Е. В. Информационные модели в задачах геологического и гидродинамического моделирования

1   2   3

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТРЕХМЕРНОЙ ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ (ТРИАС)

Д.В. Булыгин

В области разработки нефтяных месторождений резко повысился интерес к построению и практическому использованию геолого-фильтрационных моделей. Он вызван с одной стороны бурным развитием вычислительной техники, когда компьютер имеется на каждом рабочем месте геолога-нефтяника, возросшим уровнем специалистов, а также необходимостью принятия сложных решений по управлению разработкой нефтяных месторождений. С другой стороны программные средства построения моделей перестали быть редкостью. Они имеются в каждом отраслевом институте и научном центре. Часть из них установлена непосредственно в нефтегазодобывающих управлениях. Однако большинство программных комплексов ориентировано на составление научно-технической документации – технологических схем и проектов разработки. Экспертные оценки показывают, что на основе современных технологий геологического и гидродинамического моделирования реально увеличение коэффициента нефтеотдачи на 5 – 10 %, а дополнительно добытой нефти – на 5 – 25 %. Достижение столь высоких показателей возможно только в случае развертывания построенных моделей на нижних уровнях нефтегазодобывающих предприятий, а также при условии наполнения моделей средствами решения производственных задач.

Опыт построения и практического внедрения многопараметрических постоянно действующих моделей, обобщающих весь накопленный опыт промысловых, региональных геофизических, петрофизических исследований и описывающих процесс трехфазной фильтрации с учетом действия гравитационных, капиллярных эффектов показал невозможность работы специалистам производственных структур в оперативном режиме. Требуется перейти с уровня глобальных моделей к моделям более низкого уровня, поддерживаемым более доступными и простыми в использовании программными средствами без потерь информативности. В этой связи особое значение приобретает разработка корпоративных программных продуктов, ориентированных на массового пользователя и предназначенных для оперативного решения производственных задач. К программным продуктам такого уровня относится трехмерная информационно-аналитическая система ТРИАС [1]. Ниже приведено описание концепции создания, история развития корпоративной системы, основные функции и методические приемы, которые, на наш взгляд, будут полезны при выполнении крупных научно-технических проектов по автоматизации производства в других народно-хозяйственных областях.


1. Общие сведения о системе ТРИАС. Система разработана сотрудниками НИИММ, Казанского университета и ООО «Венсис» при активном участии специалистов ОАО «Сургутнефтегаз», ООО «ЛУКойл-Западная Сибирь» и др. производственных организаций для контроля за разработкой залежей нефти, находящихся на различных стадиях разработки. Она является плодом многолетнего труда специалистов в области подземной гидромеханики, геологов, разработчиков, математиков, программистов. В работе над созданием алгоритмов и программ принимали участие сотрудники Лаборатории моделирования разработки нефтяных месторождений (ЛМРНМ) НИИММ Булыгин Д.В. (руководитель проекта), Булыгин В.Я. (математическая постановка задач), Насибулин В.Г., Тихонов А.С., Филатов М.Е., Кипоть В.Л., Шевченко Д.В., Клейдман Д.М., Тузова Н.В., Петухов А.А. Кроме того, большой вклад в создание алгоритмов и программ внесли ведущие ученые института – Савельев А.А., Мазо А.Б., Чекалин А.Н., Конюхов В.М., а также специалисты других подразделений института – Биряльцев Е.В, Миронов В.В., Марданов Р.Ф., Поташев К.А., Игнатьева М.А. и др.

В истории системы ТРИАС можно выделить четыре периода развития.

Первый период 1981 – 1987 гг. – это создание комплекса программных средств, работающих на больших электронно-вычислительных машинах. В комплекс входили три программы: расчета давления и насыщенности, идентификации гидропроводности и построения карт геологической зональности. С их помощью был произведен расчет показателей разработки горизонта Д1 Центрально-Азнакаевской площади, горизонтов До и Д1 Березовской площади, а также залежи № 5 Ромашкинского месторождения. Результаты расчетов были положены в основу технологических схем разработки отдельных блоков этих площадей с применением кислотных микроэмульсий. Технологические схемы утверждены на центральной комиссии разработки (ЦКР) и внедрены в производство на предприятиях АО «Татнефть», начиная с 1984 г. На рис. 1 приведены результаты одного из расчетов поля текущей нефтенасыщенности, проведенного в то время. На картах пласта До, напечатанных методом символ-проекций на начало второй (а) и завершающей (б) стадий разработки, четко выделяются области, не охваченные заводнением. Полученные результаты расчетов позволили выдвинуть тезис о том, что основным объектом воздействия, на который должно быть ориентировано применение технологий повышения нефтеотдачи пластов, должны быть запасы, не охваченные заводнением. В качестве средства, позволяющего выявить положение застойных зон, предлагалось построение имитационных систем, т. е. именно тех систем, которые в современной терминологии получили название постоянно действующих геолого-технологических моделей (ПДГТМ) [2].

