СПОСОБ И КОМПЬЮТЕРНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАЗМЕЩЕНИЯ КУСТОВЫХ ПЛОЩАДОК НА МЕСТОРОЖДЕНИИ
METHOD AND COMPUTER SYSTEM FOR DESIGNING LOCATION OF CLUSTER SITES IN DEPOSITS

Область техники
Заявляемое изобретение относится к комплексным системам и способам проектирования и разработки месторождений, в том числе, углеводородных. Заявляемое изобретение предназначено для решения задачи определения оптимального количества кустовых площадок, их проектного расположения, в т.ч. с учетом минимизации затрат на бурение скважин, строительство и обустройство кустовых площадок.
Уровень техники
Из уровня техники известны различные технические решения, в той или иной степени касающиеся вопросов проектирования отдельных кустов скважин или оптимизации проведения одной скважины.
Так, например, известен патент US 6549879 «Определение оптимального размещения скважин по 3D-модели резервуара» («Determining optimal well locations from a 3d reservoir model»), принадлежащий Mobil Oil Corporation.
Изобретение по данному патенту относится, в целом, к способам минимизации затрат на извлечение нефти из подземных резервуаров. Более конкретно, изобретение относится к определению оптимального размещения скважин по трехмерной модели подземного резервуара. В патенте раскрыт двухэтапный метод определения расположения скважин с использованием 3D модели пласта с учетом следующих ограничений: минимальное/максимальное расстояние между скважинами, угловые коэффициенты наклонных скважин, длина скважины, оптимизация траекторий скважин с учетом пористости, проницаемости, нефтенасыщенности и толщины слоя. На первом этапе скважины размещают в вертикальном проектном положении. На втором этапе оптимизируют указанное проектное положение с возможностью проведения горизонтальных и горизонтально-наклонных скважин, а также с учетом приведенных выше ограничений. Заявленный метод реализован в виде программных модулей. Параметры расположения скважин генерируются стандартными методами анализа и интерпретации сейсмических, геологических и петрофизических данных.
Однако данное техническое решение направлено на решение задачи оптимальной проводки отдельной скважины в пласте (вскрытие пласта) и не предусматривает возможности связывания проводимых скважин в куст, и, более того, не обеспечивает возможности формирования кустовых площадок.
Известно также техническое решение, раскрытое в патенте US 7460957 «Геометрическая оптимизация траектория групп скважин» («Geometrical optimization of multi-well trajectories»), Schlumberger Technology Corporation. Изобретение относится к способу, системе и устройству для автоматического проектирования траекторий группы скважин, и, более конкретно, по определению оптимального проектирования размещения скважин путем минимизации затратной составляющей. Техническое решение направлено на получение разветвленной структуры варианта проекта разработки кустовых платформ (площадок). Система оптимизации включает автоматизированный модуль проведения траектории скважины, обеспечивающий проведение траектории с постоянной кривизной (использование метода минимальной кривизны). Кроме того, этот модуль учитывает извилистость (искривленность) скважины и позволяет минимизировать степень сложности проведения конкретной скважины путем поиска альтернативных геометрических решений для скважин, которые не соответствуют предпочтительным условиям кривизны для отдельных сегментов. На каждом шаге оптимизации пользователю возможна корректировка ограничений для кустов скважин. Это позволяет обеспечить улучшенный контроль над результатом оптимизации.
Однако данное техническое решение решает достаточно узкую задачу по проектированию траекторий группы скважин, объединенных в одну кустовую площадку, и не обеспечивает возможности оценки оптимальности отнесения той или иной скважины к отдельно взятой кустовой площадке. При этом степень оптимальности в соответствии с данным решением, основана только на расчете кривизны ствола скважины. Также известное решение не позволяет определить оптимальное направление движения станка на кустовой площадке.
Из уровня техники известны технические решения, близкие по сущности к заявляемому, реализованные в некоторых программных комплексах, предназначенных для проектирования месторождений. В качестве таких программных комплексов известны: продукт DSD (Design Space Desktop) фирмы LANDMARK GRAPHICS CORPORATION, Well Path (Maurer), Drilling Office (Schlumberger), WellPlan (Halliburton) и др. (https://www.landmark.solutions/Portals/0/LMSDocs/Datasheets/WellPlan_Software_DATASHEET_A4.pdf).
Среди российских источников информации известно решение, представленное в публикации «Проектирование и оптимизация траекторий скважин месторождения, Авторы: Нестерова Т.Н. (ООО «Петровайзер»), Поздеев И.А. (ООО «Петровайзер»), http://www.petroviser.ru/articles/a17/, где описан комплексный подход к проектированию траекторий скважин и созданию схемы кустования месторождения, сочетающий в себе традиционные методы проектирования на основе заданной сетки разработки и оптимизацию на основе возможных траекторий от каждой геологической цели. Приводятся иллюстрированные примеры оптимизации кустов скважин с помощью программного обеспечения компании «Петровайзер». Данное решение воплощено в программном комплексе «Проектирование и контроль кустового бурения - PadCourses», который предназначен для проектирования траекторий наклонно направленных, горизонтальных и многозабойных скважин, определения порядка разбуривания скважин в кусте, оптимизации направления движения станка. Комплекс может устанавливаться как на буровой площадке, так и в технологических службах буровых организаций.
