Настоящей статьёй я открываю серию обзоров коммерческих симуляторов свойств пластовых флюидов на базе уравнения фазового состояния. Все суждения в данной и последующих статьях носят субъективный характер автора и являются его частным мнением.

Итак, первая программа в моём обзоре – PVTp, симулятор компании Petroleum Experts (Petex) c головным офисом в Эдинбурге (Шотландия), сайт - www.petex.com.

Компания является разработчиком пакета программ интегрированного моделирования IPM, куда, собственно, и входит симулятор PVTp. Компания открыта почти 30 лет назад – большой срок чтобы ожидать мощных возможностей. Итак, что же мы имеем?

На момент тестирования у меня была в использовании программа PVTp версии 13 (IPM почему-то имеет свою нумерацию версий, и в данном случае – 11) за февраль 2018 г. Доступ к программе – лицензия.

Первое знакомство с продуктом выглядело обескураживающе. Конечно, IT технологии довольно медленно входят в узко специализированные направления, но на дворе уже середина 2019 года, и, конечно, для постоянно развивающегося продукта, имеющего как написано на сайте сотни пользователей, я ожидал увидеть нечто удобное и красивое. Можно долго спорить на тему необходимости красивого интерфейса в научном и проектном софте, но я уверен, что удобство и красота продукта неразрывно связаны с хорошим пониманием основ предмета и уважением к пользователям. Иначе – это не коммерческий продукт. Итак, интерфейс программы откидывает нас наверно в конец 90-ых годов прошлого века. Именно тогда произошел скачок от DOS-овской командной строки к полноценному интерфейсному взаимодействию. Все мы радовались этому переходу, и интерфейс а-ля «Windows 95», «Excel 5» и «PVTi» выглядели просто фантастично. Однако, на дворе уже 2019 год, и увидеть такой интерфейс уже не так радостно. Можно сказать – безрадостно. Лично у меня он вызывает уныние и отсутствие желания работать.

Да, конечно, буфер обмена работает, и даже иногда, в некоторых местах, появляется контекстное меню… Но трудно ожидать высокие технологии, когда видишь подобный интерфейс от коммерческого продукта. Бесспорно, стоимость этого продукта, вероятно, очень конкурентная, я в этом совсем не сомневаюсь. Но будете ли вы рисковать пусть и малыми деньгами, если не обладаете удобством использования, а кроме того, ввиду специфичности данных программ, недоступности одновременно разных программ для свободного тестирования, и полнотой знаний о функционале продукта? Ведь скупой пластит дважды – так гласит народная мудрость. Не проще ли тогда взять минималистичный, но вполне себе профессиональный PhazeComp компании Zick Technologies. В этом случае мы не переплачиваем за непонятный интерфейс, потому что его совсем нет))). Зато простор для творчества открыт.

Хотя может быть я сгущаю краски, и просто нужно привыкнуть к новому для меня продукту? Ну что ж, попробуем поработать в программе, изучив попутно весь её функционал. Может быть там я найду какие-нибудь интересные «фишечки».

PVTp построена на концепции «один файл – много уравнений», т.е. как база флюидов. Каждый состав в файле – это отдельное уравнение. Зачем это сделано мне не понятно, хотя такого же пути придерживаются и, например, разработчики PVTsim. Считаю, что композиционный симулятор никогда не станет базой данных по хранению лабораторных и промысловых данных о флюидах. Это аксиома. Поэтому подход «один файл - одно уравнение», примененный в PVTi и PVTx, мне ближе.
Для отслеживания истории изменения модели в процессе настройки уравнения состояния предлагается сохранять отдельные файлы,

или же дублировать флюиды (или «потоки», как называют их разработчики) внутри проекта после каждого этапа. Это используется в программе как еще один способ сохранения версионности проекта, хотя на мой взгляд, намного удобнее просто сохранить проект в новом файле. Совсем непонятно какие цели ставили перед собой разработчики, но подход «многопоточности» в программе совершенно не востребован. Да и наличие в ПО конструктора отчётов и «шапки» компании наводит на мысль о лаборатории… Ну уж нет, кислое с пресным не нужно мешать. В лаборатории вообще не должно быть симулятора!

