Группирование проектных скважин для размещения кустовых площадок на примере многопластового месторождения

PROНЕФТЬ. Профессионально о нефти. – 2020 - № 3 (17). – С. 44-49

УДК 66.041

А.Г. Шатровский, к. т. н., А.С. Чинаров, к. т. н., М.Р. Салихов
Научно-Технический Центр «Газпром нефти» (ООО «Газпромнефть НТЦ»)

Электронный адрес: Shatrovskiy.AG@gazpromneft-ntc.ru

Ключевые слова: раскустовка, проектирование кустов скважин, группирование скважин, схема кустования, проектирование скважин, многопластовое месторождение, многофакторная оптимизация

Предложен подход к повышению качества проектирования разработки многопластового месторождения, что позволяет приблизить проект к реальным условиям освоения актива, снизить его капиталоемкость. Ключевой задачей является поиск оптимальной схемы кустования скважин на основе системы разработки целевых эксплуатационных объектов, при которой обеспечивается формирование элементов разработки на зависимых объектах эксплуатации за счет транзитного фонда проектных скважин. При этом учитываются назначение и режим работы скважин. Такая схема размещения кустов скважин должна обеспечить минимальные капитальные затраты и технологические риски при реализации проекта за счет 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 учетом сложности их траекторий.

THE GROUPING OF PLANNED WELLS FOR WELL PADS LOCATION BY MULTI-LAYER FIELD

PRONEFT''. Professional'no o nefti, 2020, no. 3 (17), pp. 44-49

A.G. Shatrovskiy, A.S. Chinarov, M.R. Salikhov
Gazpromneft NTC LLC, RF, Saint-Petersburg

E-mail: Shatrovskiy.AG@gazpromneft-ntc.ru

Keywords: padding, well pads design, clustering of wells, padding scheme, well design, multilayer field, multifactor optimization

An approach to improving the project quality of a multi-layer field development, which allows to bring the project to the real conditions of the field development, to reduce its capital intensity is proposed. The key task is to find the optimal pads distribution pattern based on the development system of target operational facilities, which ensures the formation of development elements at dependent production facilities at the expense of transit wells. This takes into account the purpose and mode of wells operation. This arrangement of well pads should ensure minimal capital costs and technological risks in the implementation of the project due to multi-factor optimization. For this purpose, length and complexity of trajectory wells, infrastructure, natural and environmental restrictions on the field territory, technical restrictions in wells construction are taken into account. Such problem for multi-layer field is not solved by existing software systems. A method of grouping the project drilling targets, as a stage of well pads distribution, based on modified clustering method k-means is considered. The clustering algorithm is adapted to minimize the total penetration of inclined and horizontal wells, taking into account the complexity of their trajectories.

DOI: 10.7868/S2587739920030066

ВВЕДЕНИЕ

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 объема капитальных вложений. Очевидно, что в таком случае при проектировании следует уделять внимание поиску оптимальной схемы разбуривания месторождения [1]: – размещение кустовых площадок с учетом наземной инфраструктуры месторождения (трубопроводов, дорог, элементов обустройства), топографии поверхности, рельефа местности, свободных участков (слотов) на существующих кустовых площадках, экологических ограничений; – прокладывание траектории проектных скважин с учетом 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 его геологическом строении. В настоящее время эта задача остается 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 грузоподъемности буровой установки. 

Внутри куста проектирование траекторий выполняется по группе «уверенных» геологических целей бурения или даже по одной скважине. Подобный подход приводит к прокладыванию все более сложных траекторий от скважины к скважине, увеличению проходки бурением. Вцелом 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 кмногопластовым 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 ее 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 счет транзитного фонда проектных скважин. При этом учитываются назначение и режим работы скважин.

