Skip to main content

Hydraulics modelling for drilling automation

Article Category

Article available in the folowing languages:

Automatyzacja zwiększa bezpieczeństwo operacji wydobycia ropy i gazu

W ramach pewnego finansowanego ze środków UE projektu zaprezentowano nowe modele i oprogramowanie, które pomagają operatorom i firmom wiertniczym w pokonaniu wyzwań typowych dla głębokich studni: wykonywanie bezpiecznych odwiertów w wąskim oknie ciśnieniowym.

Technologie przemysłowe

Odwierty to kluczowa technologia w wielu zastosowaniach o znaczeniu strategicznym lub społecznym, takich jak poszukiwanie i wydobycie ropy, gazu oraz zasobów geotermalnych i mineralnych, a także magazynowanie CO2 w strukturach geologicznych. Sukces praktyczny zależy od zdolności do wykorzystania coraz trudniejszych w wydobyciu zasobów głębokowodnych.

Dwa najważniejsze zagadnienia: produktywność i kontrola ciśnienia

Koszty konstrukcji studzien znacząco wzrosły w ciągu kilku ostatnich lat, a ponadto brakuje technologii zwiększających wydajność odwiertów. Dlatego odchodzenie od rozwiązań antropocentrycznych na rzecz wdrażania procesów automatycznych jest istotnym kamieniem milowym w wierceniu głębinowym. Wąskie marginesy wiercenia w kontekście bezpieczeństwa w oknach ciśnieniowych to kolejne poważne wyzwanie, które komplikuje operacje prowadzone w głębi otworów wiertniczych. Zachowanie niewielkiej różnicy między ciśnieniem porowym (ciśnienie cieczy wewnątrz porów skalnych powodujące wypychanie) a gradientem spękań (ciśnienie cieczy na zewnątrz skały potrzebne do jej pęknięcia) na odpowiednim poziomie ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa takich operacji. Zbyt wysokie ciśnienie (w odwiercie) spowoduje naruszenie integralności odwiertu, a zbyt niskie – jego niestabilność, zwiększając tym samym ryzyko wypływu płynów formujących do wnętrza odwiertu. Zdarzenie takie nosi nazwę incydentu związanego z utratą kontroli nad odwiertem, które w najgorszym przypadku może eskalować, co oznacza, że siła wyciekającego płynu lub gazu może być na tyle duża, że doprowadzi do zniszczenia wiertni. Najbardziej znanym przykładem katastrofy tego rodzaju była eksplozja platformy wiertniczej Deepwater Horizon w Zatoce Meksykańskiej w kwietniu 2010 r., do której doszło na głębokości 1 500 m. „Oprócz zapobiegania poważnym incydentom wiertniczym, zachowanie wąskiego okna ciśnień umożliwia ciągłość operacji bez niepotrzebnych przerw, co przekłada się na większą produktywność”, mówi Nathan van de Wouw, koordynator projektu HYDRA, który otrzymał finansowanie z działania „Maria Skłodowska-Curie”.

Tworzenie wirtualnych scenariuszy wykonywania odwiertów

W ramach projektu HYDRA powstały modele hydrauliczne, które z dużą dokładnością przewidują ciśnienie i przepływ błota wiertniczego w otworze wiertniczym. Zarówno te nowe modele, jak i narzędzia numeryczne wykorzystano przy tworzeniu nowego oprogramowania, które umożliwia prowadzenie symulacji dla różnych rodzajów operacji wiertniczych. „Dzięki rezultatom projektu HYDRA wyniki testów scenariuszy prowadzenia odwiertów wirtualnych są bardziej wiarygodne. Przed przystąpieniem do operacji wiertniczych inżynierowie ze spółek naftowo-gazowych mogą przetestować różne scenariusze, by ustalić, czy operacje te są opłacalne i bezpieczne. Wykonując szereg testów z użyciem modelu przepływu i różnych parametrów błota wiertniczego/otworu wiertniczego, a także warunków prowadzenia operacji wiertniczych, operatorzy mogą przewidzieć zmiany ciśnienia na dnie odwiertu, by uniknąć wypadków”, dodaje van de Wouw. Co prawda na rynku dostępnych jest wiele narzędzi programowych symulujących przepływ płynów oraz przepływ wielofazowy, ale modelowanie ich właściwości o tak dużym stopniu skomplikowania zajmuje mnóstwo czasu. Natomiast istniejące proste modele nie opisują wystarczająco dokładnie parametrów przepływu. „W przypadku projektu HYDRA udało się nam znaleźć równowagę. Opracowaliśmy modele uwzględniające najważniejsze efekty przepływu, a jednocześnie zadbaliśmy, by były proste i na tyle szybkie, by mogły być używane do testowania wirtualnych scenariuszy operacji wiertniczych”, podkreśla van de Wouw. Badacze opracowali również techniki redukcji kolejności modeli, aby jeszcze bardziej ograniczyć złożoność obliczeniową swoich modeli matematycznych w symulacjach numerycznych. „Takie techniki nie tylko zwiększają prędkość symulacji, ale pozwalają również na zaprojektowanie doskonalszych urządzeń do automatycznego kontrolowania ciśnienia w trakcie wierceń”, dodaje na koniec uczony.

Słowa kluczowe

HYDRA, wiertnictwo, symulacje, ropa, gaz, scenariusze wirtualnych operacji wiertniczych, wąskie okno ciśnieniowe, redukcja kolejności modeli, technika wierceń z kontrolowanym ciśnieniem

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania