Анализ неопределенности и его актуальность при создании геологической и гидродинамической модели в России и в мире
Анализ сложившейся ситуации в нефтяной геологии показывает, что эпоха «легкой нефти» подходит к концу как в России, так и в мире. Истощение запасов разрабатываемых месторождений, необходимость ввода в эксплуатацию новых месторождений, более сложных в освоении (характеризующихся сложным геологическим строением и требующих значительных затрат на строительство инфраструктуры), приводят к необходимости применения особых технологических методов извлечения углеводородного сырья – бурения горизонтальных и многоствольных скважин, «умных перфораций», применения методов увеличения нефтеотдачи и т.д. Ввиду высокой себестоимости подобных мероприятий любая ошибка может привести к весьма значительным экономическим потерям, поэтому сейчас для уменьшения рисков разработки применение на практике анализа неопределенностей исходных данных актуально как никогда. Практически каждый специалист по разработке месторождений сталкивается с разной степенью неопределенности входной информации: неоднозначностью интерпретации каротажных данных, нехваткой данных по исследованиям свойств керна и пластовых флюидов, ошибками в базе промысловых данных и др. Несмотря на то что качество входных данных с каждым годом растет, процессы их замера и интерпретации содержат в себе некоторую степень неопределенности, которую необходимо учитывать при планировании операционной деятельности. В настоящее время существует возможность минимизировать ошибки и погрешности, а также рационализировать процесс построения модели, поскольку одной из черт современного мира является стремительное развитие информационных технологий и мощностей машинных ресурсов. Если раньше подготовка данных и расчет фильтрационной модели были длительным ручным процессом, то сейчас существует возможность генерировать и запускать множество расчетных вариантов в автоматическом режиме; расчеты гидродинамической модели, которые ранее занимали несколько суток, сейчас могут быть посчитаны за 1 – 2 часа. Таким образом, использование современных компьютерных технологий позволяет инженеру-проектировщику высвободить дополнительный запас времени, который может быть использован для детального анализа влияния неопределенных данных на результат расчета. Этот подход позволяет оценивать поведение модели во всем возможном диапазоне входных данных, создавать несколько альтернативных вариантов, адаптированных на историю моделей, и использовать такую многовариантную адаптацию для уменьшения рисков окупаемости при планировании стратегии разработки месторождения в условиях высокой неопределенности входной информации.
Эта статья раскрывает практический подход к реализации анализа неопределенности на месторождениях с различной степенью изученности. В таком подходе результаты оценки неопределенности должны послужить основой для выбора репрезентативных моделей при адаптации на исторические данные, что обеспечит возможность уменьшить риск при планировании и оперативном управлении разработкой. Ключом к успешной реализации подхода является интегрированная работа инженеров смежных дисциплин при построении геологической и гидродинамической модели. Фильтрационная модель пласта – это результат синтеза данных геологии, петрофизики и гидродинамики, наследующий все присутствующие в них неопределенности. Поэтому полноценный анализ неопределенности при проектировании должен включать в себя согласованную работу геолога, петрофизика и гидродинамика, в связи с чем особенную ценность представляют инструменты и методы анализа данных, основанные на комплексных критериях оценки, совмещающих в себе различные дисциплины и области знаний. Данный подход был реализован на примере программного продукта Petrel* (модуль Uncertainty and Optimization) компании Software Integrated Solutions.
Концепция подхода включает в себя три основных этапа:
- На первом выделяются репрезентативные геологические модели, которые в последующем будут адаптироваться на историю. Для этого сначала проводится анализ чувствительности для параметров, неопределенность которых наиболее сильно влияет на выходной результат (к примеру, на распределение запасов). Далее, варьируя выбранные параметры неопределенности, инженер-геолог создает геологические модели на основе планирования экспериментов (например, стохастическим методом Монте-Карло). Результатом анализа неопределенности является выборка геологических моделей, которые отражают максимальный разброс оцениваемого критерия – так называемые P10, P50, P90 по полученному диапазону значений.
