Подготовка и верификация исходных данных для геолого-технологического моделирования нефтяных месторождений и создания промысловых баз данных

Актуальность темы

Количественное увеличение объёмов данных во всех областях науки и промышленности является следствием стремительного роста потока информации в современном обществе. Не составляют исключения и нефтегазодобывающие предприятия. Значительную роль в них играет обработка большого объёма разнородной геолого-геофизической и промысловой информации, на основании анализа которой решаются задачи моделирования.

В сложных условиях залегания углеводородов на больших глубинах в тонких пластах-коллекторах при многокомпонентном литологическом составе и сложной структуре порового пространства возрастают требования к качеству интерпретации результатов геофизических исследований скважин (ГИС). Одним из направлений повышения геологической эффективности и оперативности использования материалов ГИС является автоматизация процессов сбора обработки и интерпретации информации с использованием ЭВМ. При наличии эмпирической базы данных возможно использование методов извлечения знаний из данных и применение обучающихся информационных систем. Так как задачи интерпретации ГИС имеют в своей основе сложные функциональные зависимости, то для их решения нашли применение системы нейронных сетей (НС) и нечеткой логики (HJI).

Развитие средств вычислительной техники и возрастающий объём информации требует создания и применения специализированных программных систем, способных объединить все геолого-геофизические данные по месторождению, обеспечить интеграцию данных добычи и разведки, поддержку постоянно-действующих геологических, гидродинамических и разного рода других моделей, обеспечить анализ хранимой информации. Опыт показывает, что применение таких систем позволяет рассматривать совокупность данных в едином ключе, делать выводы, основываясь на комплексном подходе к анализируемым данным.

Существует целый ряд систем, решающих эти задачи. Каждая, из них характеризуется разной степенью вовлеченности в процессы сбора, обработки и хранения геолого-геофизической информации. В каждой из них присутствуют элементы контроля достоверности данных на этапах ввода, обработки, либо с помощью механизмов систем управлении базами данных (СУБД). Но нельзя не отметить отсутствие комплексного подхода к контролю достоверности, согласованности и непротиворечивости данных. Именно, рассматривая данные в комплексе, можно сделать выводы об их достоверности. Решения, основанные на недостоверной информации, обходятся очень дорого, так как цена ошибки возрастает с увеличением количества операций, в которых участвуют ошибочные данные.

В целом, применение математических методов теории интеллектуальных систем для обеспечения качества и достоверности материалов геолого-геофизических исследований скважин, а также разработка системы их контроля в рамках геолого-технологического моделирования нефтяных месторождений являются актуальными задачами.

Объектом исследования являются геолого-геофизическая информация, представленная в цифровом видегеолого-технологическое моделирование нефтяного пласта-коллектораадаптивные модели НС и HJI для расчёта количественных параметров пласта в результате проведения ГИСавтоматизированная информационная система (АИС) комплексного анализа достоверности данных, с возможностью исправления явных ошибок в автоматизированном режиме.

Предметом исследования являются математическое описание алгоритмов обработки и анализа достоверности геолого-геофизической и промысловой информацииоптимизация системы разработки и режимов эксплуатации скважин нефтяного месторожденияматематическое, информационное и программное обеспечение АИС.

Методы исследования. При решении задач комплексного анализа достоверности данных использовались модели HJI, алгоритм адаптивного выбора подклассов, алгоритмы математической статистики, петрофизические закономерности. Для оценки параметров коллекторов применялась теория нечетких множеств (НМ). Результаты работы исследовались на предмет влияния ошибок при построении моделей.

Цифровые геологические модели исследуемых примеров месторождений отстроены на программном продукте IRAP RMS фирмы ROXAR в виде трехмерной детерминированной геологической модели. Построение гидродинамической модели проводилось с использованием пакета программ расчетного комплекса Tempest MORE фирмы ROXAR. Автоматизированная переинтерпретация данных проводилась с использованием программных комплексов Solver и LogWin-ЭК (разработка ОАО «Тверьгеофизика»).

Информационная модель АИС создана с учетом объектно-ориентированных принципов разработки программных комплексов. База правил разработана с учётом механизмов построения реляционных структур данных. Структурная схема системы спроектирована и реализована с учетом теоретических основ информатики и вычислительной техники.

