ИСТИНА

Высокоточное моделирование взаимодействия горной породы и насыщающей ее жидкости в процессе разработки месторождения играет важную роль в моделировании различных многомасштабных и мультифизических процессов, таких как деформирование геологических пластов, оседание свободной поверхности, устойчивость ствола скважины, пескопроявление, закрытие/раскрытие пор, сдвиговое деформирование вдоль разлома, гидроразрыв пласта, выделение метана в процессе горнопроходческих работ и добыча углеводородов. В моделировании добычи углеводородного сырья можно выделить следующие основные области, в которых учет геомеханических процессов и их корректное описание на основе современных численных методов может значительно повысить эффективность технологических операций, проводимых на месторождениях: моделирование процессов бурения, гидроразрыв пласта и геомеханическое моделирование месторождения в процессе его разработки. В докладе будут представлены модели и методы для многомасштабного геомеханического моделирования, позволяющие описывать упругие, термоупругие, термоупругопластические и пороупругопластические деформации в пласте, которые интегрированы в полнофункциональную систему инженерного анализа CAE Fidesys для решения различных задач в области нефтегазового и горнорудного инжиниринга. Математическое моделирование в задачах геомеханики может быть разделено на три масштаба: микромасштаб (масштаб керна), мезомасштаб (масштаб скважины) и макромасштаб (масштаб месторождения). На масштабе керна оцениваются эффективные свойства горных пород, которые в дальнейшем используются при моделировании на более крупных масштабах (при моделировании процессов бурения, гидроразрыва пласта или моделировании месторождения в процессе его разработки). В докладе будет представлена численная оценка эффективных характеристик керна путём проведения численных экспериментов на его цифровой модели. Обсуждается применение двух способов расчёта эффективных свойств: напрямую на цифровой воксельной модели (содержащей до миллиарда вокселей и больше) с применением распараллеливания с помощью технологии CUDA и путём снижения размерности задачи за счёт построения неструктурированной сетки на базе воксельной модели с последующим проведением расчётов методом конечных либо спектральных элементов. Актуальность данного моделирования обусловлена развитием компьютерной томографии и широким использованием технологии "цифровой керн", предполагающей построение цифровой модели керна с помощью его компьютерной томографии. Такая технология используется не только в интересах нефтяной отрасли, но также в горнодобывающей отрасли и в строительстве (анализ свойств кернов необходим, например, при строительстве тоннелей). Научная новизна заключается в модификации модели эффективных свойств керна с включением в неё, помимо упругих, ещё и транспортных характеристик (пористость, коэффициент Био, проницаемость), а также в разработке новых вычислительных алгоритмов оценки эффективных свойств, использующих распараллеливание с помощью технологии CUDA. На масштабе скважины рассматривается численное моделирование пороупругопластической задачи в окрестности ствола скважины и численный анализ устойчивости ствола скважины во время буровых работ. Обсуждается модификация упругопластической математической модели и численного алгоритма на её основе с включением в модель пороупругих характеристик горной породы в окрестности скважины и возможности задания порового давления. Такая модификация позволяет более точно моделировать напряжённо-деформированное состояние в окрестности ствола скважины и оценивать его устойчивость. Актуальность и практическая значимость данного моделирования обусловлена необходимостью избежать нестабильности ствола скважины и улучшить условия в стволе скважины, чтобы избежать потерь бурового раствора, особенно в истощенных пластах - а также снизить риски избыточного и пониженного давления во время бурения. Научная новизна заключается в использовании сопряжённой нелинейной модели пороупругопластичности. На масштабе месторождения предлагается численное сопряжение процессов моделирования на макромасштабе и на микромасштабе. Процесс разработки месторождения полезных ископаемых вызывает изменения в напряжённо-деформированном состоянии горного массива, прежде остававшегося неизменным на протяжении долгого времени. Для проведения моделирования на масштабе месторождения необходимо вычислить механические и транспортные свойства горных пород, для чего проводится анализ свойств керна (на микромасштабе). Однако свойства породы, оцениваемые на микромасштабе, зависят также и от напряжённо-деформированного состояния на макромасштабе. Обсуждается алгоритм для макро-микро-сопряжения на основе подходов, апробированных при проведении гидро-гео-сопряжения. Модифицированные модели и алгоритмы, позволяющие описать вышеупомянутые геомеханические процессы, происходящие в горных породах на разных масштабах при разведке и разработке месторождений, реализованы в рамках программного обеспечения CAE Fidesys - в докладе приводятся примеры его использования для решения промышленных задач геомеханики. Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РНФ (проекты 19-71-10008, 22-11-00110, 19-77-10062).