- Вторым этапом является адаптация выбранных геологических моделей на историю разработки. При этом исследуются параметры неопределенности, влияющие на добычу, для выявления которых можно также провести анализ чувствительности. Адаптированные гидродинамические модели используются для более глубокого анализа дальнейшей разработки месторождения.
- Третьим (конечным) этапом рабочего процесса можно назвать процедуру обработки и представления результатов многовариантной адаптации. Здесь полученные ранее альтернативные варианты адаптации комбинируются для получения единой картины, показывающей степень неопределенности результатов расчетов в том или ином регионе пласта, и таким образом позволяют оценить риски при планировании мероприятий в данном регионе. Схематично основные этапы подхода отражены на рис. 1.
Petrel Uncertainty and Optimization как 
инструмент для анализа неопределенности
и оптимизации в условиях сжатых сроков
при совместной работе геолога и гидродинамика
Процедура анализа неопределенности предполагает необходимость создания большого количества расчетных вариантов. Ручная процедура создания такого количества вариантов непродуктивна ввиду больших затрат времени, потому вопрос автоматизации выбора значений параметров и создания вариантов расчетов приобретает определяющее значение. Другим необходимым элементом успешного анализа неопределенности является наличие в распоряжении инженера инструментов анализа большого числа моделей с точки зрения входных неопределенностей и их влияния. Инструментом для проведения анализа неопределенности является модуль Petrel Uncertainty and Optimization, который позволяет запускать расчеты в симуляторах, таких как ECLIPSE* и INTERSECT*. Отличительной особенностью данного модуля является возможность анализа пространственного распределения свойств в интерфейсе программы, что позволяет легко переходить от анализа неопределенности («математической» задачей) к анализу причин поведения модели (задачей нефтеразработки). Таким образом, обеспечивается существенно лучшее понимание физики пласта.
Используемый модуль позволяет решить следующие задачи:
- Возможность использовать как геологические параметры неопределенности, так и гидродинамические, что облегчает взаимодействие в мультидисциплинарной группе.
- Задание различных видов распределений и типов переменных (ключевые слова, зависимости, условия) на любых уровнях работы с моделью (глобальный, региональный, локальный уровни).
- Возможность использовать основные оптимизационные алгоритмы, такие как генетический и эволюционный.
- Возможность запускать несколько расчетов одновременно.
- Сокращение времени из-за отсутствия экспорта/импорта данных из одного программного обеспечения в другое.
В качестве практического примера использования анализа неопределенности при адаптации модели к истории разработки ниже представлен рабочий процесс по созданию и адаптации фильтрационных моделей, успешно опробованный инженерами ОАО «Сургутнефтегаз» совместно с компанией Software Integrated Solutions.
Опыт работы ОАО «Сургутнефтегаз» с модулем Petrel Uncertainty and Optimization
Пробное внедрение описанного рабочего процесса было проведено инженерами компании ОАО «Сургутнефтегаз» в ходе проекта создания геолого-гидродинамической модели по одному из месторождений, открытом в 2003 г. и введенном в опытно-промышленную разработку в 2011-м. На территории лицензионного участка расположено 36 скважин, из них 13 разведочных и 23 эксплуатационного фонда. Работа проводилась на примере анализа неопределенности, связанной с нехваткой лабораторных исследований керна по капиллярометрии, относительным фазовым проницаемостям, определением уровня ВНК, установленных зависимостей определения фильтрационно-емкостных свойств, поверхностного натяжения.
На рис. 2 представлена структурная карта по пласту АС10/2, дополненная анализом степени изученности месторождения, отражающая количество и типы исследований в регионе. Данный анализ может позволить оценить соответствие степени неопределенности результатов и объема проведенных исследований. Например, для зон с высоким среднеквадратичным отклонением, возможно, понадобится проверить полноту и качество исследований и порекомендовать доразведать площадь.
