Геологическое многомерное цифровое моделирование месторождений


А. О. Серебряков













ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ МНОГОМЕРНОЕ ЦИФРОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ



Монография






















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 553.98
ББК33.36
     С32


Рецензент:
кандидат технических наук, доцент Г. И. Журавлев (Астраханский государственный технический университет)




     Серебряков, А. О.
С32 Геологическое многомерное цифровое моделирование месторождений : монография / А. О. Серебряков. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 236 с. : ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-0693-2

     Изложены технологии трехмерного цифрового геологического моделирования разведки, эксплуатации, добычи и переработки нефти и газа на основе геолого-геофизических, гидрогеологических, геохимических и экологических исследований углеводородов, ценных токсичных компонентов сероводорода и диоксида углерода в месторождениях. Приведены многомерные цифровые материалы о геологическом строении месторождений, взаимосвязи разведки и эксплуатации, добычи и переработки, гидрогеологии, геохимии и экологии нефти и газа.
     Для научных работников и практических специалистов в области поисков, разведки, разработки, переработки нефти и газа. Может быть полезно студентам, аспирантам и преподавателям нефтегазовых вузов и факультетов.

                                                           УДК 553.98
                                                           ББК33.36












ISBN 978-5-9729-0693-2

© Серебряков А.О., 2021
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ.................................................5

ГЛАВА 1. ВИДЫ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ НЕФТЕГАЗОНОСНЫХ СИСТЕМ.........................8
    1.1. Научно-теоретическое, техническое, технологическое и экологическое обоснование геологического моделирования.8
    1.2. Основные этапы создания и построения геологической модели.20
    1.3. Задачи геологического моделирования природных и техногенных систем регионов............................38
    1.4. Электронное компьютерное моделирование нефегазопромысловой геологии.............................42
    1.5. Геологическое моделирование природных и техногенных систем освоения месторождений нефти и газа......................46
    1.6. Сейсмическое моделирование природных и техногенных систем.51

ГЛАВА 2. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАЛЕЖЕЙ НЕФТИ И ГАЗА В В ЕСТЕСТВЕННОМ СТАТИЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ.....55

ГЛАВА 3. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ В ДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ РАЗРАБОТКИ...................59

ГЛАВА 4. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ДОБЫЧИ НЕФТИ И ГАЗА.........63

ГЛАВА 5. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОВМЕЩЕНИЯ ПРИРОДНЫХ И ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ МЕСТОРОЖДЕНИЙ............69

ГЛАВА 6. ОПЕРАТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОИСКОВ, РАЗВЕДКИ, РАЗРАБОТКИ И ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ И ГАЗА..............................71

ГЛАВА 7. ТРЕХМЕРНОЕ ЦИФРОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОМЫСЛОВОГО СТРОЕНИЯ ПРОДУКТИВНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ..............77
    7.1. Моделирование емкостных и фильтрационных показателей продуктивных залежей.....................................78
    7.2. Цифровое трехмерное моделирование геологического строения залежей нефти и газа.....................................79
    7.3. Геометризация цифровой 3D геологической модели продуктивных залежей.....................................80


3

    7.4. Трехмерное гидродинамическое моделирование разработки и эксплуатации продуктивных залежей......................82
    7.5. Моделирование промысловых технологий воздействия
       на продуктивные залежи для увеличений добычи нефти и газа...83

ГЛАВА 8. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОИСКОВ И РАЗВЕДКИ, РАЗРАБОТКИ, ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ-ГИГАНТОВ СЛОЖНОГО СОСТАВА............................85
    8.1. Обоснование технологии геологического моделирования месторождений-гигантов сложного состава..................85
    8.2. Геологическое моделирование поисков и разведки месторождений.................................87
    8.3. Гидрогеологическое моделирование разработки месторождений.111
    8.4. Геохимическое моделирование переработки газа и конденсата.124
    8.5. Моделирование эксплуатации на естественном режиме..141
    8.6. Трехмерное цифровое моделирование месторождения-гиганта...156