Данные программные продукты также решают отдельные задачи по формированию куста скважин, но не обеспечивают возможности решения задачи оптимального кустования месторождения в целом.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является решение, представленное в автореферате диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук «Совершенствование методики проектирования кустов и профилей скважин на месторождениях со сложными схемами разработки» Научная библиотека диссертаций и авторефератов, 2007, Харламов А.К. (http://www.dissercat.com/content/sovershenstvovanie-metodiki-proektirovaniya-kustov-i-profilei-skvazhin-na-mestorozhdeniyakh-, стр. 58-66 публикации). В данной публикации раскрыт способ проектирования кустов и профилей скважин, включающий:
1. Формирование пакета исходных данных, включающих схему разработки, карту - схему орогидрографии местности, границы природоохранных зон, очередность разбуривания месторождения, тип скважин, назначение скважин (нагнетательная, добывающая, и т.п.), координаты забоев скважин, очередность бурения по годам, ТТО (технико-технологические ограничения).
2. Определение числа кустовых площадок (КП) и их местоположения в первом приближении. Для чего осуществляют формирование для каждого забоя скважины допустимых областей (ДО) размещения кустовых площадок на месторождении, бурение скважин с которых осуществляется в рамках технико-технологических ограничений (ТТО); выявляют области пересечений для нескольких забоев с последующим их перебором по забоям (например, по годам разбуривания, и т.п.), и для текущего забоя выбирают область для размещения его устья по критерию наибольшего числа скважин, возможных к бурению с одной КП вместе с текущим забоем. На последующих итерациях при направленном переборе за текущий принимают забой, не вошедший в предыдущую допустимую область.
3. Определение географического положения текущей КП и фиксирование совокупности скважин, возможных к бурению с этой КП, при этом фонд скважин, определенных к разбуриванию из области пересечений, представляется двумя группами:
- обязательные к бурению с КП, размещенной в этой области;
- назначаемые из условий предпочтительности привязки к этой области или другой области, полученной на последующих итерациях.
4. Определение последовательности бурения скважин с текущей КП из областей пересечения множества скважин, возможных одновременно для бурения с рассматриваемой текущей КП и соседних КП. При этом анализируют показатели соседних кустов (число скважин, отходы, сложность профилирования скважин), не допуская ухудшения значительно показателей куста скважин.
5. Последовательное проектирование соседних кустов, скважины которых были общими для рассматриваемого соседнего куста и бывшего текущего, осуществляемое после формирования совокупности скважин текущего куста.
6. Корректировка местоположения КП для совокупности распределенных скважин, если есть возможность улучшения показателей куста скважин, с учетом протяженности КП, определение НДС (направление движения станка) и расстановки устьев.
Известный способ имеет общие признаки с объектом исследования: выполнение последовательности обратного проектирования с построением карты возможного размещения устьев скважин относительно забоев; ранжирование забоев с формированием рейтинга, необходимого для дальнейшего объединения забоев в группы, соответствующие кустам скважин; итерационный подход к ранжированию забоев; определение фонда скважин, определенных к разбуриванию с одной кустовой площадки; последовательное проектирование соседних кустов; оптимизация местоположения кустовых площадок на основании ТТО.
Однако известному решению присущи определенные недостатки. Так, например, способ не предусматривает возможности итерационной оптимизации проекта кустования, то есть, совокупность кустовых площадок, построенных с учетом исходных данных, являющихся набором ограничений, не претерпевает изменений при дальнейшем проектировании месторождения и принимается за окончательный вариант. Поэтому оптимальность полученного таким образом кустования ставится авторами изобретения под сомнение.
Раскрытие изобретения
Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, является необходимость преодоления недостатков, присущих аналогам и прототипу, за счет решения задачи оптимального размещения кустовых площадок с учетом как геопараметров, так и экономической составляющей, включающей затраты на бурение скважин, строительство и поверхностное обустройство кустовых площадок.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения заключается в обеспечении возможности обработки разнородных данных, касающихся геологических параметров, топографических данных, геофизических величин и экономических показателей, что позволяет сформировать оптимальный проект размещения кустовых площадок за счет ранжирования забоев в качестве первичных данных. Кроме того, заявляемое изобретение позволяет увеличить производительность системы при решении поставленной задачи, а также увеличить объем и вариативность обрабатываемых данных по сравнению с известными аналогами (т.е. позволяет производить обработку данных с получением результата (продукта) за меньшее количество времени). Кроме того, обработка данных в соответствии с заявляемым способом требует меньшего количества машинного времени и ресурсов для получения результата, в том числе оперативной памяти. Кроме того, изменение физического состояния блоков обработки, связанное с добавлением нового функционала, обеспечивает возможность меньшее количество раз запускать систему для получения результата, следовательно, экономить энергию, потребляемую данной системой. Кроме того, использование отдельных независимых блоков системы (за счет использования функционала, обеспечивающего выборку из огромного массива внешних баз данных и обработку по определенному алгоритму с использованием целевых показателей) снижает и вероятность ошибки, влияющей на получение более точного и достоверного результата.
