока и использовать их для моделирования процесса в Aspen Plus. Пользователи могут эксплуатировать Aspen Plus Dynamics для оценки безопасности физико-химического процесса, оценки стратегии управления или совершенствования процесса.

Основные удобства применения: понятный интерфейс, создание подсхем и образцов, моделирование, ориентированное на уравнениях, открытая архитектура, большая библиотека, расчет термодинамических свойств, анализ сходимости, калькулятор, расчетный анализ, спецификации единиц оборудования, детальный проектный и поверочный расчет теплообменников.

В среде Aspen Plus возможно построение динамических моделей, одну из которых можно увидеть на рисунке 1. Это позволяет проследить за поведением систем в динамике, решить вопрос об управляемости сложных технологических систем, разработать оптимальную схему регулирования, а также настроить параметры регуляторов. [8]

Рисунок 1 - Модель процесса в AspenPlus

Ключевые особенности Aspen Plus:

- удобный графический интерфейс;

- мастер отображения графиков;

- создание подсхем и образцов (блоки иерархии), сохраняемые как отдельный образец расчета и включаемые в основную схему;

- моделирование сложных процессов с рециклами (SM + EO);

- открытая архитектура (обмен данными с Visual Basic Microsoft Excel).

- обширная библиотека модульных операций (расчет систем пар-жидкость, пар-жидкость-жидкость, а также модели для работы с твердыми веществами);

- расчет термодинамических свойств (более чем 8500 компонентов, а также 37000 наборов бинарных коэффициентов для около 4000 двухкомпонентных смесей);

- калькулятор (возможность использования при расчете моделей языка FORTRAN и электронных таблиц Microsoft Excel);

- расчетный анализ (выбор технических характеристик оборудования и условий ведения процесса);

- спецификации единиц оборудования (автоматический расчет технологических условий ведения процесса или технических характеристик оборудования, при которых достигаются указанные пользователем значения спецификаций);

- согласование данных модели с фактическими производственными данными;

- определение технологических условий процесса, при которых достигается максимум любой заданной пользователем целевой функции (производительности установки, энергосбережения, чистоты продуктов или прибыли);

- детальный проектный и поверочный расчет теплообменников. [9]

4 Обзор систем моделирования AspenHYSYS

Aspen HYSYS предназначен для моделирования в стационарном режиме, проектирования химико-технологических производств, контроля производительности, мониторинга состояния оборудования и выявления неисправностей, оптимизации и бизнес-планирования в области добычи и переработки углеводородов и нефтехимии. В среде Aspen HYSYS возможно построение моделей процесса, одну из которых можно увидеть на рисунке 2.

Ключевыми особенностями HYSYS являются:

- Удобный графический интерфейс (PFD – Process Flowsheet Diagram);

- Точные термодинамические модели (наличие 20 различных методов расчета термодинамических и физических свойств; более 2000 библиотечных компонентов и 16000 пар бинарных коэффициентов);

- Открытая архитектура (возможность создавать пользовательские термодинамические и кинетические модели, а также модели единиц оборудования с помощью встроенного языка программирования (аналога Visual Basic));

- Обширная библиотека модульных операций (статические и динамические модели ректификационных колонн, реакторов, теплообменников, циклонов);

- Детальный проектный и поверочный расчет теплообменников (импорт моделей из TASC+ (программа для детального конструкционного расчета кожухотрубчатых теплообменников), ACOL+ (детальный расчет воздушных холодильников), MUSE (расчет пластинчато-ребристых теплообменников);

- Экономическая оценка проекта (экспорт моделей в программу Aspen Icarus Process Evaluator или Aspen Icarus Project Manager с целью оценки стоимости оборудования отдельных элементов схемы и всей установки в целом);

- Передача данных в конструкторскую программу (экспорт в Aspen Zyqad для дальнейшего использования в конструкторских программах (например, в AutoCAD)

Рисунок 2 - Модель процесса в AspenHYSYS

С использованием HYSYS можно проводить расчеты:

- ректификационных колонн произвольной конфигурации, включая колонны с расслаивающимися на тарелках жидкостями и с химическими реакциями на тарелках; нефтяных колонн, гидравлики ректификационных колонн с ситчатыми, клапанными и колпачковыми тарелками, и насадочных колонн;

- теплообменных аппаратов различных типов: нагревателей, холодильников, ребойлеров с паровым пространством, конденсаторов, воздушных холодильников;

- трубопроводов различных конфигураций (горизонтальных и вертикальных) с использованием методов расчета гидравлических сопротивлений двухфазных потоков;

- реакторов идеального вытеснения и идеального смешения, равновесных, стехиометрических (реакции могут протекать в трубе, в произвольной емкости, на тарелке ректификационной колонны)

С помощью набора встроенных утилит возможен расчет:

- условий гидратообразования и его ингибирования, образования твердой углекислоты;

- точки росы по воде и углеводородам;

- кривых разгонок (ИТК, ГОСТ, вакуумная разгонка и т.д.);

