Исследование и разработка метода оптимального синтеза трубопроводных нефтепромысловых сетей при проектировании разработки нефтяного месторождения

Диссертация посвящена разработке метода оптимального синтеза трубопроводных промысловых сетей, включая сети систем нефтесбора и поддержания пластового давления. В отличие от известных методов проектирования, предлагаемые модели и алгоритмы позволяют быстро и при минимальной входной информации получать качественные решения, достаточные для прямого расчета затрат на сооружение трубопроводных систем на этапе инвестиционного проектирования развития нефтепромысла.

Актуальность темы

диссертации. При проектировании новых или допроектировании действующих нефтяных месторождений выполняются два проекта: проект разработки нефтяного месторождения и на его основе проект обустройства промысла. Как правило, проект разработки выполняется в нескольких вариантах, из которых выбирается наилучший.

Первым составляется проект разработки (доразработки) месторождения [30, 43, 44]. Основное назначение данного проектаобеспечить заданную добычу нефти за планируемый период при минимальных затратах на тонну извлекаемой нефти и максимальном извлечении нефти из недр за все время эксплуатации месторождения. Проект разработки составляется на основе данных, предоставленных геологами, и данных пробной эксплуатации нескольких скважин в случае нового месторождения, или на основе данных эксплуатации действующего фонда скважин в случае планируемой доразработки месторождения. При этом учитываются следующие основные сведения:

• запасы нефти и попутного газа и их физико-химические свойства (вязкость, плотность, наличие и содержание примесей и сопутствующих веществ и др.);

• размер нефтеносной площади, ее конфигурация, число и мощность продуктивных горизонтов;

• характер залегания нефтяной залежи, наличие тектонических нарушений;

• проницаемость и пористость продуктивных коллекторов;

• минерализация и коррозионная активность пластовых вод;

• имеющаяся сетка скважин при доразработке;

• наличие водных ресурсов, шоссейных и железных дорог;

• климатические условия в районе данного месторождения.

Вычисленные на основе перечисленных сведений варианты проекта разработки определяют:

• режим работы месторождения (водонапорный, газовый и т. д.);

• планируемые коэффициенты нефтеотдачи и запроектированные методы воздействия на пласт в целях их увеличения;

• систему размещения скважин всех типов на месторождении и темпы их разбуривания;

• изменения пластового давления, дебитов эксплуатационных скважин и обводненности по годам планируемого периода.

В результате технико-экономического анализа просчитанных вариантов выбирается оптимальный вариант. Для реализации выбранного варианта проекта разработки выполняется проект наземного обустройства промысла.

Проект наземного обустройства представляет собой взаимосвязанную совокупность проектов основных и вспомогательных технологических систем, каждая из которых включает в себя промысловые объекты и сооружения и линии коммуникаций, связывающих данные объекты [13, 30, 43].

К основным технологическим системам промысла относятся:

• система сбора и транспорта нефти;

• система поддержания пластового давления;

• система автомобильных дорог;

• система энергоснабжения и связи.

Вспомогательные системы обеспечивают нормальное функционирование основных систем и промысла в целом. К вспомогательным системам относятся системы контроля и автоматизации производственных процессов, водоснабжения и канализации и др. В связи с тем, что основные технологические системы оказывают наибольшее влияние на капиталоемкость, металлоемкость, число объектов и протяженность линий коммуникаций, вспомогательные системы рассчитывают, как правило, после составления проектов основных систем.

Проект наземного обустройства промысла для любого момента времени планируемого периода определяет размещение и мощность объектов и коммуникаций технологических систем, обеспечивающих сбор, транспорт и подготовку нефти и попутного газа на месторождении в соответствии с заданным проектом разработки. Составление проекта обустройства представляет собой сложную проблему, связанную с необходимостью решения большого числа оптимизационных задач размещения объектов и проектирования сетей коммуникаций, для которых характерны такие свойства математических моделей как многоэкстремальность, нелинейность, целочисленность переменных и большая размерность. Проблема осложняется географическими и климатическими особенностями регионов, где осуществляется добыча нефти: вечной мерзлотой, заболоченностью, водными преградами, удаленностью баз стройиндустрии, необходимостью отвода земли из лесного и сельскохозяйственного фонда [13, 19, 22, 43,44].

