Моделирование и оптимизация стратегий ввода в разработку нефтяного месторождения

Краткое описание

Введение... 6

1. АНАЛИЗ ОБЪЕКТА, ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛИ И 14 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ...

1.1. Проблемы формирования рациональных стратегий ввода 14 залежи в разработку...

1.2. Проектирование стадии ввода в разработку залежей нефти 24 на основе постоянно-действующих геолого-технологических моделей...

1.2.1. Краткая характеристика постоянно-действующих геолого- 24 технологических моделей...

1.2.2. Применение программных пакетов по гидродинамическому 26 моделированию...

1.2.3. Применение моделей и методов оптимизации... 32

1.3. Постановка задачи выбора оптимальной очередности ввода 39 скважин в эксплуатацию...

1.4. Постановка задачи выбора оптимальных сроков ввода 42

скважин в эксплуатацию...

Выводы к главе 1... 46

2. АЛГОРИТМЫ ОЦЕНКИ ОБЪЕМОВ ДОБЫЧИ НЕФТИ ПРИ 47 ПОСТЕПЕННОМ ВВОДЕ СКВАЖИН В ЭКСПЛУАТАЦИЮ...

2.1. Разработка алгоритмов оценки объемов накопленной добычи 47 нефти при постепенном вводе скважин в эксплуатацию...

2.2. Уточнение оценок объемов накопленной добычи нефти при 57 различных стратегиях ввода залежи в разработку...

2.3. Теоретическое исследование алгоритмов оценки объемов 61 добычи нефти при вводе скважин в различные сроки...

2.4. Моделирование стадии ввода в разработку участка Восточно- 75 Рогозинского месторождения...

2.4.1. Краткая геолого-физическая характеристика Восточно- 75 Рогозинского месторождения...

2.4.2. Описание варианта разработки, используемого при 80 моделировании стадии ввода участка Восточно-Рогозинского месторождения...

2.4.3. Гидродинамическое моделирование продуктивных пластов 84 Восточно-Рогозинского месторождения...

2.4.4. Оценка потенциальных объемов добычи нефти кустами 86 скважин...

Выводы к главе 2... 90

3. АЛГОРИТМЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ВЫБОРА ОЧЕРЕДНОСТИ 92 И СРОКОВ ВВОДА СКВАЖИН В ЭКСПЛУАТАЦИЮ...

3.1. Оптимизация очередности ввода скважин в эксплуатацию... 92

3.1.1. Применение метода потенциалов для решения задачи 92 выбора оптимальной очередности ввода скважин в эксплуатацию..

3.1.2. Приближенное аналитическое решение задачи выбора 99 оптимальной очередности ввода скважин в эксплуатацию...

3.2. Сведение задачи выбора оптимальных моментов ввода 104 скважин в эксплуатацию к транспортной модели...

3.3. Методика формирования рациональной стратегии ввода 113 залежи в разработку...

3.3.1. Основные этапы методики...'.. 113

3.3.2. Модификации методики и области их применения... 116

3.4. Формирование рациональных стратегий ввода в разработку 118 участка Восточно-Рогозинского месторождения...

3.4.1. Формирование стратегий ввода кустов скважин в 118 эксплуатацию...

3.4.2. Формирование стратегий ввода в эксплуатацию скважин, 125 принадлежащих кусту...

В ыводы к главе 3... 126

4. ОБОБЩЕННЫЕ МОДЕЛИ ОПТИМИЗАЦИИ СТРАТЕГИЙ 128

ВВОДА ЗАЛЕЖИ В РАЗРАБОТКУ...

4.1. Учет экономических показателей при выборе моментов ввода 128 скважин в эксплуатацию...

4.1.1. Модели выбора сроков ввода скважин в эксплуатацию по 128 критерию минимума затрат при выполнении заданий по добыче нефти...

4.1.2. Модель выбора сроков ввода скважин в эксплуатацию по 133 критерию максимума добычи нефти при ограничениях на затраты...

4.2 Учет экономических показателей при выборе очередности 135 ввода скважин в эксплуатацию...

4.2.1. Модель выбора оптимальной очередности ввода скважин по 135 критерию максимума добычи нефти при ограничении на затраты..

4.2.2. Модель выбора очередности ввода скважин, учитывающая 144 разбуривание месторождения несколькими установками...

4.3. Оптимизация сроков ввода скважин в эксплуатацию при 145 дополнительных условиях...

4.3.1. Описание алгоритмов оптимизации... 145

4.3.2. Выбор величины штрафных коэффициентов... 151

4.4. Выбор оптимальной очередности ввода скважин при 157

дополнительных условиях...