Второй период 1988 – 1992 гг. – развитие программного комплекса, работающего на персональных компьютерах. Работы проводились при участии ПО «Урайнефтегаз» и ПО «Красноленинскнефтегаз». Существующие программы были переведены на работу с Dbf файлами. С появлением струйных принтеров был разработан новый графический интерфейс, соответствующий мировым стандартам. Центральным звеном системы вновь явились программы расчета давления и насыщенности (2D), программа идентификации гидропроводности и программа построения карт геологической зональности. Завершением работы был расчет карт геологических параметров и нефтенасыщенности участков Красноленинского месторождения по отдельным пропласткам.

Третий период 1992 – 1997 гг. – развитие системы, работающей на персональных компьютерах, в ПО «Сургутнефтегаз», ПО «Ноябрьскнефтегаз» и в ПО «Когалымнефтегаз». Работы проводились при участии ПО «Урайнефтегаз» и ПО «Красноленинскнефтегаз». В этот период в основу развития системы был положена концепция «графическая база данных». В соответствии с этой концепцией формировались многочисленные информационные базы данных по геологии, разработке, гидродинамическим исследованиям скважин и методам повышения нефтеотдачи пластов. Основной задачей программного обеспечения был вывод всевозможных рабочих материалов, карт, геологическитх профилей, схем корреляции, различных видов графиков, которые позволяли бы в графическом режиме оценить полноту и достоверность исходной информации и принять оперативные решения по управлению разработкой. Упор был сделан на программы расчета текущей нефтенасыщенности методом материального баланса и доли воды в потоке жидкости, которые в условиях неполноты исходной информации позволили получить результаты, приемлемые для практического использования.

Четвертый период (с 1997 г.) знаменует развитие системы непосредственно в НИИММ. Наличие мощного научного потенциала сотрудников института позволило вновь перейти к созданию наукоемких программных продуктов. Работы продолжались в ОАО «Сургутнефтегаз», ТПП «Когалымнефтегаз», АО «Татнефть». В результате была создана принципиально новая система, которая работала сначала в версии с DBF-файлами, а затем в СУБД Oracle, и реализована концепция построения постоянно действующей геолого-фильтрационной модели. Данная система в 2002 г. прошла апробацию на центральной комиссии по разработке нефтяных месторождений РФ (протокол № 2834) со следующей формулировкой: «Считать возможным использование программного комплекса ТРИАС как дополнение к имеющимся на сегодняшний день пакетам трехмерного геологического и гидродинамического моделирования в качестве оперативного инструмента геологов и разработчиков, в первую очередь в производственных подразделениях нефтедобывающих предприятий».

Система ТРИАС предназначена для мониторинга разработки нефтяных и нефтегазовых месторождений путем создания и ведения информационной базы данных, построения и актуализации трехмерных геологических и фильтрационных моделей, а также для анализа эффективности применения технологий интенсификации добычи нефти и увеличения нефтеотдачи. Ее применение представляется эффективным и на «старых» объектах с «запущенной» информационной базой. Система позволяет оценивать экономическую эффективность вариантов разработки и применения методов воздействия на пласт. Она может использоваться на различных стадиях разработки залежей нефти крупных, средних и мелких месторождений, приуроченных к терригенным и карбонатным коллекторам, осложненным тектоническими нарушениями и эрозионными врезами. В основу разработки системы ТРИАС положены следующие основные принципы.

