Diapositiva 1 - Mathematical Methods and Models for Engineering

M3E S.r.l. è una società all’avanguardia nello studio e
simulazione numerica della geomeccanica di giacimento in
problemi di sfruttamento o stoccaggio di risorse sotterranee,
come acqua, gas o petrolio. I principali fenomeni
geomeccanici per i quali M3E è in grado di sviluppare accurati
studi previsionali sono:
• subsidenza indotta dalla coltivazione di giacimenti;
• compattazione di formazioni geologiche depletate;
• movimenti superficiali stagionali indotti dai cicli di
stoccaggio/prelievo di idrocarburi nel sottosuolo;
• fenomeni locali di consolidazione dovuti a dewatering o
carico superficiale;
• consolidazione nel processo di formazione di bacini
sedimentari;
• variazione del regime tensionale naturale a seguito dello
sviluppo di giacimenti;
• attivazione di faglie, generazione di fratture e sismicità
indotta dalla produzione di idrocarburi.
La previsione modellistica di processi geomeccanici viene effettuata
mediante codici numerici 3D allo stato dell’arte di proprietà, sviluppati
dall'Università di Padova / M3E e testati in numerose applicazioni per
enti pubblici (e.g., Ministero dell’Ambiente) e privati (e.g., Eni E&P).
I principali codici di cui dispone M3E sono:
• GEPS3D: simulatore agli elementi finiti / elementi finiti d’interfaccia
per processi geomeccanici non isotermi alla scala di giacimento, con
leggi costitutive elastica lineare/non-lineare, ipo-plastica e plastica,
in presenza di faglie/thrust con orientazione arbitraria;
• COUP3D: simulatore agli elementi finiti per la previsione accoppiata
dei campi di pressione e deformazione in applicazioni a scala
regionale;
• MIXCOUP3D: simulatore agli elementi finiti misti per lo studio
accoppiato di pressione/deformazione in problemi superficiali di
dewatering o carico locale;
• SUBNAT: simulatore agli elementi finiti della consolidazione naturale
nell’ipotesi di grandi deformazioni (griglia adattativa) per lo studio
dell’evoluzione di bacini sedimentari e l’analisi dei campi di stress e
deformazione.
I modelli geomeccanici sono accompagnati da codici di servizio per il
trasferimento efficiente di dati statici e dinamici dai software più
comunemente utilizzati nell’industria del petrolio (e.g., Eclipse,
Petrel).
• messa a punto dei modelli, calibrazione e previsione della
subsidenza indotta dall’estrazione di fluidi dal sottosuolo,
delle deformazioni profonde e superficiali legate alla
produzione ed allo stoccaggio di fluidi in serbatoi
sotterranei;
• analisi integrata di dati topografici (livellazione) e satellitari
(GPS, InSAR, PSI) per la mappatura e ricostruzione del
fenomeno subsidenziale a scala locale e regionale; sviluppo
di GIS per il trattamento delle misure; utilizzo delle
misurazioni per la calibrazione dei modelli geomeccanici;
• analisi dell’impatto delle deformazioni profonde e degli
spostamenti superficiali sulla sicurezza strutturale delle
infrastrutture di produzione e sulle strutture/infrastrutture
presenti sul territorio;
• analisi della sicurezza della produzione di idrocarburi ed
iniezione di fluidi nel sottosuolo in relazione alla possibile
attivazione di faglie e generazione di sismicità indotta;
• sviluppo e progettazione di sistemi per la mitigazione della
subsidenza
basati
sul
contenimento
della
depressurizzazione profonda e/o sul rebound controllato
del terreno.