В настройках можно выбрать «Метод». Выбора два, или «Black Oil» или «Equation of State». Занимательно наблюдать как работает мозг инопланетянина. Если бы не Оксфордская разработка Tempest PVTx, то я бы подумал, что в тех краях живут инопланетяне. Зачем мешать всё в кашу? Корреляции… уравнение…. Всё смешалось, люди, кони… Так и хочется сказать: Господа, уравнение тоже способно рассчитывать «Black Oil»!

Из уравнений можно выбрать либо Робинсона с учеником, либо Соаве с Ридлихом и Квонгом, с шифт или без оного. Вязкость выставляется отдельным диалогом. Правильно, кислое и пресное это разные вещи.

Вязкость можно рассчитывать четырьмя способами:

• Общеизвестная корреляция LBC
• Закон соответственных состояний (CSP), реализованный K. Pedersen
• Zhou и др. также основана на CSP. Расчёт более простой, чем у Педерсен, а в качестве эталонного вещества используется не метан, а С14. Согласно руководству, метод даёт большую погрешность расчёта, чем CSP. Наверно добавили для количества).
• Little and Kennedy – эмпирическая корреляция чистых компонентов и смесей. Тоже не совсем ясно чем она лучше LBC. Тоже для количества. Надо же чем-то хвастать перед конкурентами).

Так выглядит фазовая диаграмма в программе. Вообще форме фазовой диаграмме в руководстве отводится огромное значение, как будто это реальный эксперимент и его нужно вставить в рамку и повесить на стену. Но об этом позже.

Симуляция экспериментов представлены в программе следующим списком:

1. PSAT – эксперимент определения давления насыщения
2. CCE – исследование при постоянной массе
3. CVD – исследование при постоянном объёме
4. SEP - сепаратор
5. DIF – дифференциальное разгазирование
6. SWELL – свеллинг тест
7. SLIM TUBE – исследование в тонкой трубке (только симуляция, без возможности настройки на эксперимент)
8. CMPGRD – изменение состава и свойств с глубиной (без настройки)
9. WAT – выпадение парафинов
10. %SOLID – выпадение солей воды

Первое, что обращает на себя внимание, это ограничение на количество экспериментов. Для каждого состава можно ввести только один вид эксперимента, т.е. девять. Конечно, в PSAT можно ввести несколько строк давлений насыщения для разных температур, однако ввести, например, стандартную сепарацию и ступенчатую уже не получится. Либо то, либо это. Как так-то? Стандартная сепарация – это основной и важнейший эксперимент для нефти! Нет! «Либо дудочка, либо кувшин»!))) Не удастся ввести и результаты PV-соотношений (CCE) для нескольких температур. Если у вас имеются замеры вязкости при разных температурах – это станет огромной проблемой при настройке математики на эксперимент.

Параметры, представленные в таблицах для занесения экспериментальных данных, вызывают большое количество вопросов. В эксперименте PSAT, например имеются плотность пластового флюида. Почему бы тогда не сделать там же и объёмный коэффициент?? Но это мелочи по сравнению с… критической температурой. Более того, последний параметр предлагается использовать при регрессии в качестве экспериментального параметра настройки для уравнения, о чём свидетельствуют примеры руководства пользователя. Использование этого инструмента можно объяснить лишь неудовлетворительной работой аппарата регрессии PVTp, что и подтвердилось в процессе работы с программой.