4.4.1. Алгоритм выбора оптимальной очередности... 157

4.4.2. Модификация алгоритма для решения задачи выбора 161 оптимальной очередности при разбуривании месторождения

несколькими установками...

Выводы к главе 4... 164

Заключение... 165

Библиографический список... 168

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Основные характеристики геологической 180

модели Восточно-Рогозинского месторождения...

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Документы о внедрении... 185
Введение

Введение

Целью проектирования разработки нефтяных месторождений является формирование и выбор вариантов освоения продуктивных пластов, обеспечивающих наилучшие значения технико-экономических показателей эффективности эксплуатации залежей. Одним из основных направлений, ориентированных на достижение этой цели, является широкое внедрение в практику проектирования компьютерных технологий, позволяющих имитировать поведение сложных пластовых систем при различных управляющих воздействиях. В свою очередь, применение компьютерных технологий предполагает привлечение математических методов, реализованных в виде программных комплексов, помогающих проектировщику количественно оценить реакцию пластов на различные управляющие воздействия (технологические решения) на любой стадии разработки залежи, в том числе и на стадии ввода месторождения в эксплуатацию. Если под стратегией ввода залежи в разработку (эксплуатацию) понимается определенная последовательность ввода скважин (кустов скважин) в эксплуатацию или очередность освоения участков залежи, то различные стратегии будут обеспечивать различные значения технико-экономических показателей разработки на стадии ввода. Основными причинами этого являются неоднородность продуктивных пластов по проницаемости и толщине, взаимовлияние между скважинами и их неравномерное обводнение.

В связи с этим актуальным является решение проблем формирования стратегий ввода залежей нефти в эксплуатацию, обеспечивающих высокие значения технико-экономических показателей эффективности их разработки. Основные проблемы формирования и выбора рациональных стратегий ввода связаны

- с оценкой объемов добычи нефти взаимодействующими скважинами, вводимыми в эксплуатацию в различные сроки;

- с оценкой вклада нагнетательных скважин в суммарную добычу нефти за период ввода залежи в разработку;

- с необходимостью подробного гидродинамического моделирования стадии ввода в разработку залежи для получения указанных оценок;

- с огромным числом возможных стратегий ввода.

В настоящее время для преодоления проблем формирования либо отказываются от подробного гидродинамического моделирования, либо анализируется лишь небольшое количество возможных стратегий ввода, что может привести к выбору нерациональных стратегий ввода. Очевидно, что для решения отмеченных проблем необходимо использовать как средства моделирования процессов, протекающих в продуктивных пластах, так и средства оптимизации, позволяющие осуществить сокращенный перебор наиболее приемлемых стратегий.

Поэтому целью настоящей работы, ориентированной на решение указанных проблем, является создание методики формирования рациональных стратегий ввода залежей в разработку, в большей степени, по сравнению с существующими подходами, обеспечивающей тесное взаимодействие моделей фильтрации и методов оптимизации. Причем предлагаемые алгоритмы оптимизации должны быть достаточно эффективны и при большой размерности решаемых с их помощью задач, а средства моделирования должны в максимально возможной степени учитывать неоднородность пластов, взаимовлияние скважин (кустов скважин), особенности процессов обводнения продуктивных пластов.

Заявленная цель работы определяет ее основные задачи, к которым относятся:

8

- постановка и математическая формулировка задач выбора оптимальной очередности и сроков (моментов) ввода скважин в эксплуатацию;

- разработка методов оценки потенциальных объемов добычи нефти взаимодействующими группами добывающих и нагнетательных скважин, вводимых в различные сроки;

- разработка алгоритмов выбора оптимальной очередности и сроков ввода скважин в эксплуатацию;

- исследование и обоснование алгоритмов выбора оптимальной очередности и сроков ввода скважин в эксплуатацию;

- апробация алгоритмов выбора оптимальной очередности и сроков ввода скважин в эксплуатацию на примере проектирования стадии ввода в разработку реального объекта добычи нефти.

Исследованию и решению указанных задач посвящено основное содержание диссертации. Теоретической базой исследований, представленных в данной диссертации, являются, прежде всего, работы X. Азиза и Э. Сеттари [1], Ю.П. Желтова [39], С.Н. Закирова [13,40], В.Н. Кулибанова и М.В. Меерова [6,11, 43, 53,54,67], В.Д. Лысенко [59-61], М. Маскета [66], И.Т. Мищенко [72,73], М.М. Саттарова [83,90], В.Р. Хачатурова [47,65,97-99], И.А. Парного [100], В.И. Эскина [104] и их учеников, заложивших научные основы теории проектирования нефтяных и газовых месторождений и применения компьютерных технологий в проектировании объектов добычи нефти и газа.

