![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Проект нацелен на разработку универсального программного комплекса, позволяющего (а) проводить численное моделирование неизотермической многокомпонентной фильтрации в условиях значительного изменения давления и температуры, в том числе при критических термодинамических условиях, (б) адаптацию цифровых неизотермических моделей геофизических и геотехнологических систем и (в) оптимизацию термогидродинамических процессов в пористых средах. Актуальность разработки программного комплекса обусловлена обширной областью его приложений для прогнозирования многокомпонентных течений в проблемах рационального недропользования. В проекте будут рассмотрены следующие приложения: - получение геотермальной энергии и теоретические исследования геотермальных и вулканических систем с целью определения условий формирования рудных месторождений цветных металлов и уточнения знаний о строении подобных месторождений; - подземное хранение природного газа в проницаемых геологических пластах и исследование перспективных технологий захоронения углекислого газа в подземных хранилищах природного газа с целью замещения им дорогостоящего буферного газа; - эксплуатация углеводородных месторождений, в первую очередь газоконденсатных месторождений, в которых углеводородная смесь находится при околокритических термодинамических условиях и возможна ретроградная конденсация. В настоящее время отсутствуют готовые программные решения, применимые на всех этапах моделирования неизотермических процессов в отмеченных приложениях, особенно в случае фильтрации в геотермальных системах. Это определяет востребованность предполагаемого к разработке программного комплекса как в инженерных расчётах, так и в теоретических исследованиях фильтрации. В проекте программный комплекс будет разрабатываться в рамках развития авторского гидродинамического симулятора MUFITS. Для достижения поставленной цели будут решены следующие задачи: - будет разработан новый метод расчёта теплофизических параметров многокомпонентных смесей в широком диапазоне давлений и температур, включающем в себя критические термодинамические условия и многофазные парожидкостные равновесия с твёрдыми фазами, и будет проведено его сопряжение с симулятором MUFITS; - будут разработаны численные алгоритмы для адаптации цифровых моделей геофизических систем к наблюдениям за ними и оптимизации течений в задачах неизотермической фильтрации; - в симулятор MUFITS будут внедрены методы расчёта возмущений гравитационного поля и перемещений поверхности Земли вызванных фильтрацией в недрах. Это позволит применять программный комплекс для прямой адаптации цифровых моделей геотермальных систем к этим наблюдениям; - в функциональность симулятора MUFITS будет добавлен модуль расчёта фильтрации в рамках стандартной для нефтяной отрасли композиционной модели. Из сопоставления расчёта типовых задач в области разработки углеводородных месторождений в рамках стандартной и разрабатываемой моделей будут определены преимущества и область приложений разрабатываемого метода моделирования в проблемах нефтедобычи; - с целью отладки программного комплекса и его популяризации будут исследованы фильтрационные течения в обозначенных приложениях, связанных с неизотермической фильтрацией в геотермальных и вулканических системах, в проблемах создания подземных хранилищ природного газа и разработки углеводородных месторождений. В частности, будет построена и адаптирована к данным наблюдений новая геологогидродинамическая модель геотермальной системы Campi Flegrei (Италия), учитывающая трёхкомпонентный состав фильтрующегося флюида; подробно, с учётом детального описания пластового флюида, будут исследованы фильтрационные процессы при формировании рудных месторождений; будут исследованы проблемы создания перспективных подземных хранилищ природного газа, сопряженных с подземным захоронением углекислого газа.
