Современные возможности компьютерного моделирования геологических и гидродинамических процессов при разработке нефтяных месторождений

Недостаток расчетов неустановившихся, меняющихся во времени процессов, например таких, как разработка нефтегазовых месторождений, когда изменение режимов закачки или отбора в одних скважинах существенно влияет на аналогичные режимы в других скважинах, имеющих с первыми гидродинамическую связь (сообщаемость), на электрических (аналоговых) интеграторах заключается в их громоздкости, большой продолжительности во времени, и как следствие, значительным запаздыванием по отношению к меняющимся граничным условиям.

Значительное быстродействие при решении подобных задач может быть достигнуто с помощью цифровых электронно-вычислительных машин благодаря замене вычисления непрерывных функций какого-то процесса на вычисление его дискретных значений на малых интервалах времени.

Причем по мере роста быстродействия и оперативной памяти этих вычислительных устройств удается решить наиболее сложные многопараметрические зависимости на основании применения к ним методики вычисления конечных разностей или наименьших квадратов.

Рисунок 8 - Электролитическая ванна

Рисунок 9 - Истинное распределение напряжения вдоль прямой А Б (а) и его аппроксимация (б).

Рисунок 10 - Разрез призабойной зоны сква­жины (а) и электрическая ванна (б), моделирующая призабойную зону

Рисунок 11 - Электрическая сетка для решения задач

уравнений Пуассона.

Благодаря высокому быстродействию все математические операции в цифровых ЭВМ удалось свести к двум арифметическим действиям: сложению и вычитанию.

Ввод и вывод информации и необходимых данных, а также их хранение в ЭВМ осуществляется с помощью магнитных носителей (лент, дисков и т.п.).

Ввод и вывод команд на выполнение тех или иных операций осуществлялся на ЭВМ старой (ламповой) модификации с помощью перфокарт либо перфолент. На ЭВМ нового поколения (персональных) – с помощью программ записанных на твердых носителях, которые выбираются и запускаются оператором через клавиатуру.

Причем ЭВМ нового поколения позволяют работать оператору с машиной в диалоговом режиме, что дает возможность своевременно вмешиваться в процесс решения задачи, либо менять ее условия, если решение по каким-то причинам не удовлетворяет оператора.

Современные геофизические методы служат основой создания многопараметровой базы данных, как основы математического моделирования технологических процессов в нефтегазодобыче.

При этом база данных может быть двух типов:

- дискретная база данных, которая формируется на основе геологических (стратиграфических), петрофизических, гидрогеологических, геофизических и промысловых данных;

- интегральная база данных, которая формируется на основе объемных методов геофизической исследований (сейсморазведки, гравиразведки, электроразведки и магниторазведки).

В настоящее время начинает получать широкое распространение термин

- «Интегрированная интерпретация», который представляет название компьютеризованной технологии сбора, обработки интерпретации геолого-геофизических данных с конечной целью создать цифровую модель месторождения углеводородов.

Целью ИИ является извлечение необходимой информации из данных геологии, геофизики и бурения, приведение информации к единым единицам и масштабам измерения, представление этих данных в цифровой и графической форме, синтез качественно новых емкостных и фильтрационных свойств, описывающих модель резервуара и залежи для единой по всем методам сетки измерений. Техническими средствами для осуществления ИИ являются рабочие станции, желательно с несколькими графическими дисплеями, с помощью которых интерпретатор интерактивно (т.е. в графическом диалоге) выполняет необходимые операции. ИИ отличается от существовавшего ранее традиционного комплексирования геофизических методов тем, что в качестве результата получается модель конкретных пластов месторождения в виде документов (структурных карт определенного горизонта, карт толщин, пористости, границ контуров залежи и т.д.), а не аномалии типа "залежи", которыми обычно обозначали результат комплексной интерпретации.

В процессе ИИ могут быть созданы несколько видов моделей в зависимости от этапа работ. Для подсчета запасов, доразведки месторождения и создания постоянно действующей модели месторождения (геологический мониторинг) может быть разработана геологическая модель с предельной детальностью, которую допускают методы ГИС по вертикали и сейсморазведка по горизонтали.