ГЛАВА 9. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ УСЛОВИЙ ПОИСКОВ, РАЗВЕДКИ, РАЗРАБОТКИ, ЭКСПЛУАТАЦИИ, ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ
НЕФТИ И ГАЗА................................................162
    9.1. Экологическое моделирование оценки воздействия месторождений на окружающую среду ОВОС..................162
    9.2. Экологическое моделирование безопасности геологоразведочных и эксплуатационных работ.............183
    9.3. Экологическое моделирование безопасности переработки нефти и газа............................................197

ГЛАВА 10. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИННОВАЦИОННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОИСКОВ И РАЗВЕДКИ, РАЗРАБОТКИ, ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ И ГАЗА...............217
    10.1. Экономическое моделирование планирования и прогноза эффективности поисков, разведки, разработки, добычи
        и переработки месторождений нефти и газа............217
    10.2. Экономическое моделирование инновационной эффективности топливно-энергетического комплекса......................220

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................226

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................230


4

ВВЕДЕНИЕ


     Актуальность трехмерного цифрового моделирования месторождений и геологоразведочных исследований заключается в том, что нефть и газ относятся к числу важнейших природных углеводородных (УВ) полезных ископаемых, используемых человечеством в качестве энергоносителей и сырья для нефтехимии. Хотя запасы УВ в недрах далеко не безграничны, их ключевая роль в функционировании мировой экономики будет сохраняться в ближайшем обозримом будущем. Поэтому требуется очень бережное отношение к этим природным сырьевым ресурсам, особенно на стадии их извлечения из недр.
     Современные методы геологического моделирования позволяют оценить и оперативно учесть в модели неопределенности разведки, разработки и добычи сырья, обусловленные недостатком знаний о строении и свойствах продуктивных пластов. При оценке неопределённостей геологических моделей используются методы геостатистики. Построение и практическое использование моделей необходимо на всех стадиях изучения, начиная от процесса поиска и разведки нефтяных и газовых месторождений и заканчивая выработкой остаточных запасов. При этом модель выполняет функцию интеграции геологических, экологических, технических и технологических знаний об объекте. За последние годы трёхмерное (3D) моделирование стало неотъемлемой частью производственного процесса в нефтегазовых компаниях.
     Нефтегазодобывающая отрасль промышленности Российской Федерации, является стержневой в развитии экономики страны, а также занимает одно из важнейших мест в обеспечении мировой экономики такими эффективными, но невосполнимыми энергоносителями. В России вопросы наиболее полного эффективного извлечения запасов УВ из недр всегда были приоритетными в деятельности специалистов в области промысловой геологии. Нефтепромысловая геология должна решать двуединую задачу. Во-первых, устанавливать условия залегания УВ в недрах, чтобы выбрать наиболее эффективную в этих условиях технологию их извлечения. И, во-вторых, следить за процессами нефтегазоиз-влечения, обосновывая комплекс мер по управлению этими процессами.
     Сложность решения этой двуединой задачи заключается в том, что залежи нефти и газа представляют собой скопление УВ в порах и трещинах горных пород-коллекторов, находящихся в недрах на больших глубинах и недоступных для визуального изучения.
     Это решается путем комплексного обобщения и анализа разнообразной прямой или косвенной информации, получаемой в результате различных прямых и косвенных методов с привлечением современных программ для их обработки.

