Разработка программного обеспечения для персонального компьютера по автоматизации проектирования гидродинамики цементирования обсадных колонн нефтяных скважин

ВВЕДЕНИЕ

Важным условием повышения качества работ по проектированию нефтяных скважин является наличие компьютерной динамической модели, которая позволяет проводить многовариантные расчеты для выбора оптимального способа строительства скважин и моделирования процессов, происходящих при этом строительстве, еще на стадии проектирования. Для обеспечения этого условия необходимо наличие программного средства, позволяющего не только автоматизировать трудоемкие инженерные работы, но и получать адекватные модели по результатам проектных расчетов, отражающие реальные процессы.

Одним из сложнейших этапов строительства скважин является ее цементирование - крепление ствола скважины путем закачки в нее различных жидкостей по определенным правилам, в заданных объемах и последовательности.

Важность качественной проектной проработки цементирования обусловлена тем, что цементирование - заключительный этап строительства скважины, неудачи при его выполнении могут свести к минимуму ожидаемый эффект, стать причиной неправильной оценки перспективности разведываемых площадей, появления «новых» залежей нефти и, особенно, газа в коллекторах, перетоков флюидов, грифонообразования, газопроявлений и т.п. Стоимость скважин, особенно глубоких, высока, а ущерб от некачественного их крепления может быть еще большим. Процесс цементирования скважин - операция необратимая, ремонт и восстановление их связаны со значительными затратами материальных, людских ресурсов и времени [1].

Совершенствование средств автоматизации проектирования путем включения в них блоков моделирования различных процессов, применение новых информационных технологий в данной области позволит повысить качество проектных работ, снизив вероятность появления случайностей, исключив нежелательные, а порой и недопустимые ошибки. Этим обуславливается актуальность разработки системы автоматизации проектирования гидродинамики цементирования нефтяных скважин.

Существующий на данный момент набор наиболее известных и распространенных программных средств автоматизации проектирования нефтяных скважин в основном специализируются на одном из многочисленных этапов такого проектирования и ограничиваются в предоставляемом пользователю функциональном наборе: производят проектный расчет, генерируют чертежи, не имея при этом функций построения моделей, как самой скважины, так и процессов, происходящих при ее строительстве, что не дает возможности пользователю наглядно оценить результаты своей работы. Разработанная программа, получившая название «HydroDynamic Modelling Tool» или в сокращенном варианте «HDM-Tool», реализовывает все перечисленные выше функции, что наделяет ее довольно высокой степенью новизны.

Целью данной дипломной работы является разработка программного обеспечения для персонального компьютера по автоматизации проектирования гидродинамики цементирования обсадных колонн нефтяных скважин.

Достижение указанной цели потребовало решения следующих задач:

исследования теоретических аспектов цементирования обсадных колонн нефтяных скважин;

проведения анализа требований, предъявляемых к автоматизированным системам проектирования строительства нефтяных скважин, исходных данных к проектированию, расчету и моделированию гидродинамических процессов, формулирования постановки задачи на разработку;

разработки математической модели, позволяющую визуализировать процесс закачки буровых и тампонажных смесей в затрубном и внутритрубном пространстве скважины;

разработки, верификации и апробации системы компьютерного динамического моделирования гидродинамики цементирования обсадных колонн нефтяных скважин.

В соответствии с поставленными задачами данная работа включает семь разделов.

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТНЫХ ЗАДАЧ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ СКВАЖИН

1.1 Организация цементирования обсадных колонн нефтяных скважин

Буровые работы при строительстве скважин состоят из нескольких этапов, на каждом из которых бурение производится на определенную глубину долотами различных диаметров, уменьшающихся от этапа к этапу.