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, СУММАРНАЯ СТОИМОСТЬ 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 них 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 расчет выполняется для разного числа кустов, и далее сравниваются полученные результаты. Каждый расчет оптимизирует распределение проектных скважин по кустовым площадкам. Имея набор расчетов, можно определить оптимальное значение необходимых критериев: экономических показателей, грузоподъемности 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 расчета взвешенной проходки скважины, когда любое азимутальное изменение по стволу, а также изменение зенитного угла более 90° 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]:

ф6.1.PNG

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 (Δ ϕ+ Δ α 1)/(Δ ϕ + Δ α ) · TD, где Δ ϕ– изменение азимутального угла траектории, Δ α– изменение зенитного угла, Δ α 1 – превышение Δ α значения 90°. 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 расчетов 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 расчетных вариантов и выбор схемы кустования.
3. Оптимизация траекторий скважин и положения кустовых площадок с учетом 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 90° и более. Такие трассы скважин сложны для реализации, предъявляют повышенные требования к применяемому оборудованию, прочности бурового инструмента и обсадных колонн, качеству промывочной жидкости, ее 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. Приминимальном 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 (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. 2 , б). Исключение извилистых траекторий способствует формированию траекторий большей протяженности. Траектория реализуется проще,

6.1.PNG

6.2.PNG

6.3.PNG

6.4.PNG

но в среднем на 182шт. проектируемых скважин длина увеличивается на 42 м. Однако при расчете 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 

6.5.PNG

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 осуществлен перевод на вышележащий горизонт или бурение бокового ствола. Сгруппированные подобным образом скважины и определенные для приобщения цели бурения можно использовать для дальнейшей оптимизации траекторий скважин внутри куста, а также для корректировки положения кустовых площадок с учетом других факторов: геологических, траектории стволов существующих скважин, гидрографических, инфраструктуры. Если на территории месторождения имеются значительные природоохранные зоны или водоемы, 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 учетом технических ограничений и опасности сближения с трассами ранее пробуренных скважин. 

Учет 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 нефтегазоносности;
– трехмерная 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 учетом 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.

6.6.PNG

На рис. 4 представлен структурный каркас месторождения с картой топографии и наземной инфраструктуры (дороги, трубопроводы, строения, кустовые площадки, реки, водоемы). Такая информация дает 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 подсчете 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 учетом проектных траекторий скважин. Проектирование кустов скважин в процессе подготовки проекта разработки месторождения дает следующие преимущества:
1. Выполнение многофакторной оптимизации схемы кустования с учетом доли «легких» и «рискованных» скважин.
2. Возможность более детального расчета 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. Карсаков В.А., Третьяков С.В., Девятьяров С.С., Пасынков А.Г. Оптимизация капитальных вложений в строительство скважин при концептуальном проектировании разработки месторождений // Нефтяное хозяйство. – 2013. – № 12. – C. 33–35.
    2. Можчиль А.Ф., Третьяков С.В., Дмитриев Д.Е. и др. Технико-экономическая оптимизация кустования скважин при интегрированном концептуальном проектировании // Нефтяное хозяйство. – 2016. – № 4. – С. 126–129.
    3. Kaiser Mark J. A survey of drilling cost and complexity estimation models // Intern. Journal of Petroleum Science and Technology. – 2007. – Vol. 1, № 1. – P. 1–22.

References

    1. Karsakov V.А., Tretyakov S.V., Devyatyarov S.S., Pasynkov A.G. Optimization of capital investments in well construction during conceptual design of field development. Neftianoe khoziaistvo [Oil Industry Journal]. 2013, no. 12, pp. 33–35. (In Russ.)
    2. Mozhchil A.F., Tretyakov S.V., Dmitriev D.E. [and others]. Technical and economic optimization of well padding in integrated conceptual design. Neftianoe khoziaistvo [Oil industry Journal]. 2016, no. 4, pp. 126–129. (In Russ.)
    3. Kaiser Mark J. A Survey of Drilling Cost and Complexity Estimation Models. International Journal of Petroleum Science and Technology. 2007, vol. 1, no. 1, pp. 1–22.

Возврат к списку