ИСТИНА

Проект нацелен на разработку универсального программного комплекса, позволяющего (а) проводить численное моделирование неизотермической многокомпонентной фильтрации в условиях значительного изменения давления и температуры, в том числе при критических термодинамических условиях, (б) адаптацию цифровых неизотермических моделей геофизических и геотехнологических систем и (в) оптимизацию термогидродинамических процессов в пористых средах. Актуальность разработки программного комплекса обусловлена обширной областью его приложений для прогнозирования многокомпонентных течений в проблемах рационального недропользования. В проекте будут рассмотрены следующие приложения: - получение геотермальной энергии и теоретические исследования геотермальных и вулканических систем с целью определения условий формирования рудных месторождений цветных металлов и уточнения знаний о строении подобных месторождений; - подземное хранение природного газа в проницаемых геологических пластах и исследование перспективных технологий захоронения углекислого газа в подземных хранилищах природного газа с целью замещения им дорогостоящего буферного газа; - эксплуатация углеводородных месторождений, в первую очередь газоконденсатных месторождений, в которых углеводородная смесь находится при околокритических термодинамических условиях и возможна ретроградная конденсация. В настоящее время отсутствуют готовые программные решения, применимые на всех этапах моделирования неизотермических процессов в отмеченных приложениях, особенно в случае фильтрации в геотермальных системах. Это определяет востребованность предполагаемого к разработке программного комплекса как в инженерных расчётах, так и в теоретических исследованиях фильтрации. В проекте программный комплекс будет разрабатываться в рамках развития авторского гидродинамического симулятора MUFITS. Для достижения поставленной цели будут решены следующие задачи: - будет разработан новый метод расчёта теплофизических параметров многокомпонентных смесей в широком диапазоне давлений и температур, включающем в себя критические термодинамические условия и многофазные парожидкостные равновесия с твёрдыми фазами, и будет проведено его сопряжение с симулятором MUFITS; - будут разработаны численные алгоритмы для адаптации цифровых моделей геофизических систем к наблюдениям за ними и оптимизации течений в задачах неизотермической фильтрации; - в симулятор MUFITS будут внедрены методы расчёта возмущений гравитационного поля и перемещений поверхности Земли вызванных фильтрацией в недрах. Это позволит применять программный комплекс для прямой адаптации цифровых моделей геотермальных систем к этим наблюдениям; - в функциональность симулятора MUFITS будет добавлен модуль расчёта фильтрации в рамках стандартной для нефтяной отрасли композиционной модели. Из сопоставления расчёта типовых задач в области разработки углеводородных месторождений в рамках стандартной и разрабатываемой моделей будут определены преимущества и область приложений разрабатываемого метода моделирования в проблемах нефтедобычи; - с целью отладки программного комплекса и его популяризации будут исследованы фильтрационные течения в обозначенных приложениях, связанных с неизотермической фильтрацией в геотермальных и вулканических системах, в проблемах создания подземных хранилищ природного газа и разработки углеводородных месторождений. В частности, будет построена и адаптирована к данным наблюдений новая геологогидродинамическая модель геотермальной системы Campi Flegrei (Италия), учитывающая трёхкомпонентный состав фильтрующегося флюида; подробно, с учётом детального описания пластового флюида, будут исследованы фильтрационные процессы при формировании рудных месторождений; будут исследованы проблемы создания перспективных подземных хранилищ природного газа, сопряженных с подземным захоронением углекислого газа.

The project aims to develop a universal software package that allows (a) to carry out numerical modeling of non-isothermal multicomponent flows in porous media under wide range of pressures and temperatures, including under critical thermodynamic conditions, (b) history matching of non-isothermal reservoir models of geophysical and geotechnological systems, and (c) optimization of thermohydrodynamic processes in porous media. The relevance of developing the software package is due to the vast scope of its applications for predicting multicomponent flows in the problems of subsurface utilisation. The project will consider the following applications: - obtaining geothermal energy and theoretical studies of geothermal and volcanic systems in order to determine the conditions for the formation of porphyry ore deposits and clarify knowledge about the structure of such deposits; - subsurface storage of natural gas in permeable geological formations and the study of promising technologies for the disposal of carbon dioxide in subsurface storage facilities of natural gas in order to substitute cushion gas; - exploitation of petroleum deposits, primarily gas condensate fields, in which the hydrocarbon fluid is under near-critical thermodynamic conditions and retrograde condensation is possible. Currently, there are no ready-made software packages that are applicable at all stages of modeling of non-isothermal processes in the noted applications, especially in the case of flows in geothermal systems. This determines the relevance of the software package intended for development both in engineering applications and in theoretical studies of flows in porous media. In the project, the software will be developed in the framework of extension of the author's hydrodynamic simulator MUFITS. To achieve this goal the following tasks will be solved: - a new method will be developed for calculating the thermophysical parameters of multicomponent mixtures in a wide range of pressures and temperatures, including critical thermodynamic conditions and multiphase vapor-liquid equilibria with solid phases. The method will be coupled with the MUFITS simulator; - numerical algorithms will be developed for both history matching of hydrodynamic reservoir models and multiphase flow optimization in the problems of non-isothermal flows in porous media; - methods of calculating the gravitational field perturbations and ground displacement caused by subsurface flows will be introduced into the MUFITS simulator. This will allow the software package direct application for history matching of the hydrodynamic models to these observations; - a compositional module will be added to the MUFITS simulator which will be based on the standard compositional model used in the hydrodynamic modeling of oil reservoirs. The advantages and scope of applications of the developed modeling method in oil recovery studies will be determined by comparing the simulation results of several benchmark problems carried out within the framework of the standard and developed models; - in order to test and advertise the universal software package, the flows in porous media will be investigated in designated applications related to non-isothermal flows in geothermal and volcanic systems, subsurface gas storage facilities and petroleum reservoirs. In particular, a new hydrodynamic reservoir model of the Campi Flegrei geothermal system (Italy) will be developed and history matched to observations, taking into account the three-component composition of the reservoir fluid; the formation of ore deposits will be investigated taking into account the detailed description of the formation fluid; and processes in subsurface gas storage facilities coupled with subsurface disposal of carbon dioxide will be explored.