Nella coltivazione di giacimenti di idrocarburi la
geomeccanica assume un ruolo importante alla
scala del campo in relazione alla compattazione
degli strati depletati ed alla migrazione della
compattazione profonda in superficie con il
conseguente abbassamento della superficie del
terreno (subsidenza). La subsidenza può produrre
effetti ambientali rilevanti qualora abbia a
manifestarsi in zone costiere pianeggianti, dove
perdite di quota anche modeste possono
aumentare in modo significativo il rischio di
inondazione, intrusione di acqua salata nella falde
acquifere, perdita di efficienza nelle reti di
bonifica, ma anche in zone interne qualora
gradienti di spostamento rilevanti (spostamenti
differenziali) si sviluppino in corrispondenza a
centri urbani o aree industriali con possibile
impatto sulla stabilità strutturale di edifici ed
infrastrutture.
measured
simulated
M3E dispone della pluriennale esperienza dei propri soci nello
sviluppo di modelli numerici per la previsione della subsidenza
antropica. I software di calcolo allo stato dell’arte consentono
la simulazione di giacimenti complessi con decine di livelli
produttivi. Particolare attenzione viene rivolta agli acquiferi
idraulicamente connessi a livelli mineralizzati e nei quali la
migrazione della depressurizzazione dal reservoir può
contribuire in modo significativo alla subsidenza complessiva.
Modelli fluidodinamici ed appropriate procedure di calibrazione
delle proprietà idrologiche medie, sviluppate ad hoc ed
applicate in numerosi casi reali, consentono di sostituire i
modelli analitici di acquifero, generalmente utilizzati nei
simulatori di produzione, con acquiferi numerici direttamente
interfacciabili con i modelli geomeccanici. Livellazioni, GPS, SAR,
e misurazioni di compattazione profonda (tramite la tecnica dei
marker radioattivi) e superficiale (attraverso stazioni
assestimetriche) sono utilizzate per calibrare il modello
geomeccanico sui dati pregressi, mettendolo quindi nella
condizione di fornire affidabili previsioni di subsidenza attesa.
I progetti di stoccaggio sotterraneo di gas naturale (Underground
Gas Storage, UGS) sono in continuo aumento in tutto il mondo e
rappresentano delle importanti riserve strategiche a livello
nazionale. La progettazione di attività UGS in un determinato sito
deve, tuttavia, tener conto di una serie di aspetti di sicurezza, legati
sia alla percezione della pubblica opinione che al possibile impatto
ambientale. Ciò a maggior ragione nei casi, economicamente assai
vantaggiosi per il gestore del campo, in cui lo stoccaggio avvenga a
pressione maggiore di quella iniziale indisturbata. Particolare
attenzione va posta allo studio dei fenomeni geomeccanici collegati
ad attività UGS:
• deformazione del serbatoio con conseguenze sulla capacità di
tenuta della roccia di copertura e di chiusura delle possibili faglie
in giacimento;
• spostamenti rilevabili in superficie con analisi del rischio di
deformazioni differenziali e conseguenti problemi di stabilità ed
integrità delle strutture presenti nel territorio sovrastante il
campo di stoccaggio.
M3E dispone della pluriennale esperienza dei propri soci in questo
settore, e si pone all'avanguardia nello sviluppo e nell'utilizzo di
strumenti modellistici per la simulazione geomeccanica in attività
UGS, utilizzando avanzate metodologie di calibrazione di modelli
isotropi e/o trasversalmente isotropi (e.g., Data Assimilation, Global
Efficient Optimization) attraverso l’history match degli spostamenti
stagionali verticali e/o orizzontali misurati con tecniche SAR e GPS.
La variazione dello stato tensionale a seguito della coltivazione di
un giacimento, dello stoccaggio di gas metano o della
segregazione geologica di fluidi può presentare particolari
problemi di sicurezza qualora il giacimento e/o l’acquifero in
contatto idraulico con il campo siano attraversati da faglie e/o
thrust. La loro possibile attivazione comporterebbe infatti da un
lato la perdita delle proprietà di sealing della formazione, con lo
sviluppo di possibili vie di fuga preferenziali per i fluidi di strato, e
dall’altro indurre fenomeni di sismicità e/o micro- sismicità.
Attraverso l’uso appropriato di elementi di interfaccia, i codici di
M3E sono in grado di gestire complesse configurazioni fagliate,
simulando l'evoluzione dello stato di stress lungo le superfici di faglia, evidenziando l’eventuale attivazione
(scorrimento e/o apertura) di tali discontinuità, quantificandone l’area di possibile attivazione e l’entità degli
scorrimenti. L’implementazione di formulazioni semplificate sviluppate nella letteratura tecnica specialistica
permette infine di eseguire una stima della magnitudo dell’eventuale micro-sisma e/o sisma prodotto dalla
attivazione della struttura fagliata.
