Типичные ошибки при создании гидродинамических моделей. Часть I. Ремасштабирование геологической модели

24.06.2018
Источник: Журнал «PROнефть»

Typical errors in The reservoir simulaTion. parT i. upscaling of The geological model

УLК 622.276.1/.4.001.57

С.В. Кайгородов
Научно-Технический Центр «Газпром нефти» (ООО «Газпромнефть НТЦ»)

Электронный адрес: Kaygorodov.SV@gazpromneft-ntc.ru

Ключевые слова: гидродинамическое моделирование, ремасштабирование, геомодель, ошибки, экспертиза
 
S.V. Kaygorodov
Gazpromneft NTC LLC, RF, Saint-Petersburg

For various reasons at each stage of the creation of the reservoir simulation model, errors may occur. As a result it leads to the deterioration in the quality of the model and decrease its forecast abilities. The article describes typical errors that occur during the transition from the geological model to the simulation model, and also gives recommendations for identifying and correcting such errors.

Keywords: reservoir simulation, upscaling, geomodel, errors, expertise    
 
DOI: 10.24887/2587-7399-2018-2-52-58

Введение

Процесс создания гидродинамической модели (ГДМ) включает интеграцию всех имеющихся данных, их верификацию и приведение в соответствие друг с другом. Поэтому специалист, занимающийся гидродинамическим моделированием, должен понимать основы обработки, физические принципы и ограничения сейсмических методов, геофизических и гидродинамических исследований скважин, исследований керна и флюидов, геостатистики, седиментологи, знать физику пласта, технику и технологии добычи.

Серия статей, основанная на опыте автора по созданию моделей и проведению эскпертиз, призвана познакомить инженеров, занимающихся гидродинамическим моделированием, с наиболее распространными ошибками и неточностями, возникающими при создании ГДМ, чтобы исключить их дальнейшее появление, а также дать методические рекомендации для улучшения качества моделей. Серия состоит из шести частей, в соответствии с этапами создания ГДМ: ремасштабирование геомодели, задание PVT-свойств флюидов и породы, относительных фазовых проницаемостей и капиллярного давления, начальных и граничных условий и инициализация ГДМ, а также задание истории работы скважин и адаптации модели, расчет прогнозных вариантов.

В данной статье рассмотрены ремасштабирование структуры и свойств геологической модели, критерии выбора размера сетки ячеек, методы и критерии оценки качества проведенного апскейлинга. 

Размер и ориентация сетки ячеек

Выбор размера ячеек – первый вопрос, который возникает при переходе от геологической модели к гидродинамической. Решение заключается в поиске баланса между скоростью и точностью расчетов. Чем больше размер ячеек, тем более грубой и менее точной будет модель, но тем быстрее она будет рассчитана.

Оптимальное время расчета ГДМ – не более 1-2 ч для обеспечения маневренности расчетов, желательно 30-40 мин. Чем больше расчетов будет выполнено за фиксированный промежуток времени, тем больше появляется возможностей для уточнения модели.

Для того, чтобы определить, до какой степени можно укрупнить ячейки геомодели, выполняют:

1)   расчет ГДМ с геологической сеткой;

2) несколько вариантов укрупнения геомодели;

3)   расчет ГДМ с укрупненными ячейками и сравнение с п. 1.

Далее имеются два варианта выбора оптимального уровня укрупнения:

– максимальное укрупнение с погрешностью расчетов относительно геологической сетки, не превышающей допустимой;

– укрупнение, выше которого скорость расчетов растет незначительно, а погрешность начинает увеличиваться гораздо быстрее. При определении параметров укрупнения геомодели и уровня допустимой погрешности следует помнить, что степень детальности геологической и гидродинамической моделей должна соответствовать степени изученности месторождения. Невозможно получить модель, более точную, чем точность исходных данных.

По латерали размер ячеек ограничивается минимальным расстоянием между скважинами. Согласно регламенту [1] на стадии разведки и начальной стадии эксплуатации месторождения «…рекомендуется, чтобы между забоями скважин независимо от расстояния между ними было не менее10 ячеек. На этапе эксплуатационного разбуривания число ячеек между скважинами уменьшается…». В документе компании [2] говорится «..При реализации процесса заводнения в модели рекомендуется выдерживать минимальное расстояние между скважинами, одновременно работающими на один объект разработки: не менее 3–5 ячеек (оптимально 10)…».

