Разработка методов комплексного проектирования размещения кустов скважин и установок подготовки газа

В настоящей работе объектом исследования является разработка алгоритмов автоматизированного формирования рациональных вариантов размещения скважин, кустовых площадок (при кустовом размещении скважин) на газовых (газоконденсатных) залежах и объектов промысловой подготовки газа. Такие алгоритмы могут являться частью математического обеспечения систем автоматизированного проектирования разработки и обустройства месторождений природного газа. Одним из основных путей повышения качества проектных вариантов являются обеспечение тесного взаимодействия моделей фильтрации и оптимизации, учет данных различного характера (измеряемых природных факторов, рассчитываемых технологических параметров и технико-экономических показателей, экспертных оценок). Именно на реализацию этого направления предлагается акцентировать исследования, представленные в данной работе.

Как известно, целью проектирования процессов освоения нефтяных и газовых месторождений являются формирование и выбор вариантов их разработки, обеспечивающих приемлемые значения технико-экономических показателей эффективности эксплуатации залежей. Одним из направлений, ориентированных на достижение этой цели, является внедрение средств автоматизированного проектирования, позволяющих расширить возможности проектировщиков за счет привлечения строгих математических методов, реализованных в виде программных комплексов, основным назначением которых является имитация поведения сложных пластовых систем при различных управляющих воздействиях и технико-экономическая оценка эффективности таких воздействий. Причем потребность в таких математических и программных средствах поддержки принимаемых проектных решений возрастает с каждым годом в связи с тем, что тенденция увеличения доли запасов углеводородного сырья, относимых к трудноизвлекаемым, сохранится не только на ближайшую перспективу, но и в будущем. Уже в настоящее время половина запасов углеводородного сырья относится к трудноизвлекаемым.

К месторождениям с трудноизвлекаемыми запасами нефти и газа относятся месторождения углеводородов, характеризующиеся сложным геологическим строением, большой степенью неоднородности и значительной глубиной залегания продуктивных пластов, неблагоприятными физико-химическими свойствами пластовых флюидов, сложными термобарическими условиями.

При проектировании таких месторождений приходится формировать значительное число исходных проектных вариантов, из которых впоследствии выбирается окончательный вариант. Поэтому в таких случаях требуется дополнять знания, опыт и интуицию проектировщиков большим объемом геолого-промысловой информации и значительным объемом расчетных данных, что с необходимостью влечет применение средств автоматизированного проектирования. Т.к. поиск рационального размещения технологических объектов (скважин, кустовых площадок, установок комплексной подготовки газа), распределения скважин по кустам относится к числу основных задач проектирования разработки и обустройства месторождений газа, то все отмеченные выше обстоятельства, прежде всего, касаются формализованного решения этих задач, что предопределяет актуальность данной работы.

Следует также отметить, что особенностью разработки и обустройства месторождений природного газа является то, что именно добываемый газ является основным «носителем» энергии, необходимой для его продвижения от пласта к головным сооружениям магистрального транспорта. Поэтому возрастает значение согласованного решения задач разработки и обустройства залежей газа, на что ориентированы предлагаемые модели и алгоритмы.

С учетом необходимости преодоления отмеченных выше проблем целью настоящих исследований является разработка автоматизированных процедур формирования схем расстановки скважин и распределения скважин по кустам, размещения кустовых площадок и установок комплексной подготовки газа (УКПГ), направленных на обеспечение высоких значений технико-экономических показателей эффективности разработки залежей природного газа.

Для достижения поставленной цели предлагается решить следующие основные задачи:

1) проанализировать существующие средства автоматизированного формирования схем размещения скважин, кустовых площадок, УКПГ и распределения скважин по кустам на месторождениях нефти и газа;

2) исследовать математические модели выбора рациональных схем размещения скважин на газовых залежах, и их модификация;

3) разработать процедуры формирования исходной информации для решения задачи размещения скважин и обоснование алгоритмов её решения;

4) поставить и математически сформулировать задачи оптимального размещения кустовых площадок и распределения скважин по кустам, размещения УКПГ;

5) разработать алгоритмы решения задач размещения кустовых площадок, УКПГ и распределения скважин по кустам;

6) провести апробацию предлагаемых моделей, алгоритмов и их программной реализации на примере проектирования разработки реальных объектов добычи газа.

Таким образом, на защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

1) комплекс моделей и алгоритмов для автоматизированного формирования схем размещения добывающих скважин, кустовых площадок, УКПГ, распределения скважин по кустам;

2) результаты численного исследования и апробации предлагаемых моделей и алгоритмов при их использовании для проектирования разработки реальных объектов добычи газа.

Исследования, представленные в настоящей диссертации базируются на трудах видных российских и зарубежных специалистов таких, как X. Азиз [1], С. Н. Закиров [28], Г. А. Зотов [33], Ю. П. Коротаев [37], Г. Б. Кричлоу [40], В. Н. Кулибанов [6], М.В. Мееров[64], Р. В. Сенюков[57], В. В. Скворцов [60], В. Р. Хачатуров [66], А. Х. Шахвердиев [67].

