Методы системной оптимизации

Разговор о применении методов системной оптимизации разработки нефтяных месторождений начнем с утверждения, что рассматривать надо системы, которые могут самостоятельно функционировать, у которых граничные условия можно контролировать, задавать, оперативно изменять, т.е. ими управлять.

Пример такой системы дает ячейка скважин с центральной нагнетательной и несколькими окружающими добывающими, у которых задаются и изменяются забойные давления. Можно задавать и изменять производительности и число скважин.

Другой пример системы – нефтяная залежь или ее представительная часть достаточно большим числом ячеек скважин. По залежи задаются и изменяются в каких-то пределах: амплитудный дебит; введенные в действие извлекаемые запасы нефти и жидкости на одну пробуренную скважину; число пробуренных скважин; коэффициент различия физических свойств нефти и вытесняющего агента (воды, газа, их комбинаций, воды с растворенными поверхностно-активными веществами и растворенными полимерами, пара и воды, горячей воды, воздуха и продуктов горения или возможного другого вытеснителя). По залежи можно задавать ограничения по объему: добываемой нефти с учетом заданного плана поставок потребителям; добываемой жидкости с учетом сроков строительства и реконструкции промыслового хозяйства (пропускная способность которого изменяется не плавно, а дискретно скачками), закачки вытесняющего агента с учетом имеющихся в наличии ресурсов и производительности оборудования.

Важное звено этой системы – ремонтно-восстановительная служба. Ее производительность должна быть в 2 раза выше средней потребности, чтобы исключить возникновение слишком длинных очередей простаивающих в ожидании ремонта скважин.

Таким образом, в этой системе любое из звеньев (бурение и обустройство скважин, закачка в нефтяные пласты вытесняющего агента, подготовка и транспорт нефти, ремонтно-восстановительная служба) может ограничивать и даже срывать запроектированную добычу нефти.

Отметим, что возможны другие варианты рассматриваемых систем – менее полные и менее сложные, и более сложные, но они обязательно должны быть способны самостоятельно функционировать, должны иметь контролируемые и управляемые граничные условия.

Приведем пример объекта, который не представляет собой систему. Это отдельная добывающая скважина и дренируемый ею участок нефтяных пластов, не границе которого задано пластовое давление. Вся сложность состоит в этом пластовом давлении, которое можно задать мысленно, но нельзя задать практически и контролировать.

Чтобы этот объект превратить в систему, надо дренируемый добывающий скважиной участок продлить вплоть до забоев тех (одной или нескольких) нагнетательных скважин, которые обеспечивают добывающую закачкой вытесняющего агента. По-другому сказать, надо вместе с добывающей скважиной выделить весь тот объем нефтяных пластов, который содержит трубки тока, идущие от нее к одной или нескольким нагнетательным скважинам, обеспечивающим ее питанием (т.е. выделить как дерево вместе с корнями), трубки тока надо брать от забоя до забоя – от границы до границы с заданными граничными условиями. Такой объект представляет собой элемент нефтяной залежи.

Общая закономерность отбора нефти и жидкости по нефтяной залежи зависит от неоднородности (неравномерности вытеснения нефти) в пределах типичного среднего элемента залежи, от неоднородности между элементами залежи и от динамики осуществления технических мероприятий – бурения и обустройства скважин, строительства нефтепромыслового хозяйства по закачке вытесняющего агента и подготовке нефти, функционирования ремонтно-восстановительной службы.

Перечислим проблемы, уже решаемые методами системной оптимизации.

