Гидродинамическое моделирование как один из основных инструментов принятия решений

Основная цель изучения пласта – предсказание его состояния и определение путей увеличения конечной нефтеотдачи. В классической теории разработки рассматривают осреднённые объекты (балансовая модель), для которых невозможно полностью учесть изменения параметров пласта и флюидов во времени и в пространстве. При моделировании с помощью вычислительных машин и качественных лабораторных исследований можно более детально исследовать пласт путём разбиения его на блоки (иногда на несколько тысяч) и применения к каждому из них основных уравнений фильтрации. Программы для цифровых вычислительных машин, с помощью которых выполняют необходимые расчёты при таких исследованиях, называются машинными моделями. Благодаря успехам, достигнутым с начала 50-ых годов в области вычислительной техники и математического обеспечения, в настоящее время стало возможным создание проверенных на практике программ для моделирования некоторых очень сложных процессов, протекающих при осуществлении различных проектов разработки. Технология моделирования пластов постоянно совершенствуется, предлагаются новые модели для все более и более сложных процессов разработки.

Моделирование нефтяных пластов – инструмент, позволяющий специалисту глубже изучить механизм нефтеотдачи. При правильном его использовании можно получить ценнейшие результаты, но вместе с тем моделирование не может заменить инженерную деятельность, очень важную при проведении всех промысловых исследований. К тому же не для всех пластов требуются сложные модели, во многих случаях на поставленные вопросы можно получить ответ при обычных промысловых исследованиях или исследованиях на очень простых машинных моделях. Машинные модели с большой лёгкостью генерируют числа. Однако в большинстве случаев правильно проинтерпретировать эти числа могут только лица, хорошо понимающие математическую, численную и машинную модели [1].

Развитие моделирования нефтяных месторождений происходило параллельно развитию вычислительной техники за последние 30 лет. Специалисты и раньше старались использовать математические методы для изучения механики нефтяного пласта, процесса нефтедобычи и выбора способа эффективной разработки месторождений. В настоящее время в результате применения методов моделирования вычислительная машина стала таким же обычным инструментом в расчётах, какими двадцать лет назад были логарифмическая линейка и арифмометр.

Разработка месторождений углеводородов представляет собой комплексную проблему, для успешного решения которой требуется привлечений знаний и опыта, накопленных в различных областях науки и инженерной практики. Применение комплексного мультидисциплинарного подхода стало особенно актуальным на современном этапе, характеризующемся с одной стороны, существенным ухудшением структуры запасов нефти газа, а с другой – созданием принципиально новых технологий в области исследования и моделирования геологического строения пласта, бурения и заканчивания скважин, использованием новых быстродействующих компьютеров для проведения сложных вычислений, геологического и гидродинамического моделирования [1].

В настоящее время нефтегазовая промышленность играет ключевую роль в экономике нашей страны. Таким образом, благосостояние государства целиком зависит от эффективности разработки месторождений полезных ископаемых.

Одним из основных инструментов для обоснованного принятия стратегических и тактических решений при разработке месторождений углеводородов является моделирование процессов извлечения нефти и газа. Каждое месторождение уникально, неправильное применение тех или иных методов воздействия на пласт может привести к неисправимым последствиям для разработки. Повышение эффективности разработки нефтяных и газовых месторождений связано как с совершенствованием техники, так и технологий разработки. Несомненно, каждая технология воздействия на продуктивный пласт до практической реализации должна быть обоснована с помощью математических расчётов на основе качественных исходных данных, полученных в ходе промысловых и лабораторных исследований.

С помощью модели получают множество выходных данных, которые специалист использует для решения различных задач. Программу моделирования можно применять для изучения характеристик пластов, содержащих одиночные скважины, группы скважин или несколько скважин, взаимодействующих как единый комплекс. Модели также широко применяют для изучения механики движения флюидов в пористой среде. Различные направления применения моделирования показаны на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема различных направлений применения моделирования

С помощью современного математического моделирования в виде постоянно-действующих геолого-технологических моделей (ПДГТМ) появляется возможность в динамике отслеживать технологические показатели разработки месторождения углеводородов. Для каждого вида месторождения и предполагаемого метода воздействия на пласт предусмотрена та или иная математическая модель, позволяющая спрогнозировать несколько вариантов разработки и выбрать наиболее эффективный вариант, опираясь также и на экономические показатели.

С ростом производительности персональных компьютеров возрастает роль численных моделей пластовых систем. Сегодня имеется достаточно большое количество программных средств в основном западных компаний: ROXAR, Shlumberger, CMG, KAPPA. В последние годы активно развивается отечественный симулятор tNavigator компании RFD. Вышеперечисленные программные продукты основаны на численном решении систем нелинейных уравнений при оценке запасов и прогнозировании показателей, основанные на следующих исходных данных:

• структурные карты кровли и подошвы пласта;

• карты эффективных толщин;

• геофизические исследования скважин и интерпретация данных исследований;

• координаты устья и забоя скважин;

• инклинометрия скважин;

• 2D-, 3D-сейсмика;

• гидродинамические исследования скважин как на стационарных, так и на нестационарных режимах фильтрации;

• гидропрослушивание скважин;

• трассерные исследования;

• термометрия скважин.

Таким образом, сегодня цифровые модели позволяют следующее:

• уточнять геологическое строение пласта и постоянно уточнять стратегию разработки месторождения на каждом этапе изучения залежи;

• успешно решать обратные задачи для нахождения и уточнения неизвестных данных;

• составлять проектные документы для защиты на ТКР и ЦКР [1].

Развитый пакет программ включает в себя несколько моделей фильтрации, которые можно использовать по выбору в зависимости от моделируемого объекта и процесса:

• модели двух- и трёхфазной фильтрации несмешивающихся жидкостей (модель нелетучей нефти);

• модель многокомпонентной фильтрации (композиционная модель);

• модель неизотермической фильтрации;

• модели физико-химических методов воздействия на пласт;

• модели фильтрации в среде с двойной пористостью и с двойной проницаемостью для моделирования процессов в трещиновато-поровых коллекторах.

На разных стадиях моделирования пласта используются специальные опции, такие как:

• масштабирование сеток при переходе от геологической модели к гидродинамической (осреднения данных геологической модели при построении и оцифровке более грубой сетки для моделирования фильтрации);

• построение сеток различных типов (блочно-центрированной, с распределенными узлами, с геометрией угловой точки, прямоугольной, цилиндрической, криволинейной, полигонов Вороного, гибкой, с локальным измельчением);

• выбор методов аппроксимации и решения уравнений (явный или неявный, прямой или итерационный, упорядочение и решение систем линейных уравнений, контроль за сходимостью);

• инициализация (моделирование начального равновесного распределения флюидов в пласте);

• расчёт эффективных фазовых проницаемостей и капиллярного давления;

• контроль за работой скважин (задание дебитов, забойных давлений, ограничений для групп скважин).

Описанные математические модели позволяют моделировать следующие основные задачи при нагнетании рабочих агентов:

− закачка холодной воды в пласт;

− закачка сухого газа (метан) в пласт;

− закачка горячей воды и пара в пласт;

− закачка кислот, щелочей, ПАВ, мицеллярных растворов в пласт;

− закачка бактерий в пласт;

− закачка воздуха при внутрипластовом горении;

− закачка растворителей.

Также позволяют моделировать следующие механизмы:

− электромагнитный прогрев;

− виброволновое воздействие.