Исследование при постоянной массе также очень удивил наличием возможности ввести экспериментальные замеры для газосодержания, объёмного коэффициента и даже теплотворной способности. Конечно, когда я вручную считаю уравнение состояния у меня есть возможность рассчитать любые параметры, это не проблема. Однако зачем нужно было путать и пугать пользователей мне не понятно. Я понимаю, как это всё можно объяснить и обосновать, флэш и всё такое. Есть ведь ещё и контактное разгазирование, где-то глубоко в советских книгах. Программу пишут, чтобы упростить работу, снизить требования, предъявляемые к инженеру. Как правило PVT отчёт сегодня состоит из стандартных технических экспериментов, хорошо понимаемых и описанных в научной литературе. Открывая же эксперименты в PVTp, происходит в некотором смысле разрыв шаблона. Не удивлюсь теперь если мне в PVT лабораторию начнут звонить заказчики и грозно требовать наличия газосодержания в эксперименте Constant Composition Expansion.

Веса можно выставлять для каждого параметра, а также для каждой ступени этого параметра. По умолчанию веса для всех параметров выставлены в максимальное значение. Индивидуальные веса для параметра выставляется довольно замысловатым способом, не отличающимся интуитивно понятными действиями - необходимо выделить одно или несколько значений параметра на ступенях, выставить вес от 1 до 10 и нажать кнопку «Установить вес». При этом все выделенные значения подкрашиваются в синий цвет. Однако если веса выставлены разные, цвет остаётся синим, символизируя вероятно, что он не равен 10. Увидеть же какой этот вес можно только установив курсор на выбранное значение параметра.

Ввиду того что аппарат регрессии при дефолтных установках весов как правило не верно настраивает уравнение на экспериментальные данные, использование весов носит обязательно-принудительный характер, что очень удручает.

Процесс подготовки модели пластового флюида в PVTp частично автоматизирован. Изучить его лучше на предлагаемых в руководстве примерах, коих там аж семь. Это упр-1: модель пластовой нефти, упр-2: модель газоконденсата, упр-3: очистка флюида от загрязнения, упр-4: проверка качества УС используя промысловые данные, упр-5: рекомбинация, упр-6: расщепление и объединение фракций, упр-7: парафины, гидраты, соли. На первом этапе изучения программы интерес представляет только первые два упражнения. Пошаговое повторение упражнений в PVTp - дело трудоёмкое, даже для опытного в других симуляторах пользователя, и заняло у меня не менее недели упорного труда. Такая длительность необходима ввиду сложности описания процесса создания модели. Тут изложена и стратегия, и даже «философия» PVT моделирования. И всё бы было не плохо, да только от стандартных решений, широко используемых в отрасли, разработчики ушли далеко по многим аспектам, поэтому разобраться будет не просто.

Хотя я и пытался, но не смог обойти стороной подобные опусы:
In order to decide where to go from here and what data to regress on next, we essentially have to repeat the procedure for developing a regression strategy. With this in mind take some time to consider the following and to develop a strategy for the secondary regression step:
Create a list of the current objectives and rank them in order of declining importance. Consider what pseudo properties affect each of the objectives and by how much, i.e. how does objective X change by changing Y. Consider how changing the selected properties for regression affect the other objectives.Consider which parameters would be more difficult to readjust at a later stage and thus decide on a suitable anchor point. Сколько «воды» и сколько значимости заложено в эти строки! Напоминает некоторые проектные и НИР отчёты, когда важно не содержание, а толщина отчёта. Ну да бог с ними…

Первое, что предлагает сделать руководство пользователя при рассмотрении учебных примеров, это сгруппировать все фракции состава из PVT отчёта в единый плюсовой остаток С7+. Про данные разгонки по ИТК здесь вопрос не поднимают.

Далее с помощью материального баланса предлагается подобрать молярную массу С7+, если такова отсутствует в отчёте. Собственно, это элементарно можно сделать и в Excel, но раз уж посчитано, то можно и воспользоваться. Однако с материальным балансом плотности нефти авторы ПО не пошли по принципу аддитивности параметра. Для подбора плотности С7+ выбран приблизительный метод оценки двумя способами. Первый способ основан на корреляции Катца 1941 года. В руководстве написано, что данная корреляция может лишь оценочно использоваться для тяжелой нефти, но не для конденсатов и лёгкой нефти. Второй метод (Costald) основан на уравнении состояния, что также несет в себе погрешность т.к. уравнение мы еще не настраивали. Мы должны разными хитростями приблизить расчёт по модели к значению по одному из методов. Странный инструмент, в другом ПО не видел подобного.

