Информационная система поддержки вычислительного эксперимента в задачах изучения фазового состояния газонефтяных систем

Актуальность работы. Сведения о фазовом состоянии углеводородной системы, компонентном составе ее фаз, газовом факторе, результатах однократного разгазирования и ступенчатой сепарации крайне важны в задачах подсчета запасов, при геологическом и гидродинамическом моделировании залежи, проектировании разработки месторождений и других задачах нефтяной промышленности. Важной проблемой, связанной с оценкой фазового состояния углеводородной смеси, является задача восстановления исходного состава смеси по нескольким известным результатам ее сепарации при неизвестном газовом факторе.

Экспериментальное определение необходимой информации о составе и свойствах углеводородных систем и воды связано с проведением трудоемких и продолжительных исследований на специальной аппаратуре высокого давления. Объем проводимых исследований ограничивается также другими дополнительными факторами:

• материальным и временным — в среднем на исследование продукции одной скважины тратится 120−160 человеко-часов, а стоимость проведения исследования не менее 60 тыс. рублей;

• невозможностью отбора проб для исследования либо ввиду отсутствия действующих разведочных или эксплуатационных скважин, или других причин;

• масштабностью задачи — т. е. необходимостью изучения продукции скважин в масштабах пласта или даже месторождения при действующем фонде в сотни или даже тысячи скважин.

Поэтому в инженерной практике наряду с экспериментальными данными широко используются технологии вычислительного эксперимента [54, 56, 55], позволяющие определить характеристики продукции скважин, а также эмпирические соотношения, устанавливающие взаимосвязь этих характеристик по результатам накопленного опыта исследования пластовых систем в процессе разработки нефтяных месторождений. 54].

С точки зрения конечного пользователя такой вычислительный эксперимент преследует две цели:

• вычислительную — для получения по исходным данным необходимой информации о составе и свойствах углеводородных систем при различных термобарических условиях;

• исследовательскую — для проверки разрабатываемой модели путем сравнения результатов ее работы с данными натурных экспериментов или с результатами расчетов по другим моделям.

У При этом, поскольку параметры моделей определяются свойствами продукции конкретных месторождений, требуется также обеспечить возможность анализа данных для различных месторождений. Это приводит к необходимости организации многопользовательского доступа к исходным данным и результатам расчетов.

Практическое внедрение результатов вычислительного эксперимента в задачах добычи и транспортировки углеводородного сырья осложняется, в первую очередь, масштабностью задачи. При внедрении технологии, разработанной для анализа одной скважины, на все месторождение ее необходимо дополнить новыми возможностями — для интерпретации и анализа результатов и исходных данных в системе в целом. А именно, требуются инструменты для анализа интегральных показателей по месторождению, а также выявления и исследования зависимостей между результатами вычислительного эксперимента в географически близких скважинах. Традиционно для этих целей используются информационные системы.

Далее, модели для оценки фазового состояния углеводородной смеси и IV компонентного состава ее фаз, подходящие для одних месторождений, не всегда адекватно отражают особенности других. Для этого в состав информационной системы, обслуживающей вычислительный эксперимент, должна входить база по сложившимся и положительно себя зарекомендовавшим моделям. Необходимо обеспечить динамическое пополнение этой базы, как на уровне параметров моделей, так и новыми моделями.

Ввиду важности как собственно организации вычислительного эксперимента по оценке фазового состояния углеводородных смесей и компонентного состава фаз, так и его практического внедрения, актуальными являются следующие задачи:

• разработка эффективной технологии создания и практическая реализация информационной системы как инструмента поддержки вычислительного эксперимента в задачах, связанных исследованием фазового состояния газонефтяных систем;

• разработка, обоснование и тестирование эффективных алгоритмов и методов проведения численных расчётов по оценке фазового состояния;

• разработка метода и алгоритма определения состава исходной углеводородной системы по известным компонентным составам ее фаз в различных термобарических условиях при неизвестном газовом факторе.

