Системные подходы к снижению рисков при моделировании разработки нефтегазовых месторождений

Подземные нефтегазосодержащие пласты являются сложными, неопределенными и плохо формализуемыми системами, что обуславливает высокие риски при разработке и эксплуатации нефтегазовых месторождений. Модели таких пластов содержат десятки и сотни параметров, определяемых с невысокой точностью либо принимаемых инженером-разработчиком исходя из его опыта с большей или меньшей степенью достоверности. Далее, на основании прогнозов, полученных на этих моделях, принимаются решения, стоимость которых зачастую составляет миллиарды рублей.

Для снижения рисков и увеличения точности прогнозов при моделировании сложных объектов необходимо использовать весь доступный спектр расчетных инструментов. Системный подход к моделированию процессов нефтегазодобычи подразумевает создание комплекса иерархически выстроенных взаимосогласованных моделей для решения различных задач на одном и том же объекте моделирования.

В каждом случае сложность применяемой модели должна соответствовать требованиям к точности получаемого результата в соответствии с качеством исходных данных. Применение разных моделей позволяет проводить перекрестную проверку результатов и избегать длительной настройки сложных моделей за счет использования оптимальных решений, получаемых на простых моделях (движение «от простого к сложному»). В свою очередь, результаты, получаемые на детальных моделях должны уточнять простые модели более высокого уровня за счет корректировки закладываемых в них зависимостей.

Большое внимание следует уделять оптимизации алгоритмов моделирования на каждом из уровней сложности моделей, что позволит повысить точность и скорость расчетов, сократить трудоемкость моделирования, снизить вероятность появления ошибок и перенести акценты с технической подготовки моделей на анализ получаемых результатов. При этом необходимо выбирать такие инструменты для выполнения расчетов, которые позволят достичь требуемого результата вне зависимости от их первоначального предназначения. Так, в качестве альтернативы локального измельчения сетки скважин для моделирования конусообразования в поровом коллекторе можно применить алгоритмы моделирования коллекторов с двойной проницаемостью, что кратно сокращает трудоемкость подготовки моделей месторождений с большим количеством скважин.

Для максимального снижения рисков, связанных с неопределенностями геологического строения месторождения и недостаточной геологической изученностью пластов, также требуется создание инструментов количественной оценки рисков и планирования мероприятий по их снижению.

Системный подход к моделированию систем разработки месторождений подразумевает также создание и использование шаблонов применения технологий. Такие шаблоны, построенные на основе предварительно выполненных детальных расчетов, определяют области наиболее эффективного применения каждой конкретной технологии (в отличие от традиционно используемых критериев применимости), что позволяет инженеру-разработчику использовать полученный на предыдущих этапах опыт и не проводить повторные вычисления для аналогичных условий другого месторождения.

Таким образом, в условиях высокой неопределенности и больших стоимостях ошибочных решений необходимо применять иерархию моделей для каждого из моделируемых объектов с количественной оценкой рисков и оформлением результатов в виде шаблонов применения технологий.

Основная цель диссертационной работы заключается в систематизации подходов к снижению рисков при разработке месторождений за счет применения иерархически выстроенной системы моделей разного уровня сложности, оптимизации алгоритмов расчетов и использования шаблонов применения технологий для передачи полученных знаний и опыта.

Для достижения этой цели были сформулированы следующие задачи:

1. Создание модели месторождения «высокого уровня», комплиментарной полноразмерной гидродинамической модели, для оперативной оптимизации размещения горизонтальных стволов скважин по разрезу и динамики движения флюидных контактов.

2. Создание методики и алгоритма учета «тонких» прискважинных эффектов (с размерами на порядки меньшими размеров ячейки модели) в водогазонефтяных зонах в гидродинамических моделях.

3. Разработка алгоритма количественной оценки и пространственной локализации неопределенностей при детальном геологическом моделировании нефтяных месторождений.

4. Создание шаблонов применения систем контроля притока в горизонтальные скважины и определения оптимального соотношения добывающих и нагнетательных скважин в системе разработки месторождения с заводнением.