Ожидаемый результат настоящего проекта – универсальный программный комплекс - гидродинамический симулятор пластовых систем, позволяющий - проводить расчёты многокомпонентных (более 2-х компонент) многофазных неизотермических течений в пористых среда в широком диапазоне давлений и температур при до- и сверхкритических термодинамических условиях; - проводить адаптацию цифровых моделей геофизических и геотехнологических систем к данным различных полевых измерений и наблюдений за системой, в том числе к измерениям возмущений гравитационного поля и перемещений поверхности Земли, вызванных фильтрацией в недрах; - проводить анализ чувствительности цифровых моделей геофизических систем к изменениям их параметров и проводить оптимизацию фильтрационных течений; - в рамках единой универсальной цифровой среды проводить полный комплекс описанных исследований и расчётов в таких приложениях как получение геотермальной энергии, подземное хранение газов, уточнение данных о строении рудных месторождений и разработка углеводородных месторождений. Создание универсального программного комплекса требует разработки новых методов моделирования в области термодинамики и гидродинамики и их эффективного сопряжения. Подобная работа имеет достаточно общий методический характер (не связанный с решением частной задачи), а, следовательно, ее результаты, т.е. разрабатываемые методы и модели, имеют научную значимость в обширной области геотехнологических приложений вычислительной механики. Широкий спектр обозначенных геотехнологических приложений разрабатываемого комплекса программ обусловливает его практическую значимость. Применение симулятора в отмеченных приложениях позволит уточнить и в то же время упростить цифровое моделирование неизотермической фильтрации в рамках проведения большего числа ускоренных расчетов. В результате разрабатываемый симулятор даст возможность принимать более рациональные и экономически обоснованные решения в области недропользования. С целью отладки, демонстрации функциональных возможностей и популяризации разрабатываемого комплекса программ будут решен ряд новых частных задач в области моделирования фильтрации. В этом направлении будут получены следующие результаты: - адаптированная к истории наблюдений трёхмерная геологогидродинамическая модель геотермальной системы Campi Flegrei (Италия); - уточнённые данные о строении рудных месторождений и процессах в геотермальных системах, приводящих к формированию подобных месторождений; - результаты исследований многофазной фильтрации в подземных хранилищах природного газа, сопряженных с закачкой в хранилище углекислого газа с целью замещения дорогостоящего буферного газа и ослабления эффекта глобального потепления на Земле; - на примере расчёта типовых задач разработки углеводородных месторождений будет определена эффективность разрабатываемого метода моделирования многокомпонентной фильтрации в сравнении со стандартной для нефтяной отрасли композиционной моделью.

Научный задел коллектива обусловлен - готовым комплексом программ MUFITS для проведения параллельных расчётов на суперкомпьютерных системах (www.mufits.imec.msu.ru). В настоящем проекте запланировано развитие этого комплекса (см. прилагаемый файл №2); - проведением предварительных оценочных расчётов в рамках предлагаемых к разработке методов моделирования термодинамики смеси на симплексах (метод SDPE; см. прилагаемый файл №1); - опытом исполнителей проекта в областях численного моделирования неизотермической многофазной фильтрации, вычислительной термодинамики и применения гидромеханики в различных проблемах геофизики. Руководитель проекта – автор методов моделирования одно- и двухкомпонентной фильтрации при околокритических термодинамических условиях, развитие которых запланировано в настоящем проекте. Руководитель и исполнители настоящего проекта Афанасьев А.А., Уткин И.С., Веденеева Е.А., Горохова Н.В – сотрудники одной лаборатории НИИ механики МГУ. Они ранее участвовали в работах по проектам РФФИ и РНФ, связанных с моделированием вулканических и геотермальных систем. Соисполнители проекта Халитова Д.Р., Халявин С.А., Чернова А.А., Сагандыкова В.К. – студенты механико-математического факультета МГУ (научный руководитель Афанасьев А.А.). На момент предполагаемого начала проекта лето-осень 2019 года они будут студентами 5 и 6 курса, а в последующие годы – аспирантами факультета. Их привлечение к выполнению задач проекта позволит создать новую научную группу в области моделирования фильтрации. Халитова Д.Р., Халявин С.А. и Сагандыкова В.К. участвовали в качестве исполнителей в проекте Совета по гранта Президента РФ (рук. Афанасьев А.А.), связанным с исследованием фильтрации в трещиновато-пористых средах.