После завершения каждого из этапов бурения образованный ствол скважины подлежит креплению, для чего в скважину спускают обсадные колонны различного назначения в зависимости от стадии бурения. Колонны собираются (скручиваются или реже свариваются) из отдельных секций - обсадных труб различного диаметра, толщины стенок и длины. Схематическое изображение конструкции скважины представлено на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Конструкция двухколонной скважины: 1 - обсадная труба; 2 - промежуточная колонна; 3 -эксплуатационная колонна; 4 - внутритрубное пространство; 5 - затрубное пространство

После завершения первого этапа бурения в скважину опускают обсадную трубу, называемую кондуктором, ее центрируют и фиксируют, выполняя технологическую операцию цементирование. Далее пробуривается следующий участок скважины меньшего диаметра. Этот участок также закрепляется обсадными трубами. Колонну из этих труб называют промежуточной. При чем в скважине в зависимости от ее глубины, вида проходимых горных пород и других факторов может быть различное число промежуточных колонн, тогда их соответственно называют первой промежуточной колонной, второй и т.д. Завершается процесс бурения при достижении забоя (проектной отметки на глубине). На данном этапе на всю глубину скважины опускаю последнюю колонну обсадных труб, называемую эксплуатационной [2].

Пространство внутри колонн называется внутритрубным, а пространство, образовавшееся между спущенной колонной и стенками пробуренной горной породы - затрубным.

Как уже упоминалось ранее, после каждого спуска обсадных колонн производится цементирование, целью которого является получение прочного, водогазонефтенепроницаемого, концентрично расположенного в затрубном пространстве кольца цементного камня, который по своей высоте обеспечивал бы разобщение и надежную изоляцию вскрытых скважиной продуктивных горизонтов и зон осложнений [3].

Сущность цементирования скважины заключается в закачке тампонажного раствора (раствора, полученного после затворения тампонажного цемента водой или иной жидкостью и обработанного химическими реагентами) в затрубное пространство скважины для того, чтобы при помощи затвердевшего цементного камня создать прочную перемычку, разобщающую вскрытые нефтяные пласты от водяных.

В зависимости от геологического строения месторождения и условий залегания продуктивных пластов, применяются следующие способы цементирования нефтяных скважин: одноступенчатое, двухступенчатое, манжетное, цементирование хвостовика, обратное цементирование, цементирование под давлением. Названные способы различаются схемой подачи тампонажного раствора в затрубное пространство и особенностями используемых приспособлений [4].

Возможны два варианта подачи тампонажного раствора в затрубное пространство:

раствор, закачанный внутрь цементируемой обсадной колонны, проходит по ней до башмака (основания) и затем поступает в затрубное пространство, распространяясь снизу вверх (цементирование по прямой схеме);

тампонажный раствор с поверхности подают в затрубное пространство, по которому он перемещается вниз (цементирование по обратной схеме).

Если через башмак скважины обсадной колонны в затрубное пространство продавливают весь тампонажный раствор в один прием, то такой способ называется одноступенчатым цементированием. Если обсадная колонна на разных уровнях оснащена дополнительными приспособлениями (заливочными муфтами), позволяющими подавать тампонажный раствор в затрубное пространство поинтервально на разной глубине, то такой способ цементирования - многоступенчатый.

Наиболее простым и распространенным в промышленных масштабах является одноступенчатое цементирование по прямой схеме. Моделирование именно этого способа цементирования реализовано в данной работе.

Графическая схема одноступенчатого цементирования по прямой схеме показана на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Схема цементирования обсадной колонны: I - состояние скважины после бурения с опущенной колонной; II - закачка буферной жидкости во внутритрубное пространство; III - подача порции цементного раствора по обсадной колонне; IV - закачка продавочной жидкости; V - окончание продавки; 1 - манометр; 2 - цементировочная головка; 3 - цементируемая обсадная колонна; 4 - стенки скважины; 5 - буровой раствор; 6 - буферная жидкость; 7 - тампонажный раствор; 8 - продавочная жидкость; 9 - цементный стакан

Упрощенно порядок цементирования можно представить следующим образом. После бурения в скважину спускается обсадная колонна, на которую закрепляется цементировочная головка. В это время в скважине ещё остаётся буровой раствор. Для предотвращения его смешивания с тампонажным раствором первоначально во внутритрубное пространство колонны закачивается буферная жидкость (воды, водные растворы солей или щелочей). Она также способствует лучшему сцеплению тампонажного раствора с горными породами, слагающими стенки скважины [5]. Затем в колонну закачивается расчётное количество тампонажного раствора. После этого во внутритрубное пространство подаётся продавочная жидкость для выталкивания цемента из пространства колонны и заполнения затрубного пространства (подъема тампонажного раствора на проектную высоту). При чем проталкивание производится не всей порции тампонажного раствора, а так, чтобы у башмака колонны образовался цементный стакан расчетной высоты.

