​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.

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 (керна), 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.

"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).

Похожие новости

  • 03/01/2019

    Обнаружены особенности образования соединений, мешающих добыче нефти и газа

    ​​Ученые из Института неорганической химии имени А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук (ИНХ СО РАН) исследовали реакцию образования кристаллических соединений воды и газа (газовых гидратов) с метастабильной (неустойчивой) структурой.
    2495
  • 22/12/2020

    Наночастицы помогли улучшить добычу нефти

    Ученые из России выяснили, как наночастицы влияют на эффективность извлечения нефти. Добавление их в воду, которая вытесняет нефть из пласта, способствует улучшению отрыва капель нефти от горной породы и вымыванию их на поверхность.
    982
  • 18/03/2021

    Учёные расширят перечень пригодных для 3D-печати материалов

    Ученые Томского государственного университета и ИФПМ СО РАН предложили новый способ 3D-принтинга, который позволяет использовать ранее недоступные для этого материалы: металлы, металлокерамику и даже высокоэнергетические материалы.
    1152
  • 31/12/2017

    Топ-10 исследований российских ученых 2017 года по версии РНФ

    Около 35 тысяч российских ученых проводили и проводят фундаментальные исследования при поддержке Российского научного фонда (РНФ). Ежемесячно в российских и зарубежных СМИ выходят десятки новостей об их достижениях.
    5889
  • 03/06/2021

    Алмазные наноиглы для квантовых устройств и детекторов станут доступнее

    Российские ученые совместно с финскими коллегами усовершенствовали метод получения алмазных игл, что делает их более доступными для различных применений, включая квантово-оптические сенсоры. Новый способ использует синтез алмаза из смеси водорода и метана при активации газовой среды методом «горячей нити».
    1598
  • 30/12/2020

    Топ-30 разработок сибирских ученых в 2020 году

    ​На портале «Новости сибирской науки» можно познакомиться с инновациями и последними достижениями сибирских ученых. Сегодня мы предлагаем вашему вниманию Топ-30 сообщений о наиболее значимых и интересных научных разработках 2020 года, размещенных на нашем сайте.
    6524
  • 07/08/2018

    Магистранты ТПУ примут участие в работе над уникальными проектами

    ​Магистрантам Томского политехнического университета предлагают стать участниками уникальных исследовательских проектов в составе научных групп под руководством ведущих ученых вуза. Одной из таких научно-исследовательских групп является коллектив научно-образовательного центра Н.
    1898
  • 25/06/2021

    Ученые восстановили климатическую историю монгольского озера Баян-Нур за последние три тысячи лет

    Ученые реконструировали климат в районе монгольского озера Баян-Нур за последние три тысячи лет и выяснили, что численность населения в этом регионе никак не коррелировала с изменениями средней температуры и количеством осадков.
    917
  • 28/01/2020

    Мировая повестка: биобезопасность

    ​С 2015 года в рамках Проекта 5-100 ТюмГУ и в настоящее время Западно-Сибирский межрегиональный научно-образовательный центр (НОЦ) сделали ставку на биобезопасность – предотвращение, митигацию и ликвидацию угроз биологического происхождения для человека, животных и растений.
    1529
  • 29/12/2020

    Измерять добычу нефти и газа будут новым эталоном

    ​​Метрологический комплекс «Эталон второго разряда» осуществляет поверку замерных установок скважинной продукции без остановки добычи, что снижает затраты на извлечение из недр углеводородного сырья. Это совместная разработка Тюменского госуниверситета и компании «ГМС Нефтемаш», осуществленная в межрегиональном Западно-Сибирском НОЦ, который создан в рамках реализации нацпроекта "Наука".
    1286