CC BY
14
УДК 004.42 DOI 10.24147/2222-8772.2021.4.94-108
ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕСКОЛЬКИХ ПЛАСТОВ ОДНОЙ НАГНЕТАТЕЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ
'Тюменский индустриальный университет, филиал в г. Нижневартовск, Россия 2Нижневартовский государственный университет, г. Нижневартовск, Россия
Аннотация. В статье представлены особенности проектирования компьютерной модели одновременно раздельной и поочередной эксплуатации нескольких пластов одной нагнетательной скважины для использования в процессе обучения специальным дисциплинам направления подготовки «Нефтегазовое дело».
Ключевые слова: компьютерная модель, проектирование компьютерной модели, виртуальная компьютерная лаборатория, нагнетательная скважина.
Введение
В настоящее время и в сфере образования, и в нефтедобывающей отрасли производства стремительно развивается инновационное направление, связанное с разработкой и внедрением виртуальных компьютерных лабораторий (ВКЛ). Разработка и использование таких лабораторий в учебном процессе позволяет проводить интерактивные лабораторные / практические работы как в традиционном, так и дистанционном форматах по дисциплинам направлений подготовки вуза [4-12].
В данной работе описывается проектирование компьютерной модели одновременно раздельной и поочерёдной эксплуатации нескольких пластов одной нагнетательной скважины для использования в процессе обучения специальным дисциплинам направления подготовки «Нефтегазовое дело».
При использовании ВКЛ не требуется, чтобы специальное программное обеспечение было установлено на компьютере, лаборатория работает в удалённом режиме, используя клиент-серверную технологию. Обучающимся и преподавателям достаточно иметь доступ к компьютерам, подключённым к сети Интернет.
П.М. Косьянов1
д.ф.-м.н., профессор, e-mail: kospiter2012@yandex.ru Н.В. Манюкова2 к.п.н., доцент, e-mail: manukovanv@mail.ru
1. Постановка задачи
Компьютерная модель (КМ) — это (1) компьютерная программа, работающая на отдельном компьютере или нескольких компьютерах, взаимодействующих между собой, и описывающая некую модель определённой системы; это (2) модель, построенная на основе компьютерных технологий, электронных устройств и сетей; это (3) созданный на основе ресурсов компьютера виртуальный образ, отражающий свойства и связи моделируемого объекта, а также определяющий качественные и количественные внутренние и внешние его характеристики; это (4) модель, представляющая моделируемый объект компьютерными программными средствами.
Разработке КМ предшествуют мысленные, вербальные, структурные, математические и алгоритмические модели.
Различают КМ по видам применения — это обучающие, научно-исследовательские, научно-технические модели, позволяющие проводить исследование процессов, явлений и реальных объектов.
Создание КМ одновременно раздельной и поочерёдной эксплуатации нескольких пластов (от двух до четырёх) одной нагнетательной скважины, предполагает расчёт основных физических параметров, описывающих процесс закачки жидкости в пласты скважины.
Модель — это отдельная электронная страница с удобным графическим интерфейсом и различными элементами управления, с помощью которых пользователь имеет возможность изменять параметры модели. Это в свою очередь, позволяет анализировать её поведение при различных условиях.
В рамках данной модели должны решаться следующие задачи:
1. Определение давления на устье скважины (устьевое давление);
2. Расчёт диаметра штуцера, который должен быть установлен на устье скважины;
3. Определение общего расхода жидкости (воды) для закачки в пласты нагнетательной скважины;
4. Определение пластового давления (для каждого пласта);
5. Расчёт диаметра пластового штуцера (для каждого пласта);
6. Расчёт приёмистости пласта (для каждого пласта);
7. Определение расхода жидкости (воды) по пластам.
Результатом построенной модели должны быть не только рассчитанные значения определяемых физических параметров, но и графическое представление зависимостей этих величин.
Предполагается, что ВКЛ с удалённым доступом будет снабжена элементами управления приборами и индикаторами измерителей, которые будут отображаться на экране компьютера обучающегося, подключённого к интернету. Для
выполнения лабораторных / практических работ с удалённым доступом нужно иметь учебный стенд, оснащённый специальным оборудованием и управляемый через интернет, который может находиться в учебной лаборатории университета и на производстве. Достоинством такого подхода к организации лабораторных/практических работ является возможность одновременной работы нескольких обучающихся на одном лабораторном стенде.