С точки зрения геостатистики основными параметрами, определяющими строение геологических тел, являются ранги вариограмм. Поэтому для сохранения строения геологических тел при ремасштабировании геомодели рекомендуется выбирать размеры ячеек не более 1-1,5 рангов вариограмм. Однако большинство геологических тел имеют значительную протяженность, и случаи, когда латеральный размер ячейки сопоставим с рангом вариограммы, скорее редкость, чем правило. В то же время при вертикальном ремасштабировании можно добиться сохранения строения тел, проводя неравномерное объединение слоев, что будет описано ниже.

В условиях крайней ограниченности исходных данных может возникнуть ситуация излишней детализации модели. Точность результатов моделирования такая подробная сетка не увеличивает, а вычислительных ресурсов требуется значительно больше, чем необходимо для решения задачи.

Еще один важный вопрос, иногда не учитываемый при построении геологической модели – ориентация сетки ячеек, которая может существенно влиять на результаты моделирования. На рис. 1 показаны результаты расчета двух одинаковых моделей, различающихся только ориентацией сетки ячеек. Из рис. 1 видно, что при ориентации сетки ячеек, не совпадающей с направлениями основных фильтрационных потоков в пласте, прорыв воды в добывающие скважины происходит позже, и расчетная динамика добычи нефти получается более оптимистичной.


Рис. 1. Влияние ориентации сетки на динамику добычи:

1, 2 – модель с ориентацией сетки скважин, соответственно не совпадающей и совпадающей с направлением основных фильтрационных потоков в пласте

Для получения адекватных результатов расчета модели ориентация сетки ячеек должна соответствовать преимущественным направлениям потока в пласте, определяемым сеткой скважин, непроницаемыми разломами, литологическими границами, трещиноватостью, региональным стрессом и другими факторами.

Ремасштабирование структуры

Для максимального сохранения геологической неоднородности и учета характера осадконакопления необходимо правильно выбрать способ нарезки слоев как при построении геомодели, так и при ее ремасштабировании. В табл. 1 приведено сопоставление способов нарезки и характера осадконакопления.


Кроме характера осадконакопления, нужно также обращать внимание на протяженность глинистых перемычек в модели и для их сохранения при ремасштабировании объединять слои не пропорционально, а прямым перечислением объединяемых слоев (Fractions).

На рис. 2 показано распределение песчанистости по ячейкам двух скважин. Слева на каждом из планшетов показаны ячейки исходной геомодели, посередине и справа – варианты ремасштабированных геомоделей. Из рис. 2 видно, что в результате некорректного выбора нарезки слоев в модели посередине, когда вместо Fractions использовали пропорциональный способ нарезки, расчлененность по разрезам скважин практически пропала. При выборе непропорционального способа объединения слоев (в модели справа) удалось сохранить вертикальную неоднородность.


Рис. 2. Пример потери вертикальной неоднородности в результате неправильного выбора алгоритма объединения слоев при ремасштабировании

Однако даже при использовании неравномерной нарезки может нарушиться вертикальная неоднородность. Например, если при объединении слоев не учитывать литологию, то в один слой могут быть включены коллектор и неколлектор, перемычки исчезнут и появится гидродинамическая связь между разными не связанными в геомодели пластами. Необходимо также по возможности избегать объединения слоев, принадлежащих к разным фациям.

Одним из важных критериев качества перехода от геологической модели к фильтрационной является сохранение структурной модели. Для этого проводится контроль сохранения всех реперов геологической модели. Прежде всего проверяется соответствие координат скважин. На рис. 3, а представлен пример графика отклонений координат скважин в фильтрационной модели от их координат в геологической модели (на кровле прослоя, соответствующего самому верхнему слою фильтрационной модели). В идеале точки на таком графике должны группироваться около нуля и не выходить за пределы диапазона ±1/2 размера ячейки ремасштабированной модели, т.е. в рассматриваемой модели ±50 м. Отклонение в пределах указанного диапазона связано с тем, что в фильтрационной модели скважина располагается строго по центру ячейки, а в геомодели может проходить через любую ее часть. Как видно из рис. 3, а, ряд скважин имеет смещение координат выше допустимых значений. Смещение траекторий можно заметить и по их пересечению с ячейками 3D грида (см. рис. 3, б).