Для управления процессом добычи и повышения нефтеотдачи на этапе эксплуатации создают фильтрационную модель разработки месторождения на основе геологической модели.

По-видимому, можно говорить и о других, последующих, вариантах модели месторождения в процессе его подготовки к разработке. Например, экономическая модель разработки, инженерная модель обустройства месторождения, модели управления добычей и т.п. Все они связаны между собой, но основной является геологическая модель, т.к. если она неадекватна, то остальные модели часто оказываются просто несостоятельными со всеми вытекающими экономическими последствиями.

Понятие "компьютерная модель" означает, что месторождение количественно описано на компьютерном языке в терминах систем управления базами данных или файловых систем и хранится в памяти компьютера, т.е. данные могут быть многократно воспроизведены, изображены или модифицированы. Роль сейсморазведки и ГИС является определяющей, поскольку именно эти два метода обеспечивают установление глубины, пространственной формы, литологических и фильтрационных свойств резервуара. ГИС обеспечивает детальное описание положения и петрофизических свойств пластов по траектории скважин, а сейсморазведка - их пространственное межскважинное описание. Кроме того, сейсморазведка дает недостающую информацию о вертикальных плоскостях тектонических нарушений.

Почему не другие методы, например, электроразведка, гравиразведка? Потому что точность, детальность и разрешающая способность сейсморазведки в несколько раз превышают возможности других методов. А в сочетании с ГИС и применением геологических методов интерпретации, например, стратиграфии, тектоники, седиментологии, сейсморазведка позволяет решать задачи детального описания пласта в пределах точности, требуемой при подсчете запасов в зависимости от промышленной категории.

Сегодня более или менее ясна последовательность моделей нефтегазоносных объектов, необходимых на разных этапах при исследовании с опоискованием и вплоть до разработки. Это структурные, стратиграфические, формационные, литофациальные, емкостные и, наконец, фильтрационно-емкостные модели, используемые при моделировании природных резервуаров. Роль отдельных моделей или их совокупностей определяется решаемой задачей. Интегрирование моделей реализуется в рамках различных концепций единой геологической модели.

Сейсморазведка и ГИС являются основой построения всех видов моделей. "Компьютерные модели" - это новый термин, не имеющий, на наш взгляд, какого-либо нового или даже свежего геолого-геофизического содержания. Новое здесь состоит главным образом в системной организации всех видов данных по перечисленным моделям, в их взаимодействии, т.е. в организации, пригодной для интегрированной интерактивной интерпретации. Технология моделирования резервуаров, включает гидродинамическое моделирование фильтрационных процессов перетока жидкости в продуктивном пласте, а, следовательно, и геологическое моделирование.

Из сказанного выше ясно, что моделирование резервуара можно считать завершающей стадией ИИ. Однако приходится констатировать, что в известных системах ИИ интегрирование пока не «зашло так далеко» и является обещанием, а не фактом. Системы ИИ представляют собой совокупность пакетов и интерактивных технологий, а не содержательно интегрированную систему, нацеленную на единую геологическую модель резервуара.

ИИ имеет то преимущество, что она значительно повышает надежность и детальность результата. Надежность интерпретации возрастает, если сходятся данные независимых методов, основанных на измерениях различных геофизических полей: сейсмических, электрических, радиоактивных и др., в различных частотных диапазонах. Детальность обеспечивается взаимным дополнением методов, имеющих различную разрешающую способность, например, ГИС - по глубине, сейсморазведка - по площади.

По поводу новых свойств, не реализуемых при простом суммировании результатов, односложно ответить невозможно. Простой ответ состоит в том, что применение геофизических рабочих станций позволяет получить новую информацию за счет наложения цветокодированных разрезов или структурных карт на тектонические схемы или корреляционные разрезы ГИС. Возникает новое качество, когда интерпретация данных многократно упрощается и улучшается. Пересечение разных методов возникает на разных стадиях и в разных сочетаниях. В конечном итоге создается новое качество по мере выполнения отдельных этапов интегрированной интерпретации.

Как частный поясняющий пример назовем операции, где многократно используются ГИС при интерпретации сейсмических разрезов:

- стратиграфическая увязка волн и пластов;

- одномерное моделирование и расшифровка структуры сигнала от тонкослоистой пачки;

- корреляция волн вдоль горизонтов, построение карт свойств пластов.