На сегодняшний день существует большое количество автоматизированных комплексов, позволяющих проводить построение и исследование моделей [712]. Любая программная среда имеет свой инструментарий и позволяет работать с конкретными видами информационных моделей. Поэтому перед разработчиком возникает проблема выбора более удобной и эффективной среды для решения поставленной задачи. От выбора программной среды зависит и алгоритм построения КМ, и форма его представления.
Например, это может быть блок-схема. Руководствуясь блок-схемой, задачу можно решить в разных средах. В среде программирования — это программа, записанная на алгоритмическом языке. В прикладных средах — это последовательность технологических приёмов, приводящая к решению задачи.
2. Методика исследования и расчёт параметров нагнетательной скважины
Рассмотрим методику определения пластового давления и расчёта коэффициента приёмистости пластов одной скважины. Для проведения данного исследования необходимо:
1. Снять глухую пробку (5ПГ-25) или регулятор жидкости (5РД-25) из сква-жинной камеры (КТ1) на глубине исследуемого пласта;
2. Закачать воду и зафиксировать минимальное давление поглощения пласта, которое условно принимается равное пластовому давлению;
3. Закачать воду в каждый пласт при 2-х режимах и соответственно зафиксировать при установившихся Рл1н, ^дк, Ру2к, и р, Г2, (м3/сут);
4. Определить коэффициент приёмистости исследуемого пласта по формуле:
^пр = Д _ рзак > м3/сут*атм; (1)
РУ1 РУ2
5. Определить проектное забойное давление для исследуемого пласта:
Г
р Гкт = Р пл + р атм; (2)
6. Определить проектное давление в колонне НКТ на глубине исследуемого пласта:
рпроткт = рГкТ + = Артр, атм, (3)
где рпр°ект _ р 1 ДС ^ У - г ЛИН!
ДРтр — потери давления на трение, определяется по формуле Дарси-Вейсбаха;
7 — удельный вес воды; Н — глубина пласта, м;
7. Определить диаметр штуцера для исследуемого пласта:
й -
\
0,785 ■ 86400^
^проект
м; (4)
2-10вАР Р
8. После установки регуляторов для пластов и установления режима закачки определить фактические расходы закачки воды до пласта. Для этого расходомер воды сначала необходимо спустить на глубину выше верхнего пласта, а затем между точками закачки по пластам. По результатам исследования измерить (для 3-х пластов):
— над верхним пластом Собщ;
— между двумя верхними пластами;
— между двумя нижними пластами.
Затем определить расход закачки по пластам (снизу-вверх). А эквивалентный диаметр двухштуцерного регулятора (например РД-25) рассчитывается по формуле:
dЭкв _ у + (5)
На рисунке 1 показан пример одновременно раздельной и поочерёдной эксплуатации двух пластов [13] .
3. Математическая модель
Математическая модель имеет в своей основе следующие уравнения.
1. Уравнение Дарси-Вейсбаха, описывающее потери давления на трение в трубопроводе:
А^пр - А^, (6)
V2 Ьр
где ДРпр — потеря давления в Па; А — коэффициент Дарси;
V — линейная скорость движения жидкости в трубопроводе в
кг
р — плотность жидкости в мз; д — ускорение свободного падения в ; Ь и б, — длина и диаметр трубопровода в м;
Рис. 1. Схема одновременно раздельной и поочерёдной эксплуатации двух пластов
2. Коэффициент гидравлического трения.
Формула Пуазейля для ламинарного режима движения жидкости
_ 64 Л = R~е,
формула для турбулентного движения жидкости при 10000 ^ Rе ^ 3000 :
(7)
при Re ^ 10000 : формула Альтшуля:
формула Блазиуса:
Л = 8
( 1 У
^2,21 ■ 1п( Щ-))
(
Л = А) = 0,11 ( Д7 +
0,3164
0,25
Л = /^е) =
Rе 0
25
(8)
(9)
(10)
Л 8 (2,457 ■ (ln(3,707(g )))2) ; (11)
3. Уравнение, описывающее движение воды через штуцер:
[ар
Q = vSJ — , (12)
где V — кинематическая вязкость, ДР — потери давления, 5 — площадь сечения отверстия штуцера, Q — расход жидкости;
4. Уравнение, описывающее приёмистость пласта:
Q = кпр(Рзз - Рпл), (13)
где Рпл — пластовое давление,
Рз — забойное давление,
кпр — коэффициент приёмистости,
Q — расход жидкости.
4. Проектирование программного продукта
Основными предпосылками выбора среды программирования являются задача и функциональные требования программы:
1. Допустимая скорость выполнения расчётов;
2. Модульность;
3. Клиент-серверная технология;
4. Вывод отчётов в формате HTML, Microsoft Excel;
5. Возможность сохранения результатов расчётов в промежуточные форматы данных для дальнейшей передачи в базу данных (XML).