– хорошая совместимость с другими моделирующими системами и базами данных;

– построение трехмерной структурированной по пропласткам геологической модели в интерактивном режиме;

– построение фильтрационной модели на сетке геологической модели;

– возможность подсчета начальных, текущих и остаточных балансовых и извлекаемых запасов по залежам, блокам и отдельным скважинам по пласту и отдельным пропласткам;

– наличие задачи определения эффективности методов увеличения нефтеотдачи (МУН), для решения которой предложена методика расчетов по так называемому «кубу эффективности»;

– простота пользовательского интерфейса, ориентированного на освоение моделирующей системы широким кругом промысловых геологов, возможность оперативного получения конечных результатов.

К корпоративным программным продуктам предъявляются требования обязательного решения широкого спектра задач и создания разнообразного пользовательского интерфейса. Схематично приведем возможности системы ТРИАС:

– работа в автономном или сетевом режиме;

– просмотр и редактирование базы данных по геологии, разработке, гидродинамическим исследованиям скважин, геолого-техническим мероприятиям и т. д.;

– ввод и корректировка контуров и границ для последующего использования;

– геометризация залежи и построение сеток;

– визуализация каротажных диаграмм и построение схем корреляции;

– расчет трендов газо- и водонефтяных контактов;

– расчет, просмотр и печать результатов построения геологической модели (структурные карты, карты параметров, карты запасов и т. д.);

– расчет, просмотр и печать карт разработки (плотностей отбора нефти, воды, жидкости, темпов отбора, зон влияния закачки, пластовых и забойных давлений и т. д.);

– расчет, просмотр и печать результатов построения фильтрационной модели (карты идентифицированной гидропроводности, восстановленных пластовых давлений, прогнозной нефтенасыщенности и запасов);

– подсчет начальных, текущих, остаточных запасов нефти пласта, произвольного участка и областей скважин;

– прогноз остаточной нефтенасыщенности, неизвлекаемых запасов и текущих извлекаемых запасов по критерию предельной обводненности продукции;

– расчет полей скоростей фильтрации;

– трехмерная визуализация геологического строения природного резервуара;

– построение графиков разработки и коэффициентов нефтеизвлечения по залежи в целом и по произвольным блокам;

– формирование выборок для скважин по заданным параметрам (обводненности, дебитам, нефтенасыщенности и т. д.);

– прогноз технологических показателей разработки (нефтенасыщенности, давлений, отборов нефти и воды) численными методами;

– трехмерная визуализация текущей выработки пласта заводнением;

– возможность получения таблиц и 3D визуализация параметров, характеризующих эффективность методов воздействия на пласт;

– расчет таблиц по текущим и прогнозным показателям разработки;

– вариантные расчеты технологического эффекта от применения полимерного заводнения и его модификаций;

– подготовка выходных табличных документов в соответствии с отраслевыми Руководящими документами.

Последняя версия системы ТРИАС (Oracle) состоит из пяти основных модулей, каждый из которых включает ряд программ: ТРИАС-База, ТРИАС-Карта, ТРИАС-Пилот, ТРИАС-Отчет, ТРИАС-Экономика, а также трех встроенных систем. Это подсистема интерактивного создания структурированной по пропласткам геологической модели, подсистема построения двухфазной фильтрационной модели и подсистема оценки эффективности МУН.


2. Организация информационной базы данных. Информационно-аналитическая система ТРИАС реализует различные варианты работы с базами данных. Сюда относится возможность импорта информации на магнитных носителях из различных источников, в том числе из табличных форматов DBF, Excel, ODBC, из геофизических форматов LAS, SEG-Y, из графических векторных и сеточных форматов MIF, SHP, GRD.

Данные принимаются в различных форматах. Возможен также прием информации готовых ПДМ, построенных в других системах, через форматы ECLIPSE. Строение базы данных позволяет вносить коррективы в информацию по скважинам, имеющим неправильные замеры кривизны ствола, отбивок ВНК, а также проверять правильность отбивки отметок кровли и подошвы пласта и других характеристик, а также интегрировать и проверять информацию, получаемую из различных структурных подразделений нефтегазодобывающих управлений и сервисных организаций. Центральным модулем, без которого невозможно функционирование системы в целом, является ТРИАС-База. Он ориентирован на работу с промышленными базами данных Oracle 8x/9x и Oracle Lite. Модуль обеспечивает поддержку многопользовательской и однопользовательской версий.