Научная новизна работы определяется следующими наиболее значимыми результатами:

1. Разработан и обоснован альтернативный локальному измельчению сетки модели подход к численному моделированию прискважинных эффектов на крупноячеистых моделях.

2. Разработана методика количественного анализа неопределенностей при геологическом моделировании и алгоритм оптимизации объема и типа исследований, проводимых на месторождении.

3. Созданы алгоритмы расчета технологической эффективности систем управления притоком в горизонтальные скважины как для выравнивания притока в резко неоднородном коллекторе, так и для случая компенсации потерь на трение в скважине для высокопроницаемого коллектора.

4. Разработан алгоритм выбора оптимального соотношения добывающих и нагнетательных скважин для обеспечения компенсации отборов жидкости закачкой воды.

Применение иерархии моделей и шаблонов применения технологий позволяет значительно сократить трудоемкость процесса проектирования разработки нефтяных и газовых месторождений, а также повысить качество принимаемых проектных решений. Данные подходы нашли отражение в стандарте ОАО «НК «Роснефть» «Подготовка, экспертиза и защита интегрированных проектов» и ряде методических указаний Компании и используются в Корпоративных научно-исследовательских и проектных институтах.

Данные подходы позволили разработать эффективные технологические решения по освоению Юрубчено-Тохомского месторождения ОАО «НК «Роснефть». Совокупность предлагаемых мер, рекомендованных на основании расчетов по представленным алгоритмам (перевод месторождения на режим гравитационного разделения фаз в пласте, закачка газа в газовую шапку, отказ от ППД водой), существенно повлияла на целый ряд технико-экономических показателей разработки месторождения.

В частности, увеличение проектных уровней добычи нефти по сравнению с ранее утвержденным проектным документом составило 79%, сокращение добычи газа — на 72%, сокращение добычи воды — на 85%, увеличение КИН — 45%. Это позволило сократить капитальные затраты на 48%, а операционные — на 17%, что привело к увеличению накопленного дисконтированного денежного потока (ИРУ) проекта на 57,4 млрд руб.

Диссертация состоит из трех глав и заключения. В первой главе рассматривается представление о применении иерархической системы взаимосогласованных моделей для решения задач различного уровня сложности.

Во второй главе рассмотрены методические основы создания и примеры реализации шаблонов применения технологий пи проектировании разработки месторождений.

В третьей главе предложена концепция и методика оценки оптимального объема исследований на основе количественного анализа рисков при освоении месторождения, а также унифицированный инструмент анализа эффективности различных видов исследований.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методы оптимизации расчетных алгоритмов при моделировании разработки нефтегазовых месторождений — применение иерархии моделей и использование алгоритмов двойной проницаемости в качестве альтернативы локальному измельчению сетки скважин.

2. Методика количественной оценки и анализа неопределенностей при геологическом моделировании для оценки рисков проекта и эффективного планирования геологоразведочных работ.

3. Шаблоны применения технологии пассивного управления притоком в горизонтальные скважины и определения оптимального соотношения добывающих и нагнетательных скважин при разработке нефтяного месторождения методом заводнения.

Основные результаты диссертации представлены в 19 публикациях, включенных в прилагаемый перечень. Содержание диссертации докладывалось на:

1. Российской технической нефтегазовой конференции и выставке SPE.

2006 (Москва, 26 — 28 октября 2006 г.).

2. XI международной научно-практической конференции «Повышение нефтегазоотдачи пластов и интенсификация добычи нефти и газа» (Москва, 25−26 июня 2007 г.).

3. Международном научном симпозиуме «Теория и практика применения методов увеличения нефтеотдачи пластов» (Москва, 18−19 сентября.

2007 г.).

4. 7-й Научно-практической конференции «Геология и разработка месторождений с трудноизвлекаемыми запасами», (г. Геленджик, 25−27 сентября 2007 г.).

5. Заседании ЦКР Роснедра (Москва, 4 декабря 2007 г.).

6. SPE/EAGE Annual Conference and Exhibition 2008 (Италия, Рим, 9−12 июня 2008 г.).

7. Российской технической нефтегазовой конференции и выставке SPE.