Исходя из перечисленных предпосылок, была выбрана интегрированная среда программирования Visual Studio, поскольку поддерживает:
1. Возможность ведения одновременной разработки локальной и сетевой версии программного продукта. Предполагается использование одних и тех же вычислительных модулей при разных интерфейсах (Windows и Web-интерфейсах). В этом случае программное обеспечение web-сервера также должен быть продуктом корпорации Microsoft (какая-либо версия Microsoft Internet Information Server);
2. Возможность выбора языка программирования. Visual Studio предлагает программирование на 5 языках (C Sharp, Visual C++, VB.NET, J Sharp);
3. Возможность поддержки новейших технологий в области передачи данных (SOAP, XML);
4. Наличие большого количества готовых компонентов специально для создания Web-приложений, что ставит его вне конкуренции в создании подобного рода программ (например от PHP - MySQL).
Общий алгоритм работы программы
Работа программы состоит из нескольких основных частей (рис. 2):
выбор задачи; • задание параметров расчёта;
— выбор метода расчёта коэффициента гидравлического трения;
— задание констант, коэффициентов;
— число пластов;
ввод или загрузка из внешнего файла исходных данных; решение задачи, расчёт параметров модели; вывод результатов;
сохранение задачи и создание отчётов. Более детально рассмотрим решаемые задачи.
1. Определение давления на устье скважины (устьевое давление). Исходными данными для задачи являются:
1) давление в линии, атм;
2) диаметр устьевого штуцера, мм;
3) общий расход воды,
Устьевое давление находим из формулы:
/ ^проект \ 2
Рустье == Рлинии V0,785 ■ 86400^2 J Р- (14)
2. Расчёт диаметра штуцера, который должен быть установлен на устье скважины.
Исходными данными для этой задачи являются:
1) давление в линии, атм;
2) устьевое давление, атм;
3
3) общий расход воды,
4) внутренний диаметр НКТ, мм.
Для расчёта диаметра устьевого штуцера используем формулу:
Рис. 2. Общий алгоритм работы программы
3. Определить диаметр штуцера для исследуемого пласта:
й =
\
^проект
^ м. (15)
0,785 ■ 86400^
4. Определение общего расхода жидкости (воды) для закачки в пласты нагнетательной скважины.
Исходными данными для этой задачи являются:
1) давление в линии, атм;
2) устьевое давление, атм;
3) диаметр устьевое штуцера, мм.
Для определения общего расхода жидкости используем формулу:
V2
2 ■ 105ЛР
Спроект = 0,785 ■ 86400^/---. (16)
5. Определение пластового давления (для каждого пласта). Исходными данными для этой задачи являются:
1) давление в линии, атм;
2) устьевое давление, атм;
3) диаметр устьевое штуцера, мм.
4) общий расход воды, сут;
5) внутренний диаметр НКТ, мм.
6) глубина, на которой устанавливается пластовый штуцер (для каждого пласта), м.
7) удлинение, м.
3
8) расход воды по пластам, сут.
3
9) коэффициент приёмистости пластов, —м—.
/ тт г I сут*атм
На следующей схеме приведён алгоритм определения пластовых давлений (рис. 3).
Общей первоочередной подзадачей при решении всех данных задач является нахождение потерь давления, блок-схема алгоритма нахождения которого представлена на рис. 4.
6. Расчёт диаметра пластового штуцера (для каждого пласта). Исходными данными для этой задачи являются:
1) давление в линии, атм;
Рис. 3. Блок-схема алгоритма определения пластовых давлений
Рис. 4. Блок-схема алгоритма нахождения потерь давления
2) устьевое давление, атм;
3) диаметр устьевое штуцера, мм.
4) общий расход воды, ^у^;
5) внутренний диаметр НКТ, мм.
6) глубина, на которой устанавливается пластовый штуцер (для каждого пласта), м.
7) удлинение, м.
3
8) расход воды по пластам, сут.
3
9) коэффициент приёмистости пластов, т*атм.
10) пластовое давление, атм. (для каждого пласта).
7. Расчёт приёмистости пласта (для каждого пласта). Исходными данными для этой задачи являются:
1) давление в линии, атм;
2) устьевое давление, атм;
3) диаметр устьевое штуцера, мм.
4) общий расход воды, сут;
5) внутренний диаметр НКТ, мм.
6) глубина, на которой устанавливается пластовый штуцер (для каждого пласта), м.
7) удлинение, м.
3
8) расход воды по пластам, сут.