В одном случае достаточно каротажной кривой, в другом нужны абсолютные отметки пластов, в третьем необходимы измерения петрофизических характеристик пластов.

По мере приближения к конечному результату на промежуточных этапах каждый раз заново уточняются и согласовываются независимые данные. В итоге рождается геологическая модель, которую каждый отдельный метод создать не в состоянии.

Программное обеспечение для ИИ создано компаниями GеоQuеst, GGG, LANDMARK, Western Atlas. В России в создании систем ИИ лидируют Центральная геофизическая экспедиция и ВНИИгеофизика, ОАО «Сигма» (г.Москва).

На Западе существует сильная конкуренция на рынке интерпретирующих систем, и любое новшество - будь то новый алгоритм инверсии или трехмерная визуализация горизонтов - с запаздыванием в полгода появляется у всех. По этой причине принципиальная разница между системами состоит не в функциональном наборе операций, а в цене и различии графического дизайна.

В России из-за существовавшего долгое время запрета КОКОМ на поставки новейших компьютеров создание программных систем под ОСUNIХ значительно отставало. Но зато под операционной системой MSDOS на персональных компьютерах известные российские системы алгоритмически и функционально значительно различаются между собой и содержат интересные решения и возможности, отличающие их от западных прототипов.

Ограничения западных систем обычно связаны с тем, что из-за большой наукоемкости и трудоемкости интегрированные системы создаются на основе компиляции разработок отдельных компаний. Если передача данных из одной программы в другую может вызывать проблемы, то о технологической интегрированной интерпретации и говорить не приходится. Хотя эти факты западными компаниями тщательно маскируются, они легко распознаются грамотными специалистами при первом же опыте знакомства с системами.

У нас в России ЦГЭ пытается создать интегрированную систему, не имеющую подобных недостатков. Будем надеяться, что существующая сегодня ограниченность финансирования будет преодолена, и в России скоро появятся программные продукты, не уступающие западным. Для этого есть серьезный задел в виде почти готовых подсистем ГЕРМЕС, ИНПРЕС, ИНГИС (ЦГЭ), ГИНТЕЛ-2 (ГЕРС). ЛАУРА-3 (ВНИИнефть).

Технической базой этих систем являются рабочие станции SunSPARC моделей 5 или 20, а также IBM RISC/ 6000 моделей 250 и выше. Почему именно эти компьютеры?

Они имеют оперативную память в десятки мегабайт и дисковую память в несколько гигабайт, позволяющую хранить сейсмические кубы и десятки и сотни сейсмических профилей. Еще более важно то, что графическое отображение геологической информации (в т.ч. трехмерное) обеспечивает требуемое качество цветовой палитры (не менее 8 бит на пиксел), высокую разрешающую способность (1280 х1024 пиксела), а также графический оконный диалог (интерфейс) для управления интегрированной интерпретацией (OSF Motif). Нужно добавить способность этих машин работать в сети. Это означает, например, что сейсмический куб можно держать на сервере, сложные расчеты тоже вести на сервере, а с интерпретацией сечений этого куба можно одновременно работать нескольким интерпретаторам на станциях-клиентах. Очень важна, конечно, возможность ввода и архивирования данных с магнитных лент различных типов (3480 и Eха-bуte, стримеров) и вывод результатов на ленты и плоттеры форматов А0, А3.

К сожалению, эти возможности (графика, сети, ленты, плоттеры) или отсутствуют на персональных ЭВМ, или технически значительно уступают рабочим станциям (по памяти, диалогу, графике, сетям).

Именно эти причины объясняют столь высокий интерес геофизиков к рабочим станциям Sun и IBM. ИИ, как следует из всего сказанного выше, является этапом обобщения и анализа наиболее информативных методов. Но, что важно, должна существовать обратная связь между полученным результатом - геологической моделью данного этапа разведки, и проектированием полевых работ, нацеленным на уточнение модели месторождений, территории и осадочного бассейна в целом. Пока на практике эта обратная связь действует неэффективно.