5

     Изучение залежей нефти и газа с целью обеспечения запасов углеводородов с учетом геологических особенностей их залегания решается с помощью геолого-промыслового моделирования залежей углеводородов в их статическом природном состоянии, а при разработке залежи - в их динамическом состоянии.
     Геологические трехмерные цифровые модели служат основой для оценки запасов углеводородов и выбора наиболее эффективных технологий разработки залежей нефти и газа.
     Необходимые материалы о месторождениях геологи получают от геофизиков, при проведении различных полевых геофизических работ, таких как сейсморазведка. Геофизики, как и геологи, разрабатывают и внедряют в практику геологоразведочных работ оригинальные технологии полевых сейсморазведочных работ, а также способы обработки и комплексной интерпретации полевых материалов.
     На современном этапе создание трехмерных цифровых геологических моделей является важным звеном, позволяющим регулировать разработку нефтяных и газовых месторождений, и решать важнейшие геологические задачи, такие как подсчет запасов, размещение фонда всех видов скважин, гидродинамические расчеты, проектирование разработки и т. д. Качественное обоснование моделей отражает геологическое строение, параметры залегания горных пород и их распространение и свойства продуктивных пластов. Эффективность этапов разведки, эксплуатации, добычи и переработки месторождений углеводородов в значительной степени зависит от детальности строения моделей, которые определяются результатами геофизических исследований и данным поискового и разведочного бурения.
     Освоение нефтяных и газовых месторождений является исторически длительным и сложнейшим процессом, в котором анализируются несколько сот переменных, находящихся в постоянном изменении. Не случайно в последние десятилетия возрос интерес к использованию методов моделирования в геологии, что априори является основой экономического обоснования для решения перспектив нефтегазоносности нашей страны.
     Целью моделирования является анализ и изучение геолого-промысловой информации для построения геолого-промысловой модели нефтегазовых месторождений.
     К задачам трехмерного цифрового моделирования относятся:
    1. Обосновать научно-теоретическое значение геологической модели.
    2.      Раскрыть основные положения и фундаментальные понятия создания геологических моделей.
    3.      Рассмотреть основные этапы создания и построения геологической модели.

6

    4. Выявить роль исходных данных для создания геологической модели.
    5. Проанализировать общегеологические сведения о моделировании.
    6.      Проследить диалектическую преемственность при моделировании пласта как части единой геологической системы.
    7.      Обосновать использование программных средств моделирования для задач нефтегазопромысловой геологии.
    8.      Определить аспекты моделирования при планировании и анализе разработки месторождений.
    9.      Актуализировать роль трехмерного гидродинамического моделирования при разработке месторождений.
     Объектом исследований является обоснование трехмерных цифровых геологических моделей.
     Предметом моделирования являются геолого-геофизические параметры месторождений и продуктивных пластов, изучение которых необходимо для наиболее эффективного освоения нефтегазовых месторождений и переработки нефти и газа.
     Научная новизна трехмероного цифрового моделирования заключается в обосновании практической значимости использовании геолого-геофизических исследований для эффективного освоения нефтегазовых месторождений и активизации эксплуатации месторождений.
     Практическая значимость трехмерного цифрового моделирования состоит в том, что на современном этапе развития геологической науки обоснование структурно-тектонического и литолого-стратиграфического строения месторождений углеводородов является неотъемлемой частью процесса разведки, разработки, добычи и переработки нефти и газа.

7

ГЛАВА 1. ВИДЫ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ НЕФТЕГАЗОНОСНЫХ СИСТЕМ


     Геологическая модель - это диалектически связанная система исследований, понятий и научных знаний о геологическом, природном и техническом объекте с учетом исторического времени и окружающей среды.
     Виды и типы, средства и способы моделирования, применяемые в промысловой геологии и смежных природныхъ науках, разнообразны. Конечной целью моделирования является создание целостного и обоснованного знания о чрезвычайно и сложно построенных природных и техногенных объектах (пластах, горизонтах, залежах, месторождениях, различных этапах работ и др.).

1.1.  Научно-теоретическое, техническое, технологическое и экологическое обоснование геологического моделирования

     Модель (фр. modele - воспроизведение предмета) является предварительным исскуственным механизмом, изображающим или представляющим системы натуральных объектов и дающим наглядное и научное представление об исследуемых объектах или процессах.
     Модели могут быть разные: натуральные, физические, мысленные, аналоговые, математические (в виде собрания формул), гидродинамические, геологические, сейсмологические и др. Моделирование - это представление реального объекта и процессов во взаимообусловленных и взаимосвязанных (синергичных) системах, что позволяет учитывать самые существенные параметры и свойства объектов или процессов, которые изменяются в геологическом пространстве недр и во времени. Моделирование является действиями мышления от реальности к абстакциям, т. е. к установлению закономерностей и в последующем от мышления обратно к реальности для проверки полученных результатов и их практического применения, которые должны дать значительный практический, экономический и экологический эффекты.
     Моделирование является научным обоснованием исследуемых объектов на теоретической и эмпирической основе с использованием результатов геологогеофизических, буровых и промысловых материалов.
     При построении геологической модели исследуются следующие материалы:
    1) тектоническое строение объекта,
    2) геометрия объекта,
    3) стратиграфия и литолого-фациальная      характеристика пластов       коллекторов,