9) пластовое давление, атм. (для каждого пласта).
8. Определение расхода жидкости (воды) по пластам. Исходными данными для этой задачи являются:
1) давление в линии, атм;
2) устьевое давление, атм;
3) диаметр устьевое штуцера, мм.
4) общий расход воды, сут;
5) внутренний диаметр НКТ, мм.
6) глубина, на которой устанавливается пластовый штуцер (для каждого пласта), м.
7) удлинение, м.
3
8) коэффициент приёмистости пластов, т*атм.
9) пластовое давление, атм. (для каждого пласта).
Заключение
В ходе проектирования, согласно составленному техническому заданию, была создана компьютерная модель, позволяющая проводить расчёты физических параметров одновременно раздельной и поочередной эксплуатации нескольких пластов одной нагнетательной скважины, оптимизировать исследования и расчёт параметров нагнетательной скважины, адаптировать КМ для обучения по специальным дисциплинам направления подготовки «Нефтегазовое дело».
Основным назначением КМ является повышение эффективности и качества проводимых лабораторией работ.
Разработанная КМ позволяет решать обучающие, научно-исследовательские задачи и проблемные научно-технические вопросы.
Создание КМ одновременно раздельной и поочерёдной эксплуатации нескольких пластов (от двух до четырех пластов) одной нагнетательной скважины, позволяет оптимизировать расч'т основных физических параметров, описывающих процесс закачки жидкости в пласты скважины.
ЛИТЕРАТУРА
1. Боев В.Д. Имитационное моделирование систем. М. : Издательство Юрайт, 2017. 253 с. URL: http://simulation.su/uploads/files/default/ 2017-uch-posob-boev.pdf (дата обращения: 07.12.2021).
2. Гателюк О.В., Исмаилов Ш.К., Манюкова Н.В. Численные методы. М. : Юрайт, 2019. 140 с.
3. Горностаев О.М. Математическое и компьютерное моделирование. М. : Мир науки, 2019. Сетевое издание. URL: https://izd-mn.com/PDF/50MNNPU19.pdf (дата обращения: 07.12.2021)
4. Косьянов П.М. Виртуальный лабораторный комплекс по квантовой, атомной и ядерной физике. Учебное пособие, Библиотечно-издательский комплекс ТИУ, 2016. 175 с.
5. Косьянов П.М. Виртуальный лабораторный комплекс по квантовой физике. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2020610888, 21.01.2020. Заявка № 2019667830 от 30.12.2019.
6. Косьянов П.М. Виртуальный лабораторный комплекс по ядерной физике. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2020610889, 21.01.2020. Заявка № 2019667813 от 30.12.2019.
7. Косьянов П.М., Манюкова Н.В. Разработка информационной системы лаборатории ФНСИП // Математические структуры и моделирование. 2021. № 2(58). С. 137— 148.
8. Маликов Р.Ф. Основы разработки компьютерных моделей сложных систем. Уфа: Изд-во БГПУ, 2012. 257с.
9. Манюкова Н.В. Разработка электронных учебных пособий и их использование в формировании профессиональных компетенций студентов вуза. В сборнике: современные проблемы прикладных наук. Сборник научных трудов по итогам финансируемых научных исследований за 2011 год. Омск, 2012. С. 77-82.
10. Манюкова Н.В., Уразаева Л.Ю. Методология проектирования и разработки обучающих программных комплексов. В сборнике: Современное программирование. Материалы II Международной научно-практической конференции. Отв. редактор Т.Б. Казиахмедов. 2019. С. 112-116.
11. Манюкова Н.В., Уразаева Л.Ю. САББ-средства в преподавании информационных технологий для студентов направления подготовки «Информатика и вычислительная техника» // Преподавание информационных технологий в Российской Федерации: Материалы Шестнадцатой открытой Всероссийской конференции. 2018. С. 93-95.
12. Манюкова Н.В., Уразаева Л.Ю., Мамедли Р.Э. Математическое моделирование в преподавании информационных технологий // Математические структуры и моделирование. 2019. №4(52). С. 118-133.
13. Патент РШ003127627/03А «Способ Шарифова однораздельной и поочередной эксплуатации нескольких пластов нагнетательной скважины»; Заявка: 2003127627/03; Дата подачи заявки: 2003.09.11; Опубликовано: 2005.03.27 Федеральный институт промышленной собственности, отделение ВПТБ / Шарифов М.З., Леонов В.А.