The project aims to develop a universal software package that allows (a) to carry out numerical modeling of non-isothermal multicomponent flows in porous media under wide range of pressures and temperatures, including under critical thermodynamic conditions, (b) history matching of non-isothermal reservoir models of geophysical and geotechnological systems, and (c) optimization of thermohydrodynamic processes in porous media. The relevance of developing the software package is due to the vast scope of its applications for predicting multicomponent flows in the problems of subsurface utilisation. The project will consider the following applications: - obtaining geothermal energy and theoretical studies of geothermal and volcanic systems in order to determine the conditions for the formation of porphyry ore deposits and clarify knowledge about the structure of such deposits; - subsurface storage of natural gas in permeable geological formations and the study of promising technologies for the disposal of carbon dioxide in subsurface storage facilities of natural gas in order to substitute cushion gas; - exploitation of petroleum deposits, primarily gas condensate fields, in which the hydrocarbon fluid is under near-critical thermodynamic conditions and retrograde condensation is possible. Currently, there are no ready-made software packages that are applicable at all stages of modeling of non-isothermal processes in the noted applications, especially in the case of flows in geothermal systems. This determines the relevance of the software package intended for development both in engineering applications and in theoretical studies of flows in porous media. In the project, the software will be developed in the framework of extension of the author's hydrodynamic simulator MUFITS. To achieve this goal the following tasks will be solved: - a new method will be developed for calculating the thermophysical parameters of multicomponent mixtures in a wide range of pressures and temperatures, including critical thermodynamic conditions and multiphase vapor-liquid equilibria with solid phases. The method will be coupled with the MUFITS simulator; - numerical algorithms will be developed for both history matching of hydrodynamic reservoir models and multiphase flow optimization in the problems of non-isothermal flows in porous media; - methods of calculating the gravitational field perturbations and ground displacement caused by subsurface flows will be introduced into the MUFITS simulator. This will allow the software package direct application for history matching of the hydrodynamic models to these observations; - a compositional module will be added to the MUFITS simulator which will be based on the standard compositional model used in the hydrodynamic modeling of oil reservoirs. The advantages and scope of applications of the developed modeling method in oil recovery studies will be determined by comparing the simulation results of several benchmark problems carried out within the framework of the standard and developed models; - in order to test and advertise the universal software package, the flows in porous media will be investigated in designated applications related to non-isothermal flows in geothermal and volcanic systems, subsurface gas storage facilities and petroleum reservoirs. In particular, a new hydrodynamic reservoir model of the Campi Flegrei geothermal system (Italy) will be developed and history matched to observations, taking into account the three-component composition of the reservoir fluid; the formation of ore deposits will be investigated taking into account the detailed description of the formation fluid; and processes in subsurface gas storage facilities coupled with subsurface disposal of carbon dioxide will be explored.
Ожидаемый результат настоящего проекта – универсальный программный комплекс - гидродинамический симулятор пластовых систем, позволяющий - проводить расчёты многокомпонентных (более 2-х компонент) многофазных неизотермических течений в пористых среда в широком диапазоне давлений и температур при до- и сверхкритических термодинамических условиях; - проводить адаптацию цифровых моделей геофизических и геотехнологических систем к данным различных полевых измерений и наблюдений за системой, в том числе к измерениям возмущений гравитационного поля и перемещений поверхности Земли, вызванных фильтрацией в недрах; - проводить анализ чувствительности цифровых моделей геофизических систем к изменениям их параметров и проводить оптимизацию фильтрационных течений; - в рамках единой универсальной цифровой среды проводить полный комплекс описанных исследований и расчётов в таких приложениях как получение геотермальной энергии, подземное хранение газов, уточнение данных о строении рудных месторождений и разработка углеводородных месторождений. Создание универсального программного комплекса требует разработки новых методов моделирования в области термодинамики и гидродинамики и их эффективного сопряжения. Подобная работа имеет достаточно общий методический характер (не связанный с решением частной задачи), а, следовательно, ее результаты, т.е. разрабатываемые методы и модели, имеют научную значимость в обширной области геотехнологических приложений вычислительной механики. Широкий спектр обозначенных геотехнологических приложений разрабатываемого комплекса программ обусловливает его практическую значимость. Применение симулятора в отмеченных приложениях позволит уточнить и в то же время упростить цифровое моделирование неизотермической фильтрации в рамках проведения большего числа ускоренных расчетов. В результате разрабатываемый симулятор даст возможность принимать более рациональные и экономически обоснованные решения в области недропользования. С целью отладки, демонстрации функциональных возможностей и популяризации разрабатываемого комплекса программ будут решен ряд новых частных задач в области моделирования фильтрации. В этом направлении будут получены следующие результаты: - адаптированная к истории наблюдений трёхмерная геологогидродинамическая модель геотермальной системы Campi Flegrei (Италия); - уточнённые данные о строении рудных месторождений и процессах в геотермальных системах, приводящих к формированию подобных месторождений; - результаты исследований многофазной фильтрации в подземных хранилищах природного газа, сопряженных с закачкой в хранилище углекислого газа с целью замещения дорогостоящего буферного газа и ослабления эффекта глобального потепления на Земле; - на примере расчёта типовых задач разработки углеводородных месторождений будет определена эффективность разрабатываемого метода моделирования многокомпонентной фильтрации в сравнении со стандартной для нефтяной отрасли композиционной моделью.