Следует отметить, что подобные смещения скважин могут возникнуть при использовании разных программ для создания геомодели и ее ремасштабирования.

Таким образом, для исключения ошибок, связанных со смещением скважин по латерали, при оценке сохранения структурной модели на кроссплоте отбивок кровли пластов по скважинам следует сравнивать глубины пересечения только скважин фильтрационной модели (или только геологической) со структурным каркасом моделей. На рис. 4 показан пример такого сравнения, где кроме кроссплота приведена гистограмма разницы отбивок кровли по скважинам. В данном примере отклонения находятся в пределах допустимых ±2 м, определяемых как диапазон вариации глубин структурной поверхности в пределах укрупняемых по латерали ячеек (при отсутствии укрупнения по латерали изменения структуры должны отсутствовать).

Следующим критерием корректности проведенного ремасштабирования структуры является сохранение положения разломов, которое можно оценить визуально. Кроме того, следует контролировать положение скважин относительно разломов, чтобы в результате этой процедуры они не оказались по другую сторону разлома.


Рис. 3. Отклонение координат скважин в фильтрационной модели от их координат в геологической модели (а) и визуализация смещения траекторий на сетке модели (б)

Еще одним важным моментом является проверка ортогональности ячеек. Согласно методическому документу [2] допустимое отклонение составляет не более 30°. В случае превышения этого значения необходима корректировка, иначе возможно снижение точности расчета. Если невозможно скорректировать сетку ячеек в гидродинамической модели, то можно использовать алгоритмы многоточечной аппроксимации потока (например, ключевое слово MPFA в Eclipse 300 или Tempest MORE), которые обеспечивают строгий учет как неортогональности ячеек, так и тензорной проницаемости [2, 3], позволяя снизить эффект ориентации сетки.

Как правило, проблемы с ортогональностью возникают в ячейках рядом с разломом.

Для того, чтобы геометрия ячеек не искажалась разломами, при создании геомодели можно использовать зигзагообразные разломы (zig-zag type faults).

Ремасштабирование свойств пород

Алгоритмы усреднения свойств пород широко известны, но и здесь возникают погрешности. В табл. 2 приведены способы усреднения статических свойств при ремасштабировании.Как отмечалось выше, объединять ячейки с разными фациями не рекомендуется, но при возникновении такой необходимости используется метод усреднения для дискретных свойств – выбор наиболее часто встречающегося значения со взвешиванием по объему ячейки.

Для апскейлинга абсолютной проницаемости существует множество методов, зависящих от степени неоднородности и неизотропности пласта и направлений течения [2], но наиболее точный результат может быть получен при ремасштабировании проницаемости в полный тензор на основе расчета потоков (flow-based upscaling). Однако расчет моделей с полным тензором проницаемости существенно увеличит время расчета, поэтому часто проводят flow-based upscaling с сохранением только главных компонентов тензора проницаемости. При этом следует помнить о том, что при таком способе ремасштабирования в фильтрационной модели следует использовать все три куба проницаемости (по осям X, Y и Z), поскольку только вместе они несут информацию об анизотропии проницаемости макромасштаба, которая была заложена в исходной геомодели и которая пропадет, если использовать только один из этих кубов. Однако следует понимать, что полученные кубы не несут информацию об анизотропии проницаемости микромасштаба, определяемой по керновым исследованиям, если она не была заложена в исходном свойстве проницаемости. Поэтому в геологической модели нужно создать свойство вертикальной проницаемости, определяемое как произведение горизонтальной проницаемости и анизотропии проницаемости, полученной по керну, а затем использовать оба куба проницаемости при проведении ремасштабирования.

Тогда полученные в результате апскейлинга кубы будут содержать информацию и о микронеоднородности по керну и о макронеоднородности исходной геомодели.


Примечания. NTGUps, jUps, SwUps – ремасштабированные соответственно песчанистость, пористость и водонасыщенность; Vi,j,k, Ni,j,k, ji,j,k, Swi,j,k – значения в ячейке с индексами i, j, k

соответственно объема ячейки, песчанистости, пористости и

водонасыщенности; Vb – суммарный объем ячеек.