Кроме того, технический результат заключается в том числе, в обеспечении
- возможности построения активной модели размещения кустовых площадок с привязкой кустовых площадок по координатам к топографической карте,
- возможности оптимизации размещения КП и сокращении времени, затрачиваемого на определение такого оптимального размещения,
- возможности оперативного изменения проекта при изменении входных данных,
- возможности подключения и отключения дополнительных расчетных блоков, позволяющих проводить оптимизацию размещения кустовых площадок с использованием дополнительных внешних данных.
При этом под оптимальным размещением КП понимают соответствие в результате проведенных расчетов проекта размещения кустовых площадок заданным критериям, например, таким как общая глубина проходки скважин, количество кустовых площадок, затраты на бурение и т.д.
Поставленная задача решается тем, что заявляемый способ проектирования оптимального размещения кустовых площадок на месторождении, включает следующие этапы:
A. Определение области возможного размещения устьев проектируемых скважин месторождения относительно их забоев на основе исходных данных, включающих координаты забоев и технические ограничения по конструкции скважин;
B. Ранжирование забоев скважин по количеству пересечений области возможного размещения устья каждой скважины с областями возможного размещения устья других скважин - от худших, характеризующихся наименьшим количеством пересечений, к лучшим, характеризующимся наибольшим количеством пересечений, при этом для забоев с рангом, обеспеченным равным количеством пересечений, их дополнительно ранжируют по суммарной площади пересечений от наименьшей к наибольшей;
C. Формирование первичного проекта размещения кустовых площадок посредством объединения групп скважин в кустовые площадки по итогам ранжирования забоев скважин, при этом к первой кустовой площадке относят скважину с худшим по результатам ранжирования рангом, а также скважины, области возможного размещения устьев которых пересекают область возможного размещения устья скважины с худшим рангом, при этом каждую последующую кустовую площадку формируют аналогичным образом из скважин с ранжированными забоями, не вошедшими в ранее сформированные кустовые площадки;
D. Определение значения целевого показателя для каждой кустовой площадки;
F. Оптимизация сформированного на этапе С проекта размещения кустовых площадок с использованием циклического повторения последовательно выполняемых шагов глобальной и локальной оптимизаций до достижения предварительно заданного параметра сходимости результатов расчетов размещения кустовых площадок,
для чего
- при глобальной оптимизации по каждой оптимизируемой скважине определяют возможность отнесения ее к другой кустовой площадке посредством перебора всех сформированных на этапе С кустовых площадок и вычислением для каждой кустовой площадки целевого показателя с учетом оптимизируемой скважины и, при получении соответствующего значения целевого показателя меньшего, чем определенное на этапе D, оптимизируемую скважину присваивают кустовой площадке, относительно которой установлено такое наименьшее значение;
- при локальной оптимизации для каждой кустовой площадки определяют возможность изменения первоначального положения центра каждой кустовой площадки с определением его координат, для чего выполняют последовательное смещение центра кустовой площадки по взаимно перпендикулярным направлениям на плоскости с вычислением целевого показателя, и при получении соответствующего значения целевого показателя меньшего, чем первоначальное, определенное на этапе D, центру кустовой площадки присваивают новые координаты, относительно которых установлено такое наименьшее значение;
G. Отображение на топографической карте проекта размещения сформированных кустовых площадок с координатами устьев скважин и центров кустовых площадок и присвоенными значениями целевого показателя по результатам оптимизации, проведенной на этапе F.
В качестве целевого показателя могут быть использованы значение суммарной глубины проходки всех скважин (MD) каждой кустовой площадки или суммарных затрат на бурение скважин, строительство и обустройство для каждой кустовой площадки (САРЕХбурение). Возможно использование других целевых показателей. Выбор целевого показателя является исходным параметром для расчета.
Локальную оптимизацию выполняют с использованием алгоритма Недлера-Мида, при этом последовательное смещение центра кустовой площадки по четырем взаимно перпендикулярным направлениям выполняют с шагом от 10 до 500 м. В качестве заранее заданного параметра сходимости результатов расчетов размещения кустовых площадок может быть использовано значение целевого показателя для минимального количества кустовых площадок на месторождении.
Дополнительно, на этапе F может быть проведена качественная оценка риска пересечения скважин, для чего
- определяют зону неопределенности положения каждой скважины, принадлежащей соответствующей кустовой площадке, посредством вычисления радиуса неопределенности ствола скважины, который выбирают в диапазоне 1,5-3% от MD, определенной для каждой точки оси ствола скважины;
- для каждой пары соседних скважин определяют минимальное расстояние между их стволами;
- вычисляют проектный коэффициент расхождения зон неопределенности как отношение минимального расстояния между стволами двух соседних скважин к сумме радиусов неопределенности стволов соседних скважины, вычисленных для точек осей стволов скважин, относительно которых определено такое минимальное расстояние;
- сравнивают проектный коэффициент расхождения с заданным и по превышению проектного коэффициента над заданным судят о наличии риска пересечения скважин.
Также, может быть проведена качественная оценка риска пересечения существующей скважины с проектируемой скважиной отдельной кустовой площадки, при этом
- определяют зону неопределенности положения проектируемой скважины, посредством вычисления радиуса неопределенности ствола скважины, который выбирают в диапазоне 1,5-3% от MD, определенной для каждой точки оси ствола скважины;
- определяют минимальное расстояние между стволами существующей и проектируемой скважин;
- вычисляют проектный коэффициент расхождения зоны неопределенности как отношение минимального расстояния между стволами существующей и проектируемой скважин к радиусу неопределенности проектируемой скважины, вычисленному для точки оси ствола проектируемой скважины, относительно которой определено такое минимальное расстояние;
- сравнивают проектный коэффициент расхождения с заданным и по превышению проектного коэффициента над заданным судят о наличии риска пересечения существующей скважины с проектируемой скважиной отдельной кустовой площадки.