8

     4) изменение эффективных толщин (h эф),
     5) изменение коллекторских свойств (пористости и проницаемости) по площади и разрезу,
     6) газонефтенасыщенность отдельных пропластков,
     7) гидрогеологическая характеристика,
     8) величина запасов нефти и газа месторождения.
      Особое значение приобретает «адресная постоянно действующая геологотехнологическая (называется также геолого-гидродинамическая или гидродинамическая) модель». Такая модель (ПДГТМ) является объёмной имитацией месторождения. Она хранится в памяти компьютера в виде многомерного объекта, позволяющая исследовать и прогнозировать процессы, протекающие при разработке и получении новых данных, что позволяет уточнять особенности строение исследуемой территории на протяжении всего периода эксплуатации месторождения.
      Постоянно действующие геолого-технологические модели, построенные в рамках единой компьютерной технологии, представляют совокупность:
     - цифровой интегрированной базы геологической, геофизической, гидродинамической и промысловой информации;
     - цифровой трёхмерной адресной геологической модели месторождения (залежей);
     - двухмерных (2D) и трёхмерных, трёхфазных и композиционных, физически содержательных фильтрационных (гидродинамических) математических моделей процессов разработки;
     - программных средств построения, просмотра, редактирования цифровой геологической модели, подсчёта запасов нефти, газа и конденсата;
     - программных средств для пересчёта параметров геологической модели в параметры фильтрационной модели и их корректировки;
     - программных средств выдачи отчётной графики, хранения и архивации получаемых результатов;
     - базы знаний и экспертных систем, используемых при принятии решений по управлению процессом разработки.
      Под цифровой трёхмерной адресной геологической моделью месторождения понимается представление продуктивных пластов и вмещающей их геологической среды в виде набора цифровых карт (двухмерных сеток) или трёхмерных сеток ячеек, характеризующих:
     - пространственное положение в объёме резервуара коллекторов и разделяющих их непроницаемых (слабопроницаемых) прослоев;

9

    -  пространственное положение стратиграфических границ продуктивных пластов (седиментационных циклов);
    -  пространственное положение литологических границ в пределах пластов, тектонических нарушений и амплитуд их смещений;
    -  идентификаторы циклов, объектов, границ;
    -  средние значения в ячейках сетки ФЕС, позволяющих рассчитать начальные и текущие запасы углеводородов;
    -  пространственное положение начальных и текущих флюидных контактов;
    -  пространственные координаты скважин (пластопересечения, альтитуды, координаты устьев, данные инклинометрии).
     Программный комплекс геологической модели (вычисления, получение файлов, просмотр на экране, получение твёрдых копий) должен обеспечить:
    -  формирование модели в виде, требуемом для передачи в системы фильтрационного моделирования;
    -  формирование сеток и построение карт параметров пласта, структурных и литологических карт;
    -  построение геологических и палеогеологических профилей, просмотр и анализ каротажных диаграмм, результатов обработки и интерпретации ГИС;
    -  ознакомление и анализ результатов интерпретации 2D- и ЗП-сейсмо-разведки с учетом материалов трассирования горизонтов, выделения тектонических нарушений, карт изохрон, глубин и сейсмических атрибутов, положение сейсмических профилей, а также площади 3D-сейсморазведки;
    -  дифференцированный подсчёт запасов нефти, газа и конденсата.
     Размерность геологических моделей определяется областью их практического использования и детальностью исследования. Различают одномерные (1D), двухмерные, двух с половиной мерные (2.5D) и трёхмерные слоистые и 3D полнообъёмные модели. При геолого-промысловом моделировании наиболее широко применяются следующие размерности моделей: одно-, двух- и трёхмерные.
     Одномерная модель. При характеристике одномерной модели прослеживается эмпирическая зависимость одного параметра от другого, представленная в форме уравнения. Эта модель широко применяется при петрофизическом изучении горных пород с целью описания взаимосвязи физических характеристик пласта по керну с геофизическим данными и при обосновании параметров подсчета запасов нефти.

