Газпром нефть: Группирование проектных скважин для размещения кустовых площадок на примере многопластового месторождения

В статье предложен подход к повышению качества проектирования разработки многопластового месторождения, что позволяет приблизить проект к реальным условиям освоения актива, снизить его капиталоёмкость. Ключевой задачей для этого является поиск оптимальной схемы кустования скважин на основе системы разработки целевых эксплуатационных объектов, при которой обеспечивается формирование элементов разработки на зависимых объектах эксплуатации за счёт транзитного фонда проектных скважин. При этом учитывается назначение и режим работы скважин. Такая схема размещения кустов скважин должна обеспечить минимальные капитальные затраты и технологические риски при реализации проекта за счёт многофакторной оптимизации. С этой целью учитываются длина проходки и сложность траектории скважин, инфраструктура, природные и экологические ограничения на территории месторождения, технические ограничения при строительстве скважин. Подобная задача для многопластовых месторождений не решается существующими программными комплексами. Рассмотрен способ группирования проектных целей бурения, как этапа кустования, на основе модифицированного метода кластеризации «k-средних». Алгоритм кластеризации адаптирован для минимизации суммарной проходки наклонных и горизонтальных скважин, с учётом сложности их траекторий.

После группирования целей бурения повысить точность проектирования позволяет учёт фактического фонда скважин – для анализа сближения с проектными траекториями; учёт геологии месторождения, в том числе структурные геологические поверхности, разломная модель, контуры нефтеносности, модель нефтенасыщенности эксплуатационных объектов; учёт наземной инфраструктуры и гидрографии – для размещения кустовых площадок. Такая детализация позволяет максимально приблизить результаты проектирования к реальным условиям, а современное ПО – объединить всю эту информацию в единый проект.

В технологической схеме разработки месторождения одним из критериев поиска оптимальной системы разработки является экономика проекта. При этом в ходе реализации проектных решений на строительство скважин может приходиться до 80% и более общего объёма капитальных вложений. Очевидно, что в таком случае при проектировании следует уделять внимание поиску оптимальной схемы разбуривания месторождения [1]:

• размещение кустовых площадок с учётом наземной инфраструктуры месторождения (трубопроводов, дорог, элементов обустройства), топографии поверхности, рельефа местности, свободных участков (слотов) на существующих кустовых площадках, экологических ограничений;

• проложение траектории проектных скважин с учётом пробуренного фонда, геологического разреза месторождения, технических ограничений.

Для получения максимального экономического эффекта кустование проектных скважин месторождения должно выполняться на ранней стадии его эксплуатации и далее уточняться с получением более полного представления о геологическом строении месторождения.

В настоящее время эта задача остаётся за недропользователем, так как регламентирующей документацией не установлены требования к выполнению кустования скважин ни на одной из стадий проектирования разработки месторождения, обустройства или строительства скважин. На практике часто отсутствует этап проектирования кустов скважин в масштабе месторождения. Проектирование осуществляется локально – от куста к кусту, с группированием проектных скважин по максимальному смещению от устья в зависимости от грузоподъёмности буровой установки. Внутри куста проектирование траекторий выполняется по группе «уверенных» геологических целей бурения или даже по одной скважине.

Подобный подход приводит к проложению все более сложных траекторий от скважины к скважине, увеличению проходки бурением. В целом по месторождению отсутствует элемент оптимизации размещения кустовых площадок или применяется локальная оптимизация, ограниченная только суммарной проходкой внутри куста и, как правило, с учетом имеющихся буровых установок. Такое узкомасштабное планирование негативно влияет на экономику проекта.

Применительно к многопластовым месторождениям еще одним следствием описанного похода является отсутствие перспектив освоения транзитных объектов эксплуатации, разбуривание которых самостоятельной сеткой скважин, нерентабельно. Рентабельность таких объектов (пластов) можно увеличить приобщением их к целевым (основным) эксплуатационным объектам с помощью транзитного фонда пробуренных или проектных скважин, сформировав систему разработки из добывающих и нагнетательных скважин.

Таким образом, проектирование кустов скважин должно учитывать множество факторов, при этом важно обеспечить поиск оптимальных решений, реализация которых позволит в итоге снизить капитальные вложения.