Заявляемый способ может быть реализован для горизонтальных и/или наклонно-направленных типов скважин.
После проведения оптимизации на этапе F, может быть проведено определение оптимального направления движения станка (НДС) на каждой спроектированной кустовой площадке по значению угла наклона линии НДС, для чего
- выполняют перебор значений азимутального угла линии НДС от северного направления с шагом от 5 до 40°, при этом для каждого значения азимутального угла линии НДС выполняют расслотирование скважин кустовой площадки, для каждой скважины определяют значение угла между линией НДС и направлением от устья к забою скважины, после чего вычисляют среднее значение этого угла для всех скважин кустовой площадки,
- в качестве оптимального выбирают то значение азимутального угла линии НДС, относительно которого среднее значение углов между линией НДС и направлением от устья к забою скважины максимально близко к 90°.
На основании приведенного описания изобретения специалист в данной области может реализовать программные средства, на базе соответствующих компьютерных аппаратных средств общего назначения или особого назначения, в результате чего могут быть сформированы компьютерная система и/или компьютерные компоненты согласно вариантам осуществления настоящего изобретения; могут быть сформированы компьютерная система и/или компьютерные компоненты для реализации предложенного способа в рамках вариантов осуществления настоящего изобретения и/или может быть сформирован носитель считываемой компьютером информации, в том числе программных средств, посредством которых могут быть реализованы аспекты вариантов осуществления предложенного способа.
Заявленный способ может быть реализован с помощью программно-аппаратного комплекса или компьютерной системы, включающей в себя, по меньшей мере, процессор, обеспечивающий выполнение команд из соответствующих блоков;
• блок ввода исходных данных, соединенный с блоком памяти, обеспечивающим хранение исходных данных и направление их для обработки в соответствующие блоки;
• блок памяти, обеспечивающий хранение введенных данных, а также промежуточных результатов обработки;
• блок обработки исходных данных по координатам забоев скважин, и блок обработки исходных данных по техническим ограничениям траектории скважины, использующий данные из блока памяти, соединенные также с блоком ввода исходных данных;
• последовательно соединенные: блок определения области возможного размещения устья относительно забоя для всех скважин; блок ранжирования забоев по количеству зон пересечения областей возможного размещения устьев скважин относительно забоя; блок формирования первичного варианта размещения кустовых площадок; блок оптимизации размещения кустовых площадок, осуществляющий циклически повторяющийся до достижения параметра сходимости алгоритм глобальной и локальной оптимизации;
• и блок вывода результатов расчетов на экран монитора или средства печати. Дополнительно система может содержать следующие блоки:
• блок выбора оптимального азимутального угла НДС и блок расслотирования скважин по линии НДС;
• блок расчета траектории скважин и блок оценки риска пересечения скважин.
При этом дополнительные блоки могут быть подключены как последовательно после блока оптимизации с выводом результатов в блок вывода, так и независимо друг от друга с отдельным выводом результатов в блок вывода. Данные блоки выполняют функционал, основанный на независимых расчетах и обеспечивающий получение дополнительных расчетных данных, характеризующих кустовые площадки.
Блок ввода и блок вывода осуществляют взаимодействие компьютерно-реализуемой системы с оператором, и через проводные и/или беспроводные линии связи с внешними базами данных. Через блок ввода осуществляется ввод исходных данных, ТТО, топографических данных и т.д. Блок вывода осуществляет вывод данных в формате, удобном для восприятия оператором (например, в графическом, табличном формате), а также другие операции по выводу данных из компьютерно-реализуемой системы.
Блок памяти компьютерно-реализуемой системы содержит топографические, геологические карты, а также сведения, направляемые для обработки в последовательно реализуемые блоки. Процессор, реализующий заявляемый способ, т.е. осуществляющий описанные новшества в виде исполняемых команд, координирует действия компонентов вычислительной системы.
В качестве компьютерно-реализуемой системы может быть использован персональный компьютер, например, с операционной системой Windows, содержащий центральный процессор, оперативное запоминающее устройство, накопитель на жестком диске (или блок памяти, или хранилище данных, или БД), клавиатуру, монитор, коммуникационные устройства для обеспечения работы с интернет ресурсами (сетевую карту и/или модем), а также выходное устройство (блок вывода данных/отображения обработанных данных, например, монитор, или монитор совместно с принтером). При этом известно, что процессор представляет собой электронный блок, либо интегральную схему (микропроцессор), исполняющую машинные инструкции (код программ) - главная часть аппаратного обеспечения. В зависимости от введенных в процессор машинных инструкций решается соответствующая задача. В заявляемом изобретении машинные инструкции изложены в виде функций, предписанных для исполнения соответствующими блоками обработки данных, а именно, обеспечивающие выполнение заданных алгоритмов оптимизации с учетом введенных ограничений и параметров обработки. Блоки обработки данных, а именно блок обработки исходных данных по координатам забоев скважин, и блок обработки исходных данных по техническим ограничениям траектории скважины, блок определения области возможного размещения устья относительно забоя для всех скважин; блок ранжирования забоев по количеству зон пересечения областей возможного размещения устьев скважин относительно забоя; блок формирования первичного варианта размещения кустовых площадок; блок оптимизации размещения кустовых площадок, осуществляющий циклически повторяющийся до достижения параметра сходимости алгоритм глобальной и локальной оптимизации, как правило, установлены в системном блоке, выполняющем машиноисполняемые инструкции.