2008 (Москва, 28−30 октября 2008 г).

8. II Международном научном симпозиуме и выставке «Теория и практика применения методов увеличения нефтеотдачи пластов» (15−16 сентября.

2009 г.).

9. на научно-технических советах ОАО «НК «Роснефть» и дочерних обществ Компании (в 2005;2009гг). 9.

Результаты проведенных исследований вошли в стандарт ОАО «РЖ «Роснефть» «Подготовка, экспертиза и защита интегрированных проектов» и ряд методических указаний Компании, в том числе «Подготовка интегрированных проектов разработки месторождений» [1], которые были использованы Корпоративными научно-исследовательскими проектными институтами ОАО «НК «Роснефть» при подготовке более 400 проектов разработки нефтегазовых месторождений Компании.

Заключение

.

Главный результат работы заключается в разработке и систематизации подходов к моделированию нефтегазовых месторождений. Применение данных подходов позволяет:

• Существенно сократить сроки выполнения проектов на разработку месторождений.

• Повысить эффективность проектных решений.

• Производить оценку рисков на этапе проектирования и планирования программы геологоразведочных работ.

При выборе уровня сложности и детальности модели для решения конкретной задачи можно руководствоваться двумя основными принципами. Принцип соответствия модели решаемой задаче гласит, что для увеличения эффективности процесса проектирования необходимо использовать модели минимально достаточного уровня сложности. Другими словами, если существует возможность решить задачу двумя способами, нужно выбрать наиболее простое решение. В этом случае дополнительные трудозатраты на построение сложной модели являются непроизводительными и снижают эффективность труда. Другое ограничение на сложность применяемых моделей накладывает количество и качество исходных данных для моделирования. Детальная трехмерная геолого-гидродинамическая модель, построенная на недостаточном количестве геолого-физической информации, не обеспечит большую точность результата по сравнению с простыми аналитическими вычислениями и оценками.

Таким образом, в рамках одного проекта должны применяться модели разного уровня сложности для решения разных задач. Кроме того, применение разных моделей позволяет проводить перекрестную проверку результата и избегать длительной настройки сложных моделей за счет последовательного поиска оптимальных решений на простых моделях соответствующего уровня («от простого к сложному»). В иерархической системе моделей необходимо взаимное согласование разных уровней для обеспечения возможности перехода вверх или вниз по иерархии моделей до уровня, соответствующего поставленной задаче.

В данной работе рассмотрена методика построения системы моделей различного уровня сложности для Юрубчено-Тохомского месторождения ОАО «НК «Роснефть» — модели материального баланса для оперативной оценки и оптимизации темпов движения флюидных контактов и полномасштабной гидродинамической модели с применением инновационных подходов к ремасштабированию модели.

Системный подход к моделированию систем разработки месторождений подразумевает также создание шаблонов применения технологий, основной задачей которых является выделение главных факторов, определяющих эффективность применения технологии. Такие шаблоны, построенные на основе предварительно выполненных детальных расчетов, определяют области наиболее эффективного применения каждой конкретной технологии (в отличие от традиционно используемых критериев применимости), что позволяет инженеру-разработчику использовать полученный на предыдущих этапах опыт и не проводить повторные вычисления.

Шаблоны применения технологий являются моделями процесса в контексте ограничений, налагаемых практическим применением, и могут быть построены для различных элементов процесса проектирования — от отдельных промысловых технологий до систем разработки месторождения в целом. Шаблоны применения технологий являются стандартным форматом систематизации знаний, используемым в ОАО «НК «Роснефть».

В данной работе приведены методические основы и примеры создания шаблонов применения технологий как для систем управления притоком в горизонтальные скважины с оптимизацией длины горизонтального окончания, так и для определения оптимального соотношения добывающих и нагнетательных скважин в системе разработки месторождения с заводнением.