Целью работы является практическая реализация информационной системы как инструмента поддержки вычислительного эксперимента в задачах, связанных с исследованием фазового состояния газонефтяных систем.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

• разработка метода и алгоритма оценки состава исходной углеводородной системы при неизвестном газовом факторе;

• разработка эффективных алгоритмов и методов проведения численных расчетов для вычислительных экспериментов для задач исследования фазового равновесия в газонефтяных системах;

• развитие технологии, интегрирующей основополагающие принципы вычислительного эксперимента для задач исследования фазового состояния углеводородных смесей и современные подходы к работе с информацией;

• практическая реализация информационной системы как инструмента поддержки аспектов вычислительного эксперимента, связанных с применением компьютера для задач исследования фазового равновесия в газонефтяных системах.

Методология исследований. При разработке алгоритмов численных расчетов в качестве основы математических моделей для задач оценки фазового состояния углеводородных смесей и компонентного состава их фаз были выбраны математические модели фазового равновесия, описываемые уравнением состояния Пенга-Робинсона, и эмпирические зависимости, полученные В. И. Шиловым, в которых с помощью математической статистики определены зависимости коэффициентов распределения от давления и температуры. [82, 47].

В качестве базовой методологии создания информационных систем для научных исследований выбран компонентный подход, практикуемый в последнее время при создании сложных программных комплексов и основанный на синтезе современных СОМ технологий, технологий удаленного доступа и баз данных.

При разработке модулей комплексного анализа и визуализации результатов расчетов была обеспечена независимость данных от способа их дальнейшей обработки.

Научная новизна исследования заключается:

• в разработке эффективного алгоритма расчета фазового равновесия многокомпонентной углеводородной системы, позволяющего проводить расчеты с использованием широкого класса уравнений состояния;

• в разработке нового метода и алгоритма оценки состава исходной углеводородной системы по известным компонентным составам ее фаз в различных термобарических условиях при неизвестном газовом факторе;

• в том, что в рамках общей методологии проведения вычислительного эксперимента реализованы новые подходы для задач, связанных с изучением фазового равновесия углеводородных систем, позволяющие учесть масштабность задачи.

Практическая значимость исследования состоит в том, что:

• разработана информационная система, значительно облегчающая проведение полного цикла вычислительного эксперимента для задач исследования фазового равновесия в газонефтяных системах;

• основные теоретические выводы и технологические положения доведены до уровня конкретных практических рекомендаций и использованы в разработке информационной системы;

• предложенная технология интеграции основных принципов вычислительного эксперимента, аппарата баз данных и современных com и web технологий значительно упрощает анализ достоверности результатов натурных и вычислительных экспериментов по исследованию углеводородных смесей;

• разработанная информационная система представляет собой виртуальную научную лабораторию для проведения различных этапов вычислительного эксперимента в задачах, связанных с исследованием фазового состояния газонефтяных систем.

Теоретическая значимость работы.

• предложенная технология позволяет разрабатывать программные инструменты для тестирования и определения параметров математических моделей для изучения фазового и компонентного составов системы;

• разработан алгоритм расчета фазового равновесия многокомпонентной углеводородной системы, позволяющий проводить расчеты с использованием широкого класса уравнений состояния;

• разработан метод и алгоритм для численных расчетов состава исходной системы по известным составам её фаз, полученным в результате ее сепарации;

• предложенная технология позволяет разрабатывать программные инструменты для поддержки вычислительного эксперимента и в других областях знания.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается качеством выбранного математического аппарата моделирования и сравнением расчетных данных на качественном уровне с результатами натурных исследований.

На защиту выносятся:

• технология создания распределенных информационных систем проведения вычислительного эксперимента для задач исследования фазового равновесия в газонефтяных системах;

• практическая реализация информационной системы, основанной на разработанной технологии;

• алгоритмы численных расчетов для вычислительных экспериментов в задачах определения фазового равновесия газонефтяных систем для нефтяной скважины;

• метод и алгоритм определения состава пластовой углеводородной системы при неизвестном газовом факторе.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы были апробированы на следующих конференциях и семинарах:

1. Международной научно-технической конференции. Вологда. 2001.

2. 15 международной научной конференции, Тамбов. 2002.