1. Выбор схемы воздействия на нефтяные пласты и определение соотношения добывающих и нагнетательных скважин, которое обеспечивает максимальную производительность. Оказывается, общеизвестное мнение о том, что пятиточечная схема площадного заводнения обладает максимальной интенсивностью, является неверным. Соотношение добывающих и нагнетательных скважин, обеспечивающее максимальную производительность, зависит от соотношения подвижностей вытесняющего агента и нефти в пластовых условиях – чем больше это соотношение, тем больше должно быть добывающих и меньше нагнетательных. Пятиточечная схема площадного заводнения с одинаковым числом добывающих и нагнетательных скважин обладает максимальной производительностью только в одном случае, когда вытесняющая вода и нефть имеют одинаковую подвижность (известная расчетная модель разноцветных жидкостей). Вывод о максимальной интенсивности пятиточечной схемы площадного заводнения когда-то был получен вполне строгим математическим путем, но для сильно упрощенной модели однородного пласта и однородных пластовых жидкостей.

2. Выбор снижения забойного давления добывающих скважин ниже уровня давления насыщения нефти газом. При этом установлено, что с этим снижением конкурируют повышение забойного давления нагнетательных скважин и применение интенсивных схем площадного воздействия. Оказывается, при падении забойного давления ниже давления насыщения не только снижается коэффициент продуктивности по нефти и увеличивается текущая обводненность продукции, но и снижается дебит нефти. Наблюдается явление искусственного превращения маловязкой и средневязкой нефти в средневязкую и высоковязкую со всеми вытекающими отсюда отрицательными последствиями.

3. Разделение по вертикали многопластового нефтяного месторождения на эксплуатационные объекты оптимальных размеров. Уменьшение эффективной толщины и продуктивности эксплуатационных объектов компенсируется уменьшением их неоднородности и увеличением доли нефти в суммарном отборе жидкости. Наблюдается проигрыш в начальном и выигрыш в среднем дебитах нефти.

4. Определение рационального общего числа скважин - выбор рациональной площади и рациональных извлекаемых запасов нефти на одну пробуренную скважину.

Исследования показали, что известная теория интерференции (взаимодействия) скважин, согласно которой увеличение общего числа скважин сопровождается все более и более медленным увеличением общего дебита жидкости, неприменима к основным разрабатываемым нефтяным месторождениям, обладающим средними, крупными и гигантскими размерами. Н таких месторождениях обычно преобладающим и господствующим бывает внутриконтурное заводнение. А при проектировании внутриконтурного заводнения вполне возможно осуществлять пропорциональное сгущение и разрежение сетки скважин (пропорциональное сжатие или растяжение). Тогда увеличение общего числа скважин приводит к прямо пропорциональному и даже более сильному увеличению общего дебита жидкости, т.е. вместо замедления наблюдается ускорение роста общего дебита.

При выборе плотности сетки скважин принимают во внимание прерывистость нефтяных пластов. С учетом этой прерывистости дополнительно увеличивается эффективность сгущения сетки скважин как в отношении общего дебита, так и конечной нефтеотдачи. Разрежение сетки – увеличение нефтяной площади и геологических запасов нефти на одну скважину после некоторого предела не дает полезного результата – не приводит к увеличению извлекаемых запасов нефти на скважину.

5. Определение рационального числа разведочных скважин в пределах разведуемой нефтяной площади. Эти скважины бурят по редкой сетке и они дороже эксплуатационных скважин в несколько раз. Поскольку нефтяные пласты обладают высокой зональной неоднородностью по продуктивности, то приходится бурить много разведочных скважин, чтобы с удовлетворительной точностью определить средний коэффициент продуктивности проектируемых эксплуатационных скважин. Например, на залежи крупных размеров с неоднородностью скважин по коэффициенту продуктивности V_η² = 1, чтобы среднее значение коэффициента продуктивности определить со среднеквадратичной ошибкой V_ε = 0,1, необходимо пробурить и исследовать сто разведочных скважин n_p = 100,

Это число разведочных скважин может быть слишком большим, если слишком велики экономические затраты и задалживание времени на разведку залежи. Тогда принимают компромиссное решение: уменьшают число разведочных скважин, соответственно снижается точность расчета производительности нефтяной залежи; вводят резервирование, и на первом этапе разработки снижается производительность залежи. Отыскивают общий минимум экономических затрат в разведке и экономических потерь в разработке залежи.