La segregazione geologica della CO2 antropica ha attirato negli ultimi anni un notevole interesse come mezzo per
contribuire alla riduzione di emissioni di gas serra in atmosfera. L’iniezione può essere messa in atto in giacimenti di
olio/gas esauriti, acquiferi salini o miniere abbandonate. In particolare, lo stoccaggio in giacimenti o acquiferi
profondi costituisce un’alternativa generalmente attuabile sia a livello tecnologico che economico, soprattutto
sfruttando la lunga esperienza acquisita dall’industria petrolifera nell’iniezione di fluidi a scopo di EOR (Enhanced Oil
Recovery) e le infrastrutture spesso già presenti nei giacimenti sfruttati in passato.
L’analisi di fattibilità e la sicurezza di un progetto di segregazione
necessita dell’uso di modelli geomeccanici avanzati con cui
prevedere, in relazione alle massime sovra-pressioni di strato
indotte dall’iniezione:
1. la verifica di rottura a taglio o trazione della roccia serbatoio;
2. la tenuta dello strato di copertura;
3. la possibile attivazione di faglie confinanti il reservoir;
4. gli spostamenti indotti in superficie.
Le analisi vengono condotte da M3E attraverso un’accurata analisi
della variazione dello stress in giacimento e nello strato di
copertura, individuando le zone a rischio di fratturazione e la
distanza dallo stato critico per diversi scenari in relazione ai
parametri geomeccanici caratterizzati da maggiore incertezza.
La variazione dello stato tensionale e le conseguenti deformazioni
profonde (compattazione) indotte dalla produzione sono in taluni casi
responsabili del danneggiamento e/o la rottura dei pozzi di produzione.
La possibilità di utilizzare griglie di calcolo ad elevatissima risoluzione
consente a M3E di sviluppare simulazioni previsionali di
danneggiamento/rottura dei pozzi in cui casing, cemento, formazione
sono discretizzati in modo accurato e con differenti proprietà
meccaniche. Inoltre, l’utilizzo degli elementi di interfaccia consente di
tener conto dello sliding che può svilupparsi tra casing e formazione,
materiali aventi rigidezze assai diverse.
M3E ed i soci di M3E hanno condotto studi
geomeccanici per i seguenti clienti:
• Eni E&P;
• ENEL;
• SNAM Progetti;
• STOGIT;
• GAS Plus;
• Padana Energia;
• Ministero dell’Ambiente – Commissione VIA;
• Comune di Ravenna;
• Consiglio Nazionale delle Ricerche;
• Università di Padova.
La società, spin-off dell’Università di Padova, è stata fondata nel 2011 da alcuni membri del gruppo di ricerca del
prof. Giuseppe Gambolati e il nome, M³E, è l’acronimo di “Mathematical Methods and Models for Engineering”.
M³E ha come obiettivo lo sviluppo e l’applicazione di modelli matematici e software avanzati per la soluzione mirata
e ottimale di problematiche tipiche del mondo dell’industria e dell’ingegneria civile e ambientale. M³E è
specializzata nello sviluppo di software numerico per la discretizzazione di equazioni alle derivate parziali, l’algebra
lineare, la pianificazione degli esperimenti numerici, l’ottimizzazione e l’analisi dei dati per un gran numero di
applicazioni ingegneristiche. Assieme al software, M³E offre anche servizi di consulenza con particolare riferimento
al calcolo strutturale, ai processi ambientali superficiali e sotterranei, alla gestione delle risorse idriche, al flusso e
trasporto d’inquinanti nel sottosuolo, alla coltivazione di giacimenti a olio o a gas, alla previsione della subsidenza e
la sua eventuale mitigazione.
La mission di M³E è fornire software numerico e soluzioni modellistiche per applicazioni avanzate dell’ingegneria
ambientale, civile e industriale, ottimizzate:
• sul problema specifico
• sull’hardware a disposizione del cliente
al fine di accelerare la progettazione ed i processi produttivi, ridurre la possibilità di errore ed aumentare la qualità
del prodotto finale.

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