Процесс цементирования скважин осуществляется комплексом специального оборудования, которое обеспечивает доставку необходимых материалов на буровую, механизированное приготовление тампонажного раствора и нагнетание этого раствора и других жидкостей в затрубное пространство скважины.

Все это оборудование работает не разрозненно, а расстанавливается и объединяется в соответствии с заранее разработанной схемой обвязки. Основным оборудованием, находящимся в обвязке, являются:

цементно-смесительные машины, предназначенные для приготовления цементных растворов;

цементировочные агрегаты, предназначенные для нагнетания тампонажного раствора и продавочной жидкости в скважину, а также для подачи затворяющей жидкости в смесительное устройство при приготовлении раствора;

блок манифольда, необходимый для обвязки насосных установок с устьем скважины при ее цементировании, и служащий для перераспределения или смешения потоков жидкостей.

В настоящее время в различных нефтегазовых районах применяют несколько отличающихся друг от друга технологических схем приготовления и нагнетания тампонажных растворов. Это отличие обусловлено спецификой геолого-технических, а иногда и климатических условий данного района, что определяет выбор конструкции скважины, способа цементирования и тампонажного материала для каждого конкретного района.

Отличие схем обвязки агрегатов заключается в использовании различного числа цементировочных агрегатов и цементно-смесительных машин, а также в применении специальных устройств или механизмов, повышающих качество раствора или цементирования в целом и улучшающих условия труда обслуживающего персонала.

Число и типы агрегатов, находящихся в обвязке и участвующих в цементировании скважины, являются расчетными параметрами и зависят от технологии цементирования, объемов закачиваемых жидкостей и параметров работы агрегатов (потребной скорости закачки смесей на каждом этапе цементирования; давления, развиваемого насосом агрегата; производительностью агрегата на работающей скорости и пр.). При этом важно предусмотреть такое соотношение между количеством цементно-смесительных машин и цементировочных агрегатов, при котором обеспечивается бесперебойное приготовление и нагнетание тампонажного раствора в скважину с заданным темпом [4]. Проверить правильность такого расчета можно промоделировав процесс цементирования скважины с использованием разработанной в рамках данной работы системы.

1.2 Автоматизация проектирования строительства скважин

Автоматизация проектирования строительства скважин проводится с целью сокращения времени на разработку проектно-сметной документации на это строительство. Главная цель автоматизации - избавить специалиста-проектировщика от рутинной работы по выбору режимных параметров, применяемого оборудования и пр., а сосредоточиться на их оптимизации, на разработке новых, улучшенных технологических решений [6]. Автоматизированная система проектирования не призвана заменить специалиста, но может предложить некий исходный вариант проекта работ. Задача специалиста - проанализировать и оптимизировать данный вариант, применительно к конкретной ситуации, основываясь на данных, которые невозможно учесть на этапе автоматизированного проектирования из-за их нечеткости и неформализованности.

На сегодняшний день существует достаточно большое количество различных систем автоматизированного проектирования добычи нефти, т.е. процессов, производимых уже после строительства скважин. Что же касается систем проектирования непосредственно нефтяных скважин, то их количество также достаточно велико и представлено такими наиболее известными и распространенными продуктами, как:

Gibbs - мощный инструмент для повышения качества проектирования и эксплуатации нефтяных и газоконденсатных месторождений;

Pegasus Vertex CEMVIEW - система расчета параметров цементирования скважин и протекающих гидродинамических процессов;

Drillbench - программный комплекс для проектирования и сопровождения широкого спектра операций строительства скважин.

Далее приведена характеристика каждой из выше перечисленных программ с описанием их основных функций.- это компьютерная система комплексного моделирования технических процессов технологической подготовки строительства нефтяных и газовых скважин. При использовании ПО GIBBS, инженер-технолог не просто работает с изображением технологической схемы, как в большинстве аналогичных программ. Он может создавать сложные многоуровневые модели платформ, объединяющие несколько скважин и технологических комплексов на забое [7].

Данная компьютерная система не производит расчеты, а предоставляет возможность проверки сформированной модели на соответствие требованиям технических нормативно-правовых актов, техническому заданию, наличие ошибок в ранее произведенных расчетах и полученных результатах. Система обладает развитым аналитическим аппаратом, учитывающим такие сложные процессы, как испарение и конденсация флюидов, сепарация газа и жидкости, адиабатическое сжатие и расширение в компрессоре и детандере, включая энергообмен в системах детандеpа-тоpмозного компрессора, противоточный теплообмен двух потоков во внутритрубном и затрубном пространствах и др.

