Математики и экономисты Уральского федерального университета и УрО РАН разработали приложение, с помощью которого проектировщики нефтегазовых месторождений могут, в частности, рассчитать радиус растепления скважин самостоятельно. Алгоритм, заложенный в программы, применим для моделирования тепловых полей в приповерхностном слое грунта; используется при эксплуатации кустовых площадок, расположенных в зоне распространения вечной мерзлоты (более 60 % территории России).

По словам профессора УрФУ Михаила Филимонова, основная задача компьютерного моделирования — долгосрочный прогноз по нахождению границы растепления мерзлого грунта и минимизация теплового воздействия от различных технических систем.

«Скажем, сотрудник нефтяной компании вводит в смартфон широту, долготу месторождения, другие 15 параметров и отправляет их на сервер, — пояснил Михаил Филимонов. — Эти данные уходят на вычислительную машину и автоматически обрабатываются. Затем на электронную почту приходит ответ: „радиус растепления составит 10 метров за 25 лет эксплуатации скважины“».

Математическая модель учитывает такие параметры, как солнечное излучение, осадки, снежный покров, температуру воздуха, литологию и теплофизические параметры грунта. Расчеты проводятся на высокопроизводительных машинах.

«Наши алгоритмы могут быть привязаны к конкретным географическим координатам и учитывают возможные изменения, которые произойдут с грунтом. Изначально мы фиксируем параметры, а затем моделируем их с учетом глобальных изменений климата, активного слоя почвы», — пояснил Михаил Филимонов.

После проверки алгоритма на 12 северных нефтегазовых месторождениях ученые выяснили, что граница растепления мерзлого грунта от работающей длительное время скважины с точностью до 5 % совпадает с границей, рассчитанной по разработанной программе.

«Этой тематикой мы занимаемся более десяти лет, — добавил Михаил Филимонов. — Планировалось, что заказчики будут скачивать приложение, вносить какую-то оплату и через некоторое время получать данные, необходимые для проектирования конкретного месторождения. Но, к сожалению, цена на нефть упала, и возникли сложности. Нефтяники, с которыми мы сотрудничали, занялись другим видом деятельности, а мы сегодня находим коллег, которые занимаются смежными научными исследованиями по нашей тематике».

Сейчас группа исследователей под руководством Михаила Филимонова разрабатывает новые математические модели и алгоритмы, с помощью которых можно определить влияние сложных технических систем (скважины по добыче, охлаждающие устройства, трубопроводы, факельные системы, которые дожигают попутный газ) на окружающую среду и составить прогноз техногенных и климатических воздействий на границы залегания вечной мерзлоты. В конце 2018 года проект получил поддержку РФФИ (грант 19-07-00435 рассчитан на три года).

В проект включена и другая задача, связанная с геотермальной энергией, — добыча энергии Земли, к примеру, на Северном Кавказе.

«Мы моделировали геотермальное месторождение: на глубине тысячи метров находится продуктивный слой толщиной 50 метров с горячей водой, близкой к 100 градусам. И надо добыть эту воду, к примеру, для обогрева теплиц. Фактически речь о том, что добывается горячая вода, используется для обогрева, затем холодную воду закачивают обратно, — рассказал Михаил Филимонов. — Если скважины пробурить рядом, холодная вода в продуктивном слое быстро достигнет скважины, из которой добывается горячая вода. И мы решаем задачу, насколько далеко надо пробурить скважины с добычей горячей и закачкой холодной воды, чтобы лет за 30 холодная вода не дошла до горячей».

Еще одна прикладная часть математической модели — проектирование и строительство домов в условиях вечной мерзлоты на примере Салехарда. В 2019 году ученые собирают данные о температуре грунта, которые затем будут обработаны. На их основе будет создана математическая модель по прогнозированию динамики зон оттаивания вокруг жилых зданий. Это актуально, так как температура повышается: в грунте происходят изменения, которые могут привести к разрушению зданий.

Сейчас группа исследователей под руководством Михаила Филимонова разрабатывает новые математические модели и алгоритмы.