Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

[ 0 ] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121

моделирование процессов нефтегазодобычи

Задачи контроля и управления технологическими процессами часто приводят к необходимости моделирования движения структурированных неоднородных сред, характеризующихся сложными (неравновесными и нелинейными) реологическими свойствами. Это типично, например, для процессов нефтегазодобычи, связанных с фильтрацией и движением по трубам таких жидкостей, как парафинистые и асфальтено-смолистые нефти, нефтеводогазовые смеси, буровые растворы, растворы полимеров и поверхностно-активных веществ.

Как правило, сведения о свойствах отдельных элементов структурированных сред и особенностях процессов взаимодействия между ними отсутствуют или же получение их затруднительно. Поэтому для изучения кооперативных эффектов, имеющих место при движении реофизически сложных жидкостей, целесообразно использовать представления теории самоорганизации, отражающие наиболее общие свойства поведения сложных систем. В этой связи уместно вспомнить высказывание К. Гельвеция: «Знание некоторых принципов легко возмещает незнание некоторых фактов».

Теория самоорганизации изучает поведение сложных систем, условия их устойчивости, природу неустойчивостей и эволюцию систем вдали от термодинамического равновесия. Немецкий физик Г. Хаген предложил для этой науки название синергетика (от греческого sinergia - совместное действие, сотрудничество).

Методы синергетики, представляющие собой не что иное, как методы нелинейной физики, дают возможность описать многие процессы, наблюдающиеся в системах, внешне не имеющих ничего общего друг с другом, с помощью одних и тех же математических моделей, число которых относительно невелико.

Таким образом, синергетика предоставляет нам некоторые veritates aeternae et universales (вечные истины и универсалии), существование которых признавали схоластики.

Авторы считают, что необходимо широкое внедрение идей синергетики в теорию и практику реофизически сложных сред. Как говорил Н. Винер, «важные исследования задерживаются из-за того, что в той или иной области неизвестны результаты, уже давно ставшие классическими в смежной области».

В книге приводятся примеры синергетического подхода в самых различных науках - от физики до социологии. Подчеркнем, что это - не результат эклектичной «разбросанности» авторов, а желание убедить читателя в эффективности синергетики как универсального средства для моделирования и выработки стратегии управления.

Усложнение физического содержания моделей за счет учета нелинейности, неравновесности и неоднородности, присущих реальным системам, приводит к выявлению новых синергетических эффектов (усиление, потеря устойчивости с возникновением колебаний, образование упорядоченных структур и т. д.), наличие которых подтверждается специально поставленными экспериментами и позволяет предложить новые методы контроля и управления сложными природными системами.

Опыт, полученный нами и нашими коллегами, убедительно показал, что разумное (с привлечением здравого смысла) усложнение моделей позволяет раскрыть дополнительные возможности в разработке новых технологий. Однако цель, которую преследуют авторы, - не построение изощренно сложных моделей, а выявление новых, практически полезных эффектов. Хотя М. Фарадей и предупреждал, что «лекции, которые на самом деле учат, не могут быть популярными», авторы стремились максимально, где это возможно, упростить изложение.

Интересы авторов лежат в области нефтегазодобычи, поэтому изложение в основном ведется на примере соответствующих задач, однако рассмотренные в монографии подходы имеют более общий характер и могут быть с успехом использованы в самых разных областях науки.

Отметим, что развитие плодотворных идей синергетики в применении к системам нефтегазодобычи в настоящее время привело к созданию, под руководством одного из авторов, новой отрасли науки - реотехноло-гии, занимающейся вопросами поиска эффективных средств и способов добычи, транспорта и хранения нефти путем целенаправленного использования нелинейных и неравновесных реологических и физико-химических свойств сред, взаимодействующих с физическими полями с проявлением синергетических эффектов.

Некоторые исследователи до сих пор убеждены, что описание процессов нефтедобычи можно проводить только на основе дифференциальных уравнений движения жидкостей и газов в пористых средах и трубах.

Однако такой подход не позволяет выявить многие существенные свойства пласта. Как всякие большие системы, объекты нефтегазодобычи требуют использования целой иерархии моделей - от дифференциальных до интегральных, от детерминированных до адаптивных, - способных описать не только различные уровни организации систем, но и взаимодействие между этими уровнями. В монографии показаны некоторые возможные «подступы» к решению этого сложнейшего клубка задач. Тем самым эта книга может оказать некоторую помощь в достойной встрече обрушившегося на нас в настоящее время «девятого вала» компьютеризации систем управления технологическими процессами нефтегазодобычи.

Исследования последних лет показывают, что явления в средах со сложной неупорядоченной структурой часто обнаруживают масштабную инвариантность (фрактальность) пространственных и временных свойств. Это обстоятельство позволяет выработать некоторые общие методы моделирования сложно построенных сред и в ряде случаев облегчает описание протекающих в них процессов.

В связи с этим мы сочли необходимым в первой главе работы подробно рассмотреть основные представления о фракталах и привести примеры использования фрактальных характеристик при анализе объектов нефтегазодобычи.

Одним из самых интересных и важных разделов синергетики является теория так называемого динамического хаоса. В настоящее время изучен целый класс систем, которые в некоторых областях фазового пространства, называемых «странными аттракторами», проявляют хаотические свойства. (Напомним, что аттракторами называются участки фазового пространства, притягивающие к себе траектории движения. Так, поскольку в бывшем СССР все пути вели в г. Москву, то этот город можно было назвать аттрактором. Сейчас, в результате многих перестроечных лет, произошла бифуркация - Москва скорее напоминает странный аттрактор.)

В монографии на ряде конкретных примеров показано, что проявление хаотического поведения имеет место и при движении реофизически сложных сред.

При анализе промысловой информации принято использовать очищенные, сглаженные сигналы, предполагая, что хаотическая составляющая представляет собой только помеху. Однако рассмотренные примеры показывают, что случайные колебания, возникающие в нефтегазодобыче, часто имеют детерминированный характер. Они порождаются самой системой и поэтому могут служить источником информации о ее внутренних характеристиках.

Количественной мерой, характеризующей состояния динамических систем нефтегазодобычи, может служить фрактальная размерность странного аттрактора. Нижняя оценка этой величины определяется путем вы-