ИИ - это средство для тех, кому нужно решать, где и сколько добыть нефти и газа. Раньше это решало государство в лице министерств, сейчас - нефтяные компании. Отсюда вывод - построение геологических моделей месторождений необходимо выполнять прежде всего в нефтяных компаниях. Но российские компании еще к этому не готовы, а геофизические организации уже этого делать не могут, поскольку деньги и исходная геолого-промысловая и скважинная информация, как правило, находятся у нефтяников. По-видимому, многие это понимают, и нас, похоже, ждут кардинальные перемены. Но с другой стороны, лучшие научные кадры в России, да и на Западе, сосредоточены в геофизических компаниях, и именно там создаются лучшие программные разработки. Пока же можно определенно утверждать, что российские геофизические компании переживают тяжелые времена.

Можно сформулировать некоторые общие выводы, об эффективности ИИ:

Прежде всего, в данной технологии комплексирование геофизических методов приобретает более глубокий смысл. Нацеленность на единую конечную цель и необходимость взаимного использования данных разных методов не только на конечном, но и на промежуточных этапах получения и анализа необходимой информации объективно будут способствовать развитию физических основ методов в направлении согласованности масштабов исследований и повышения их разрешающей способности.

Немаловажную роль имеет то обстоятельство, что основу ИИ составляет компьютерная технология обработки, анализа и интерпретации геофизических данных в ее интерактивной модификации. Таким образом, на смену конвейерной, поточной обработке геофизических данных приходит новая технология, в которой геофизик перестает быть статистом и начинает участвовать в творческом процессе получения принципиально новой информации о среде.

Направленность на конечную геологическую цель - изучение этой среды - требует от геофизика определенных геологических познаний и умения использования априорных геологических данных. Подобная "геологизация" геофизики, безусловно, пойдет ей на пользу и будет стимулировать развитие более практичных и пользующихся спросом способов и методик геофизической разведки.

Успехи поисков, разведки и разработки нефтяных и газонефтяных месторождений в значительной мере определяются степенью достоверности геологических моделей, положенных в основу геологоразведочных работ. Очевидно, что геологическая модель фактически является результатом этих работ т. е. следствием геологоразведочного процесса.

Как правило, по мере получения новых результатов наблюдений модель уточняется. Таким образом, образуется как бы замкнутый круг: знание модели необходимо для успешного проведения геологоразведочных работ, геологическая модель является следствием этих работ.

Данное противоречие можно избежать, если под моделью на этапе постановки геологоразведочных работ понимать знание седиментационной обстановки формирования этажа разведки. В этом случае при управлении геологоразведочными работами геолог имеет возможность опираться на законы седиментологии для обоснования заложения горных выработок (скважин) и для проектирования геофизических работ. Информация о формационно-фациальной принадлежности этажей поисков и разведки на начальном этапе может быть получена из региональных исследований и результатов детального геологического моделирования на разведанных месторождениях района. При такой постановке задачи в процессе геологоразведочных работ уточняются особенности и детали выражения конкретной фациальной обстановки на данном конкретном месторождении, определяющей характер распространения в пространстве пористых сред, их фильтрационно-емкостные свойства (безусловно, кроме перечисленных особенностей необходимо учитывать и влияние постседиментационных процессов на ФЕС пород). Это означает, что возможно получение ответа на вопросы: откуда поступал обломочный материал, как он транспортировался, по какой причине откладывался.

Таким образом, знание фациальных обстановок и конкретных их типов на изучаемом месторождении позволяет с большей достоверностью прогнозировать области развития проницаемых зон, оперативно принимать обоснованные решения по мере поступления новых материалов.

Данная постановка задачи аналогична проблеме поисков рудных месторождении, когда методика геологоразведочных работ жестко определяется предполагаемым генетическим типом оруденения.

В отличие от поисков рудных месторождений, где геолог имеет значительно большие возможности доступа непосредственно к "каменному материалу" при поисках месторождений нефти и газа существенную роль играют косвенные методы - методы промысловой и полевой геофизики. Поэтому успех геологоразведочных работ на нефть и газ во многом определяется глубиной и качеством геологической интерпретации данных геофизических методов.

