Szczelinowanie pod ciągłą presją
Wbrew powszechnej opinii szczelinowanie hydrauliczne nie jest technologią wiercenia. Jest ono przeprowadzane po wykonaniu odwiertu i polega na wtłaczaniu pod ziemię dużych ilości cieczy pod wysokim ciśnieniem. Dzięki powstałym w ten sposób pęknięciom w skale zbiornikowej tworzone są dodatkowe drogi umożliwiające zwiększenie wydobycia węglowodorów. Choć technologia ta powstała już w latach 30. XX w., jest powszechnie stosowana dopiero od dwóch dekad. Szczelinowanie hydrauliczne budzi duże kontrowersje, przy czym jego przeciwnicy mówią o zagrożeniach dla środowiska, a zwolennicy podkreślają korzyści ekonomiczne. Nic więc dziwnego, że technika ta jest przedmiotem licznych badań, w których ważną rolę odgrywa modelowanie matematyczne związanych z nią procesów fizycznych. Wyniki tych badań wskazywały, że potrzebne są dokładniejsze symulacje zależności między propagacją spękań a przepływem płynu. Co więcej, podstawowe znaczenie tych badań wykracza daleko poza samą technologię szczelinowania. Jego mechanizmy są wykorzystywane również w innych procesach technologicznych (np. sekwestracji C02) i obserwowane w przyrodzie (intruzje magmowe w skorupie ziemskiej, podlodowcowe odprowadzanie wody). Opracowaniem potrzebnych metod symulacji zajęli się uczestnicy projektu HYDROFRAC (Enhancing hydraulic fracturing on the basis of numerical simulation of coupled geomechanical, hydrodynamic and microseismic processes). W trakcie realizacji czteroletniego projektu uczeni opracowali modele matematyczne procesów geomechanicznych, hydrodynamicznych i mikrosejsmicznych, aby umożliwić usprawnienie prac związanych ze szczelinowaniem hydraulicznym. W toku prac uzyskano nowe istotne rezultaty badawcze, dotyczące podstawowych właściwości modeli matematycznych, co pozwoliło na stworzenie wysoce wydajnych, elastycznych i dokładnych algorytmów obliczeniowych. Działanie odpowiednich symulatorów 1D i 2D sprawdzono w oparciu o specjalne wartości wzorcowe oraz porównano je z danymi dostępnymi w literaturze. W konfiguracji ogólnej śledzono propagację spękań przy pomocy trójwymiarowych modeli elementów brzegowych ośrodków poroelastycznych, a także modeli różnic skończonych w odniesieniu do przepływów cieczy nienewtonowskich. Naukowcy z projektu HYDROFRAC zastosowali nowe metody umożliwiające rozwiązanie brzegowych równań całkowych. Przykładowo, szybka metoda multipolowa pomogła przyspieszyć obliczenia i poprawić ich dokładność. Ponadto uczeni opracowali specjalny kod programistyczny do symulacji zdarzeń mikrosejsmicznych wywoływanych przez zmiany lokalnych naprężeń. Mikrosejsmiczność symulowano poprzez wprowadzanie do przepływów początkowych parametrów wstępnie zdefiniowanego rozkładu statystycznego. Dane zgromadzone podczas symulacji zdarzeń starannie przeanalizowano w celu oszacowania siły i stabilności przepływów w czasie. Wszystkie kody dostosowano do praktycznych potrzeb badawczych dzięki współpracy z partnerami przemysłowymi. Symulowaną mikrosejsmiczność porównano z mikrosejsmicznością obserwowaną podczas szczelinowania hydraulicznego w celu skalibrowania parametrów wejściowych i poprawy wyników modelowania. Dostrojono też parametry modeli w oparciu o przewidywane wydobycie ropy lub gazu, porównując je z wartościami zaobserwowanymi w terenie. Wiedza uzyskana podczas realizacji projektu HYDROFRAC była przekazywana środowisku naukowemu za pośrednictwem publikacji w czasopismach branżowych i niespecjalistycznych, jak i podczas prezentacji na międzynarodowych konferencjach.
Słowa kluczowe
Modele matematyczne, szczelinowanie hydrauliczne, węglowodory, HYDROFRAC, ciecz nienewtonowska, mikrosejsmiczność