Программное обеспечение системы реализовано на алгоритмическом языке высокого уровня — Object Pascal, интерфейс пользователя разработан в интегрированной среде Borland Delphi 6.0, база данных работает под управлением таких СУБД как Oracle 8i и Microsoft SQ1 Server 7.0. Часть правил системы используются в виде внешних библиотек (DLL) и реализованы на языке высокого уровня Microsoft Visual С.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена сопоставительным анализом разработанных и существующих математических моделей и методов, а также итогами проведения вычислительного эксперимента.

Математические модели, алгоритмы и прикладные программы, используемые в работе, основаны на положениях теории НМ и нейроинформатики, теоретических основах функционального анализа, теории статистического анализа, теории информации, теории вероятности, вычислительной гидродинамики, подземной гидромеханики и флюидодинамике, нефтегазовой геологии.

Достоверность экспериментальных результатов обеспечена большим объемом экспериментального материала, статистическими методами обработки данных и хорошей воспроизводимостью результатов, а также моделированием фильтраций флюидов в существенно отличающихся по строению пластах при различных начальных и граничных условиях, хорошей согласованностью прогнозируемых и реальных эксплутационных характеристик.

На защиту выносятся результаты разработки и научного обоснования технических и методических решений, направленных на обеспечение качества и достоверности материалов геолого-геофизических исследований скважин, необходимых при геолого-технологическом моделировании и разработке нефтяных месторождений, в том числе:

— подходы к интерпретации геолого-геофизической информации при подсчете запасов и геолого-технологическом моделировании месторождений путем уточнения или пополнения промысловой базы данных;

— алгоритмы и программные модули, позволяющие определить коэффициенты проницаемости и пористости продуктивных коллекторов по данным каротажных кривых ГИС, реализованные на базе моделей НС и HJT;

— результаты вычислительного эксперимента по сравнению влияния полей проницаемости, полученных традиционно и с помощью искусственных НС, на гидродинамическую модель месторождения;

— расчеты показателей разработки месторождения, позволяющие адекватно учесть влияние многих факторов и выполнить интегральный прогноз с удовлетворительной точностью, путем применения численного моделирования;

— состав и структура базы правил системы контроля достоверности информации АИСразработка концептуальной структуры объектно-ориентированной системы, принципов построения программного, информационного, математического и лингвистического обеспечения системы.

Научная новизна результатов диссертационного исследования, полученных лично автором, заключается в следующем:

— разработаны научно обоснованные программные решения, направленные на повышение уровня достоверности геолого-геофизических и промысловых данных путем их автоматизированной переинтерпретации с использованием современных программных средств и восстановления недостающих параметров на основе накопленного опыта эксплуатации месторождений, гидродинамических и геологических исследований скважин;

— осуществлен выбор структуры и алгоритма работы искусственной НС, позволяющей определять коэффициент проницаемости по данным каротажных кривых ГИС, которая показала лучшие результаты по сравнению с классическим подходом определения проницаемости через зависимость от пористости;

— предложена модель HJI для оценки коэффициента пористости продуктивных коллекторов с применением треугольных функций принадлежности и функций произвольной формы по данным ГИС методами АК и НТК и последующим согласованием решения на основе операции пересечения Заде;

— проведено сравнение методик определения проницаемости при помощи гидродинамического моделирования, показавшее, что с помощью НС проницаемость определяется намного точнее, чем через классические зависимости от пористости;

— получены результаты моделирования разработки Алексеевского месторождения Удмуртской Республики путем сравнения нескольких вариантов выработки пластов для увеличения нефтеотдачи за счет поддержания пластового давления на уровне, близком к начальномуустановлено, что увеличение объема добычи достигается, в основном, за счет более интенсивной разработки пластов CrIII и CrV;

— определены принципы построения алгоритмов и программных средств, предназначенных на ранней стадии обработки информации выявлять ошибочи ные данные с механизмом их автоматического исправленияразработана единая методика контроля различных по структуре видов данных, обеспечивающая методы интегрированного анализа, применяемые в рамках различных программных решений.