Научный задел коллектива обусловлен - готовым комплексом программ MUFITS для проведения параллельных расчётов на суперкомпьютерных системах (www.mufits.imec.msu.ru). В настоящем проекте запланировано развитие этого комплекса (см. прилагаемый файл №2); - проведением предварительных оценочных расчётов в рамках предлагаемых к разработке методов моделирования термодинамики смеси на симплексах (метод SDPE; см. прилагаемый файл №1); - опытом исполнителей проекта в областях численного моделирования неизотермической многофазной фильтрации, вычислительной термодинамики и применения гидромеханики в различных проблемах геофизики. Руководитель проекта – автор методов моделирования одно- и двухкомпонентной фильтрации при околокритических термодинамических условиях, развитие которых запланировано в настоящем проекте. Руководитель и исполнители настоящего проекта Афанасьев А.А., Уткин И.С., Веденеева Е.А., Горохова Н.В – сотрудники одной лаборатории НИИ механики МГУ. Они ранее участвовали в работах по проектам РФФИ и РНФ, связанных с моделированием вулканических и геотермальных систем. Соисполнители проекта Халитова Д.Р., Халявин С.А., Чернова А.А., Сагандыкова В.К. – студенты механико-математического факультета МГУ (научный руководитель Афанасьев А.А.). На момент предполагаемого начала проекта лето-осень 2019 года они будут студентами 5 и 6 курса, а в последующие годы – аспирантами факультета. Их привлечение к выполнению задач проекта позволит создать новую научную группу в области моделирования фильтрации. Халитова Д.Р., Халявин С.А. и Сагандыкова В.К. участвовали в качестве исполнителей в проекте Совета по гранта Президента РФ (рук. Афанасьев А.А.), связанным с исследованием фильтрации в трещиновато-пористых средах.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 6 августа 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Разработка универсального гидродинамического симулятора для расчёта, адаптации и оптимизации многокомпонентных фильтрационных течений в широком диапазоне давлений и температур |
Результаты этапа: Обоснована принципиальная возможность применения метода SDPE к решению задач фильтрации в широком диапазоне давлений и температур. | ||
2 | 1 января 2020 г.-30 июня 2020 г. | Разработка универсального гидродинамического симулятора для расчёта, адаптации и оптимизации многокомпонентных фильтрационных течений в широком диапазоне давлений и температур |
Результаты этапа: Для расчета возмущений гравитационного поля Земли, вызванного перемещением в недрах жидкостей и газов и сопутствующим изменением плотности среды, в HS встроена опция моделирования GRAVIMET. Изменения гравитационного поля могут быть вычислены в «Точках наблюдения». В соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона, расчет изменения гравитационного поля сводится к простому суммированию вкладов отдельных ячеек сетки в это поле. Эти вклады прямо пропорциональны изменению плотности среды в ячейке. Опция разработана для трехмерных расчетов, но также позволяет автоматизировано учитывать вклад всех областей 3D пространства в случае двумерных расчетов. Для тестирования опции проведены расчеты изменения гравитационного поля в области гидротермальной системы Campi Flegrei. Результаты тестирования изложены в статье. Соответствующие примеры входных данных размещены по ссылке. | ||
3 | 1 июля 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Этап 2 |
Результаты этапа: Разработаны методы расчёта фильтрации многокомпонентных газов в водонасыщенных пористых средах. Разработаны методы расчёта парожидкостных равновесий водных растворов с использованием кубического уравнения состояния Пенга-Робинсона. Построены корреляции для коэффициентов парного взаимодействия бинарных систем вода-газ в зависимости от температуры и солености воды. Исследованы процессы закачки многокомпонентных газов в геологические пористые среды - подземные хранилища газа. Показано, что при закачке CO2, присутствие небольших примесей других газов существенно влияет на динамику течения газа в пористой среде. | ||