Эта система может быть специально сконструированным устройством, таким как электронное устройство, или может содержать один или несколько компьютеров общего назначения, которые могут реагировать на команды для выполнения этапов, описанных в данной заявке. Для выполнения таких функцией несколько компьютеров могут объединять в сеть. Программные команды могут хранить на любом носителе считываемой компьютером информации, например, на магнитных или оптических дисках, картах, запоминающих устройствах и т.п.
Краткое описание чертежей
Заявляемое изобретение поясняется графическими материалами, на которых представлены результаты реализации отдельных этапов заявляемого способа, в виде сгенерированных блоком вывода компьютерной системы изображений, представляемых на мониторе пользователя.
На фиг. 1 представлен пример сетки забоев скважин, построенной в системе географических координат. На данной сетке представлены забои как наклонно-направленных скважин (в виде точек), так и скважин с горизонтальным окончанием (в виде линий/отрезков).
На фиг. 2 приведен участок топографической карты с теми же географическими координатами и нанесенными зонами ограничения размещения кустовых площадок (отмечены зоны запрета размещения кустовых площадок, например, водные объекты и водоохранные зоны; границы зон запрета расположены на расстоянии 50 м от водных объектов).
На фиг. 3 представлен пример реализации этапа А для одной горизонтальной скважины.
На фиг. 4 приведен пример карты с первичным проектом размещения кустовых площадок, полученный в результате реализации этапа С заявляемого способа.
На фиг. 5-6 приведены примеры результатов глобальной и локальной оптимизации размещения кустовых площадок после первой итерации цикла.
На фиг. 7-8 приведены сравнительные изображения увеличенных фрагментов карты проекта с показательным переотнесением скважины от одной кустовой площадке к другой после очередного повторения цикла оптимизаций.
На фиг. 9 схематично представлен принцип определения коэффициента расхождения двух скважин как отношения расстояния между скважинами к сумме радиусов неопределенностей скважин.
На фиг. 10 схематично показан пример визуализации результата расчета оптимального НДС кустовой площадки, в графической форме отражающий линию НДС.
На фиг. 11-12 представлены варианты блок-схемы, отражающие возможные последовательности действий заявляемого способа, реализованная посредством заявляемой компьютерной системы.
На фиг. 13 в качестве примера схематично изображена траектория наклонно направленной скважины с условными обозначениями, характеризующими ключевые точки ствола скважины, участвующие в расчетах при кустовании, при этом позициями на чертеже обозначены:
- 1 - устье скважины
- 2 - точка начала первого набора кривизны
- 3 - точка начала тангенциального участка
- 4 - точка начала второго набора кривизны
- 5 - точка входа в пласт (забой скважины)
- 6 - точка окончания скважины
- ΔMD1 - протяженность вертикального участка (между т. 1 и 2)
- ΔMD2 - протяженность участка первого набора кривизны по стволу (между т. 2 и 3)
- ΔMD3 - протяженность тангенциального участка по стволу (между т.3 и 4)
- ΔMD4 - протяженность участка второго набора кривизны по стволу (между т. 4 и 5)
- ΔMD5 - протяженность зоны успокоения механических примесей пластовых флюидов (ЗУМПФ)
- Z - глубина залегания пласта или расстояние от поверхности до цели скважины
- I1 - максимальный зенитный угол на участке стабилизации (тангенциальный участок)
- I2 - максимальный зенитный угол на входе в пласт
На фиг. 14 приведен пример определения зон неопределенности траектории ствола скважины для оценки риска их пересечения.
Осуществление изобретения
Для наилучшего понимания сущности заявляемого способа ниже представлен перечень определений и терминов, используемых в настоящем описании, а также краткое описание используемых алгоритмов и методов.
Наклонно-направленная скважина - скважина, имеющая сложный пространственный профиль, включающий в себя вертикальный верхний интервал, после которого следуют участки с заданными отклонениями от вертикали.
Горизонтальная скважина - скважина с зенитным углом по стволу свыше 60 град, и с участком в продуктивном пласте протяженностью и профилем, определяемыми системой разработки и технологией бурения.
ГНО - глубинно-насосное оборудование
Устье скважины - координаты пересечения траектории скважины с земной поверхностью.
Забой скважины - координаты точки в нефтегазоносном пласте, до которой должна быть пробурена скважины.
Кустовая площадка - в рамках настоящего изобретения - проект специальной площадки естественного или искусственного участка территории месторождения с расположенными на ней кустами скважин, а также технологическим оборудованием и эксплуатационными сооружениями, инженерными коммуникациями
Кустование - определение количества и координат размещения кустовых площадок на месторождении, распределение скважин между кустами соответствующих кустовых площадок.
MD (measured depth) - глубина проводки скважины или измеренная глубина по стволу скважины
Метод минимальной кривизны (minimum curvature method) - метод расчета участка траектории скважины, на котором происходит изменение параметров ее кривизны (изменение зенитного угла и угла по азимуту).
