Учебно-методический комплекс по дисциплине “Моделирование процессов бурения ” (стр. 2 )

ЛЕКЦИЯ 1. Модели и моделирование

Моделирование представляет собой один из методов научных исследований. Последние могут проводиться и без использования моделей, т. е. непосредственно на натурных (природных) объектах. Так, астрономы проводят исследования своего объекта (планеты или звезды), наблюдая его в телескоп. Этнографы, изучая быт племени, сами стараются прожить среди его членов определенное время с целью накопления фактов.

Во многих случаях исследования ведутся не на самом объекте, а на его моделях. Модель – это образ или представитель исследуемого объекта, сохраняющий все те его характеристики, которые существенны для цели исследования.

Моделированием называется разработка модели исследуемого объекта с ее последующим использованием для решения поставленной научной задачи. Моделирование сокращает сроки и стоимость научных работ, а также позволяет получить более качественные, точные и надежные результаты.

Методы моделирования широко используются в естественных науках (физике, химии, биологии), а также в связанных с ними технических науках. В общественных науках моделирование используется реже.

Схема этапов моделирования приведена на рис. 1.1. Рассмотрим ее на примере.

Перед цементированием затрубного пространства обсадной колонны необходимо составить рецептуру цемента. Это делают в лабораторных условиях на пробе, которая представляет собой модель того цемента, которым заполняют затрубное пространство.

Объектом исследования (этап 1 на схеме) в рассматриваемом случае является состав цемента, которым необходимо заполнить затрубное пространство.

Изучение объекта (этап 2) состоит в сборе информации об условиях цементирования Необходимо знать:

– Истинный диаметр цементируемого интервала скважины (он может отличаться от

номинального диаметра за счет каверн или сужений);

– Слагающие стенки скважины породы и их физико-химические свойства;

– Наличие и расположение горизонтов, содержащих пластовые жидкости и газы;

– Физико-химические свойства этих жидкостей и газов;

– Физико-химические свойства заполняющего скважину бурового раствора;

– Температуру в цементируемом интервале

Постановка задачи исследования (этап 3). Рецептура состава цементного раствора определяет все те свойства, которыми должны обладать как сам раствор (плотность, водоотдача, растекаемость, срок схватывания), так и образующийся из него цементный камень (прочность, пористость, устойчивость к факторам окружающей среды).

Допустим, что в данном случае нас интересует лишь одно свойство: срок схватывания. Это важное свойство цементного раствора. Если срок схватывания слишком велик, то это затягивает работы и увеличивает себестоимость. Если же он слишком короток, то это приводит к преждевременному схватыванию и тяжелым авариям. Например, при спуске потайной обсадной колонны на бурильных трубах последние могут оказаться прихваченными преждевременно схватившимся цементом.

Итак: задачей исследования является установление необходимого и достаточного срока схватывания цементного раствора

Решение вопроса о возможности моделирования (этап 4). В каждом случае этот вопрос решается индивидуально с учетом всей совокупности обстоятельств и прежде всего экономической стороны. Для рассматриваемого примера ответ положителен. Возможность моделирования подтверждается многолетней практикой использования проб для подбора рецептур цементных растворов.

Выбор типа модели (этап 5). В следующих лекциях вопрос о типах моделей будет рассмотрен подробно. Здесь же упомянем только о двух типах: предметных и абстрактных моделях. Обычно предметные модели являются уменьшенными копиями объекта исследования. Абстрактные же модели чаще всего представляют собой его математическое описание

Лабораторная проба представляет собой предметную модель. Она является малой частью от всего требуемого объема цементного раствора

Выделение важнейших с точки зрения поставленной задачи характеристик объекта для их включения в модель (этап 6). Из всех свойств цементного раствора нас интересует только срок схватывания. Хотя прочие свойства для данного исследования несущественны, они тем не менее не должны выходить за рамки нормы, соответствующей стандартному цементному раствору. Его и целесообразно взять за основу для улучшения.

Рис. 1.1. Этапы моделирования

1 – объект исследования; 2 – изучение объекта; 3 – постановка задачи; 4 – решение вопроса о возможности моделирования; 5 – выбор типа модели; 6 – выделение характеристик объекта, важных для решения поставленной задачи; 7 – построение модели; 8 – проверка адекватности модели; 9 – корректирование модели; 10 – исследования на модели; 11 – решение поставленной задачи

Задача исследования состоит в доведении срока схватывания цементного раствора до необходимого в данных условиях, значения. Для решения этой задачи наша модель (проба) должна учитывать все факторы затрубного пространства, которые влияют на срок схватывания. Этих факторов несколько.