- товарных свойств нефтепродуктов;

- размеров емкостей;

- нестационарного процесса сброса давления из емкости или системы емкостей в аварийном режиме

Экономический эффект от использования программы HYSYS достигается за счет следующего:

- Оптимизация проектирования − возможность в сжатые сроки оценить рентабельность, безопасность и надежность установки;

- Мониторинг состояния оборудования – уверенность в том, что оборудование работает в оптимальном режиме;

- Уменьшение затрат на реализацию проекта – возможность свести к минимуму количество ошибок и сделать проект менее трудоемким.[9]

Заключение

На основе аналитического обзора программмных комплексов можно сделать вывод, что использование программных комплексов является одним из важных аспектов в существующих отраслях промышленности. Применение современных информационных технологий позволяет обеспечить высокое качество полученных расчетных результатов, упростить процесс проектирования, снизить влияние человеческого фактора на этапе эксплуатации, улучшить технико-экономические показатели в целом. По итогу обзора определены методы, программы направленные на оптимизацию работы программных комплексов и информационного оборудования. Наиболее оптимальными методами являются создание и выпуск специально спроектированных моделей технологических процессов, внедренных в код программного продукта. Данные методы позволяют снизить нагрузку на оборудование информационно- коммуникационных устройств, упростить и ускорить работу по принятию важных технических решений.

Таким образом, разработка современных технологических процессов переработки природного углеводородного сырья и оптимальная эксплуатация действующих производств невозможна без применения моделирующих программ, имеющих высокую точность описания параметров технологических процессов и позволяющих без значительных материальных и временных затрат производить исследования этих процессов.

Такие модельные исследования имеют огромное значение не только для проектирования с помощью САПР, но и для функционирования существующих производств, так как позволяет учесть влияние внешних факторов (изменение состава сырья, изменение требований к конечным и промежуточным продуктам и т.д.) на показатели действующих производств и разработать адекватную систему управления на основе динамического моделирования процесса.

Моделирующие программы также называют симуляторами. В общем случае с применением современных симуляторов технологических процессов в нефтегазовой отрасли решаются следующие задачи:

‒ анализ, оптимизация и синтез технологических систем нефтегазовой отрасли для проектируемых и действующих производств;

‒ исследование динамического поведения технологических систем для синтеза систем управления;

‒ разработка компьютерных систем обучения операторов нефтегазовых производств, в частности тренажерных комплексов. [10]

Список литературы

Компьютерное моделирование в нефтегазовом деле, 2022. Бравичева Т.Б., Бравичев К.А., Палий А.О(URL: https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=784979#text) (Дата обращения 2.10.2022)

Линник Ю.Н., Кирюхин М.А. Цифровые технологии в нефтегазовом комплексе // Вестник университета. 2019. № 7. С. 37 – 40 (Дата обращения 15.10.2022).

Солиев Н.Н. Единый программный комплекс для моделирования в нефтегазовой промышленности //Академический журнал Западной Сибири. 2015. Т. 11. № 2 (57). С. 52 – 53 (Дата обращения 15.10.2022).

Исаков И.М. Опыт применения современных инструментов сопровождения процессов проектирования, строительства и эксплуатации объектов нефтяной и газовой промышленности // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. 2011. № 8. С. 24 – 28 (Дата обращения 15.10.2022)

Булыгин Д.В., Ганиев Р.Р. К вопросу подготовки студентов по курсу моделирования геологии и разработки нефтяных месторождений/ Георесурсы, №2 (25), 2008, с. 13-18 (URL: https://drprom.ru/referat/kompyuternoe-modelirovanie-v-neftegazovom-dele/#lwptoc1) (Дата обращения 20.10.2022).

Наукоемкое программное обеспечение для разведки и добычи. ПАО «НК «Роснефть» (URL: https://rn.digital/rngeosim/pdf) (Дата обращения 21.10.2022).

Карьера в области геомеханики. HamedSoroush, Международный отдел Разведки и Разработки компании «Shell» (URL: https://www.petroleumengineers.ru/blogpost/8409 ) (Дата обращения 21.10.2022).

Разработка модели технологической схемы оборотного водоснабжения металлургического предприятия с использованием программного комплекса AspenPlus. Лебедик Е.А.Шариков Ю.В. Выпуск: № 2 (56), 2017(URL: https://research-journal.org/archive/2-56-2017-february/razrabotka-modeli texnologicheskoj-sxemy-oborotnogo-vodosnabzheniya-metallurgicheskogo predpriyatiya-s-ispolzovaniem-programmnogo-kompleksa-aspen-plus) (Дата обращения 23.10.2022).

Пакеты моделирующих программ. Stodwood (URL: https://studwood.net/1844328/tovarovedenie/pakety_modeliruyuschih_programm) (Дата обращения 23.10.2022).

Обзор современных прикладных программных продуктов и автоматизированных систем управления в проектировании, строительстве и эксплуатации объектов нефтегазовой промышленности (Дата обращения 30.10.2022).

Код для цитирования: Скопировать