Метод Недлера-Мида - метод безусловной оптимизации функции от нескольких переменных, не использующий производную (градиентов) функции.
НДС - направление движения станка на кустовой площадке.
Азимутальный угол НДС - угол между направлением на север и линией НДС с вершиной в точке с координатами устья первой скважины кустовой площадки.
Расслотирование скважин - процесс определения порядкового номера бурения скважины на кустовой площадке с учетом задаваемого расстояния между скважинами
Соседняя скважина - любая скважина, находящаяся полностью или частично в пределах контрольного вертикального цилиндра определенного радиуса с центром на устье скважины, при этом радиус контрольного цилиндра равен расстоянию между проекциями точек устья и забоя скважины на горизонтальную плоскость.
Зона неопределенности - зона вероятного прохождения траектории скважины. Задается как % от текущей протяженности скважины (MD) с учетом вертикального участка.
Ниже представлено подробное описание изобретения, которое относится к различным вариантам его осуществления. Специалисту понятно, что нижеприведенное описание имеет широкую область применения, и описание осуществления настоящего изобретения носит исключительно пояснительный характер и не ограничивает объем притязаний, заявленных в формуле изобретения.
Заявляемое техническое решение может быть реализовано в виде программного комплекса, решающего поставленную задачу создания проекта оптимального размещения кустовых площадок. При этом в качестве достигаемых в результате оптимизации параметров, характеризующих критерии оптимального размещения кустовых площадок, в каждом конкретном случае могут быть использованы, например, суммарная протяженность скважин по MD, суммарное количество кустовых площадок, максимальное количество скважин на кустовых площадках и т.д.
Заявляемое техническое решение в одном из вариантов его исполнения реализовано в программном комплексе интегрированного концептуального проектирования разработки и обустройства нефтяных месторождений. Данный программный комплекс может быть использован при разработке, добыче и обустройстве нефтяных месторождений и включает в себя решение задачи определения оптимального варианта кустования скважин (определение количества и координат размещения кустовых площадок на месторождении, распределение скважин между кустовыми площадками). Решение задачи по созданию проекта оптимального размещения кустовых площадок в заявляемом способе и системе осуществлялось посредством минимизации количества кустовых площадок и/или минимизации суммарной проходки для бурения скважин и/или минимизации суммарной стоимости строительства скважин, с учетом стоимости строительства и обустройства кустовых площадок. Компьютерная система содержит, по крайней мере, один процессор, обеспечивающий выполнение команд, поступающих из соответствующих блоков.
В качестве исходных данных, которые вводят в компьютерную систему через блок ввода исходных данных, используют схему разработки месторождения с координатами забоев скважин, сетку забоев наклонно-направленных и горизонтальных скважин с данными о координатах по долготе, ширине, глубине (Фиг. 1). Все введенные данные сохраняют в блоке памяти, обеспечивающем возможность их оперативного направления в соответствующие блоки обработки.
Также в качестве данных, которые вводят для использования в блоке обработки исходных данных по техническим ограничениям траектории скважины, используют технические ограничения траектории скважины и настройки по размещению скважин на кустовой площадке. Пример таких исходных данных для наклонно-направленных скважин представлен в таблице 1:
При проектировании кустования скважин могут быть учтены топографические ограничения или зоны запрета для размещения кустовых площадок (Фиг. 2). Эти данные в виде топографической карты также помещают в блок памяти. В блоке обработки исходных данных по координатам забоев скважин при наложении топографической карты на сетку забоев из области возможного проектирования и расчета исключают площади, ограничивающие водные объекты и водоохранные зоны.
На первом этапе проектирования, в блоке определения области возможного размещения устья относительно забоя для всех скважин, на основе соответствующих данных, полученных из блоков обработки исходных данных, определяют области возможного размещения устьев скважин, используя предварительно заданные с использованием топографической карты географические координаты забоев с использованием известных методик. Такие области представляют собой окружности для наклонно-направленных скважин с центром в точке, соответствующей проекции точки забоя на поверхность, и объединение двух окружностей для горизонтальных скважин с центрами в точках, соответствующих проекциям начала и конца горизонтального участка скважины. Пример области возможного размещения устьев скважин относительно забоя показан на фиг. 3. Таким образом, в результате данного шага формируют перечень забоев с координатами и соответствующих им областей возможного размещения устьев, также с координатами. Информация может быть представлена как в табличном виде, в качестве промежуточного отчета, так и в графическом виде, с использованием средств визуализации, и выведена на экран монитора с привязкой к реальной карте местности. Далее полученные данные направляют в блок ранжирования забоев по количеству зон пересечения областей возможного размещения устьев скважин относительно забоя, где сформированный перечень забоев сортируют, проводя ранжирование по количеству пересечений области возможного размещения устья каждой проектируемой скважины с областями возможного размещения устья других проектируемых скважин. При этом принимают, что максимальное количество пересечений обеспечивает максимальный ранг.Иными словами, максимальное значение при ранжировании присваивают забою, относительно области возможного размещения устья которого установлено наибольшее количество пересечений с аналогичными областями, соответствующими другим забоям. Наличие таких пересечений свидетельствует о потенциальной возможности отнесения скважин, имеющих пересекающиеся области размещения устья, к одной кустовой площадке. В случае получения одинакового количественного показателя для тех или иных забоев, дополнительно вычисляют площадь пересечений и ранжируют забои в порядке от наименьшей площади к наибольшей. Полученное дополнительное ранжирование учитывают в основном рейтинге забоев.