Основное содержание работы приведено в четырех главах. В первой главе анализируются особенности технологического процесса ввода залежи нефти в эксплуатацию. Целью анализа является выявления требований, которым должны удовлетворять постановка и решение задач выбора оптимальной очередности и сроков ввода скважин в эксплуатацию. Проанализированы возможности современных программных пакетов по

гидродинамическому моделированию продуктивных пластов и методов оптимизации с точки зрения цели диссертации. Анализ показал, что существующие подходы к формированию рациональных стратегий ввода залежей в эксплуатацию далеко не в полной мере используют возможности, предоставляемые пакетами по гидродинамическому моделированию и методами оптимизации. Кроме этого, их реализация наталкивается на ряд трудностей вычислительного характера. Приведенные в этой главе содержательные постановки и математические формулировки задач выбора оптимальной очередности и сроков ввода скважин в эксплуатацию позволяют избежать отмеченных затруднений. Математической формулировкой поставленных задач являются модели линейного булева программирования. В качестве критерия оптимальности в поставленных задачах предлагается использовать максимум накопленной добычи нефти за период ввода залежи в разработку.

Вторая глава посвящена вопросам формирования исходной информации, необходимой для решения поставленных задач. Предлагается технология использования пакетов по гидродинамическому моделированию продуктивных пластов, позволяющая оценить полезность для стадии ввода залежи как добывающих, так и нагнетательных скважин в виде некоторых потенциальных объемов добычи нефти и учесть различие в моментах (сроках) их ввода в эксплуатацию. Полученные оценки играют роль исходных параметров в моделях оптимизации очередности и сроков ввода скважин в эксплуатацию. Применение современных программных комплексов по гидродинамическому моделированию обеспечивает максимально возможный учет неоднородности продуктивных пластов, эффектов, связанных с интерференцией скважин, с их неравномерным обводнением. Предложены процедуры уточнения оценок потенциальных объемов добычи нефти взаимодействующими группами скважин. Эти процедуры используют дополнительную проектную или промысловую

10

информацию. В главе приводится теоретическое обоснование предлагаемых алгоритмов оценки потенциальных объемов добычи нефти для ситуаций, допускающих аналитическое описание процессов разработки продуктивных пластов. Показано, что в этих случаях выбор оптимальной стратегии, основанный на непосредственном расчете объемов добычи нефти для каждой стратегии ввода, совпадает с выбором оптимальной стратегии предлагаемыми методами оценки потенциальных объемов добычи нефти. Результаты численного исследования методов на примере ввода в эксплуатацию участка Восточно-Рогозинского месторождения (Тимано-Печорская провинция) показали возможность его практического использования.

Третья глава посвящена решению поставленных в первой главе задач оптимизации стратегий ввода залежей в разработку. Показано, что эти задачи, сформулированные в виде моделей линейного булева программирования, могут быть решены стандартными алгоритмами, которые используются для решения линейных задач транспортного типа. Применение таких алгоритмов значительно облегчает решение задач даже при их большой размерности. Предлагается также приближенная аналитическая процедура построения оптимальной очередности ввода скважин, не требующая применения алгоритмов оптимизации и позволяющая учесть различия в длительности ввода отдельных скважин, кустов или блоков скважин. Апробация предлагаемых моделей и методов проводилась на примере выбора стратегий ввода в разработку участка Восточно-Рогозинского месторождения. Результаты апробации подтвердили их работоспособность. В этой же главе приведено описание основных этапов методики формирования рациональных стратегий ввода, а также рассмотрены модификации методики, одна из которых предназначена для выбора очередности ввода в эксплуатацию скважин,

и

принадлежащих одному кусту (блоку), а другая - выбору оптимальной последовательности ремонта простаивающих скважин.

В четвертой главе рассмотрены возможные обобщения задач выбора оптимальной очередности и сроков ввода скважин в эксплуатацию. Обобщения связаны с учетом не только показателей, определяющих продуктивность кустов скважин, но и показателей экономического характера. Предлагаются постановка и алгоритмы решения четырех задач:

- выбора сроков ввода скважин в эксплуатацию по критерию минимума затрат, связанных с вводом скважин, при выполнении годовых заданий по добыче нефти;

- выбора сроков ввода скважин в эксплуатацию по критерию максимума накопленной добычи нефти за период ввода при выполнении ограничений на годовые затраты, связанные с вводом скважин;

- выбора очередности ввода кустов скважин в эксплуатацию с учетом затрат, связанных с разбуриванием залежи одной установкой, по критерию максимума накопленной добычи нефти за период ввода;

- выбора очередности ввода кустов скважин в эксплуатацию с учетом затрат, связанных с разбуриванием залежи несколькими установками, по критерию максимума накопленной добычи нефти за период ввода.