Температура кипения С7+ рассчитывается с помощью опции «Petroleum Experts», «Standing-Katz» и «A.N. other correlation». Источник первой и последней корреляции не ясен. Критические и другие свойства С7+, необходимые для уравнения состояния рассчитываются по корреляциям - на выбор пользователя восемь корреляций, три из которых на основе разделения PNA.

Далее предлагается разбить фракцию С7+ на псевдофракции. Для этого предназначено огромное окно, где собрано множество интересных инструментов. В левой части окна мы видим реализованный расчёт сплиттинга фракции С7+ Витсона, т.е. через гамма-функцию. Расчёт уже произведён для заданных параметров формулы. Изменяя разные коэффициенты, мы можем подстраивать форму кривой, получаемой по расчёту, под исходную форму кривой по данным хроматографии из отчёта PVT. Помимо разбиения фракции по Витсону есть ещё два метода разбиения, механизм работы которых скрыт под аббревиатурой «Petroleum Experts», но возможно он связан с экспоненциальным убыванием. Все эти методы помимо разбиения остатка по фракциям предлагают и расчёт свойств фракций, сбалансированные с ранее определенным значением для нефти в целом.

Когда мы подобрали нужную нам кривую разбиения остатка мы переходим в правую часть, где обозначаем количество псевдофракций которые хотим иметь после группирования. Фракции для группирования выбираются автоматически, что не может не радовать, но при желании их можно корректировать (и кому придёт такое в голову? 8-)). Под полученные свойства псевдофракций рассчитываются их свойства и параметры для уравнения.

Splitting - это второй инструмент в программе, который мне понравился, ни в PVTi, ни в PVTx подобного автоматического аппарата не предусмотрено, хотя формула Витсона и реализована. Всё очень наглядно и для обучения процессу полезно. Конкурентом этого инструментария может выступать только механизм lumping в PVTsim NOVA, где правда вовсе отказались от мудрёных расчётов Витсона, и использован просто экспоненциальный закон убывания. Чем проще, тем лучше! Кроме того, в последнем случае вообще отошли от концепции подбора/корректировки содержания фракций состава, что более естественнее при современном уровне хроматографии.

Ну и ложку дёгтя. Программа не умеет делать Common EOS! Т.е. вы не сделаете общее уравнение для газоконденсато-нефтяной залежи, несмотря на наличие нескольких «потоков». Меня пытались убедить в обратном, но в итоге и разработчик признал отсутствие инструмента «квадратура Витсона». Ну, ребята… уровень явно не достаточный для профессиональной программы. PVTi, выпущенный в бородатые годы, и то умеет это делать)). Там работали эксперты).

При воспроизведении примера по газоконденсату, неожиданным стало то, что при регрессии недостаточно ввести замеры экспериментов для получения адекватного результата. Настройка по критическим параметрам псевдофракций может легко вас увести в другую фазу. Так, для моего примера с газоконденсатом после регрессии расчёт стал показывать мне, что мой флюид является пластовой нефтью. Если уж регрессия не в состоянии «понять», что изменение фазы – это очень важный критерий, и вес по умолчанию для этого параметра должен быть очень высокий, то я бы предложил использовать установку веса вручную для параметра «Объём жидкой фазы» в точке Ps, всё-таки это экспериментальная характеристика. Однако разработчики … «А мы пойдём иным путём», как говорил известный персонаж)). Авторы предлагают взять из воздуха параметр «Критическая температура», справедливо полагая что его значение должно находиться справа от критической точки на фазовой диаграмме. Really?? Т.е. за счёт введения искусственного значения параметра, который экспериментально никогда не определяется, мы должны указать регрессии чтобы она не выходила за рамки разумного. Путём подбора значения критической температуры мы должны выбрать наиболее удовлетворяющий нас вариант. Ну как бы решение так себе… Я уже писал, что «экспериментальные данные» для примеров изобилуют параметрами, которые вы никогда не увидите в реальном PVT отчёте? Ощущение что я попал в какой-то не реальный выдуманный мир, в котором мне предлагают научить программу правильно работать. Значит в программе не только интерфейс корявый, но и юзабилити математики тоже хромает.