Для оптимизации группирования проектных скважин, как одной из задач кустования, могут применяться различные критерии: например, суммарное смещение забоев от вертикали, суммарная проходка по всему проектному фонду скважин, сложность траекторий (суммарные углы азимутальных или пространственных искривлений), суммарная стоимость скважин. Требуется минимизировать соответствующий критерий или группу критериев. При таком подходе должна учитываться возможность использования буровых установок различной грузоподъемности для создания малых или больших групп скважин. От этого будут зависеть число кустовых площадок и концепция наземного обустройства месторождения.

Данная задача полностью не решается ни одним программным обеспечением, по крайней мере, в автоматическом режиме, и кустование или только группирование проектных скважин для условий многопластовых месторождений предполагает ручное проектирование, зависящее от квалификации проектировщика, т.е. является творческой задачей. Постановка её заключается в поиске оптимальной схемы кустования скважин на основе системы разработки целевых эксплуатационных объектов, при которой обеспечивается формирование элементов разработки на зависимых объектах эксплуатации за счёт транзитного фонда проектных скважин. При этом учитывается назначение и режим работы скважин.

Процесс группирования скважин можно рассматривать как задачу кластеризации точек – целей бурения, размещенных в пространстве эксплуатационных объектов. В такой постановке группирование целей бурения становится задачей поиска областей с плотно упакованными точками и объединения их в кусты. Кустовые площадки выступают в качестве центров созданных кластеров.

Существуют различные алгоритмы кластеризации точек в пространстве. Одним из таких является метод k-средних, также называемый методом быстрого кластерного анализа. Алгоритм стремится минимизировать суммарное квадратичное отклонение точек кластеров от центров кластеров. В рассматриваемом случае используется евклидово расстояние, точнее длина траектории скважины. Алгоритм предполагает наличие гипотезы о наиболее вероятном числе кластеров и их начальном положении. Так как число кустовых площадок первоначально неизвестно, то расчёт выполняется для разного числа кустов и далее сравниваются полученные результаты. Каждый расчёт оптимизирует распределение проектных скважин по кустовым площадкам. Имея набор расчётов, можно определить оптимальное значение необходимых критериев: экономических показателей, грузоподъёмности буровых установок, числа рискованных для бурения скважин и др.

Результат кластеризации может зависеть от выбора начального положения кустовых площадок, поэтому существуют улучшенные алгоритмы k-средних, предлагающие лучшие начальные значения центроидов будущих кластеров. Использование метода k-средних не позволяет напрямую решить задачу группирования проектных скважин. Он может быть применим для наклонно-направленных скважин, а для горизонтальных скважин возникает ряд ограничений [2].

Тем не менее существует возможность адаптации алгоритма k-средних к группированию как наклонно направленных, так и горизонтальных скважин. Для этого, во-первых, следует приблизить траекторию скважин к реальной, где будут учтены минимальная глубина вертикального участка, длина горизонтального участка и координаты положения его в пласте. Во-вторых, необходимо учитывать суммарное изменение азимута по стволу при выходе на продуктивный горизонт. Для этого удобно использовать данные расчёта взвешенной проходки скважины, когда любое азимутальное изменение по стволу, а также изменение зенитного угла более 90⁰ заменяется эквивалентной длиной траектории. Такой подход позволяет уменьшить извилистость траекторий в процессе поиска оптимального размещения кустовых площадок, снизить сложность реализации проекта.

Для определения эквивалентной длины траектории скважины, можно, например, исходить из постоянства индекса сложности бурения DDI (Drilling Difficulty Index) [3]:

где TD – глубина по стволу скважины, AHD – отход забоя скважины от вертикали, VD – вертикальная глубина скважины, TORT – суммарная кривизна траектории.

Тогда взвешенная длина траектории будет меняться на величину (Δφ + Δα1)/(Δφ + Δα)‧TD, где Δφ – изменение азимутального угла траектории, Δα – изменение зенитного угла, Δα1 – величина превышения Δα значения 90⁰. Таким образом, критерий «взвешенная проходка» является комплексным и позволяет проводить оптимизацию одновременно по суммарным длине и изменению углов траекторий скважин.