Практическая ценность. Переход к автоматизированной переинтерпретации геолого-геофизических данных для выполнения сложных расчетов дает возможность использовать наиболее точные методики, повысить оперативность и надежность принятия решений в тех или иных производственных ситуациях, рассмотреть несколько вариантов и выбрать наиболее оптимальный из них для конкретных условий, сделать процесс творческим и высокопродуктивным. Кроме того, предлагаемое восстановление недостающих параметров на основе накопленного опыта эксплуатации месторождений, гидродинамических и геологических исследований скважин реализован при построении трехмерной геологической модели Ончугинского месторождения, что позволило качественно восстановить недостающую информацию и сравнить результаты ручной, выполненной ранее интерпретации, и автоматизированной при помощи программного комплекса Solver.

В результате проведенных экспериментов была получена НС, позволяющая определять коэффициент проницаемости по данным каротажных кривых ГИС. Полученная НС показала лучшие результаты по сравнению с классическим подходом определения проницаемости через зависимость от пористости, что также проявилось в лучшей адаптации гидродинамической модели месторождения по истории разработки (а именно, добыче нефти), которая строилась с использованием поля проницаемостей, рассчитываемых на базе НС.

В работе решена задача определения оптимальной системы разработки и режимов эксплуатации скважин нефтяного месторождения Удмуртской Республики, которое относится к категории месторождений с трудноизвлекаемыми запасами, характеризуются сильной расчлененностью нефтеносных пластов, существенно трехмерным распределением параметров нефтенасышенности, пористости, проницаемости.

Созданная АИС позволила решить ряд проблем, возникших при обработке различного рода геолого-геофизической и промысловой информации. Применение системы повышает уровень достоверности и согласованности данных, используемых в качестве исходных при построении геологических, гидродинамических и прочих моделей месторождений, а также обеспечивает реализацию механизма обнаружения ошибок и неточностей на ранних стадиях обработки данных. Практическую ценность системе придаёт её независимость от используемых аппаратных средств персональных компьютеров и слабую зависимость от хранилища данных. Структура разработанной АИС легко модифицируется под конкретные требования, обеспечивает возможность добавления новых модулей, а также адаптацию системы к различным правилам проверки данных.

Реализация работы в производственных условиях. При непосредственном участии автора была разработана и реализована, описанная в данной работе, АИС. Разработанная система использовалась при работе с распространённой базой данных Finder, где правила системы служили для проверки данных на достоверность и согласованность, а также обеспечивали возможность автоматической корректировки явно ошибочной информации. Тесная интеграция системы в программный комплекс оцифровки, предназначенный для создания базы электронных дел скважин ряда месторождений Западной Сибири и Удмуртии, позволило увеличить скорость обработки скан-образов и снизить ошибки, возникающие при заполнении базы.

Работа системы протестирована в ходе верификации геолого-геофизических и промысловых данных ряда месторождений Западной Сибири и Удмуртии. Результатом верификации явилось построение геологических и гидродинамических моделей месторождений.

Работа выполнялась в соответствии с планами хоздоговорных НИР, проводимых Институтом интеллектуальных технологий и ОАО «ТНК-ВР»: № ГР 1 200 409 312 «Анализ информации и сопровождение баз данных по месторождениям ОАО «Варьеганнефтегаз" — № ГР 1 200 406 709 «Формирование базы данных геолого-технологических мероприятий на скважинах ОАО «Варьеганнефтегаз" — № ГР 1 200 405 094 «Формирование базы данных геолого-технологических мероприятий на скважинах Самотлорского месторождения" — № ГР 1 200 405 096 «Создание библиотеки скан-образов скважин Самотлорского месторождения».

Вся работа в целом, а также её отдельные части могут быть использованы предприятиями нефтегазодобывающей отрасли, организациями, занимающимися построением различных моделей на основе геолого-геофизической и промысловой информации.

Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы обсуждались на: Международных научно-технических конференциях «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2002;2003) — Российской научно-технической конференции «Высокопроизводительные вычисления и технологии» (Ижевск, 2003) — 6 International congress of mathematical modeling (Нижний Новогород-2004) — 4-м научном симпозиуме «Геоинформационные технологии в нефтепромысловом деле» — секции «А» 6-го международного конгресса нефтегазопромышленников России (Уфа, 2005) — 33-й международной конференции «Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе» (Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2006) — Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении» (Таганрог, 2006) — 34-й Международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе» (Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2007).

Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 12 научных работах общим объемом 16,68 п.л., авторский вклад -6,23 п.л. Автор имеет 3 научных труда в издании, выпускаемом в РФ и рекомендуемом ВАКом для публикации основных результатов диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение и акт об использовании результатов работы, изложенные на 154 стр. машинописного текста. В работу включены 72 рис., 7 табл., список литературы из 108 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенного исследования получены следующие выводы.

1. При построении геолого-технологических моделей представленный геолого-геофизической материал часто оказывается неполным, либо противоречивым. Для решения этой проблемы предлагаются два подхода: автоматизированная переинтерпретация данных с использованием современных программных средств и восстановление недостающих параметров на основе накопленного опыта эксплуатации месторождений, гидродинамических и геологических исследований скважин.

2. В результате проведенных экспериментов была получена НС, позволяющая определять коэффициент проницаемости по данным каротажных кривых ГИС. Полученная НС показала лучшие результаты по сравнению с классическим подходом определения проницаемости через зависимость от пористости. Однако и в том и в другом случаях, практически не определяются маленькие значения проницаемости (до 20 мД), что может привести к тому, что в гидродинамических моделях возникнут непроницаемые перегородки, что, в свою очередь, вызовет сложности в адаптации подобных моделей.

3. Одной из задач являлась оценка коэффициента пористости продуктивных коллекторов и точности вычислений с применением треугольных функций принадлежности по сравнению с функциями произвольной формы. Как показали расчеты, решения, полученные с применением арифметических операций над функциями принадлежности треугольного вида, достаточно точно аппроксимируют результат. Ошибка, полученная в результате применения операции пересечения Заде, дает разницу в согласованном решении не более 6%. Кроме того, средняя скорость расчета составила для треугольной функции принадлежности — 15 мс, для произвольной — 93 мс. Поэтому при расчете петрофизи-ческих коэффициентов с использованием операций с нечеткими числами достаточно использовать аппроксимацию функций принадлежности функциями треугольного вида.

4. В работе приведено сравнение влияния полей проницаемости полученных традиционно (через зависимость от пористости) и с помощью искусственных НС, определяющих данный параметр пласта в зависимости от данных каротажных исследований, на гидродинамическую модель месторождения. На основании полученных полей были рассчитаны две модели. В результате было установлено, что первая модель с использованием классического подхода требует серьезной адаптации, в то время как вторая практически готова к работе. Отсюда можно сделать вывод, что с помощью НС проницаемость определяется намного точнее, чем через классические зависимости от пористости.

5. Проведено сравнение нескольких вариантов разработки месторождения при условии, что влияние на процессы нефтедобычи стало возможным со второго года эксплуатации. Из практических соображений продолжительность прогнозного периода была ограничена двадцатью годами. Расчеты показали, что при правильном выборе режимов работы добывающих скважин и обеспечении поддержания пластового давления возможно значительное увеличение нефтеотдачи, которое достигается за счет более равномерной выработки пластов с подстилающей водой (Ci-III, Ci-V). Накопленная добыча нефти в этом случае в 1,98 раза больше по сравнению с естественным режимом эксплуатации.

6. Созданная АИС позволяет проводить комплексную верификацию геолого-геофизической и промысловой информации, как в специализированных хранилищах, так и использоваться в качестве интегрированного инструмента контроля достоверности данных, применяемого в рамках программных решений сторонних разработчиков. Определены принципы и разработаны программные алгоритмы, предназначенные для выявления недостоверных данных на ранней стадии обработки информации, с механизмом автоматической корректировки. Разработана гибкая система хранения правил контроля, а также алгоритмы их обработки. Система правил имеет возможности расширения за счёт использования внешних (DLL) библиотечных модулей, что позволяет производить настройку правил системы под конкретные требования. На основе проведённых хоздоговорных работ, в которых использовалась данная система, проведены комплексные исследования по оценке применимости созданной системы контроля.