Если программное обеспечение не позволяет осуществить такую процедуру, то анизотропию проницаемости микромасштаба можно учесть в гидродинамической модели, домножив на нее вертикальную проницаемость, полученную при ремасштабировании.

Часто для расчета проницаемости используется зависимость пористость – проницаемость, полученная по данным анализа керна, и у специалиста, выполняющего ремасштабирование геомодели, возникает вопрос, стоит ли ремасштабировать проницаемость или можно пересчитать ее в зависимости от ремасштабированной пористости. Для ответа на этот вопрос необходимо знать, что зависимость пористость – проницаемость, как правило, экспоненциальная или степенная, следовательно, небольшое изменение пористости может вызвать значительное изменение рассчитанной по зависимости проницаемости. При объединении нескольких ячеек с различными значениями пористости значение итоговой пористости будет отличаться от исходных значений в ячейках, и это различие будет зависеть от степени неоднородности пласта и грубости ремасштабирования (т.е. от числа ячеек, объединяемых в одну). Таким образом, для неоднородных коллекторов правильнее (точнее) проводить апскейлинг проницаемости, а не пересчитывать ее в зависимости от пористости.





Рис. 4. Кроссплот (а) и гистограмма разницы (б) отбивок кровли пластов по скважинам геологической и фильтрационной моделей

В качестве критериев оценки качества ремасштабирования свойств обычно используют результаты:

– сопоставления геолого-статистических разрезов (ГСР) исходной геологической модели и ремасштабированной;

– проверки сохранения вида распределения, среднего и медианного значения на гистограммах свойств;

– оценки диапазона отклонения на картах разницы свойств (не более 5 %);

– визуальной проверки сохранения глинистых перемычек на разрезах месторождения;

– сопоставления запасов углеводородов (отклонение не должно превышать 5 %).

На рис. 5 приведены два примера ГСР, иллюстрирующих степень сохранения вертикальной неоднородности. На рис. 5, а ремасштабирование практически не повлияло на распределение глинистых перемычек, а на рис. 5, б заметно искажение вертикальной неоднородности в верхней и нижней частях пласта.

Самым показательным критерием оценки качества ремасштабирования является величина отклонения результатов расчетов модели с укрупненными ячейками от результатов расчета модели с исходной геологической сеткой.


Рис. 5. Примеры ГСР с сохранением (а) и искажением (б) вертикальной неоднородности в результате апскейлинга

Заключение

Рассмотренные в данной статье аспекты ремасштабирования геомодели раскрывают основные подходы к этому процессу и показывают места, где специалист должен быть особенно внимателен, чтобы не совершить ошибку, которая может оказаться критической для дальнейшего создания фильтрационной модели и достоверности выполняемых по ней прогнозов. Существует также много других аспектов в рамках данной тематики, но их рассмотрение выходит за рамки данной статьи.

Список литературы

1. РД 153-39.0-047-00 Регламент по созданию постоянно действующих геолого-технологических моделей нефтяных и газонефтяных месторождений. – М.: Минтопэнерго России, 2000. – 130 с.

2. М-01.05.25-02 Методический документ. Создание цифровых гидродинамических моделей. – СПб.: ОАО «Газпром нефть», 2015.

3. Техническое описание Eclipse, Schlumberger, 2017. 

Reference

1. RD 153-39.0-047-00, Reglament po sozdaniyu postoyanno deystvuyushchikh geologo-tekhnologicheskikh modeley neftyanykh i gazoneftyanykh mestorozhdeniy

(Regulation on the creation of permanent geological and technological models of oil and gas field), Moscow: Publ. of Mintopenergo RF, 2000, 130 p.

2. M-01.05.25-02, Metodicheskiy dokument. Sozdaniye tsifrovykh gidrodinamicheskikh modeley (Guidance document. Creation of digital hydrodynamic models): St. Petersburg: Publ. of Gazprom neft’, 2015.

3. Technical description of Eclipse, Schlumberger, 2017.


Авторы статьи:  С.В. Кайгородов
Научно-Технический Центр «Газпром нефти» (ООО «Газпромнефть НТЦ»)

Источник:  Журнал «PROнефть»

Возврат к списку