Начиная с 70−80-х годов предпринимались значительные усилия для разработки автоматизированных систем проектирования наземного обустройства промысла, позволяющих снизить трудоемкость и сократить продолжительность проектных работ [1, 21, 32, 38, 45, 49, 50].

Одновременно разрабатывался метод комплексного проектирования разработки нефтяных месторождений, когда задачи оптимизации параметров разработки и параметров наземного обустройства связаны общими переменными и ограничениями математических моделей [7, 8, 19, 39].

При этом сложились основные принципы оптимизации наземного обустройства нефтепромыслов:

• оптимизация размещения промысловых технологических объектов и сетей коммуникаций с целью сокращения объектов строительства, протяженности инженерных сетей, площади застройки и на этой основе уменьшения трудоемкости и стоимости строительства;

• использование оборудования большой единичной мощности, укрупнение промысловых объектов, максимальное совмещение площадок под строительство различных объектов;

• совмещение трасс линейных сооружений (автодороги, трубопроводы, ЛЭП, линии связи и др.) в коридоры коммуникаций.

Одновременно разрабатывались математические методы решения оптимизационных задач проектирования систем наземного обустройства промысла. Однако, несмотря на серьезные усилия, затраченные в этом направлении, в настоящее время не существует универсальных и, вместе с тем, эффективных методов решения подобных задач для всех систем и на всех этапах проектирования.

Особое место в процессе проектирования разработки нефтяного месторождения занимает проблема оценки экономической эффективности предложенного варианта проекта разработки. Данная проблема решается в экономической части проекта разработки для последующего технико-экономического анализа вариантов и предшествует началу составления детального проекта обустройства промысла. Оценка экономической эффективности варианта проекта разработки является одним из основных критериев при выборе лучшего варианта из нескольких альтернативных вариантов.

На этапе сравнения вариантов проекта разработки нефтяного месторождения необходимо иметь оценки затрат на сооружение наземных промысловых систем, важнейшими из которых являются трубопроводные сети сбора нефти и поддержания пластового давления. На этом этапе проект обустройства промысла отсутствует, и с точки зрения проектирования систем обустройства этот этап можно рассматривать как этап инвестиционного проектирования.

Традиционно, при выполнении проекта разработки месторождения для оценки затрат на обустройство промысла использовался нормативный метод, где затраты исчислялись с использованием различных нормативов на одну скважину без предшествующего проектирования собственно сетей. Этот метод, удобный в вычислительном плане, всегда давал грубую оценку. В настоящее время ситуация с использованием этого метода стала еще хуже из-за отмены единых государственных нормативов.

Существенно более достоверный результат дает непосредственный расчет затрат на основе предварительно спроектированных сетей коммуникаций. Однако на этапе инвестиционного проектирования использовать для синтеза сетей математический аппарат, разработанный для детального автоматизированного проектирования систем промыслового обустройства нецелесообразно. Эти методы трудоемки и требуют больших объемов, детальности и достоверности входной информации. Такую информацию на этапе сравнительного анализа затрат по вариантам проектов разработки, как правило, получить нельзя.

В связи со сказанным актуальной является задача разработки специальных, эффективных в вычислительном отношении методов синтеза промысловых трубопроводных сетей для использования их на этапе инвестиционного проектирования систем обустройства.

Цель диссертации. Целью настоящей работы является разработка метода синтеза оптимальных трубопроводных сетей наземного обустройства для оценки затрат на строительство систем нефтегазосбора и поддержания пластового давления на этапе создания проектов разработки нефтяных месторождений.

Основные задачи диссертации, выносимые на защиту. Для осуществления цели диссертации оказалось необходимым решить следующие задачи:

1. Предложить и обосновать метод синтеза трубопроводных промысловых сетей, адекватный поставленной цели работы.

2. Разработать в рамках предложенного метода комплекс математических моделей и алгоритмов их решения.