По окончании определения областей возможного размещения устьев относительно забоев для всех скважин в блоке формирования первичного варианта размещения кустовых площадок проектируют расстановку кустовых площадок на месторождении в первом приближении, основным условием которого является отнесение каждой скважины (забоя) к кустовой площадке. При этом первую кустовую площадку формируют следующим образом: включают в нее скважину с наименьшим по результатам ранжирования значением в ранжированном списке, а также скважины, области возможного размещения устьев которых пересекают область возможного размещения устья скважины с наименьшим рангом. Каждую следующую кустовую площадку формируют аналогичным образом из скважин с ранжированными забоями, не вошедшими в ранее сформированные кустовые площадки. На фиг. 4 представлен вариант такого предварительного проектирования размещения кустовых площадок на месторождении (суммарный MD=2313508 м). Представленный вариант может быть отображен через блок вывода на экране монитора в привязке к карте местности для полноты визуализации. Также, отраженная таким образом графическая информация может быть представлена в виде промежуточного отчета - таблицы, содержащей информацию о каждом забое, его координатах, соответствующем устье, его области размещения с координатами, первичной привязке к определенной кустовой площадке в соответствии с описанным выше этапом. Наиболее информативным на данном этапе является значение MD, определяемый как для скважин, вошедших в одну кустовую площадку, так и для всех кустовых площадок месторождения.
После определения первого приближения по расстановке кустовых площадок полученные данные направляют в блок оптимизации размещения кустовых площадок, где последовательно выполняют глобальную и локальную оптимизации такого размещения кустовых площадок. Последовательность глобальной и локальной оптимизации выполняют циклично с вычислением целевого показателя на каждой итерации (цикле). В результате получают проектное расположение кустовых площадок с наилучшим целевым показателем. При этом в качестве такого целевого показателя могут быть использованы как по отдельности, так и в любой совокупности
- суммарное значение MD для всех скважин кустовой площадки;
- суммарное значение затрат на бурение скважин, строительство и обустройство для каждой кустовой площадки (САРЕХбурение).
На Фиг. 5-6 показаны результаты итераций глобальной и локальной оптимизации. После получения устойчивого решения, когда дальнейшая оптимизация не приводит к улучшению результата (в примере - уменьшение суммарного MD или уменьшение количества кустовых площадок), процесс оптимизации прекращают. Расчет кустования считают законченным.
При этом при глобальной оптимизации по каждой оптимизируемой скважине определяют возможность отнесения ее к другой кустовой площадке, а при локальной оптимизации определяют возможность изменения первоначального положения центра каждой кустовой площадки с определением его координат.
При глобальной оптимизации каждую скважину последовательно присваивают каждой следующей кустовой площадке и вычисляют суммарное значение MD для каждой из кустовых площадок и сравнивают полученное MD с первоначальным. Или, если в качестве основного критерия используют значение суммарных затрат на бурение скважин, строительство и обустройство для каждой кустовой площадки (САРЕХбурение), то при присваивании скважины каждой кустовой площадке в процессе перебора вычисляют значение САРЕХбурение и сравнивают его с первоначальным. Так, выявляют наименьшее значение выбранного критерия, после чего оптимизируемую скважину идентифицируют относительно той кустовой площадки, где установлено такое наименьшее значение критерия MD или САРЕХбурение.
Этап локальной оптимизации обеспечивает определение возможности смещения первоначального положения центра каждой кустовой площадки с определением его координат с целью достижения наилучшего значения целевого показателя. По каждой кустовой площадке центр ее смещают на север, запад, юг и восток на одно и тоже расстояние. Для каждой из полученных точек вычисляют значение целевого показателя и сравнивают с исходным, до смещения. В результате получения наилучшего целевого показателя, центр кустовой площадки смещают в ту точку, относительно которой и получено такое значение.
Как отмечалось ранее, на фиг. 5-6 приведены результаты первой итерации глобальной и локальной оптимизаций, проведенных с вычислением MD. В силу представления результатов итерации в виде мелкомасштабной карты, предоставление результатов дальнейших итераций в аналогичном виде представляется неинформативным. Переотнесение отдельных скважин от одной кустовой площадки к другой в результате оптимизации хорошо просматривается на фиг. 7-8.
Дальнейшие повторы циклов дали следующие результаты, приведенные в таблице 2:
Таким образом, в результате трех итераций (повторов цикла) достигнуто значение целевого показателя (в данном случае, MD=2236900 м), которое удовлетворило требованиям сходимости расчета. Проект размещения кустовых площадок, соответствующий расчету после 3-ей итерации, принят в качестве оптимального.
