К нам обратился заказчик с уже разработанным платформенным Windows приложением — симулятором солянокислотной обработки скважины (СКО). Задача сервиса — смоделировать сложные процессы, происходящие при СКО, с целью повышения нефтеотдачи с положительным экономическим эффектом.
Разработанное ранее приложение — это MVP (минимально жизнеспособный продукт), на базе которого он провел несколько пилотных расчетов, и заключил контракты с нефтедобывающими компаниями на дальнейшее использование приложения.
Встала задача разработки полноценного сервиса, удобного и масштабируемого, который можно передать клиентам для самостоятельной эксплуатации.
Нефтедобыча
Чтобы лучше понять механику работы разработанного нами сервиса, слегка погрузимся в технологию добычи нефти.
Скважины могут иметь различную конфигурацию (вертикальные, наклонно-направленные, горизонтальные, многозабойные, и другие), выбор которой зависит от геологических условий и других факторов. Нефтеносные пласты (их называют коллекторами) могут иметь различную протяженность, мощность, состав и физические свойства — от этого зависит скорость и объем добычи нефти.
В зависимости от стадии разработки месторождений применяются различные способы добычи нефти. Для начальной стадии, в месторождениях с традиционными коллекторами и высоким пластовым давлением применяется фонтанный способ добычи нефти, при котором нефть продвигается к устью скважины за счет собственного пластового давления. При падении давления применяются погружные насосы и системы заводнения.
В настоящее время большинство месторождений находятся на поздних стадиях разработки. Перспективные объекты характеризуются сложным геологическим строением и низкими значениями фильтрационно-емкостных свойств (низкой скоростью добычи нефти). Для интенсификации добычи (увеличения) на таких месторождениях необходимо применение методов увеличения нефтеотдачи, в т.ч. солянокислотной обработки.
Проблематика
Поскольку при солянокислотной обработке (СКО) происходят необратимые изменения физических свойств и характеристик пластов, большое внимание уделяется качеству и точности произведённых расчётов.
Суть СКО заключается в том, что в скважину закачиваются поочерёдно растворы кислоты (для улучшения фильтрационно-емкостных характеристик пород) и отклонителя (для управления потоком кислоты — кислота в пласте должна разместиться не где угодно, а в тех зонах, где это необходимо).
Сложность расчетов заключается в динамичности изменения колоссального массива данных:
- изменение свойств и характеристик пластов (учитывается 20 параметров для 10-40 пластов одновременно);
- изменение комплексных свойств скважины после каждого интервала обработки.
При этом, в качестве ограничителей или переменных в расчетах выступают:
- параметры имеющегося насосного оборудования (какие объемы жидкостей, с какой скоростью, в течение какого времени возможна закачка);
- характеристики растворов (химические свойства кислот и отклонителей, их количество и наличие).
Проблематика СКО заключается в том, что при допущении ошибок в расчетах возможен обратный эффект — кольматация (засорение/закупоривание) и уменьшение проницаемости пластов, и, соответственно, уменьшение дебита скважины. Стоимость устранения последствий таких ошибок может составлять десятки миллионов рублей.
Чтобы исключить такую проблему, и при этом в тысячи раз ускорить расчеты и повысить их качество, была разработана SaaS платформа для инженеров-нефтяников.
Математическая модель
Симулятор солянокислотных обработок (СКО) скважин предназначен для моделирования и оптимального проектирования СКО скважин в карбонатных коллекторах.
В зависимости от пластового давления, вязкости жидкости, обводненности, текущего скин-фактора (фильтрационного сопротивления), глубины загрязнения, пористости и многих других характеристик пластов, а также с учетом свойств закачиваемых растворов и параметров насосного оборудования, рассчитывается оптимальный порядок, объем и скорость закачки растворов.
Цель — добиться снижения скин-фактора и увеличения дебита скважины при повышении экономической эффективности добычи нефти (это значит, что стоимость мероприятий по солянокислотной обработке скважины должна быть меньше, чем стоимость увеличенного объема нефтедобычи).
Для решения этой математической задачи заказчик (в проекте он выполняет роль отраслевого эксперта) разработал собственную математическую модель, основанную на методе Монте-Карло, в частности алгоритме имитации отжига.
Общая схема:
Возможности математической модели:
- расчет глубины обработки пласта в зависимости от скорости и объема закачки кислотного состава;
- расчет оптимальных параметров дизайна кислотной обработки (скорость и объем закачки) с учетом максимизации прироста дебита;
- расчет динамики забойного и устьевого давлений;
- прогноз прироста дебита жидкости и нефти после СКО с использованием имеющейся промысловой информации и истории эксплуатации скважины.
SaaS платформа
Для быстрого масштабирования и доступности на любом устройстве пользователя было принято решение разрабатывать облачную платформу. Основным фреймворком был выбран Ruby on Rails, а для значительного ускорения математических расчетов (в среднем для одной скважины выполняется несколько миллиардов расчетов) математическое ядро разработали на Go (golang).
Для быстрого и удобного использования мы спроектировали и разработали принципиально новый для нефтегазовой отрасли удобный пользовательский интерфейс, который позволяет с устройств различного форм-фактора (ноутбук, планшет, смартфон) управлять параметрами скважин и пластов, а также исключает допущения тривиальных ошибок при вводе массивов данных.
С точки зрения исходных данных в системе предусмотрена возможность добавления в том числе собственного насосного оборудования и собственных жидкостей/растворов, имеющихся на предприятии, но отсутствующих в программе. Это позволяет использовать не только предустановленные справочники, но и собственные.
Для наглядного представления процессов, происходящих в пластах при солянокислотной обработке, мы разработали 2D анимацию распределения потоков жидкостей и изменения проницаемости (степени кольматации) пластов с течением времени.
Результаты
На практике расчеты платформы были использованы при солянокислотной обработке сотен реальных скважин ПАО «Башнефть» и ПАО «НК Роснефть». Была подтверждена сходимость расчетных и фактических значений более 80%.
Платформа стала отправной точкой для создания маркетплейса (каталога приложений) для инженеров-нефтяников. В настоящее время ведется разработка симуляторов:
- моделирования и разработки дизайна кислотного гидроразрыва пласта (КГРП);
- моделирования и оптимального проектирования ремонтно-изоляционных работ (РИР);
- расчета параметров блокирующей пачки и моделирования процесса глушения скважины (ГС);
- прогнозирования солеотложений в пласте и колонне скважины при ее эксплуатации.