3. Применить разработанные модели и алгоритмы для решения задач оптимального проектирования сетей промыслового нефтесбора и поддержания пластового давления.

4. Разработать на основании предложенного математического аппарата программное обеспечение.

5. Показать работоспособность разработанного метода путем применения для решения практических задач оптимального проектирования разветвленных сетей промысловых трубопроводов.

Областью исследований в диссертационной работе являются задачи автоматизированного проектирования разветвленных сетей трубопроводов.

Научная новизна. Разработан новый метод проектирования разветвленных трубопроводных сетей. Принципиальной особенностью разработанного метода является возможность учета ограничений на падение давлений в проектируемых сетях одновременно с нахождением оптимальной топологии данных сетей.

Практическое значение работы. Применение разработанного метода синтеза трубопроводных сетей (моделей, алгоритмов, программ) существенно повышает качество получаемых решений по оценке затрат на, сооружение основных промысловых наземных сетей при проектировании разработки нефтяного месторождения.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 5-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России (г. Москва, 2003 г.), на научной конференции «Молодежная наука нефтегазовому комплексу» (г. Москва, 2004 г.), на расширенном семинаре в лаборатории многосвязных систем Института проблем управления РАН (г. Москва, 2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы из 53 наименований. Общий объем работы составляет 111 печатных страниц, в том числе 100 страниц основного текста и 11 страниц приложений. Текст работы содержит 14 рисунков и 20 таблиц.

3.4. Выводы по главе.

1. Проанализирована технологическая схема поддержания пластового давления на нефтяных месторождениях. Проведенный анализ показал, что с точки зрения разработки метода решения задачу синтеза сети поддержания пластового давления, аналогично задаче проектирования сети нефтегазосбора, можно разбить на две подзадачи. Первая подзадача — синтез сети от распределительных гребенок до скважин, а вторая подзадача — синтез сети от кустовых центров до дожимных насосных станций.

2. Построены математические модели задач проектирования обоих подзадач. Показано, что математические модели обеих подзадач позволяют их отнести к классу задач, описанных в первой главе: к задачам проектирования оптимальных трубопроводных сетей при задании ограничений по давлениям в узлах сети.

3. Разработаны конкретные алгоритмы решения задач синтеза сетей поддержания пластового давления, основанные на методике, предложенной в первой главе диссертации для синтеза оптимальных трубопроводных сетей при задании ограничений по давлениям в узлах сети.

Заключение

.

В настоящей работе решена научно-техническая задача, заключающаяся в разработке методики, позволяющей на этапе оценки экономической эффективности предложенного варианта проекта разработки нефтяного месторождения быстро получить основные решения по трубопроводным сетям наземного обустройства промысла необходимые для прямого расчета соответствующих затрат. При этом получены следующие результаты:

1. Исследованы существующие методы оценки затрат на наземное обустройство промысла и применяемые для этой цели методы проектирования сетей основных технологических систем.

2. На основании проведенного анализа сделан вывод о том, что для решения задач проектирования трубопроводных сетей наземного обустройства целесообразно использовать метод построения последовательности планов.

3. Разработаны математические модели экстремальных задач проектирования трубопроводных сетей систем сбора нефти и поддержания пластового давления.

4. Предложена оригинальная вычислительная схема решения поставленных задач, позволяющая учесть ограничения гидравлического характера на этапе синтеза графа трубопроводной сети.

5. Разработанный математический аппарат — модели и вычислительная схема, применен для решения задач проектирования нефтепромысловых сетей систем сбора нефти и поддержания пластового давления.

6. Вычислительная схема доведена до полностью определенных алгоритмов, запрограммированных на языке Visual Basic.

7. Созданное программное обеспечение позволяет на этапе техноэкономического анализа варианта разработки нефтяного месторождения быстро и достаточно точно получить решения по трубопроводным системам наземного обустройства промысла для последующего прямого расчета затрат.

8. Данная методика опробована при решении практической задачи и применима для проектирования трубопроводных сетей различного назначения. Результаты работы переданы для использования в Управление «ТатАСУ нефть».