Сформулированные задачи относятся к классу обобщенных задач о назначениях (первые две задачи — линейного, а третья и четвертая задачи нелинейного булева программирования). Для решения двух первых задач предлагается использовать известный приближенный алгоритм, основанный на так называемом «лагранжевом ослаблении». Такой выбор обусловлен тем, что алгоритмы этого класса, за счет декомпозиции исходной задачи, хорошо приспособлены к решению задач оптимизации большой размерности. Для решения двух последних задач разработан

12

приближенный алгоритм, также основанный на лагранжевом ослаблении, но учитывающий при этом нелинейный вид модели оптимизации.

В Приложении 1 к диссертации приведены основные характеристики геологической модели Восточно-Рогозинского месторождения, в Приложении 2 - документы, подтверждающие внедрение полученных в работе результатов.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [12,28,31,32,34-37] и докладывались на IV-й Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов "Новые технологии в газовой промышленности" (Москва, 2001), V-й научно-технической конференции "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России" (Москва, 2003), 1-й научной конференции "Молодежная наука -нефтегазовому комплексу" (Москва, 2004).

Таким образом, на защиту выносятся следующие результаты работы:

1) методы оценки объемов добычи нефти различными группами скважин, учитывающие различие в моментах их ввода в эксплуатацию;

2) теоретическое обоснование применения методов линейного программирования для решения дискретной задачи выбора оптимальных моментов (сроков) ввода скважин в эксплуатацию;

3) процедура приближенного аналитического построения оптимальной очередности ввода кустов скважин в эксплуатацию;

4) обобщенные модели выбора оптимальных стратегий ввода залежей в разработку, учитывающие технологические и экономические показатели эффективности стратегий ввода;

5) алгоритм выбора оптимальной очередности ввода кустов скважин, учитывающий затраты, связанные с перемещением бурового оборудования;

6) результаты апробации предлагаемых моделей и алгоритмов.

13

Диссертация выполнялась на кафедре Разработки и эксплуатации нефтяных месторождений РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина под руководством к.т.н., доцента Т.Б. Бравичевой, которой автор выражает искреннюю благодарность. Автор также выражает свою признательность коллективу кафедры и ее заведующему, профессору И.Т. Мищенко за внимание, проявленное к данной работе.

14

1. АНАЛИЗ ОБЪЕКТА, ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Проблемы формирования рациональных стратегий ввода залежи в разработку

В настоящей работе объектом исследования является процедура формирования рациональных стратегий ввода скважин в эксплуатацию, т.е. один из основных этапов проектирования стадии ввода нефтяной залежи в разработку. Стадия ввода характеризуется интенсивным бурением, постепенным вводом скважин в эксплуатацию, непрерывным увеличением темпа разработки до максимального значения, достигаемого в конце этого этапа [39,84].

Под нефтяной залежью понимается объект разработки (эксплуатационный объект), который может состоять либо из одного продуктивного пласта, либо из нескольких пластов, объединенных общей системой разработки [84]. Если нефтяная залежь включает все пласты данного месторождения, то в этом случае понятия залежи и месторождения эквивалентны. В ином случае залежь может представлять собой автономный с точки зрения гидродинамики участок месторождения.

Под стратегией ввода подразумевается очередность, срок и темп ввода скважин (кустов скважин) в эксплуатацию [25,39]. Под периодом ввода в разных задачах можно понимать различные интервалы времени. Если, например, решается задача очередности ввода кустов, то период ввода соответствует периоду ввода всех кустов. В других задачах период ввода соответствует моменту времени, не позже которого должен быть закончен ввод проектного числа скважин (при заданной схеме размещения скважин проектное число скважин должно обеспечить вовлечение в разработку всей нефтеносной площади). В общем случае под периодом

15

ввода понимается любой заданный промежуток времени, ограниченный слева минимальным временем ввода всех скважин (при заданных буровых мощностях), а справа периодом разработки залежи. Таким образом, период ввода куста включает время, необходимое на его разбуривание и подготовку скважин к пуску. С учетом данных определений формирование стратегии ввода сводится к определению для каждого куста скважин (скважины) момента его (ее) ввода в эксплуатацию. Другими словами, стратегия устанавливает порядок ввода скважин и во времени, и в пространстве.

