В статье рассматривается роль цифрового инжиниринга и математического моделирования в решении сложной инженерной задачи освоения трудноизвлекаемых запасов углеводородов. На основе материалов отраслевого семинара Минэнерго России и анализа современных научно-технических подходов показано, что цифровые двойники процессов добычи становятся не просто инструментом инженерного анализа, но и основой для принятия технических и управленческих решений.

Введение

За последние два десятилетия доля трудноизвлекаемых запасов (ТРИЗ) в структуре российской нефтедобычи выросла с 1,2 % до 63 %. Как было отмечено на отраслевом семинаре Министерства энергетики Российской Федерации «Трудноизвлекаемые запасы нефти: технологии добычи и экономическая целесообразность», если 15 лет назад нефть добывали с глубины 2000 метров из породы, напоминающей пористую губку, то сегодня глубина достигла 4000 метров, а керн современного месторождения больше похож на крепкий булыжник, не имеющий запаха нефти. Это наглядная иллюстрация вызова: традиционные методы перестают работать, а новые требуют технологий «космического» уровня.

В ответ на этот вызов формируется новый подход к инжинирингу, где центральное место занимает цифровое моделирование физических процессов – от расчета параметров потока и теплопотерь в скважине до создания полноценных цифровых двойников месторождений, позволяющих прогнозировать и оптимизировать добычу.

Закачка сверхкритической воды как метод воздействия на пласт

Одним из перспективных методов воздействия на пласт с высоковязкой нефтью является закачка воды в сверхкритическом состоянии (сверхкритической воды – СКВ). При температуре выше 374 °C и давлении более 22 МПа вода приобретает уникальные свойства: она становится мощным растворителем, запускает физико-химические реакции в пласте, необратимо снижает вязкость тяжелых фракций и улучшает фильтрационно-емкостные свойства коллектора. Лабораторные исследования показывают, что термическое воздействие в диапазоне 325–375 °C активизирует процессы таким образом, что извлечение углеводородов может возрастать до 90% и более.

Однако реализация этой технологии сталкивается с фундаментальной инженерной проблемой: необходимо доставить теплоноситель с температурой 450–550 °C и давлением до 400 атмосфер с земной поверхности на забой скважины глубиной до 3000 метров, избежав при этом недопустимого нагрева эксплуатационной колонны и обеспечив требуемые параметры на выходе в пласт. Решение этой задачи требует детального математического моделирования связанных процессов: гидродинамики, теплообмена и фазовых переходов.

Определение параметров закачки СКВ

Одним из ключевых инструментов для проектирования закачки СКВ является термодинамический расчет:

1. На основе данных о геометрическом строении скважины и тепловых свойствах материалов строится цифровая модель.
2. Последовательно от устья к забою рассчитываются термодинамические параметры теплоносителя, фазовое состояние (вода, перегретый пар, влажный пар, СКВ) и тепловые потери с учетом геотермического градиента и конструкции скважины.
3. Определяются значения температуры, давления и сухости пара для каждого элемента системы.
4. Итерационно подбираются начальные температура и давление на выходе из парогенератора таким образом, чтобы на забое скважины теплоноситель сохранял сверхкритическое состояние.

Отличительной особенностью метода является учет возможности фазовых переходов СКВ → пар → вода, что позволяет корректно рассчитывать характеристики потока во всем диапазоне термобарических условий.

Результаты проведенных расчетов показывают, что при использовании теплоизолированных труб с коэффициентом теплопроводности изоляции 0,023 Вт/(м·К) и начальных параметрах закачки 550 °C / 40 МПа температура на забое глубиной 2500 метров составляет 467 °C, а давление – 45,85 МПа, что гарантирует сохранение сверхкритического состояния воды. При этом температура внешней стенки изоляции не превышает 228 °C, что исключает риск растепления эксплуатационной колонны.

Технический результат – возможность обоснованно выбирать параметры закачки, снижать энергозатраты и повышать эффективность методов увеличения нефтеотдачи.

Математическое моделирование как основа проектирования

В рамках подготовки к внедрению технологии СКВ должен быть разработан комплекс математических моделей, описывающих течение теплоносителя в системе «земная поверхность – скважина – пласт». Расчетная модель включает систему дифференциальных уравнений, описывающих законы сохранения массы, импульса и энергии для одно- и двухфазных потоков.

Ключевые параметры, подлежащие определению:

• температура и давление теплоносителя на выходе в призабойную зону (целевые значения: не менее 380 °C и 230 атм);
• потери давления на всех участках системы;
• распределение температур в многослойной конструкции скважины (труба – изоляция – затрубное пространство – колонна – цемент – порода).

Расчет теплообмена должен включать конвективный перенос, излучение и естественную конвекцию в затрубном пространстве.

Цифровой двойник: от модели к системе управления реального времени

Результаты расчетов могут стать основой для создания цифрового двойника нефтеносного коллектора. Цифровой двойник представляет собой теплотехническую модель всей системы «земная поверхность – нефтеносный пласт», позволяющую:

• моделировать поведение оборудования в виртуальной среде;
• решать сложные научные, технические и практические задачи;
• определять оптимальный технологический регламент для каждого шага процесса;
• минимизировать риски технических испытаний при внедрении различных вариантов термического воздействия;
• моделировать поведение всей системы с учетом изменяющихся параметров закачки и свойств коллектора.

Цифровые двойники как инструмент экономического обоснования

Как показал отраслевой семинар Министерства Энергетики, цифровой инжиниринг выходит за рамки сугубо технической задачи. Цифровые двойники месторождений могут стать основой для расчета экономического эффекта и налоговых льгот при разработке ТРИЗ. Переход от унифицированных налоговых режимов к персонализированному подходу, где экономика каждого объекта оценивается на основе его цифровой модели, учитывающей геологическое строение, технологическую сложность и ожидаемую эффективность разработки, становится важным направлением государственного регулирования.

Использование цифровых двойников для обоснования экономических параметров – это мировой прецедент, позволяющий сделать налоговое стимулирование адресным и экономически обоснованным.

Заключение

Освоение трудноизвлекаемых запасов требует синтеза передовых технологий теплового воздействия и цифрового инжиниринга. Математическое моделирование течения сверхкритической воды в скважине с учетом сложного теплообмена и гидравлических потерь становится обязательным этапом проектирования, позволяющим:

1. Обосновать параметры закачки для достижения целевых забойных условий.
2. Оценить эффективность различных конструкций скважины и теплоизоляционных материалов.
3. Создать цифровой двойник процесса как основу для системы управления в реальном времени.
4. Предоставить объективную основу для налогового стимулирования разработки сложных запасов.

Инженерная мысль, опирающаяся на точные математические модели и цифровые двойники, позволяет превратить проблему трудноизвлекаемых запасов из непреодолимого барьера в управляемый технологический процесс, открывающий новые горизонты для развития нефтегазовой отрасли на десятилетия вперед.

Изображения сгенерированы нейросетью