Модуль ТРИАС-База (отв. исполнитель Е.В. Биряльцев) интегрирует в себе все операции с базой данных, выполняемые при эксплуатации системы ТРИАС. Он содержит набор возможностей для того, чтобы обеспечить движение информации от исходных данных через последовательную обработку на специализированных рабочих местах к выводу ее во внешние информационные системы. ТРИАС-База обеспечивает согласование разнообразных потоков данных, ведение версий информационных ресурсов, преобразование форматов информации, контроль доступа к информации. Проектная база первичных ТРИАС данных включает возможности приема данных каротажа, инклинометрии, сейсморазведки, промысловые данные по закачке, добыче и результатам исследования скважин, информацию по датам и видам геолого-технических мероприятий и т. п. Из первичной информации по скважинам, носящей, в основном, табличный характер, данные преобразуются в результаты расчетов по модели в файлы сеток, а также в 2.5D- и 3D-форматы.

Состав входной информации может быть различен для разных нефтяных компаний в зависимости от существующих баз данных, имеющихся обрабатывающих систем, организационной структуры компании и других факторов. Движение информации в системе начинается с импорта информации, затем производится контроль и редактирование данных, проводятся операции по преобразованию единиц измерений и замене кодировок словарных значений. Здесь же организован ввод данных, отсутствующих в электронном виде. Построенные в системе ТРИАС геологическая и фильтрационная модели пласта могут быть экспортированы для дальнейшего анализа и оформления во внешние геоинформационные системы. Модуль ТРИАС-База поддерживает экспорт цифровых моделей в системы Surfer, ArcView и MapInfo. Модуль ТРИАС-База поддерживает и более сложные операции с графическими форматами.

Поскольку система ТРИАС является многопользовательской системой, в модуле ТРИАС-База реализованы функции управления пользователями системы, которое сводится к предоставлению им прав на чтение и изменение тех или иных видов информации.


3. Визуализация информации и интерактивный доступ к моделирующим подсистемам. Получение объемного и различных видов плоскостных изображений продуктивного пласта, а также доступ к моделирующим подсистемам осуществляется посредством модулей ТРИАС–Пилот и ТРИАС-Карта.

Модуль ТРИАС–Пилот (отв. исполнитель В.Г. Насибулин) используется для построения реалистичных самосогласованных трехмерных (3D) гидродинамических и геологических изображений (в частности, трехмерных карт и поверхностей) в полном объеме в реальном масштабе времени. Он написан с использованием API OpenGL – современного мультиплатформенного средства создания произвольных трехмерных изображений. Разработанные алгоритмы позволяют осуществить быстрый доступ к трехмерным объектам, хранящимся в базе данных, визуализацию этих объектов на экране монитора, различных манипуляций с этими объектами в реальном масштабе времени.

В систему ТРИАС-Пилот интегрирована подсистема построения геологических моделей с одновременной визуализацией промежуточных стадий моделирования в трехмерном режиме. Это позволяет привлечь знания и интуицию геолога для разрешения сложных ситуаций. Трехмерная модель искажена наличием ошибок в исходных данных, которые могут появляться, например, по причине некачественных замеров кривизны ствола скважины (ошибка измерения), неверной отбивки геологом положения кровли и подошвы пласта (ошибка интерпретации). Выделение регионального тренда с привязкой к опорной сейсмической поверхности позволяет выявить на ранней стадии построения модели ошибки исходной информации различной природы и временно исключить эти данные из расчетов. В трехмерном отображении ошибочные данные проявляются в виде «подвешенных» скважин, занимающих аномально приподнятое или опущенное положение относительно поверхности тренда.

Предоставленная возможность просмотра и корректировки некорректных данных на этапе построения крупных сеток (региональный тренд) с последующим переходом к построению мелких сеток существенно улучшает качество модели. Интерактивный режим построения модели позволяет быстро выявить и устранить из расчетов ошибки в различных типах данных и определить основные пространственные черты строения залежи. Такая методика дает возможность быстро получить достоверную геологическую картину, даже в условиях некорректной входной информации.

При построении моделей нефтяных залежей используются модели слоистых структур, представляемые в компьютере в виде структурных поверхностей. Для этого используются согласованные между собой структурные карты по кровле и подошве с заменой всех параметров (проницаемости, нефтенасыщенности и т. д.) средними или эффективными величинами. Такие модели имеют размерность 2.5D, поскольку основным элементом представления являются структурные поверхности и двумерные сетки. Для реализации такого подхода в системе ТРИАС имеется возможность построения детальных схем корреляции с выделением эталонных скважин для запуска автоматизированной процедуры выделения пропластков, которая осуществляется специальной программой.