В частности, одним из факторов является скважинная температура, с повышением которой срок схватывания сокращается. Как известно, глубокие скважины имеют повышенную температуру забоя. Поэтому лабораторная установка должна быть оснащена термостатом (регулятором температуры), способным поддерживать ее необходимое значение. Само же это значение (как и значения других влияющих факторов) должно быть установлено заранее по результатам скважинных исследований (на этапе 2)

Построение модели (этап 7). Модель исследования должна включать как собственно модель (пробу цементного раствора), так и экспериментальную установку. Установка должна быть оснащена средствами для задания требуемых значений влияющих факторов. Также должен быть в наличии комплект измерительных средств для контроля параметров цементного раствора и цементного камня.

Проверка адекватности модели (этап 8). Адекватностью называется пригодность модели для решения поставленной задачи. При построении модели не должен быть упущен ни один из факторов, способных привести к несвоевременному схватыванию. Так, с учетом вышесказанного (этап 6) модель была бы неадекватной, если бы в лабораторную установку не был включен термостат.

Проверка адекватности может производиться различными способами – от проведения экспертизы с участием специалистов, до помещения модели в условия работы объекта исследования (спуска пробы в скважину с целью убедиться, что и в этих условиях ее срок схватывания отвечает требованиям)

Корректировка модели (этап 9). Если модель оказалась неадекватной, то это значит, что при моделировании какой-либо из существенных влияющих факторов оказался неучтенным. В подобном случае модель подвергают корректировке.

В частности, преждевременное схватывание цементного раствора в скважине может произойти в результате игнорирования свойств заполняющей скважину (и затрубное пространство) промывочной жидкости. Например, срок схватывания раствора цемента укорачивают реагенты-электролиты (каустическая сода, хлористый кальций и т. п.), используемые для повышения вязкости промывочной жидкости. Поэтому если факт обработки промывочной жидкости электролитами не будет принят во внимание, то цементирование может закончиться аварией

В описанном случае корректировка модели должна заключаться в следующем. В лабораторную установку включают фильтровальный пресс (наподобие того, который применяется при определении водоотдачи). С его помощью от промывочной жидкости отделяют фильтрат, т. е. ту воду, на которой этот раствор приготовлен. В фильтрате в растворенном виде присутствуют и использованные реагенты. На этом фильтрате (вместо обычной воды) и должна замешиваться цементная проба.

Рис. 1.2. Модель с несколькими входами и одним выходом

М – модель; А, Б, С, Д – входные параметры (факторы); R – выходной параметр (отклик); УС – условия среды

Из схемы на рис. 1.1 следует, что после корректирования модель подвергается проверке на адекватность повторно.

Исследования на модели (этап 10). Убедившись, что модель адекватна, с ее помощью проводят исследования с целью достижения требуемого результата.

Модель, (рис.1.2.), имеет входные и выходные параметры. Через первые оказывают влияние на вторые и регистрируют величину и направление их изменений.

В примере нас интересует всего один выходной параметр (R) – время схватывания цементного раствора. В данных конкретных условиях это время должно быть наилучшим, т. е. не больше, и не меньше, заранее рассчитанного необходимого значения. Поиски такого сочетания входных параметров, при котором выходной параметр принимает наилучшее (оптимальное) значение можно проводить, используя различные методы. Можно вначале изменять один из факторов (например, водоцементное отношение) при постоянных прочих. При каждом изменении фактора определяют соответствующее значение отклика с целью оценки его близости к требуемому значению. Найдя наилучшее значение первого фактора, приступают к испытаниям второго фактора (содержания замедлителя схватывания) и т. д.

В других случаях два или более фактора изменяют одновременно. Описываемый процесс называется оптимизацией и методы его проведения разработаны в специальной теории проведения оптимального эксперимента.

Решение поставленной задачи (этап 11). После нахождения оптимального сочетания входных параметров (в примере реализованного в наилучшей рецептуре цементного раствора) проводятся его испытания в натурных (скважинных) условиях.

При решении подобных задач обычно стараются не просто получить заданный технический результат, но и сделать это с минимальными затратами. С этой целью добиваются достижения оптимального значения выходного параметра R (параметра оптимизации) не одним, а несколькими способами – несколькими сочетаниями входных факторов (несколькими рецептурами), одно из которых требует наименьших затрат.

Рекомендуемая литература Осн. 4 с. 2-5

Контрольные вопросы

1 Понятие модели

2 Понятие моделирования

3 Преимущества моделирования перед другими методами