10

      Двухмерная модель - это сеточная модель. Она, как правило, строится в координатах х - у или х - z (карты, геологические профили). Эти геологические модели используются при подсчёте запасов углеводородов.
      Трёхмерная модель используется для моделирования геологического строения продуктивных пластов и состоит из ячеек, центрам или узлам которых присвоены значения параметров. 3П-модель применяется при составлении технологических схем и проектов разработки. Трёхмерные модели имеют широкую область применения, а именно являются геологической основой для управления разработкой, обоснованием траектории горизонтальных скважин, боковых стволов и др.
      Моделирование - это практическая наука, которая опирается на анализ фактического материала конкретных геологических объектов. На данном этапе развития промысловой геологии используется различные виды геологических моделей, которые отражают определенные стороны геологических процессов и явлений. Приводится таблица 1.1, в которой рассмотрены основные виды геологических моделей, наиболее широко применяемые в промысловой геологии.
      В практике промысловых исследований применяются, главным образом, статические модели. Это обусловлено значительной сложностью геологических объектов и многообразием геологических процессов. По характеру связи между параметрами и свойствами изучаемых объектов принято подразделять их на детерминированные и вероятностно-статистические.
Таблица 1.1

Виды геологических моделей

   Виды моделей                       Краткая характеристика                   
                   Модель, отражающая крупные геоструктурные элементы.         
Региональная       Применяется на этапе поисково-разведочных работ и служит    
                   для подготовки пакетов геолого-геофизической информации     
                   при работе с нераспределённым фондом недр                   
                   Модель геологического и палеотектонического развития        
Концептуальная     территории по литературным данным с указанием основных      
                   этапов геологической истории и источников поступления       
                   осадочного материала                                        
                   Модель, построенная относительно поверхностей выравнивания. 
Палеотектоническая Применяется для установления геологической структуры пластов
                   на момент осадконакопления                                  
Осадконакопления   Модель, описывающая процессы накопления осадков             
                   в геологическом прошлом                                     
                   Модель - это комплект структурных карт (поверхностей)       
Структурная        по всем нефтеносным горизонтам.                             
Сейсмическая       Структурная модель по сейсмическим данным                   

11

Окончание таблицы 1.1

   Виды моделей                       Краткая характеристика                  
                    Модель с дифференциацией на фациальные типы пород         
Литолого-фациальная (комплекс русловых, пойменных, дельтовых и др. фаций)     
                    Модель, отражающая фазовый состав углеводородов           
Модель насыщения    и закономерности изменения нефте- и газонасыщенности      
                    по разрезу пласта                                         
Петрофизическая     Модель - регрессионные уравнения связи геофизических      
                    характеристик пласта и параметров по керну                
Физическая          Составная модель из образцов пород, применяется           
                    для определения относительных фазовых проницаемостей (ОФП)

      Детерминированные (адресные) геологические модели пласта строятся при достаточно большом объёме информации о распределениях исходных параметров и их координатной привязке в пределах отдельных пропластков. Создание таких моделей основывается на выделении в разрезе пласта и по площади залежи геологических границ относительно однородных тел.
      В пределах каждого из них параметры пласта образуют статистические однородные распределения. Однако, выявлено, что детерминированные модели в геологии используются редко. Это объясняется плохой согласованностью с реальными объектами, в которых регрессионные связи сохраняются только в узких и ограниченных областях. Однако в последние годы накопление и глубокий анализ геолого-геофизического, тектонического, палеотектонического и других материалов позволяют расширить использование адресных геологических моделей, что становится одним из ведущих условий при прогнозировании распределения ФЕС. Это позволяет повысить точность прогноза и эффективности разработки залежей углеводородов.
      Вероятностно-статистические геологические модели делятся на статистические и вероятностные (стохастические) модели.
      Статистические модели применяют в основном для анализа экспериментальных данных. Для этих целей используют:
     - методы точечных и интервальных статистических оценок,
     - теорию проверки гипотез,
     - регрессионный и факторный анализы,
     - распознавание образов и др.
      Стохастические модели используют вероятностное описание объектов, опираясь на уже имеющийся опыт исследований, а также и реальный диапазон изменений следующих параметров исследуемого объекта: геологических, физических и геометрических.

12