Инжиниринговый центр Передовой инженерной школы «Цифровой инжиниринг» СПбПУ совместно с компанией «Центротех-Инжиниринг» (входит в топливный дивизион «ТВЭЛ» госкорпорации «Росатом») завершили значимый для нефтегазовой отрасли России проект – создание цифрового двойника нефтегазового оборудования. В частности, были разработаны цифровые модели доставки комплекса разобщения селективной перфорации (РСП) к месту проведения работ в скважине, а также цифровые модели работы узлов конструкции комплекса РСП – перфоратора и пакер-пробки. Натурные испытания в условиях реального производства подтвердили высокую степень адекватности разработанных цифровых моделей реальному объекту и условиям эксплуатации.
Комплекс РСП используется при выполнении гидравлических разрывов пласта, позволяя осуществлять направленные прострелочно-взрывные работы в скважинах. Данный тип оборудования используется на большинстве нефтегазовых скважин России. В исследовательских целях он может дооснащаться специальным оборудованием для регистрации избыточного давления и температуры в процессе работ, также контроля проведения спускоподъёмных операций.
«Комплекс РСП относится к числу технологических установок для бурения, добычи и внутрискважинных работ, применяется при обслуживании нефтяных и газовых скважин. Постепенный переход на отечественное оборудование и развитие технологий бурения скважин является залогом обеспечения технологической устойчивости отрасли, снижения рисков для добывающих и перерабатывающих предприятий. В конечном итоге это формирует технологический суверенитет России в нефтегазовом секторе», – объяснил актуальность решаемых задач главный конструктор по цифровому моделированию ООО «Центротех-Инжиниринг» Алексей Глазунов.
Проект по созданию цифрового двойника нефтегазового оборудования выполнен на основе собственной разработки Политеха – цифровой платформы разработки и применения цифровых двойников CML-Bench®. В процессе математического и компьютерного моделирования был учтен целый ряд важных характеристик: физико-механические свойства материалов пакера, тип взрывчатого вещества перфоратора, типоразмер комплекса РСП, количество перфорирующих секций, геометрия скважины, заполнение скважины, режимы нагнетания жидкости, натяжение кабеля, скорость продвижения сборки, наконец, характеристики нагнетаемой жидкости.
Разработка и применение полномасштабной цифровой модели позволит оценивать технические и экономические аспекты доставки различных конфигураций комплекса РСП различными способами и проведения внутрискважинных операций, позволит обосновывать оптимальные решения. Кроме того, цифровая модель срабатывания перфосистемы может быть использована для оценки пикового давления в обсадной колонне, что требуется учитывать при проектировании пакер-пробки для обеспечения надежной посадки.
«В рамках исследуемого способа доставка комплекса РСП происходит путем спуска на каротажном кабеле с последующим нагнетанием жидкости с устья скважины. Результаты математического и компьютерного моделирования позволяют рекомендовать и обосновать оптимальный режим нагнетания жидкости для доставки сборки в заданный интервал и давать более точное экономическое обоснование работ по доставке комплекса РСП, – рассказал начальник отдела исследования и проектирования механизмов Инжинирингового центра (CompMechLab®) ПИШ СПбПУ Сергей Чишко. – Отмечу, что комплекс оборудования РСП имеет разномасштабные характеристики: диаметр около 0,1 м, длина сборки – 10 м, протяженность скважины примерно 3 км – 1 : 100 : 30 000, что представляет определенные трудности для корректного моделирования доставки комплекса РСП. Модель доставки разработана в среде твердотельного 1D-моделирования. При этом она учитывает силы, действующие на комплекс РСП при взаимодействии с жидкостью, получаемые из серии CFD- цифровых испытаний в области вычислительной механики жидкости».
Методы цифрового проектирования и компьютерного моделирования позволяют не только проектировать и оптимизировать отдельные элементы конструкции, но и в перспективе моделировать весь процесс перфорации скважины, повышать эффективность функционирования элементов оборудования. В нефтегазодобыче перфорацию применяют не только для освоения новых скважин, но и для капитального ремонта действующих, что открывает самую широкую сферу применения предлагаемого подхода.
В частности, перфорация используется для повышения насыщения скважин, интенсификации работы нефтяных и газовых скважин, увеличения приемистости нагнетательных скважин, что способствует увеличению объема добычи скважины и срока эксплуатации. Это, в свою очередь, влияет на оптимизацию затрат на разведку-логистику-бурение и т.д.
«Нефтегазовая отрасль, безусловно, относится к числу ключевых для российской экономики. Как мы знаем, продукты переработки нефти и газа применяются практически во всех сферах промышленности и в значительной степени формируют бюджет страны. Поэтому вопрос импортозамещения высокотехнологичного оборудования для нефтедобычи и нефтесервиса остается сверхактуальной задачей, над которой работают, в том числе и специалисты Передовой инженерной школы СПбПУ. Ранее мы успешно завершили проект по определению оптимальной конструкции вибросита – ключевого элемента системы очистки бурового раствора при бурении нефтяных и газовых скважин, работающего в сложных динамических эксплуатационных режимах. В результате перепроектирования конструкции мы на 30% обоснованно увеличили средние максимальные виброускорения, которые являются важнейшей характеристикой динамического процесса. Принципиально важно, что эти российские установки надежно работают более 5,5 лет. По итогам текущего проекта нам удалось решить целый ряд новых задач на пути замещения импортного комплекса разобщения селективной перфорации отечественным аналогом. В обоих НИОКР использовалась технология разработки цифровых двойников, позволяющая качественно и в короткие сроки разрабатывать высокотехнологичные промышленные изделия», – пояснил руководитель проекта, проректор по цифровой трансформации СПбПУ, руководитель Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» Алексей Боровков.