4 | 1 января 2021 г.-30 июня 2021 г. | Продолжение этапа 2 |
Результаты этапа: Проведены расчеты закачки сверхкритического CO2 в подземное хранилище природного газа (ПХГ) с целью захоронения CO2 и замещения буферного газа. Моделирование проводилось в рамках расчета фильтрации смеси H2O-CO2-CH4. Построена синтетическая 3-D модель ПХГ, в которой задано две группы скважин. Одна группа использовалась для закачки и отбора природного газа (CH4) с целью сглаживания сезонных колебаний спроса на природный газ. А вторая группа скважин, расположенная на периферии ПХГ, использовалась только для закачки сверхкритического CO2 на начальном этапе создания и эксплуатации ПХГ. Показано, что за счет циклического изменения направления фильтрации газов, вызванного закачкой и отбором CH4, более половины закачанного CO2 удается растворить в пластовой воде. При этом объем растворенного CO2 в несколько раз больше рабочего (активного) объема ПХГ. Таким образом, предложенная стратегия закачки газов позволяет эффективно захоронить CO2 в ПХГ. Тем не менее, обнаружено, что закачка СO2 также сопровождается и негативными последствиями, связанными с перемешиванием газов в пласте. Показано, что уже через 3 сезона эксплуатации ПХГ концентрация CO2 в отбираемом природном газе может превысить 4%, что снижает рентабельность предложенного подхода из-за необходимости сепарации CO2 от природного газа. | ||
5 | 1 июля 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Этап 3 |
Результаты этапа: Проведено исследование процессов фильтрации в гидротермальных системах в диапазоне глубин от 0 до 10 км. Проведены расчеты образования хрупко-пластического перехода, выше которого упругие деформации горных пород преобладают над пластическими, а ниже которого, наоборот, вязкопластические деформации преобладают над упругими. Показано, что выше перехода развивается гидротермальная конвекция, а ниже спонтанно образуются высокопроницаемые каналы, по которым магматический газ быстро поднимается из недр к поверхности. Взаимодействие каналов с гидротермальной конвекцией приводит к образованию «флюидных линз», т.е. областей высокого значения пористости, в которых происходит накопление магматического газа. Это приводит к локализации потока газа к поверхности – магматические газ пересекает границу хрупко-пластического перехода только в узких зонах над указанными линзами. Обнаруженные линзы могут быть связаны с областями интенсивного рудообразования. Даны оценки потоков магматического газа выше и ниже хрупко-пластического перехода. Проведено параметрическое исследование влияния пластических деформаций на описанные процессы | ||
6 | 1 января 2022 г.-30 июня 2022 г. | Продолжение этапа 3 |
Результаты этапа: Проведены исследования, позволившие определить критерий подобия, т.е. безразмерный параметр, характеризующий зависимость максимального расстояния, на которое распространится газа к данному моменту времени, от размерных параметров задачи. Критерий подобия получен из системы законов сохранения, описывающих несмешивающуюся фильтрацию воды и газа, в предположении несжимаемости фаз и отсутствия фазовых превращений. Из безразмерной записи системы законов сохранения и фильтрации определены шесть критериев подобия, характеризующих течение газа и форму газового плюма. В результате детального анализа системы уравнений, описывающей фильтрацию, сделано предположение, что скорость распространения газа в направлении структурного наклона в основном зависит только от одного из шести параметров подобия, а влияние остальных пяти параметров незначительно на поздних этапах закачки газа. В результате далее исследовалась зависимость максимального расстояния, на которое распространился газ, от выбранного критерия подобия. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".