Задача группирования проектных скважин авторами решалась на примере многопластового месторождения, включающего 52 продуктивных пласта (16 объектов разработки) северного купола и 53 пласта (18 объектов разработки) южного купола. Этаж нефтегазоносности представлен пластами покурской, тангаловской, сортымской, васюганской и тюменской свит, находящихся на глубине от 1158 до 3239 м. Наиболее перспективные для освоения эксплуатационные объекты разбуриваются самостоятельной сеткой скважин и являются целевыми. На северном и южном куполах выделено по девять таких объектов. На остальные объекты нерентабельно бурить самостоятельные скважины, их можно разрабатывать транзитным фондом. На начало проектирования разработки месторождения пробуренный фонд составлял 247 добывающих, 68 нагнетательных, 20 газовых и 13 водозаборных скважин. В ходе проектирования к бурению было запланировано 207 добывающих, 97 нагнетательных скважин и 485 боковых стволов. При проектировании было определено четыре комплекса на южном и три комплекса на северном куполах, внутри которых эксплуатационные объекты объединены единым фондом скважин для осуществления возврата скважин с целевых объектов на транзитные.

Таким образом, основной задачей являлось обоснование возможности приобщения транзитных объектов эксплуатации для разработки их сеткой скважин, спроектированной для целевых пластов. В результате расчётов была определена схема размещения кустов проектных скважин, обеспечивающая достижение всех проектных целей бурения. С помощью современного программного обеспечения по проектированию была построена интегрированная модель месторождения, сочетающая структурные геологические поверхности, разломную модель, фактический фонд скважин, инфраструктуру и топографию месторождения.

Проектирование включало следующие этапы:

1. Группирование проектных скважин адаптированным алгоритмом метода k-средних при различном заданном числе кустовых площадок;

2. Сравнение расчётных вариантов и выбор схемы кустования;

3. Оптимизация траекторий скважин и положения кустовых площадок с учётом заданных критериев для выбранной схемы кустования.

На рис. 1 представлены схемы группирования проектных скважин южного купола многопластового месторождения, отвечающие минимуму капитальных вложений. Для сравнения критериев оптимизации группирование кустов наклонно направленных и горизонтальных скважин осуществлялось при оптимизации по суммарной длине траекторий (рис. 1, а) и суммарной взвешенной проходке (рис. 1, б). В данном примере бурение спроектировано на шесть целевых пластов, пересекающихся в плане, и соответственно, скважины размещены на разных уровнях, а их траектории при дальнейшем проектировании разведены между собой.

Из рис. 1, а видно, что кластеры пытаются занять области плотно упакованных точек. При этом траектории большинства скважин корректируются по азимуту до 90⁰ и более. Такие трассы скважин сложны для реализации, предъявляют повышенные требования к применяемому оборудованию, прочности бурового инструмента и обсадных колонн, качеству промывочной жидкости, её смазывающим характеристикам, способности удерживать стенки скважин. Кроме того, повышаются риски возникновения аварий, требования к опыту и квалификации сервисных подрядчиков. Во втором случае (рис. 1, б) кластеры строятся на основе минимальной извилистости траекторий.

Аналогичные схемы группирования проектных скважин были построены для разного числа кустов. В результате их сравнения получены зависимости суммарных капитальных вложений от числа кустов скважин (рис. 2). Капитальные вложения включают стоимость строительства скважин, отсыпки и обустройства кустов. При минимальном числе кустов проходка скважин максимальна, стоимость проекта возрастает. При максимальном числе кустов увеличиваются затраты на отсыпку кустов и инфраструктуру месторождения.

При оптимизации по суммарной длине траектории минимум капитальных вложений достигается при формировании 11 кустов скважин в (рис. 2, а), по взвешенной проходке – 10 или 18 кустов (рис. 2, б). В первом случае буровой установкой БУ 4000/250 можно пробурить все проектные скважины при формировании более 6 кустов, во втором – при формировании более 11 кустов, поэтому более приемлемым является вариант с 18 кустами (рис. 18,б).

Исключение извилистых траекторий способствует формированию траекторий большей протяжённости. Траектория реализуется проще, но в среднем на 182 шт. проектируемых скважин длина увеличивается на 42 м. Однако при расчёте не учтены дополнительные расходы на реализацию траекторий повышенной сложности со значительными корректировками по азимуту, что увеличило бы стоимость реализации проекта при оптимизации по длине траектории.

Для другого участка месторождения (рис. 3) приведена схема группирования скважин, запроектированных для бурения на 13 пластов, пересекающихся в плане. Выделенные цели бурения могут быть приобщены к другим скважинам, т.е. трасса скважины может быть проложена через ближайшие цели бурения, но если это значительно усложнит траекторию, то может быть запланировано бурение бокового ствола. Эксплуатация приобщаемых целей будет происходить после выработки запасов основных (нижележащих) эксплуатационных объектов, далее будет осуществлён перевод на вышележащий горизонт или бурение бокового ствола.