Одним из отличительных особенностей ПО Gibbs является то, что оно содержит подсистему, позволяющую пользователю создавать, отлаживать и использовать дополнительные модули собственной разработки, написанные на любом языке программирования высокого уровня с использованием внешних компиляторов, в том числе для наделения программы расчетными функциями.Vertex CEMVIEW предназначена для подготовки технологического раздела плана работ (подбора параметров процесса) на цементирование обсадных колонн различного типа (в том числе хвостовиков) для вертикальных, наклонно-направленных и скважин с горизонтальным участком. Программный продукт основан на современных научно-технических разработках и знаниях гидродинамических процессов при цементировании скважин [8].

Программа обеспечивает выбор:

способа цементирования;

места установки муфты ступенчатого цементирования;

режима цементирования;

плотности тампонажных растворов и высоты их подъема (при заданной общей высоте подъема), обеспечивающие отсутствие осложнений;

график подачи цементировочных агрегатов.Vertex CEMVIEW производит расчет:

объемов тампонажных растворов и продавочной жидкости;

количества материалов (воды, цемента и т.д.);

гидравлических сопротивления, возникающие в процессе цементирования.

Результатом работы программы является оптимизированный план работ на технологический процесс цементирования, который обеспечивает:

высокое качество цементирования вследствие более полного замещения бурового раствора цементным за счет

поддержания турбулентного или пробкового режима течения цементного раствора в зоне цементирования;

исключение осложнений, связанных с технологическим режимом крепления ствола скважины.

Выходными данными программы являются технологические карты, оформленные в соответствии с требованиями действующих стандартов.- программный комплекс для численного моделирования и сопровождения процесса строительства нефтяных скважин [9].

Этот программный продукт имеет модульную структуру и состоит из независимых модулей, объединённых единым форматом хранения моделей и библиотеками флюидов и инструмента. Модели, созданные в одном модуле, могут быть загружены в другой и с минимальными дополнениями использованы для расчётов других показателей.

В состав Drillbench входят следующие модули:

Presmod и Hydraulics предназначены для моделирования процесса промывки скважины: Presmod - в динамическом (с течением времени), Hydraulics - в статическом (для заданного момента времени) режиме.

Cemcalc - модуль для моделирования процесса цементирования.

Kick - модуль, позволяющий реалистично моделировать газонефтеводопроявления (ГНВП) и поглощения в скважинах любой сложности.

DynaFlodrill и SteadyFlodrill - это, соответственно, динамический и статический симуляторы для моделирования процесса бурения на депрессии.

FrictionMaster и Critical - статические модули для механического расчёта колонн, соответственно, замковых и гибких труб.

Модуль Cemcalc производит построение множества графиков и диаграмм для отображения уровней закачки различных жидкостей в цементируемую скважину и отображения уровней жидкостей в предназначенных для их хранения емкостях.

К уникальным способностям данного программного продукта относят то, что во-первых, Drillbench - это не «буровой калькулятор», а трёхмерный гидродинамический симулятор процесса бурения. А во-вторых, Drillbench - единственный на данный момент программный продукт для бурения, который позволяет учитывать пространственный теплоперенос в скважине и динамически оценивать влияние температурного режима в скважине на реологические и объёмные показатели флюидов. Из названия программного комплекса ясно, что он ориентирован в первую очередь на моделирование такой стадии строительства скважины, как бурение (drill с английского - бурить).

Произведя анализ и сравнение описанных системы, можно сделать вывод, что в своем функциональном наборе эти программные комплексы ограничиваются проведением проектного расчета и построения чертежей, не имея функций построения модели скважины, процессов, происходящих при ее строительстве, что не дает возможности пользователю наглядно оценить результаты своей работы, за исключением программного комплекса Drillbench, однако, он ориентирован на автоматизацию другой стадии строительства скважин, нежели той, которая предусмотрена темой дипломной работы.

В данной работе предлагается создание автоматизированной системы, которая будет производить моделирование такого этапа строительства нефтяной скважины, как цементирование и протекающих при этом гидродинамических процессов, с предоставлением визуальной анимированной динамической модели.