DESIGNING A COMPUTER MODEL FOR OPERATING SEVERAL FORMATIONS OF ONE INJECTION WELL
P.M. Kosianov1
Professor, Dr.Sc. (Phys.-Math.), Professor, e-mail: kospiter2012@yandex.ru
N.V. Manyukova2 Ph.D. (Ped.), Associate Professor, e-mail: manukovanv@mail.ru
1 Tyumen Industrial University, branch Nizhnevartovsk, Russia Nizhnevartovsk State University, Nizhnevartovsk, Russia
Abstract. The article presents the features of designing a computer model of simultaneous-separate and alternate operation of several layers of one injection well for use in the process of teaching special disciplines of education field "Oil and Gas Business".
Keywords: computer model, computer model design, virtual computer laboratory, injection well.
References
1. Boev V.D. Imitatsionnoe modelirovanie sistem. Moscow, Izdatel'stvo Yurait, 2017, 253 p. URL: http://simulation.su/uploads/files/default/ 2017-uch-posob-boev.pdf (07.12.2021). (in Russian)
2. Gatelyuk O.V., Ismailov Sh.K., and Manyukova N.V. Chislennye metody. Moscow, Yurait, 2019, 140 p. (in Russian)
3. Gornostaev O.M. Matematicheskoe i komp'yuternoe modelirovanie. Moscow, Mir nauki, 2019. Setevoe izdanie. URL: https://izd-mn.com/PDF/50MNNPU19.pdf (07.12.2021) (in Russian)
4. Kos'yanov P.M. Virtual'nyi laboratornyi kompleks po kvantovoi, atomnoi i yadernoi fizike. Uchebnoe posobie, Bibliotechno-izdatel'skii kompleks TIU, 2016, 175 p. (in Russian)
5. Kos'yanov P.M. Virtual'nyi laboratornyi kompleks po kvantovoi fizike. Svidetel'stvo o registratsii programmy dlya EVM RU 2020610888, 21.01.2020. Zayavka no. 2019667830 ot 30.12.2019. (in Russian)
6. Kos'yanov P.M. Virtual'nyi laboratornyi kompleks po yadernoi fizike. Svidetel'stvo o registratsii programmy dlya EVM RU 2020610889, 21.01.2020. Zayavka no. 2019667813 ot 30.12.2019. (in Russian)
7. Kos'yanov P.M. and Manyukova N.V. Razrabotka informatsionnoi sistemy laboratorii FNSIP. Matematicheskie struktury i modelirovanie, 2021, no. 2(58), pp. 137-148. (in Russian)
8. Malikov R.F. Osnovy razrabotki komp'yuternykh modelei slozhnykh sistem. Ufa, Izd-vo BGPU, 2012, 257 p. (in Russian)
9. Manyukova N.V. Razrabotka elektronnykh uchebnykh posobii i ikh ispol'zovanie v formirovanii professional'nykh kompetentsii studentov vuza. V sbornike: sovremen-nye problemy prikladnykh nauk, Sbornik nauchnykh trudov po itogam finansiruemykh nauchnykh issledovanii za 2011 god, Omsk, 2012, pp. 77-82. (in Russian)
10. Manyukova N.V. and Urazaeva L.Yu. Metodologiya proektirovaniya i razrabotki obuchayushchikh programmnykh kompleksov. V sbornike: Sovremennoe program-mirovanie, Materialy II Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii, Otv. redaktor T.B. Kaziakhmedov, 2019, pp. 112-116. (in Russian)
11. Manyukova N.V. and Urazaeva L.Yu. CASE-sredstva v prepodavanii informatsion-nykh tekhnologii dlya studentov napravleniya podgotovki "Informatika i vychislitel'naya tekhnika". Prepodavanie informatsionnykh tekhnologii v Rossiiskoi Federatsii, Materialy Shestnadtsatoi otkrytoi Vserossiiskoi konferentsii, 2018, pp. 93-95. (in Russian)
12. Manyukova N.V., Urazaeva L.Yu., and Mamedli R.E. Matematicheskoe modelirovanie v prepodavanii informatsionnykh tekhnologii. Matematicheskie struktury i modelirovanie, 2019, no. 4(52), pp. 118-133. (in Russian)
13. Patent RU2003127627/03A "Sposob Sharifova odnorazdel'noi i poocherednoi eksplu-atatsii neskol'kikh plastov nagnetatel'noi skvazhiny"; Zayavka: 2003127627/03; Data podachi zayavki: 2003.09.11; Opublikovano: 2005.03.27 Federal'nyi institut promysh-lennoi sobstvennosti, otdelenie VPTB, Sharifov M.Z., Leonov V.A. (in Russian)
Дата поступления в редакцию: 30.11.2021