Сгруппированные подобным образом скважины и определённые для приобщения цели бурения можно использовать для дальнейшей оптимизации траекторий скважин внутри куста, а также для корректировки положения кустовых площадок с учётом других факторов: геологических, траектории стволов существующих скважин, гидрографических, инфраструктуры. Если на территории месторождения имеются значительные природоохранные зоны или водоёмы, не пригодные для строительства кустовых площадок, то это учитывается на стадии кластеризации, где вводится запрет на размещение центроидов внутри таких областей.

В проекте разработки многопластового месторождения для проектирования траекторий бурения в присутствии фактического фонда скважин и наземной инфраструктуры использовался соответствующий проектный модуль современного программного обеспечения. Были построены траектории проектных скважин с учётом технических ограничений и опасности сближения с трассами ранее пробуренных скважин. Учёт геологических условий позволил повысить точность проектирования кустов и траекторий скважин на многопластовом месторождении. Для составления проекта использовалась следующая геологическая информация:

• структурные геологические поверхности (кровля и подошва продуктивных пластов) и разломная модель в составе единого структурного каркаса месторождения;

• контуры нефтегазоностности;

• трёхмерная модель нефтенасыщенности эксплуатационных объектов.

Такая детализация позволяет максимально приблизить результаты проектирования к реальным условиям. Структурные поверхности дают возможность определить точки пересечения проектных скважин с транзитными объектами эксплуатации, сместить их при необходимости, сформировать систему разработки с использованием транзитного фонда скважин с учётом режима их работы (добыча, нагнетание). Наличие разломной модели наглядно показывает прохождение траекторий скважин через структурные нарушения, и в зависимости от проницаемости разлома принимается решение о необходимости смещения ствола скважины.

Контуры нефтегазоносности и модель нефтенасыщенности помогают контролировать цели бурения и точки пластопересечений по простиранию пласта, корректировать положение точек скважин относительно значений остаточной нефтенасыщенности.

На рис. 4 представлен структурный каркас месторождения с картой топографии и наземной инфраструктуры (дороги, трубопроводы, строения, кустовые площадки, реки водоёмы). Такая информация даёт возможность уточнить положение кустов относительно природных препятствий, объектов инфраструктуры, зон с экологическими ограничениями. На рис. 5 показано размещение фактического и проектного фондов скважин с боковыми стволами на модели нефтенасыщенности эксплуатационных объектов.

Подготовка исходных данных для такого проекта повышает требования к кросс-функциональному взаимодействию между подразделениями: геологическими, капитального строительства, маркшейдерскими, разработки, бурения и капитального ремонта, экономическими, технологии добычи. При подсчёте запасов должен быть сформирован единый структурный каркас месторождения, подготовлена разломная модель. При совместной работе функций разработки и бурения должна быть сформирована система разработки эксплуатационных объектов месторождения с учётом проектных траекторий скважин.

Проектирование кустов скважин в процессе подготовки проекта разработки месторождения даёт следующие преимущества:

1. Выполнение многофакторной оптимизации схемы кустования с учётом доли «лёгких» и «рискованных» скважин.

2. Возможность более детального расчёта экономики проекта, значительное снижение капитальных вложений в бурение скважин проектного фонда.

3. Приближение проекта к реальным условиям на месторождении.

4. Повышение качества проектирования на всех этапах: от технологической схемы разработки до проекта на строительство скважин и планов-программ на бурение каждой скважины.

5. Исключение технических рисков реализации проекта на ранней стадии проектирования разработки месторождения.

Список литературы

1. Оптимизация капитальных вложений в строительство скважин при концептуальном проектировании разработки месторождений / В.А. Карсаков, С.В. Третьяков, С.С. Девятьяров, А.Г. Пасынков // Нефтяное хозяйство. – 2013. – № 12. – C. 33–35.

2. Технико-экономическая оптимизация кустования скважин при интегрированном концептуальном проектировании / А.Ф. Можчиль, С.В. Третьяков, Д.Е. Дмитриев [и др.] // Нефтяное хозяйство. ¬– 2016. – № 4. – С. 126-129.

3. Kaiser Mark J. A Survey of Drilling Cost and Complexity Estimation Models // International Journal of Petroleum Science and Technology. – 2007. – V. 1. – № 1. – 2007. – P. 1–22.

А.Г. Шатровский, к.т.н., А.С. Чинаров, к.т.н., М.Р. Салихов (ООО «Газпромнефть НТЦ»)