Геологическая модель месторождения является основой для решения двух главных задач:

- управление запасами на этапах поиска, разведки и разработки месторождений:

- геологическое обеспечение разработки месторождений на этапах проектирования систем разработки и управления разработкой.

В зависимости от решаемых на этих этапах задач требования к геологическим моделям различны. Это приводит к нечеткости в определении, что такое геологическая модель.

В большинстве случаев объемный метод подсчета запасов на этапе поисков и разведки дает достаточно хорошие результаты. При этом для расчетов по объекту разработки определяются средние эффективные толщины и средние параметры. Однако даже на стадии разведки подобный подход иногда приводит к большим ошибкам.

Применительно к решению задач разработки месторождений требуется высокая детальность геологической модели. Без знания детального строения геологической среды невозможны эффективное управление разработкой и учет остаточных запасов. В целом применительно к решению задач разработки месторождения цифровая геологическая модель является составной частью геолого-технологической модели. Последняя включает цифровую базу данных, цифровые геологическую и гидродинамическую модели.

В качестве иллюстрации сказанного рассмотрим два примера.

На рисунке 12 приведена принципиальная геологическая модель пласта ПК19 одного из нефтегазовых месторождений Тюменской области, сложенного русловыми отложениями, включающими законченный парагенетический ряд литотипов седиментационного цикла. На рис.12,а видно, что укрупненная модель, построенная по эффективным толщинам объекта ПК19, приводит к модели пластовой залежи с меняющимися толщинами от 5 до 25 м. На рисунке 12,б приведена модель нижнего наиболее опесчаненого цикла основного русла пласта ПК19. На рисунке 13 представлен пример каротажных кривых двух скважин, подтверждающий полное латеральное литологическое замещение глинами песчаного тела нижнего седиментационного цикла пласта ПК19. Эта модель четко отражает типичный для русловых отложений шнурковый характер распределения песчаных тел, разделенных по латерали глинистыми перемычками. Соответственно для каждого из приведенных типов моделей требуется своя система разработки. Из данного примера следует, что для получения оптимальной схемы разработки требуется построение детальной геологической модели строения песчаных тел элементарных седиментационных циклов и разделяющих их глинистых экранов.

На рисунке 16.а,б представлена геологическая модель циклов 1 и 2 пласта БП6 этого месторождения, построенная по результатам седиментационного анализа и комплексной геологической интерпретации данных 3D-сейсморазведки и ГИС. В пределах рассматриваемого участка месторождения песчаные тела циклов 1 и 2 формировались в дельтовой системе. Запасы, оцененные в пределах циклов 1 и 2 при построении детальной геологической модели дифференцированным методом, оказались на 60% ниже полученных ранее при подсчете запасов объемным методом. Очевидно, что подобное различие в оценках запасов требовало объяснения.

Различными при решении задачи, кроме методов подсчета запасов, были положение ВНК и значения средних параметров. Оценка запасов объемным методом по полученным нами средним параметрам и положению ВНК привела к различию в 29%. При ВНК, принятом при первом подсчете запасов, объемный метод дал различие в запасах в 37%. Оценка запасов объемным методом при положении ВНК на уровне, установленном при первом подсчете запасов, и по полученным нами при этом положении ВНК средним параметрам привела к различию в запасах, в 2%.

Из приведенного примера следует, что детальная геологическая модель сложнопостроенных пластов на ранней стадии изучения месторождения должна создаваться не только для целей проектирования системы разработки, но и для подсчета запасов.

Отметим, что, во-первых, при расчете средних значений параметров нами использовались только данные по скважинам, во-вторых, при оценке запасов дифференцированным методом в качестве параметров брались их значения в узлах регулярной сетки (50´50 м).

Со времени начала применения сейсмостратиграфии сейсморазведка стала одним из мощных инструментов изучения геологического строения среды, и в частности седиментационного анализа. В настоящее время делаются попытки по сейсмическим данным восстанавливать историю и скорость осадконакопления, проводить палеотектонический анализ в узких интервалах разреза, адекватных разрешающей способности сейсмических записей, восстанавливать литолого-фациальную обстановку среды осадконакопления, прогнозировать фильтрационно-емкостные свойства и др.

