Symulacja Wydobycia Gazu Łupkowego w ANSYS

Oprogramowanie ANSYS jest znane na świecie z zastosowań badawczo rozwojowych w różnych dziedzinach techniki i nauki. W 2009r dr Johannes Will z niemieckiej firmy DYNARDO podjął próbę zastosowania solwera obliczeniowego ANSYS do rozwiązywania zagadnień wydobycia gazu łupkowego i optymalizacji szczelinowania. Zweryfikowane na polach wydobywczych Teksasu wyniki symulacji opublikowane zostały w artykule naukowym "Optimizing of hydraulic fracturing procedure using numerical simulation" w 2010r. Z uwagi na panującą w Polsce gorączkę gazu łupkowego postanowiliśmy przytoczyć Państwu kilka ciekawych faktów dotyczących tej symulacji i zachęcić do dyskusji.
 
W celu wykonania wiarygodnej symulacji wymagane jest podzielenie procesu na trzy fazy
- zbudowanie modelu parametrycznego MES
- ustalenie parametrów materiałowych gruntu
- wyznaczenie optymalnego położenia odwiertu
* opcjonalnie wielokrotne szczelinowanie

Dla uzyskania zadowalających wyników modeluje się obszar około 60km3, jednak metoda może być zastosowana do analizy również większych rejonów.

Model numeryczny zbudowano w oparciu o elementy sprzężone zawierające stopnie swobody przemieszczenia, dla określenia odkształceń gruntu i ciśnienia dla symulacji penetracji płynu w skale. W symulacji wykorzystuje się parametryczny język APDL do odtwarzania geometrii dla różnych długości i lokalizacji odwiertu. 

Używając możliwości programowania ANSYS zachowanie krucho-plastyczne skał opisano autorskim modelem materiałowym multiPlas. Bazuje on na założeniach anizotropowej mechaniki ośrodków ciągłych określając proces penetracji skał szczelinami w różnych postaciach wytężenia. Parametr uszkodzeń D użyty w analizie ujmuje całościowo rozkruszanie skał podczas złożonych stanów obciążenia wywołanych ruchem skał i ciśnieniem w szczelinach. Zbudowany model umożliwia wydajną symulacje frontu i efektywnej porowatości podczas szczelinowania bez potrzeby odnoszenia się do bardzo czasochłonnej analizy metodami lokalnymi jak mechaniką pękania czy modelami wieloskalowymi.

Kolejnym ważnym elementem analizy jest dobór parametrów materiałowych. Z góry możliwe jest jedynie orientacyjne ustalenie własności poszczególnych warstw. Spowodowane jest to zależnością własności materiałowych skał od ciśnienia oraz nieznanym ułożeniem systemów poślizgu skał powodującym anizotropię ich odpowiedzi. Kalibrację modelu materiałowego wykonuje się w oparciu o odczyty sejsmiczne uzyskane z punktów pomiarowych na odwiercie próbnym w symulowanym regionie. Zarządzanie wielką liczbą parametrów wymaganych w optymalizacji zajmuje się silnik optymalizacyjny optiSLang.

Głównymi informacjami uzyskiwanymi podczas symulacji wydobycia gazu przez szczelinowanie hydrauliczne w ANSYS są kształt i fragmentacja spękanej objętości. Informacje te służą do określenia ilości wydobywanego gazu. Symulacja przeprowadzana w dziedzinie czasu umożliwia przewidzenie zmian wydajności podczas eksploatacji. Model symulacyjny pozwala na analizę powtórnego szczelinowania. To właśnie proces wielokrotnego szczelinowania obwinia się o skażenie wód gruntowych, dlatego możliwość przewidzenia kierunku frontu pęknięć stanowi bardzo ważny argument przemawiający za prowadzeniem symulacji szaczelinowania.

Analiza procesu odwiertu dostarcza wystarczająco dokładnych informacji o wydajności pozwalając na optymalizację położenia kolejnych szybów dla uzyskania maksymalizacji uzysku. Warto zaznaczyć że wspomniany zbiór narzędzi od 2010r jest wykorzystywany przez największe firmy wydobywcze w Stanach Zjednoczonych do planowania kosztów i ryzyka wydobycia. Obecnie trwają prace rozwojowe nad uwzględnieniem interakcji między wieloma odwiertami oraz przyspieszeniem modelu symulacyjnego.

Między inżynierami firm DYNARDO i MESco od wielu lat trwa współpraca polegająca na wymianie doświadczeń oraz współpracy przy realizacji projektów. Obecnie istnieje możliwość implementacji opisanych metod w formie projektu pilotażowego. Firmy zainteresowane takim projektem prosimy o kontakt.