Заявляемый способ также позволяет оценить риск пересечения скважин, как вновь проектируемых, так и проектируемых в сочетании с существующей скважиной. Такую оценку проводят для пар соседних скважин каждой кустовой площадки. Для этого в блоке оптимизации подключают блок расчета траектории скважин и оценки риска пересечения скважин, где определяют зону неопределенности положения каждой скважины, принадлежащей соответствующей кустовой площадке. Как правило, зона неопределенности определяется для каждой точки оси ствола скважины и зависит от соответствующего этой точке MD, при этом радиус неопределенности составляет 1,5-3% от MD. В итоге, для каждой скважины формируют коническую, расходящуюся от устья к забою, поверхность, которая формирует и ограничивает зону неопределенности скважины. Затем для этих двух соседних скважин определяют минимальное расстояние между их стволами, фиксируя при этом значение глубины и координаты точки, относительно которой возможно достижение такого минимального расстояния. На этом глубинном уровне вычисляют проектный коэффициент расхождения зон неопределенности как отношение минимального расстояния между стволами двух соседних скважин к сумме радиусов неопределенности стволов соседних скважины, вычисленных для точек осей стволов скважин, относительно которых определено такое минимальное расстояние. Полученный коэффициент сравнивают с заданным значением и по превышению проектного коэффициента над заданным значением судят о наличии качественного риска пересечения скважин. Описанные действия по определению риска пересечения скважин выполняют для каждого шага глобальной и локальной оптимизации при проектировании кустовых площадок.
Также, при разработке месторождения, на котором присутствует хотя бы одна пробуренная ранее скважина, может быть проведена оценка риска пересечения вновь проектируемых скважин с существующей. Заявляемый способ также позволяет оценить такой риск с использованием аналогичной последовательности действий, как при оценке риска пересечения проектируемых скважин. При этом также вычисляют зону неопределенности проектируемой скважины, строят «конус неопределенности», определяют минимальное расстояние между стволами существующей и проектируемой скважин и вычисляют проектный коэффициент расхождения зоны неопределенности как отношение минимального расстояния между стволами существующей и проектируемой скважин к радиусу неопределенности проектируемой скважины, вычисленному для точки оси ствола проектируемой скважины, относительно которой определено такое минимальное расстояние. В результате сравнения проектного коэффициента с заданным судят о наличии качественного риска пересечения скважин. Описанная последовательность действий также, в случае необходимости, выполняется при проведении каждого шага глобальной и локальной оптимизаций, что позволяет на каждом итерационном шаге получать полноценную информацию не только о значении целевого показателя, но и иметь дополнительные сведения о проектируемых скважинах, которые могут повлиять на дальнейшее проектирование.
На фиг. 11 представлен пример результата определения зоны неопределенности положения ствола скважины в пространстве. После определения зоны неопределенности для каждой скважины выполняют оценку риска пересечения скважин с использованием коэффициента расхождения. В примере по результатам расчетов было выявлено 10 пар скважин, у которых коэффициент расхождения составил менее 1,5. После внесения изменений в траектории скважин (изменение глубины вертикального участка и изменения угла наклона участка стабилизации) и изменения порядка бурения скважин коэффициент расхождения для всех скважин составлял более 1,5, что означает отсутствие риска по пересечению.
С этой же целью, для формирования полной картины при проектировании кустовых площадок может быть определено оптимальное направление движения станка (НДС) на кустовой площадке, основанное на переборе значений азимутального угла наклона проектируемой линии НДС. Данное решение также может быть выполнено в процессе оптимизации, для чего в блоке оптимизации подключают блоки выбора оптимального азимутального угла НДС и расслотирования скважин по линии НДС. Шаг для перебора выбирают произвольный, от 5 до 40°. Так для каждого значения азимутального угла линии НДС проводят расслотирование скважин кустовой площадки. Для каждой скважины вычисляют значение угла между линией НДС и направлением от устья к забою скважины, после чего вычисляют среднее значение этого угла для всех скважин кустовой площадки. Проведя расчеты для всех значений азимутальных углов линии НДС, определяют наиболее близкое к 90° среднее значение угла между линией НДС и направлением от устья к забою скважины. Данное значение характеризуется максимальной близостью к перпендикулярному направлению проведения скважин. Известно, что наиболее безопасной является проводка скважин в случае, если забои скважин направлены примерно под прямым углом к направлению движения станка. Наибольшая опасность пересечения стволов возникает при бурении скважин, забои которых направлены в сторону движения станка. Поэтому при определении оптимального направления движения станка (НДС) на кустовой площадке, придерживаются того, чтобы в направлении движения станка располагалось минимальное число проектных забоев скважин.
На фигуре 12 представлен пример расчета оптимального направления движения станка (НДС) на кустовой площадке. При этом полученное среднее значение угла между линией НДС и направлением от устья к забою скважины составляет 72 град., определено для значения азимутального угла НДС 242 град.
Таким образом, в результате применения заявляемого изобретения стало возможным проектировать оптимальное расположение кустовых площадок на месторождении с учетом топографических и геологических ограничений, параметров строительства скважин.
При проведении операций заявляемого способа использован метод безусловной оптимизации функции от нескольких переменных.
Вышеприведенное описание предназначено для пояснения сущности заявляемого изобретения. Настоящее изобретение может подвергаться различным изменениям и модификациям, понятным специалисту. Такие изменения не ограничивают объем притязаний. Например, могут изменяться типы целевых показателей, может изменяться критерий сходимости расчета, объем исходных данных для проведения расчетов, абсолютные значения заранее заданных параметров и т.д. Способ не ограничен каким-либо количеством анализируемых забоев, количеством скважин или кустовых площадок.