Как было сказано выше, аппарат регрессии, реализованный в программе, не способен в автоматическом режиме добиться удовлетворительного результата. Нужны дополнительные параметры, никак не связанные с экспериментом, веса и множество итераций, чтобы направить результаты расчёта на воспроизведение экспериментальных данных. И тут я вспомнил про стратегию, которую, согласно руководству, я должен был заблаговременно подготовить. Так вот для чего нужна стратегия и философия! Вместо того чтобы инженер, открыв ПО быстро решил задачу, ему требуется разработать стратегию, философию, пройти через дебри итераций и настроек программы… «Аффтоматизация» на высоте. Ну, зато нелинейная регрессия работает же… успокаивал я себя)).

В руководстве пользователя в качестве параметров регрессии рекомендуется использовать бинарные коэффициенты. Это старая идея, от которой большинство экспертов отказались. Кроме того, в каждом слове руководства прослеживается постоянный и обязательный контроль фазовой диаграммы. Как будто мы уравнение настраиваем не на эксперименты, а на форму фазовой. Причём за основу, за истину, берётся фазовая, построенная на флюиде с ещё неразбитым остатком С7+.

3. В качестве дополнительного инструмента в программе реализован метод материального баланса, по которому предлагается оценить качество лабораторных экспериментов стандартной и ступенчатой сепарации. Формула материального баланса очень простая и легко запоминается, поэтому сложно себе представить инженера, работающего с данными PVT и не знакомого с данной формулой. Что же касается расчёта баланса по ступеням ступенчатых видов разгазирования, то действительно, как показывает практическая жизнь, даже лаборатории не пекутся у нас о материальном балансе экспериментов. Это их задача и обязанность.

Поэтому для зарубежных лабораторий этот инструмент лишний, а для наших интерпретаторов – полезный, хотя то, как плохо он реализован – я бы посоветовал всем просто ручками сделать это в Excel, намного удобнее будет. Но, спасибо разработчикам, что напомнили о материальном балансе, т.к. многие считают, что все проблемы находятся только в неумелой настройке уравнения.
4. Расчёт графика Хоффмана. Ну что сказать, классика! Но Excel лучше.
5. Модуль расчёта энтальпии. Важная вещь, конечно. Это, по сути, другая форма уравнения состояния. Однако смутные сомнения меня гложут о востребованности этих расчётов для обычного инженера. Хотя допускаю, что я чего-то не знаю. Увы и такое случается ????

Знакомство с симулятором PVTp было небольшим по времени, и возможно какие-то детали были упущены в обзоре. Тем не менее общее представление о продукте, широко рекламируемом в интернете, я получил и поделился своим мнением с Вами. Итоги не утешительные. К сожалению, рекомендовать подобный сырой продукт я не хочу никому. Возможно, в заслугу программе кто-то поставит стоимость, которая вероятно не высокая. Раньше стоимость симуляторов начиналась от $20-25 тыс. Но я и за $5 тыс. не взял бы данный продукт. Устал работать бесплатно на таких вот разработчиков, которые в рамках программы поддержки за счёт покупателя и его опыта решают свои коммерческие задачи.

Вероятнее всего, PVTp – это не любимая падчерица компании Petex. Обойти данное направление (PVT) стороной в интегрированном моделировании никак невозможно, но и сделать полноценный профессиональный продукт компании не удалось. По остаточному принципу, до кучи, all inclusive.