3. XII научно-практической конференции молодых ученых и специалистов СибНИИНП, Тюмень 2002 г.

4. Научных семинарах кафедр программного обеспечения, информационных систем, математического моделирования, моделирования физических процессов и систем, механики многофазных систем Тюменского госуниверситета, в институте СибНИИНП и институте вычислительного моделирования СО РАН г. Красноярск.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации — 105 страниц, включая 22 иллюстрации, 1 таблицу и список литературы из 92 наименований.

Заключение

.

Целью диссертационной работы является создание и практическая реализация эффективной технологии информационных систем поддержки вычислительного эксперимента в задачах, связанных с изучением фазового состояния углеводородных смесей.

Исходными данными для проводимых в этой области численных экспериментов являются компонентные составы пластовой нефти. Поэтому одной из задач, стоящих перед вычислительным экспериментом, является задача получения достоверной исходной информации. В результате проведённого исследования был разработан метод, позволяющий оценить компонентный состав пластовой нефти исходя из составов газовой и жидкой фаз нескольких исследований, проведённых при различных термобарических условиях и неизвестном газовом факторе. Разработанный метод позволяет исследовать продукцию обводненных скважин, фонд которых составляет более 80% и практически не исследуется. Абсолютная погрешность определения по каждому компоненту предложенным способом не превышает установленную ГОСТом 14−920−79 погрешность определения состава хроматографическим методом. Отличие расчётных значений газового фактора продукции от фактических значений также лежит в пределах определения газового фактора прямым классическим способом. При этом себестоимость определения предложенным способом меньше классического в 1,4 раза.

В результате проведенного в работе анализа математических моделей фазового равновесия углеводородных систем был разработан абстрактный алгоритм проведения численного эксперимента для заданной углеводородной системы. Абстрактность алгоритма относительно отдельных этапов расчёта позволила использовать его на широком спектре уравнений состояния и эмпирических зависимостей, применяемых сегодня при моделировании в этой области исследований. Для практического использования этого алгоритма в диссертации разработана технология, позволяющая использовать в качестве исходных данных не только составы изучаемой углеводородной системы, но и практическую реализацию отдельных этапов численного эксперимента.

Далее в диссертации разработана модификация классической схемы вычислительного эксперимента. Внесенные в схему изменения позволили учесть существующие на сегодня компьютерные технологии и создать на их основе технологию проведения вычислительного эксперимента для задач изучения фазового равновесия в углеводородных системах с учётом масштаба задачи. Масштаб задачи определяется такими факторами, как:

• Необходимость получения исходных данных по как можно большему спектру углеводородных систем;

• Необходимость организации сбора и накопления исходной информации;

• Объем исходных данных — необходимость исследования продукции десятков тысяч скважин;

• Наличие большого числа математических моделей;

• Необходимость получения новых данных;

• Необходимость адаптации существующих моделей к продукции конкретных месторождений и создания новых моделей.

В диссертации разработана технология хранения методов расчёта, используемых в алгоритме, в базе данных. Синтез аппарата баз данных, web-технологий, СОМ технологий и классических информационных систем позволил разработать и практически реализовать технологию создания информационных систем поддержки вычислительного эксперимента в задачах, связанных с изучением фазового состояния углеводородных смесей. Созданная на основе предложенных в диссертации технологий информационная система показала их эффективность.

Исходными данными для проводимых в этой области численных экспериментов являются компонентные составы пластовой нефти. Поэтому одной из задач, стоящих перед вычислительным экспериментом, является задача получения достоверной исходной информации.

В проведённом исследовании разработан метод, позволяющий определить компонентный состав пластовой нефти исходя из составов газовой и жидкой фаз нескольких проб, отобранных при различных термобарических условиях и неизвестном газовом факторе, который позволяет изучать продукцию обводненных скважин, фонд которых составляет более 80% и практически не исследуется.

Практическое применение разработанных в настоящей диссертации технологий и методов не ограничивается рамками вычислительного эксперимента по исследованию фазового равновесия в углеводородных системах. Так, на основе предложенной технологии в систему был подключен модуль для изучения вероятности солеотложения для пластовых вод. Разработанная информационная система представляет собой виртуальную лабораторию. Отдельные элементы, предложенной в диссертации технологии, были успешно использованы при решении задач образовательного плана и в биллинговой системе ТюмГУ.