C помощью ТРИАС–Пилота можно увидеть трехмерное строение пласта в виде трехмерной блок-диаграммы с выделением водонефтяной (рис. 2, а), чисто нефтяной (рис. 2, б) зон, а также в виде фэнс-диаграммы (рис. 2, в); визуализировать геологические, геофизические, технологические данные, а также любые их комбинации; использовать эффекты анимации в анализе изменения текущей нефтенасыщенности при воспроизведении истории разработки и прогнозе показателей на перспективу, масштабировать изображение в горизонтальном или вертикальном направлениях.

Кроме того, в ТРИАС-Пилоте предусмотрена возможность работы с отдельными участками и областями скважин. По ним возможен подсчет начальных и текущих балансовых и извлекаемых запасов нефти на любой момент времени. Одновременно производят расчет площади выбранного участка и формирование таблицы по средним значениям эффективной нефтенасыщенной толщины, начальной и текущей нефтенасыщенности, пористости и другим параметрам.

В модуле ТРИАС-Пилот реализован удобный и эффективный механизм древовидного выбора в панели настроек, предоставляющий полный контроль над отображением информации пользователя.

Модуль ТРИАС-Карта (отв. исполнитель М.Е. Филатов) позволяет работать с векторной картой и геофизическими данными в интерактивном режиме и включает средства быстрого перемещения и поиска скважин по карте. Всего имеется возможность расчета, просмотра на экране монитора и печати по меньшей мере 12-ти видов геологических карт, 10 карт разработки и 7 видов карт, рассчитанных по фильтрационной модели, в том числе по пропласткам. На рис. 3 приведен пример построения структурной карты с разломами одного из нефтяных пластов. В модуле предусматривается древовидная структура режимов выхода в разные области по простиранию (регионы – месторождения – насосные станции – участки) и разрезу (пласты – пропластки). ТРИАС-Карта служит удобным инструментом визуализации картографических данных, построенных при создании различных моделей. В модуле ТРИАС-Карта пользователю предоставлена возможность просмотра, печати карт, настройки цветовой палитры и шкалы карт. Модуль включает возможность выбора вида режима работы с картами, диаграммами Вороного, скоростями фильтрации, областями влияния закачки и т. д.


4. Вспомогательные модули системы ТРИАС. Вспомогательными модулями, созданными для реализации собственно информационных функций, служат ТРИАС-Отчет и ТРИАС-Экономика (отв. исполнитель А.Х. Бикмуллин).

Модуль ТРИАС-Отчет используется для формирования выходных табличных приложений в соответствии с требованиями отраслевых руководящих документов на создание постоянно действующих геолого-технологических моделей и геолого-промысловый анализ разработки нефтяных и газонефтяных месторождений [2 – 4], а также генерации выходных табличных приложений в соответствии с формами отчетности НГДУ. Выбор варианта расчета по каждой группе отчетов, просмотр и печать выбранного документа осуществляются в Microsoft Excel и Seagate Crystal Reports. Модуль ТРИАС-Отчет работает в совокупности с другими модулями системы ТРИАС и позволяет по результатам построения модели сформировать табличные формы, предусмотренные требованиями подсчета запасов, обоснования коэффициентов нефтеизвлечения, составления технологических схем и применения методов повышения нефтеотдачи пластов. Табличные формы отчетности могут быть получены по зонам, блокам и залежи в целом.

Модуль ТРИАС-Экономика включает программы расчета экономических показателей разработки нефтяных месторождений и применения методов повышения нефтеотдачи пластов. Основные функции и возможности, реализованные в модуле ТРИАС-Экономика, – это расчет экономических показателей в соответствии с регламентом [4]. Кроме того, предусмотрена возможность оперативной корректировки пользователем исходных показателей посредством удобного графического интерфейса для изменения удельных показателей, технологических показателей и показателей внешней среды. Конечной целью экономической оценки вариантов разработки является выбор наилучшего варианта, обеспечивающего целесообразность промышленного освоения проектируемого объекта и наибольшую эффективность нефтедобычи. Сравнение различных вариантов производится на основании потока денежной наличности.