Одной из наиболее важных и одновременно сложных для выполнения задач, стоящих перед нефтяными компаниями при освоении месторождений, является определение оптимального объема и типов исследований, выполняемых на месторождении. Выполнение недостаточного количества исследований приведет к неоправданно высоким рискам и финансовым потерям (например, за счет бурения сухих скважин или недозагруженности объектов поверхностной инфраструктуры). Чрезмерное количество исследований, наоборот, позволяет избежать указанных рисков, но неизбежно приводит к снижению общей экономической эффективности проекта из-за большого объема непроизводственных затрат (исследования сами по себе, как правило, не несут своей целью добычу нефти или газа и явным образом не окупаются).

Таким образом, перед руководством любого нефтегазового проекта встает задача поиска оптимального (другими словами, необходимого и достаточного) объема исследований, по сути, представляющая собой проблему поиска баланса между затратами и будущими рисками. И хотя затратная часть на проведение исследований выделяется достаточно явно (в том числе и вмененные издержки из-за, например, простоя скважин), то «доходная» часть, то есть эффект от исследований, прямым измерениям не подлежит. Результатом этого является ситуация, когда количество исследований, проводимых на месторождении определяется, исходя из опыта руководителя проекта или размерами выделенного бюджета.

Исследования сами по себе не направлены на увеличение каких-либо производственных показателей проекта (запасов, уровней добычи нефти и газа, удельных затрат и т. д.). Единственной целью проведения исследований является снижение рисков проекта (или величины вероятных отклонений параметров разработки от утвержденных проектных значений).

В данной работе показано, что в качестве унифицированной меры эффективности любого исследования на месторождении можно принять изменение стандартного отклонения в вероятностных распределениях выходных величин, характеризующих это месторождение. Таким образом, задача определения оптимального количества, типа и места проведения исследований сводится к количественному определению стандартного отклонения распределения геологических параметров месторождения до и после проведения исследований.

Применение интегрированного подхода с использованием концепции иерархии моделей и шаблонов применения технологий позволило разработать принципиально новые подходы к освоению Юрубчено-Тохомского месторождения ОАО «НК «Роснефть». Совокупность предлагаемых решений (перевод месторождения на режим гравитационного разделения фаз в пласте, закачка газа в газовую шапку, отказ от ППД водой) в итоге существенно повлияла на целый ряд как технологических, так и экономических показателей разработки месторождения.

В частности, увеличение проектных уровней добычи нефти по сравнению с ранее утвержденным проектным документом составило 79%, сокращение добычи газа — на 72%, сокращение добычи воды — на 85%, увеличение КИН — 45%. Это позволило сократить капитальные затраты на 48%, а операционные — на 17%, что привело к увеличению накопленного дисконтированного денежного потока (КРУ) проекта на 57,4 млрд руб.

Результаты проведенных исследований вошли в стандарт ОАО «НК «Роснефть» «Подготовка, экспертиза и защита интегрированных проектов» и ряд методических указаний Компании, в том числе «Подготовка интегрированных проектов разработки месторождений». Предлагаемые подходы к проектированию были высоко оценены при прохождении экспертиз в Государственной комиссии по запасам полезных ископаемых и Центральной комиссии по разработке месторождений углеводородного сырья.

Суммируя, можно выделить следующие основные результаты данной работы:

1. Систематизирован подход к расчету эффекта от применения систем управления притоком в горизонтальные скважины как для выравнивания притока в резко неоднородном коллекторе, так и для случая компенсации потерь на трение в скважине для высокопроницаемого условно-однородного коллектора. Публикации по данному направлению исчисляются единичными работами.

2. Предложен наглядный графический инструмент выбора оптимального соотношения добывающих и нагнетательных скважин для обеспечения компенсации отборов закачкой с учетом изменения продуктивностей скважин при обводнении продукции.

3. Описана модель численного расчета положения и динамики движения флюидных контактов для месторождения, разрабатываемого в режиме гравитационного разделения фаз в пласте.

4. Разработан и обоснован инновационный подход к численному моделированию тонких прискважинных эффектов на крупномасштабных моделях при помощи введения в модель двойной проницаемости.

5. Предложен количественный подход к количественному анализу неопределенностей при геологическом моделировании и алгоритм оптимизации объема и типа исследований, проводимых на месторождении.