Стратегия ввода залежи в эксплуатацию является одной из составляющих варианта разработки. Процесс проектирования разработки месторождения направлен на достижение высоких технико-экономических показателей эффективности за весь срок его эксплуатации, что возможно лишь при высокой эффективности разработки продуктивных пластов на стадии ввода [39]. К показателям, которые могут быть улучшены за счет выбора рациональных стратегий ввода, можно отнести, например, срок окупаемости капитальных вложений. В условиях рыночной экономики этот показатель является одним из основных показателей эффективности [4]. Ошибки, допущенные при проектировании первой стадии разработки залежи, резко снижают качество всего проекта. В первую очередь, это касается проектов разработки сложнопостроенных продуктивных пластов и залежей с трудноизвлекаемыми запасами [59,61]. С 1975г. доля таких запасов возросла в 3 раза и в настоящее время составляет более 50% в суммарном балансе текущих извлекаемых запасов [58].

Формирование наиболее приемлемых стратегий ввода залежей в эксплуатацию можно осуществить, если учитывать природные, технологические и технико-экономические особенности процессов разработки нефтяных месторождений, в наибольшей степени влияющие на эффективность той или иной стратегии.

16

Показателем эффективности стратегии ввода (наряду с другими характеристиками) может служить обеспечиваемый этой стратегией объем нефти, добытой за период ввода [40]. Такой показатель пропорционален "продуктивности" участков залежи, представляющих собой области питания вводимых скважин [61]. В данном случае под продуктивностью понимается величина извлекаемых запасов этих участков. Тогда одним из основных правил формирования рациональной стратегии ввода является вовлечение в разработку в первую очередь наиболее продуктивных участков залежи, а затем - менее продуктивных [40]. В соответствии с этим в первую очередь необходимо вводить скважины, забои которых будут располагаться в наиболее продуктивных участках. Основанный на этом правиле способ выявления наилучшей стратегии ввода, часто используемый на практике, состоит в следующем. Весь нефтеносный пласт разбивается на участки, каждый из которых содержит одну определенную добывающую скважину. Обычно такой участок представляется круговым цилиндром, радиус которого равен половине расстояния между соседними добывающими скважинами, а высота - нефтенасыщенной толщине. Затем подсчитываются суммарные извлекаемые запасы нефти, содержащиеся в участках всех скважин, входящих в один куст. После этого в соответствии с приведенным правилом очередность ввода кустов строится в порядке убывания запасов нефти каждого куста.

Реализация этого способа может осложняться тем, что часто оценить продуктивность того или иного участка залежи невозможно без подробных гидродинамических расчетов, т.к. приходится принимать во внимание целый комплекс геолого-промысловых и технологических параметров (проницаемость, нефтенасыщенность, толщину пласта, расположение скважин и др.). Кроме этого, сложно оценить размеры участка, питающего ту или иную добывающую скважину.

17

Одной из причин неравномерной добычи нефти по участкам залежи является их неоднородность, т.е. различие в значениях фильтрационно-емкостных параметров и свойствах пластовых флюидов (проницаемости, начальной нефтенасыщенности, толщине пласта и т.п.) [57,80]. Причем более высокая проницаемость участка не всегда будет соответствовать и более высокой продуктивности за некоторый период. Например, в условиях очагового заводнения возможен быстрый прорыв воды к забоям добывающих скважин по высокопроницаемым пропласткам, что может негативно отразиться на объеме накопленной добычи нефти за рассматриваемый период. Кроме того, при разработке неоднородного пласта в зависимости от взаимного расположения уже введенных в эксплуатацию участков (кустов скважин) и вводимых участков (кустов) возможно изменение фильтрационных потоков, что влияет на образование застойных зон. Изменение фильтрационных потоков оказывает значительное влияние на эффективность эксплуатации низкопроницаемых карбонатных коллекторов с высоковязкой нефтью и высокопроницаемых песчаных коллекторов, насыщенных нефтью небольшой вязкости [89]. Используя тот или иной порядок ввода скважин, можно выравнивать профили притока и дренирования, что является важным при наличии слоистой неоднородности пластов [40].

В пластах с зональной неоднородностью возможна ситуация, когда включения с высокой проницаемостью остаются нефтенасыщенными и после прохождения фронта вытеснения [77]. Чтобы нефть в таких высокопроницаемых зонах оказалась подвижной, можно увеличить градиенты давлений, чего можно достичь определенной очередностью ввода скважин в эксплуатацию.

Изменение градиента давления особенно важно при насыщении пластов аномальной нефтью, вязкость которой нелинейно зависит от величины градиента давления [21,26]. Для таких пластов характерным

Список литературы