Основные результаты диссертации были опубликованы в работах [24, 25, 26, 42, 52, 62, 73] и представлены на VI-й Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2005), VIII-й Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2009), Международных конференциях «WGRR-10» (Москва, 2010), «12th European Conference on the Mathematics of Oil Recovery» (Оксфорд, 2010), IX-й Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2011).

Диссертация выполнялась на кафедре Разработки и эксплуатации газовых и газоконденсатных месторождений РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина под руководством д.т.н., проф. А. И. Ермолаева, которому автор выражает искреннюю благодарность. Автор также выражает свою признательность коллективу кафедры за внимание и поддержку, проявленные к данной работе.

Выводы по разделу 3.

1. С помощью гидродинамического симулятора и учетом геолого-промысловых данных выполнено построение гидродинамической модели Ханчейского ГКМ, что позволило оснастить необходимой информацией для автоматизированного формирования варианта разработки и обустройства этого месторождения.

2. С помощью предлагаемого подхода к комплексному решению задач размещения скважин, размещения кустовых площадок и УКПГ и распределения скважин по кустам сформирован вариант разработки и обустройства пластов Ханчейского ГКМ.

3. Сравнение полученного варианта с вариантом разработки и обустройства Ханчейского ГКМ, сформированного экспертами, позволяет отметить, что варианты обладают близкими значениями основных технологических показателей эффективности процессов разработки и эксплуатации газовых залежей (незначительное превосходство экспертного варианта). Таким образом, проведенные расчеты позволяют сделать вывод о работоспособности предлагаемого подхода к автоматизации процедур формирования вариантов разработки и обустройства реальных объектов добычи газа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные научные результаты выполненных исследований могут быть сформулированы в виде следующих выводов.

1. Предложены процедуры формализации эвристических правил рационального размещения скважин на газовых залежах, проверенных многолетней практикой разработки залежей углеводородов. Процедуры основаны на методе анализа иерархий, относящегося к методам многокритериального анализа. Это позволяет проводить оценку эффективности той или иной схемы размещения скважин по нескольким показателям, включающим природные, технологические и технико-экономические характеристики. С учетом особенностей конкретной залежи перечень характеристик может быть дополнен и изменен. В отличие от существующих алгоритмов аналогичного назначения, процедуры дают возможность сформировать критерий оптимальности, при использовании которого нет необходимости в проведении расчетов на гидродинамическом симуляторе при каждом изменении координат скважин в процессе оптимизации. Тем самым резко сокращается время, необходимое для поиска оптимальной схемы размещения скважин.

2. Разработана модификация метода ветвей и границ для решения задачи размещения скважин, учитывающая специфику задачи (блочный характер ограничений, наложенных на булевы переменные). Это позволяет не прибегать на каждой итерации поиска оптимального решения к алгоритмам линейного программирования, что также облегчает решение задачи.

3. Предложен алгоритм согласованного решения задачи размещения кустовых площадок и распределения скважин по кустам по критерию стоимости скважин и обустройства газового промысла. Алгоритм за конечное число итерации позволяет получить допустимое решение задачи и проверить полученное решение на оптимальность.

4. Предложены постановки задач размещения УКПГ, учитывающие потери давления во внутрипромысловой газосборной сети. Показано, что задача размещения одной УКПГ может быть сведена к перебору всех допустимых решений, а для решения задачи размещения нескольких УКПГ предлагается её преобразование к модели линейного целочисленного программирования, что позволяет для решения преобразованной задачи применить известные алгоритмы дискретной оптимизации.

Практическая ценность работы заключается в следующем.

1. Разработанные модели и алгоритмы предназначены для решения взаимосвязанных задач, начиная с расстановки скважин на газоносной площади, и, заканчивая размещением УКПГ. Тем самым реализуется принцип единого (комплексного) подхода к проектированию систем разработки и обустройства месторождений природного газа. Это, в конечном счете, повышает степень обоснованности принимаемых проектных решений.

2. Разработанные модели и алгоритмы, как средства автоматизированного формирования схем размещения скважин, кустовых площадок, УКПГ и распределения скважин по кустам на газовом промысле позволяют при фиксированных временных сроках, выделяемых на проведение проектных работ, подвергнуть анализу большее число допустимых вариантов разработки залежей. Это также способствует повышению эффективности проектирования.

3. Предлагаемые модели и алгоритмы оптимизации, реализованные в виде программного комплекса, можно рассматривать в качестве средств автоматизированной генерации предварительных вариантов разработки и обустройства, которые могут быть уточнены специалистами-экспертами.

4. Проведенное численное исследование предлагаемого подхода и его апробация на примере Ханчейского ГКМ показало возможность его использования при проектировании разработки и обустройства реальных объектов добычи газа.