Репрезентативные геологические модели были выбраны на основе варьирования распределения насыщенности в пласте (в соответствии с моделью J-функции Леверетта) с учетом изменения следующих параметров: проницаемости, поверхностного натяжения и концевой точки относительной фазовой проницаемости – связанной воды, а также уровеня водонефтяного контакта. Получившиеся в результате пять геологических моделей были адаптированы на историю разработки путем изменения значений концевых точек относительной фазовой проницаемости – таких как критическая насыщенность нефти в системе «нефть-вода» и критическая насыщенность воды, относительная проницаемость воды при критической нефтенасыщенности и относительная проницаемость нефти при критической водонасыщенности. В результате проведения первых двух этапов в распоряжении инженеров оказались 5 различных вариантов фильтрационных моделей, чье поведение в динамике в равной степени соответствует истории разработки месторождения.
На третьем этапе – прогнозном – для каждой адаптированной модели был рассчитан «нулевой» вариант прогнозной стратегии, в котором все добывающие скважины контролируются по забойному давлению, соответствующему дате окончания исторического расчета, нагнетательные – по соответствующей приемистости. На основе данных расчетов были построены карты плотности остаточных запасов на конец истории и конец прогнозного периода, которые послужили для идентификации перспективных зон бурения (т.е. показали запасы, которые не будут выработаны без проведения дополнительных мероприятий). Далее были построены несколько «единых» карт, отражающих распределение запасов с учетом подобной неопределенности:
Карта средних остаточных запасов (рис. 3);
• Карта средних остаточных запасов с поправкой на среднеквадратичное отклонение – обозначение рискованных и перспективных зон разработки (рис. 4).
На такой карте можно выделить:
• Области, где объем остаточных запасов относительно слабо менялся между альтернативными моделями (и соответственно – степень неопределенности в этом регионе низкая и риски наименьшие) – как предпочтительные при планировании мероприятий и не требующие дополнительных исследований;
• Области с большим разбросом запасов (соответственно – обладающие высокой степенью неопределенности) – характеризуются высокой степенью риска при планировании ГТМ и в то же время представляют собой области, где может быть полезным проведение дополнительных исследований.
Такая процедура делает возможным проведение всестороннего анализа неопределенности с учетом многовариантной адаптации и позволяет говорить о снижении рисков при бурении в перспективной зоне. В результате на данном этапе разбуривания месторождения по геолого-гидродинамической модели не рекомендовано к бурению 3 куста – 40 скважин, характеризующихся высокой степенью неопределенности (к ним можно будет вернуться по мере разбуривания месторождения и поступления новой информации, после обновления модели). Выданы рекомендации по отмене к бурению 2-х кустов (20 скважин). Выданы предложения по очередности разбуривания месторождения, которые будут учтены в объемах бурения на следующие годы. Также, в целом по месторождению намечены 4 перспективные зоны, на которых пока не расставлен проектный фонд, в одной из них предложено провести доразведку пласта и пробурить 1 разведочную скважину. При дальнейшем разбуривании месторождения эксплуатационными скважинами рядом с намеченными областями и при подтверждении данными разведочной скважины эти зоны будут уточнены и предложены для расстановки проектного фонда.
В дальнейшем ОАО «Сургутнефтегаз» планирует реализовать более полноценный анализ неопределенности для геологической модели с расширением списка геологических параметров неопределенности.
Выводы
В современных условиях, при существующей необходимости использования высокотехнологичных подходов для разработки месторождения, работа инженеров ОАО «Сургутнефтегаз» является положительным примером разностороннего анализа разработки месторождения с применением передовых технологий программного обеспечения. Анализ неопределенности, многовариантная адаптация, интегрированная работа геолога и гидродинамика – то, что раньше было только в теории, сейчас внедряется в практику. Подобный рабочий процесс, если ввести его в обязательную практику, может значительно повысить эффективность деятельности ОАО «Сургутнефтегаз», направляя компанию на новый вектор развития и открытие новых перспектив развития бизнеса.