Возможности сейсмических методов существенно возросли с применением ЗD-сейсморазведки и современных методов ВСП.

Вполне естественно, что применение сейсморазведки как монометода для решения геологических задач с целью детального изучения строения геологической среды в ряде случаев приводит к неопределенности получаемых моделей. Способ снижения этой неопределенности - проведение интегрированной геологической интерпретации данных полевых геофизических методов, геофизических исследований скважин, результатов анализа керна, дистанционных методов, гидрогеологических исследований и др.

Снижение неопределенности моделей методом комплексирования разнородной информации общеизвестно и проводится уже давно. Российская наука и практика представлены в этой области фундаментальными работами Г. Н. Гогоненкова, И. А. Мушина, А. Г. Авербуха, Н. Я. Кунина, Е. В. Кучерука и многих других исследователей.

При комплексировании важнейшей проблемой является разномасштабность используемых данных. Она приводит к некорректности сопоставления данных, в результате чего получают неустойчивые статистические связи и, следовательно, снижается надежность моделей. В качестве подтверждения сказанного можно привести примеры сопоставления данных керна и ГИС, данных ГИС и сейсморазведки и др.

Единым масштабом измерений для сопоставления всех видов данных может являться седиментационная или фациальная обстановка осадконакопления.

Принципиальная значимость нахождения седиментационных обстановок осадконакопления разными методами определяется не только необходимостью сопоставления разномасштабных данных в едином масштабе измерений, но и тем, что обстановка осадконакопления (и постседиментационные процессы) обусловливает те или иные физические параметры горных пород, их фильтрационно-емкостные свойства.

Таким образом, изучаемые для подсчета запасов и управления разработкой свойства горных пород являются следствием седиментационных процессов (и постседиментационных преобразований). Следовательно, расшифровка седиментационных обстановок позволяет при геологическом моделировании опираться не только на результаты измерений, но и на геологические закономерности и законы. Это выводит моделирование на качественно новый уровень.

В подтверждение сказанному можно привести следующий аргумент. Известно, что гранулометрический состав горных пород характеризует фильтрационно-емкостные свойства, поэтому при подсчете запасов выполняются значительные объемы гранулометрических исследований. В тоже время у геологов гранулометрия является одним из основных инструментов фациального анализа.

Традиционно, данные ГИС используются для определения литологии (в упрощенном варианте), фильтрационно-емкостных свойств и корреляций. Седиментационная интерпретация данных ГИС практически не применяется.

Рисунок 12 – Геологическая модель пласта ПК 19:

а – карта суммарных эффективных толщин; б – карта эффективных толщин нижнего цикла

Рисунок 13 – Пример каротажных диаграмм ПК

В "Справочнике по литологии" под редакцией Н. Б. Воссаевича (с. 363 - 364) перечислены одиннадцать важнейших критериев, которыми пользуются геологи для фациального анализа. И только один из них (палеонтология) не определяется по данным ГИС. Способы интерпретации этих параметров, определяемых по данным ГИС, для выяснения генетической природы горных пород глубоко проработаны геологами. Разумеется, не все эти параметры можно получить из стандартного комплекса каротажа. Тем не менее, на этапе разведки целесообразно проведение специальных измерений для их нахождения. Кроме того, необходимы специальные литологические исследования керна, пластовых вод, нефтей, нефтяного газа с целью получения дополнительных данных для седиментационного анализа.

Для глубокой седиментологической интерпретации данных ГИС требуется анализ широкого набора данных. Информативным для расшифровки обстановок осадконакопления может быть характер формы кривых комплекса ГИС [30], иногда форма кривых отдельных методов [31]. В ряде случаев удается получить статистические диагностические графики.

Вопросы углубленной геологической интерпретации данных ГИС отражены в ряде работ российских и зарубежных исследователей. Тем не менее, рассматриваемое направление в интерпретации данных каротажа пока не оформилось в самостоятельное. В данной главе делается попытка описания технологии комплексной интерпретации на основе изложенных выше принципов.

Главными принципами при построении модели являются:

1 ) сопоставление разномасштабных данных (керн, сейсморазведка, ГИС) в едином масштабе измерений - масштабе геологических моделей;