Основными требованиями, предъявляемыми к компьютерной модели различных стадий процесса строительства скважин, являются:

адекватное отражение происходящих физических процессов;

возможность моделирования крупных объектов (участков или скважины в целом);

модульный принцип построения, позволяющий наращивать существующие модели дополнительными блоками и т.п.

Задача автоматизации расчетов и моделирования гидродинамических процессов в обсадной колонне и затрубном пространстве при цементировании нефтяных скважин является актуальной ввиду отсутствия ее достаточной проработки и реализации. Кроме того, такая автоматизация предоставляет следующие преимущества:

сокращение времени проведения расчетов;

повышение качества и точности расчетов;

простота корректировки данных на любом этапе расчета;

предоставление результатов и отчетов в удобной форме для пользователя и в формах, определенных стандартами и техническими кодексами, и, вместе с тем, минимизация затрат времени на ведение документации;

динамическая визуальная демонстрация процесса выполнения строительных работ.

Исходя из указанных выше преимуществ и формируется постановка задачи на проектирование системы компьютерного моделирования процесса цементирования обсадных колонн нефтяных скважин, которая, помимо непосредственно основного блока моделирования, должна также содержать мощный аппарат проектного расчета, выполняющий всю подготовительную работу по вычислению исходных данных с возможностью их многократной корректировки.

1.3 Обзор инструментария проектирования программного комплекса по автоматизации расчета гидродинамики цементирования скважин

Windows - операционная система (ОС), в которой будет эксплуатироваться разрабатываемая программа. Она предоставляет пользователям оболочку графического интерфейса (GUI - Graphic User Interface), которая обеспечивает стандартную среду пользователя и программиста [10]. GUI предлагает более сложное и дружелюбное окружение пользователя, чем, например, командно-управляемый интерфейс MS-DOS и др. Работа в Windows основана на интуитивно понятных принципах, ориентированных в первую очередь на конечного пользователя. Здесь легко переключиться с задачи на задачу и осуществлять обмен информацией между ними благодаря поддерживаемому принципу многозадачности, возможности организации распределенных вычислений и пр.

В настоящее время существует и активно применяется программистами множество языков и сред программирования для создания программ (от небольших до разветвленных комплексов) для ОС Windows. Причин такому разнообразию множество: различные технологии создания ПО, прикладная направленность языков программирования для разнообразных сфер применения, и, несомненно, большое число авторов языков программирования и конкуренция между ними. Так язык С++ предназначен для программирования системных приложений, С# и Java - некоторых пользовательских классов и наиболее широко применяются для платформы .Net, Delphi, Perl и Python - для прикладного ПО. Существует мнение, что хорошие программы пишутся сразу на нескольких языках, однако, в рамках данной дипломной работы стоит задача проанализировать доступные средства разработки программного обеспечения для ОС Windows и выбрать среди них ту, на которой будет осуществляться реализация поставленной задачи. Приоритет следует отдать языкам, предоставляющим возможности объектно-ориентированного программирования (ООП). К таким языкам относят следующие:

Borland Delphi;

C#;

Java.

Все эти языки программирования имеют как свои преимущества, в основном заключающиеся в простоте и особенностях построения программ и пользовательских интерфейсов, так и недостатки: отсутствие достаточного количества документированной справки, необходимость в обращении к вспомогательным средам разработки для программирования нестандартных решений, сложности во взаимодействии с базами данных и другие.

Далее производится краткое описание перечисленных языков программирования, с указанием на их наиболее важные преимущества перед остальными и недостатки.Delphi - это скорее среда программирования, чем язык. Delphi принадлежит к классу нестандартных языков, представляющих собой традиционные (процедурные или функциональные) языки, дополненные средствами ООП [11]. В основе Delphi лежит развитый объектно-ориентированный язык Object Pascal (позже переименованный в Delphi) и уникальные по своей простоте и мощи средства доступа к базам данных. Delphi обеспечивает визуальное проектирование пользовательского интерфейса позволяет легко создавать собственные компоненты и строить из них профессиональные программы.

Благодаря имеющимся средствам визуальной разработки Delphi позволяет работать с объектами, всегда доступными в поле зрения для контроля за изменением их состояния, получая результаты практически мгновенно.

Больше работ по теме: