автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Информационная система поддержки вычислительного эксперимента в задачах изучения фазового состояния газонефтяных систем

На правах рукописи

Широких Андрей Валерьевич

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В ЗАДАЧАХ ИЗУЧЕНИЯ ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ ГАЗОНЕФТЯНЫХ СИСТЕМ

05.13.18 - математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Тюмень - 2004

Работа выполнена на кафедре программного обеспечения Тюменского государственного университета

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Захаров Александр Анатольевич

Официальные оппоненты:

Ведущая организация: Институт вычислительного моделирования СО РАН, г.Красноярск

Защита диссертации состоится « 02 » марта 2004 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета К 212.274.01 при Тюменском государственном университете по адресу: 625003, г.Тюмень, ул.Перекопская, 15а, аудитория 217.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственного университета.

Автореферат разослан « 30 » января 2004 года.

доктор физико-математических наук, профессор Федоров Константин Михайлович

кандидат технических наук Савватеев Юрий Николаевич

Учёный секретарь диссертационного совета

Бутакова Н.Н.

2004-4

27910 Общая характеристика работы

Актуальность работы.

Сведения о фазовом состоянии углеводородной системы, компонентном составе ее фаз, газовом факторе, результатах однократного разгазирования и ступенчатой сепарации крайне важны в задачах подсчета запасов, для геологического и гидродинамического моделирования залежи, для проектирования разработки месторождений и в других задачах нефтяной промышленности.

Экспериментальное определение необходимой информации о составе и свойствах углеводородных систем и воды связано с проведением трудоемких и продолжительных исследований на специальной аппаратуре высокого давления. Объем проводимых исследований ограничивается также другими дополнительными факторами:

• материальный и временной - в среднем, на исследование продукции одной скважины тратится 120-160 человеко-часов, а стоимость проведения исследования не менее 60 тыс. рублей;

• невозможностью отбора проб для исследования ввиду либо отсутствия действующих разведочных или эксплуатационных скважин, или другим причинам;

• Масштабностью задачи - т.е. необходимостью изучения продукции скважин в масштабах пласта или месторождения при действующем фонде в сотни или даже тысячи скважин.

Поэтому, для исследования характеристик продукции скважин в инженерной практике, наряду с натурным экспериментом, используются методы математического моделирования и вычислительного эксперимента.

Практическое внедрение результатов вычислительного эксперимента в задачах добычи и транспортировки углеводородного сырья осложняется, в первую очередь, масштабностью задачи. При внедрении технологии, разработанной для анализа одной скважины на все месторождение ее необходимо дополнить новыми возможностями интерпретации и анализа результатов и исходных данных в системе в целом. Традиционно, для этих целей используются информационные системы.

Оперативное получение необходимых сведений об объекте исследования часто затрудняется отсутствием эффективных методов их получения. В настоящее время в нефтяной промышленности одним из приоритетных направлений является разработка эффективных и экономичных методов определения компонентного состава пластовой нефти.

Ввиду важности как собственно организации вычислительного эксперимента по оценке фазового состояния углеводородных смесей и компонентного состава фаз, так и его практического внедрения, актуальными являются следующие задачи:

• разработка эффективной технологии создания и практическая реализация информационной системы, как инструмента поддержки- вычислительного эксперимента в задачах, связанных исследованием фазового состояния газонефтяных систем;

' • исследование, разработка, обоснование и тестирование эффективных алгоритмов и методов проведения численных расчётов по оценке фазового состояния;

• разработка метода и алгоритма определения состава исходной углеводородной системы по известным компонентным составам ее фаз в различных термобарический условиях при неизвестном газовом факторе.

Целью работы является проектирование, разработка и практическая реализация информационной системы, как инструмента поддержки вычислительного эксперимента в задачах,- связанных исследованием фазового состояния газонефтяных систем:

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

• разработка метода и алгоритма оценки состава исходной углеводородной системы при неизвестном газовом факторе;

• разработка эффективных алгоритмов и методов проведения численных расчетов для вычислительных экспериментов для задач исследования фазового равновесия в газонефтяных системах;

• развитие технологии,- интегрирующей основополагающие принципы вычислительного эксперимента для задач исследования фазового состояния углеводородных смесей и современные подходы к работе с информацией,

• практическая реализация информационной системы, как инструмента поддержки аспектов вычислительного эксперимента, связанных с применением компьютера для задач исследования фазового равновесия в газонефтяных системах.

Методология исследований. При разработке алгоритмов численных расчетов, в качестве основы математических моделей для задач оценки фазового состояния углеводородных смесей и

компонентного состава их фаз были выбраны математические модели фазового равновесия, описываемые - уравнением состояния Пенга-Робинсона, и эмпирические зависимости, полученные В.И. Шиловым, в которых, с помощью математической статистики определены зависимости коэффициентов распределения от давления и температуры.

В качестве базовой методологии создания' информационных систем для научных исследований выбран. компонентный подход, практикуемый в последнее время при создании сложных программных комплексов и основанный на синтезе современных СОМ технологий, технологий удаленного доступа и баз данных.

При разработке модулей комплексного анализа и визуализации результатов расчетов была обеспечена независимость данных от способа их дальнейшей обработки.

Научная новизна исследования заключается:

' в разработке эффективного алгоритма расчета фазового равновесия многокомпонентной углеводородной системы позволяющего проводить расчеты с использованием широкого класса уравнений состояния;

• в разработке нового метода и алгоритма оценки состава исходной углеводородной системы по известным компонентным, составам ее- фаз в различных термобарических условиях при неизвестном газовом факторе;

• с позиции общей методологии проведения вычислительного эксперимента предложены новые подходы для задач связанных с изучением фазового равновесия углеводородных систем, позволяющие учесть масштабность задачи.

Практическая значимость исследования состоит в том, что:

• разработана информационная система, значительно облегчающая проведение полного цикла вычислительного эксперимента для задач исследования фазового равновесия в газонефтяных системах;

• основные теоретические выводы и технологические положения доведены до уровня конкретных практических рекомендаций и использованы в разработке информационной системы;

• предложенная технология интеграции основных принципов вычислительного эксперимента, аппарата баз данных и современных com и web технологий • значительно упрощает анализ достоверности результатов натурных и

вычислительных экспериментов по исследованию углеводородных смесей;

• разработанная информационная система представляет собой виртуальную научную лабораторию для проведения различных этапов вычислительного эксперимента в задачах, связанных с исследованием фазового состояния газонефтяных систем.

Теоретическая значимость работы

• разработан алгоритм расчета фазового равновесия многокомпонентной углеводородной системы, позволяющий проводить расчеты с использованием широкого класса уравнений состояния;

• разработан метод и алгоритм для численных расчетов состава исходной системы по известным составам её фаз, полученным в результате ее сепарации;

• предложенная технология, позволяет разрабатывать программные инструменты для тестирования и определения параметров математических моделей фазового состояния нефтегазовых систем, и применима для создания средств поддержки вычислительного эксперимента в других областях знания.

Достоверность и обоснованность результатов

подтверждается качеством выбранного математического аппарата моделирования и сравнением расчетных данных на качественном уровне с имеющимися натурными измерениями.

На защиту выносятся:

• технология создания- распределенных информационных систем проведения вычислительного эксперимента для задач исследования фазового равновесия в газонефтяных системах;

• алгоритмы численных расчетов для вычислительных экспериментов в задачах определения фазового равновесия газонефтяных систем для нефтяной скважины;

• метод и алгоритм определения состава пластовой углеводородной системы при неизвестном газовом факторе;

• практическая реализация информационной системы основанной на разработанной технологии.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы были апробированы на следующих конференциях и семинарах:

1. Международной научно-технической конференции. Вологда 2001.

2. 15 международной научной конференции, Тамбов 2002.

3. XII научно-практической конференции молодых ученых и специалистов СибНИИНП, Тюмень 2002 г.

4. Научных семинарах кафедр программного обеспечения, информационных систем, математического моделирования, моделирования физических процессов и систем, механики многофазных систем Тюменского госуниверситета, институте СибНИИНП, Институт вычислительного моделирования СО РАН г.Красноярск.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, и заключения. Объем диссертации - 19 страниц, включая 22 иллюстраций, 1 таблицу и список литературы из 92 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы, научная новизна, практическая значимость работы, основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 является вводной и состоит из 3 разделов.

Первый раздел содержит описание математических моделей для определения состава и свойств газовой и жидкой фаз углеводородных систем.

Изучение состава и свойств газовой и жидкой фаз углеводородных систем имеет важное практическое значение при выборе промыслового оборудования для переработки и транспортировки сырья, подсчете запасов, разработке, эксплуатации, обустройстве нефтяных месторождений. В таких задачах важна информация о составах и свойствах газовой и жидкой фаз углеводородного сырья, образующихся в том или ином процессе.

Для получения достоверной информации о свойствах пластовой нефти одной скважины и характере их изменения в процессе разгазирования трудозатраты оцениваются в 120-160 человеко-часов.

В абсолютных показателях это означает, что специализированная группа из десяти - двенадцати квалифицированных специалистов за год может исследовать не более 30-40 скважин. При действующем фонде в десятки тысяч скважин и постоянном увеличении количества вовлекаемых в разработку новых залежей Западной Сибири получить исчерпывающую информацию эмпирическими методами практически невозможно.

В связи с этим возникает потребность в использовании математического моделирования.

Можно выделить следующие подходы к моделированию свойств углеводородных систем:

• моделирование с использованием эмпирических корреляций;

• применение объективных закономерностей строения и свойств углеводородов;

• комбинация этих двух вышеперечисленных технологий

В термодинамике, связь между давлением, температурой и объемом системы принято описывать уравнениями состояния.

В общем случае, оценка соотношения и компонентных составов газовой и жидкой фаз углеводородной системы производится посредством решения системы уравнений:

Здесь 21, - мольная доля компонента в системе, определенная экспериментально; неизвестные величины: - мольные доли

компонента в жидкой и газовой фазах соответственно; К{ - коэффициент фазового распределения для ¡-го компонента системы; V - мольная доля газовой фазы системы;

- справочные сведения о компоненте, такие как его температура кипения, критические давление и температура, молярный вес и т.д.; - коэффициенты бинарного взаимодействия компонент системы, используемые в уравнениях состояния Р - давление разгазирования; Т - температура разгазирования. Вид функции (4) зависит от выбранного уравнения состояния или эмпирической зависимости.

Таким образом, для оценки фазового состояния углеводородной смеси, необходимо решать систему 3N+1 уравнений (1)-(4) для определения 3N+1 неизвестных, привлекая при этом (в зависимости от выбранной модели) порядка КЫ дополнительных справочных параметров и при необходимости коэффициентов бинарного взаимодействия. Учитывая тот факт, что на практике значение N -порядка 20-30 - видно, что решение задачи оценки фазового состояния

углеводородной смеси даже для отдельной скважины без эффективных алгоритмов и современных программных средств - крайне затруднительно.

Помимо решения системы (1.Н4) относительно указанных выше ЗЛ/+7 неизвестных величин Уц Кп V) на практике часто

возникает проблема связанная с восстановления исходного состава смеси по нескольким известным результатам ее сепарации при неизвестном газовом факторе. Иными словами требуется оценить состав пластовой системы по результатам нескольких замеров составов газовой и жидкой фаз выполненных при разных термобарических условиях.

В терминах приведенной выше постановки, это означает следующее:

В результате замеров известны компонентные составы фаз системы

отобранные при различных термобарических условиях.

Требуется определить компонентный состав исходной системы -

Во втором разделе проводится анализ использованных информационных технологий в задачах моделирования процессов добычи и транспортировки углеводородного сырья.

В настоящее время разработано большое количество прикладного программного обеспечения для задач учета и прогнозирования сложных многофакторных систем объектов нефтедобычи и бурения, которое работает как на верхних, так и на нижних информационных уровнях.

Рынок программных продуктов нацеленных на решение задач нефтегазового комплекса несомненно богат. Среди наиболее крупных производителей программного обеспечения можно выделить такие компании как GeoQuest, Landmark Graphics Corporation, Petroleum Workbench (Scientific Software-lntercomp) и др, а также российские программные комплексы направленные на решение задач нефтегазового комплекса: ПАНГЕЯ (ВНИИГеофизика и Jet Infosistem), ИНПРЕС и др.

При детальном рассмотрении вышеперечисленных программных средств можно увидеть общие аспекты их построения, а именно:

• для хранения экспериментальных данных и результатов моделирования широко используются базы данных;

• в явной или неявной форме используется компонентная (модульная) технология;

Базы данных широко используются не только в перечисленных пакетах. Их использование позволяет эффективно организовать сбор и хранение информации об объектах исследования, производить ее анализ и облегчает доступ и поиск необходимых данных.

Использование компонентных (модульных) технологий позволяет более полно реализовать принцип независимости данных (и их происхождения) от их использования.

Анализируя сложившиеся тенденции, можно сделать вывод, что для построения эффективных программных средств, стало необходимым использовать комплексный подход, при котором информационная система строится как подбор и увязка различных информационных технологий так, что бы в результате стало возможным эффективное решение всего комплекса задач - от анализа и первичной обработки исходных данных до расчетов и визуализации интегрированных показателей.

В третьем разделе исследуются информационные технологии для задач моделирования компонентного состава.

В начале раздела устанавливается взаимосвязь между технологией вычислительного эксперимента и задачами, решаемыми в диссертации.

Показано, что применительно к задачам оценки фазового состояния углеводородных систем, вычислительный эксперимент характеризуется тремя особенностями, которые необходимо учитывать при создании адекватного ему программного обеспечения.

• многовариантность расчетов в рамках фиксированной математической модели;

• многомодельность, определяемая большим набором уравнений состояния.

• практическое внедрение вычислительного эксперимента осложнено масштабностью задачи.

Перенос технологии, разработанной для анализа продукции одной скважины на все месторождение, связан с анализом результатов и исходных данных в системе в целом. Следовательно, необходим инструментарий для анализа интегральных показателей по всему месторождению.

В разделе показана необходимость развития

• технологий вычислительного эксперимента;

• классической схемы вычислительного эксперимента за счет использования современных компьютерных технологий, аппарата баз данных.

Оставшаяся часть раздела содержит обзор современных компьютерных технологий, использованных в диссертации. Показано, что для разработки программных комплексов, ориентированных на решение практических задач наиболее подходящей является идеология

разработки информационных систем, основанная на объединении проблемно-ориентированного программного кода (моделей), реляционной атрибутики и результатов расчетов в единой (на логическом уровне) базе данных.

Из приведенного главе 1 обзора сделаны следующие выводы:

1. для решения задач нефтегазового комплекса актуально создание технологии построения информационных систем связанных, с оценкой фазового состояния углеводородных смесей;

2. информационная система должна удовлетворять потребности не только конечного пользователя, но и потребности разработчиков моделей, т.е. предоставлять возможность проведения вычислительного эксперимента по различным моделям. В частности предоставлять возможность добавления и изменения, используемых в ней моделей, средств анализа и визуализации результатов вычислительного эксперимента;

3. Для разработки подобной технологии представляется логичным использовать следующие современные технологии:

• аппарат баз данных;

• СОМ технологии;

• WWW технологии.

Глава 2 состоит из 4 разделов и посвящена развитию технологии вычислительного эксперимента в задачах определения фазового равновесия газонефтяных систем.

Первый раздел содержит анализ способов вывода из некоторых уравнений состояния основных вспомогательных уравнений необходимых для построения эффективного численного алгоритма, позволяющего получить решения системы (1)-(4). Знание способов вывода этих уравнений необходимо для разработки и добавления в разработанную информационную систему новых уравнений состояния.

Второй раздел содержит анализ алгоритмов используемых для оценки фазового состояния и компонентного состава фаз углеводородных систем для продукции отдельной скважины. В разделе установлены общность и различия между различными расчетными схемами. С целью получения единой схемы для вычислительного эксперимента с различными уравнениями состояния, проводится детальный анализ необходимых уравнений из первой главы. На базе этого анализа строится эффективный алгоритм численных расчетов для задач определения фазового равновесия газонефтяных систем для анализа продукции отдельной нефтяной скважины.

Основным результатом первого и второго разделов является разработка обобщенного алгоритма локального расчета, позволяющего абстрагироваться от конкретного уравнения состояния.

В третьем разделе излагается суть предлагаемой технологии проведения вычислительного эксперимента для задач оценки фазового состояния углеводородных систем на реальных практических задачах. Эта технология основана на синтезе технологии построения информационных систем, аппарата баз данных, современных СОМ и WEB технологий.

Основным результатом третьего раздела является разработка технологии поддержки проведения вычислительного эксперимента для оценки фазового состояния и компонентных составов углеводородных систем.

Главным выводом третьего раздела является то, что вычислительный эксперимент в этой области исследований можно абстрагировать от данных и моделей. При этом контекстные модели превращаются при этом в специализированные активные данные (программные реализации моделей и алгоритмов)

Четвертый раздел посвящен разработке модели и алгоритма восстановления компонентного состава системы по нескольким известным составам газовой и жидкой фазы, полученным в результате ее сепарации при неизвестном газовом факторе.

На практике, не редко встречаются скважины, отбор проб пластовой нефти из которых не возможен ввиду свойств самой нефти. Это относится к высоковязким и высокогазонасыщенным нефтям. С другой стороны, к настоящему времени фонд обводненных скважин составляет более 80% и постепенно возрастает. Исследование продукции таких скважин с использованием глубинных пробоотборников невозможно. Применение оперативных методов исследования также крайне затруднено из-за низких значений буферного давления. Существующая аппаратура для исследования продукции обводненного фонда дорогостоящая, трудоемкая и требует привлечения высококвалифицированных специалистов.

Таким образом, актуально создание новых методов изучения продукции таких скважин.

В настоящей диссертации предложен один из таких методов. Разработанный в данном разделе метод позволяет оценить состав пластовой системы по результатам нескольких замеров составов газовой и жидкой фаз выполненных при разных термобарических условиях.

Суть метода заключается в следующем:

Пусть известны составы газовой и жидкой фаз нескольких сепарации:

{{*>{*»/

Состав исходной системы предлагается оценить как

п

1>!

.Н

Л

(6)

Значения У^ подбираются исходя из критерия наименыи

ошибки:

N п п,]01

*-ЕЕ М7))2">тт (7)

*=1 1-1 у*1

В работе показано, что при использовании совпадающих компонентных составов фаз система (5) - (7) будет иметь бесконечное число решений. При использовании близких. составов влияние даже небольших колебаний (ошибок определения) в компонентных составах фаз на значения мольных долей газовых фаз будет также велико, но будет уменьшаться по мере усиления. различий в составах. Таким образом, для применения данного метода. требуется использовать результаты сепарации значительно отстоящих друг от друга на термобарической плоскости. Экспериментально установлено, что разница в давлении сепарации должна быть порядка 5-10 атмосфер.

Следует отметить, что данный метод применим не только к обводненному фонду, но вообще к любым типам скважин. Наиболее актуальным представляется его использование на скважинах газоконденсатного типа.

Третья глава состоит из двух разделов и посвящена описанию разработанной информационной системы и основных результатов диссертации.

Первый раздел содержит описание структуры разработанной информационной системы.

Разработанная информационная система в частности позволяет производить сравнительный анализ моделей с использованием карт равных значений. На рисунках приведены примеры такого анализа.

Так используя рис.1 можно сравнить результаты расчетов газосодержания проведенные с использованием СТО 27.000-030-84 и результаты экспериментальных определений газосодержания по этому же месторождению. Рис.2 позволяет провести аналогичное сравнение для результатов моделирования с использованием СТО 27.000-030-84 и уравнения состояния Пенга-Робинсона.

Аналогично на рис.3 приведены карты равных отклонений расчетных значений давления насыщения от значений, полученных в результате обработки экспериментальных данных.

Второй раздел посвящен обзору перспектив использования предложенной технологии. Подобные абстракции можно строить над любыми компьютерными объектами. Главное требование - чтобы данные на входе и результаты работы представлялись идентичными форматами. Применение этой технологии позволяет создавать гибкие информационные системы, компоненты которых, например, расчетный блок или интерфейс пользователя могут модифицироваться без изменения самой системы.

Этот подход позволяет организовать распределенные вычислительные процессы, при которых сложные расчеты можно производить непосредственно на сервере, а, например, визуализацию и анализ данных на машине клиента.

В заключении приводится обобщение проделанной в диссертации работы и выводы относительно перспектив использования основных результатов диссертации в других задачах.

Практическое применение, разработанных в настоящей диссертации технологий и методов, не ограничивается рамками вычислительного эксперимента по исследованию фазового равновесия в углеводородных системах. Так, на основе разработанных технологий в систему был подключен модуль для изучения вероятности солеотложения для пластовых вод. Разработанная информационная система, является по сути виртуальной лабораторией. Элементы разработанной в диссертации технологии были успешно использованы для решения задач образовательного плана и в биллинговой системе ТюмГУ.

(экспериментальные данные)

Рис 1. Карта равных значений газосодержания по данным на 2000 год Варынгское месторождение, пласт БВ

Среднее величина отклонения от прогноза по экспериментальным данным составляет 3 9%

(расчет с использованием уравнения состояния Пенга-Робинсона)

Среднее величина отклонения от прогноза по экспериментальным данным составляет 4 2%

Рис 2. Карта равных значений расчетного давления насыщения по данным на 2000 год Варынгское месторождение, пласт БВ131

Среднее величина отклонения от прогноза по экспериментальным данным составляет 16%

(расчет с использованием уравнения состояния Пенга-Робинсона)

Среднее величина отклонения от прогноза по экспериментальным данным составляет 10%

—■-1---1-1---

гатом 7мвов том пост топ том том

РисЗ. Карта равных значений отклонений расчетного давления насыщения от экспериментального по данным на 2000 год Варынгское месторождение, пласт БВ"1

Основные результаты

1. Предложена технология создания информационных систем на основе которой спроектирована и практически реализована информационная система, как инструмент поддержки вычислительного эксперимента в задачах связанных с исследованием фазового состояния газонефтяных систем;

2. Разработан новый метод определения компонентного состава пластовой нефти, позволяющий проводить изучение продукции фонда обводненных скважин;

3. Разработанная технология является универсальным инструментом моделирования и проектирования информационных систем не только для задач, связанных с исследованием фазового состояния газонефтяных систем. Универсальность технологии подтверждена расширением базовой информационной системы дополнительной подсистемой для исследования стабильности пластовых вод.

Основные публикации автора по теме диссертации

1. Захаров А.А., Семикин В.А., Шаров В.В., Широких А.В. Программный продукт, расширяющий возможности EXCEL при работе с картами и схемами. // Всероссийский форум «Геоинформационные технологии»: Сборник тезисов. М.-1995. С.14-15.

2. Воробьева М.С., Захаров А.А., Широких А.В., Шелудкова О.В. Разработка и исследование моделей и организационно-технологических схем учета недвижимости // Математическое и информационное моделирование: Сборник статей. Тюмень, ТюмГУ

2000. С. 151-157.

3. Захаров А.А., Широких Информационные технологии в задаче подсчета запасов углеводородного сырья. Информатизация процессов формирования открытых систем на основе СУБД, САПР, АСНИ и систем искусственного интеллекта. // Сборник научных докладов Международной научно-технической конференция. Вологда

2001. с. 190-192.

4. Захаров А.А., Широких А.В. Информационные системы: моделирование и программная реализация. Тюмень: Изд. Тюменского госуниверситета. Электронное издание. № государственного учета 0320200393. Тюмень, 2002. 208 с.

5. Захаров А.А., Широких А.В. Программный модуль для работы с RTF форматом. // «ООО Реагент», № гос.рег. 032000393. Тюмень, 2002.

6. Захаров А.А., Широких А.В. Ярышева И.Я. СОМ объект для моделирования фазового равновесия в углеводородной среде. // "ООО Реагент", № государственного учета 0320200395. Тюмень,

2002.

7. Захаров А.А., Широких А.В. Информационные системы для задач численного моделирования. Тюмень: Изд. Тюменского госуниверситета, 2002.176 с.

8. Захаров А.А, Нестерова О.В., Широких А.В. Информационная система для исследований газо-насыщенных нефтей. // Математическое и информационное моделирование: Сборник статей. Тюмень, 2002.

9. Захаров А.А., Широких А.В., Информационная система для изучения состава и свойств газовой и жидкой фаз в углеводородных системах. // Математические методы в технике и технологиях ММТТ-2002. Сборник научных трудов 15 международной научной конференции, Тамбов 2002, с. 163 -168.

10. Широких А.В., Ярышева И.А., Муравьев П.М. Использование баз данных для решения задач нефтедобывающих предприятий. // Материалы XII научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, Тюмень, СибНИИНП, 2002 г, с.321 -326

Соискатель

А.В.Широких

РНБ Русский фонд

2004-4 27910

Издательство «Вектор Бук» Лицензия ЛР №066721 от 06.07.1999г.

Формат 60x84/16. Бумага финская. Печать RISO. Усл. печ. л. 1,16. Тиража 00. Заказ 20.

Отпечатано с готового набора в типографии Издательства «Вектор Бук» Лицензия ПД № 17-0003 от 06.07.2000г.

625004, г.Тюмень, ул. Володарского, 45. тел.(3452) 46-54-04,46-90-03.

Введение.

Глава 1.

Раздел 1.1. Математические модели для определения состава и свойств газовой и жидкой фаз углеводородных систем.

Раздел 1.2. Информационные технологии в задачах моделирования процессов добычи и транспортировки углеводородного сырья.

Раздел 1.3. Информационные системы в задачах моделирования компонентного состава.

Глава 2. Разработка технологии.

Раздел 2.1. Модели фазового состояния.

Раздел 2.2. Построение единой расчетной модели.

Раздел 2.3. Предлагаемая технология.

Раздел 2.4. Алгоритм восстановления компонентного состава системы по нескольким известным составам газовой и жидкой фаз.

Глава 3.

Раздел 3.1. Структура информационной системы.

Раздел 3.2. Перспективы.

Актуальность работы. Сведения о фазовом состоянии углеводородной системы, компонентном составе ее фаз, газовом факторе, результатах однократного разгазирования и ступенчатой сепарации крайне важны в задачах подсчета запасов, при геологическом и гидродинамическом моделировании залежи, проектировании разработки месторождений и других задачах нефтяной промышленности. Важной проблемой, связанной с оценкой фазового состояния углеводородной смеси, является задача восстановления исходного состава смеси по нескольким известным результатам ее сепарации при неизвестном газовом факторе.

Экспериментальное определение необходимой информации о составе и свойствах углеводородных систем и воды связано с проведением трудоемких и продолжительных исследований на специальной аппаратуре высокого давления. Объем проводимых исследований ограничивается также другими дополнительными факторами:

• материальным и временным — в среднем на исследование продукции одной скважины тратится 120-160 человеко-часов, а стоимость проведения исследования не менее 60 тыс. рублей;

• невозможностью отбора проб для исследования либо ввиду отсутствия действующих разведочных или эксплуатационных скважин, или других причин;

• масштабностью задачи - т.е. необходимостью изучения продукции скважин в масштабах пласта или даже месторождения при действующем фонде в сотни или даже тысячи скважин.

Поэтому в инженерной практике наряду с экспериментальными данными широко используются технологии вычислительного эксперимента [54, 56, 55], позволяющие определить характеристики продукции скважин, а также эмпирические соотношения, устанавливающие взаимосвязь этих характеристик по результатам накопленного опыта исследования пластовых систем в процессе разработки нефтяных месторождений.[54]

С точки зрения конечного пользователя такой вычислительный эксперимент преследует две цели:

• вычислительную - для получения по исходным данным необходимой информации о составе и свойствах углеводородных систем при различных термобарических условиях;

• исследовательскую - для проверки разрабатываемой модели путем сравнения результатов ее работы с данными натурных экспериментов или с результатами расчетов по другим моделям.

У При этом, поскольку параметры моделей определяются свойствами продукции конкретных месторождений, требуется также обеспечить возможность анализа данных для различных месторождений. Это приводит к необходимости организации многопользовательского доступа к исходным данным и результатам расчетов.

Практическое внедрение результатов вычислительного эксперимента в задачах добычи и транспортировки углеводородного сырья осложняется, в первую очередь, масштабностью задачи. При внедрении технологии, разработанной для анализа одной скважины, на все месторождение ее необходимо дополнить новыми возможностями — для интерпретации и анализа результатов и исходных данных в системе в целом. А именно, требуются инструменты для анализа интегральных показателей по месторождению, а также выявления и исследования зависимостей между результатами вычислительного эксперимента в географически близких скважинах. Традиционно для этих целей используются информационные системы.

Далее, модели для оценки фазового состояния углеводородной смеси и IV компонентного состава ее фаз, подходящие для одних месторождений, не всегда адекватно отражают особенности других. Для этого в состав информационной системы, обслуживающей вычислительный эксперимент, должна входить база по сложившимся и положительно себя зарекомендовавшим моделям. Необходимо обеспечить динамическое пополнение этой базы, как на уровне параметров моделей, так и новыми моделями.

Ввиду важности как собственно организации вычислительного эксперимента по оценке фазового состояния углеводородных смесей и компонентного состава фаз, так и его практического внедрения, актуальными являются следующие задачи:

• разработка эффективной технологии создания и практическая реализация информационной системы как инструмента поддержки вычислительного эксперимента в задачах, связанных исследованием фазового состояния газонефтяных систем;

• разработка, обоснование и тестирование эффективных алгоритмов и методов проведения численных расчётов по оценке фазового состояния;

• разработка метода и алгоритма определения состава исходной углеводородной системы по известным компонентным составам ее фаз в различных термобарических условиях при неизвестном газовом факторе.

Целью работы является практическая реализация информационной системы как инструмента поддержки вычислительного эксперимента в задачах, связанных с исследованием фазового состояния газонефтяных систем.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

• разработка метода и алгоритма оценки состава исходной углеводородной системы при неизвестном газовом факторе;

• разработка эффективных алгоритмов и методов проведения численных расчетов для вычислительных экспериментов для задач исследования фазового равновесия в газонефтяных системах;

• развитие технологии, интегрирующей основополагающие принципы вычислительного эксперимента для задач исследования фазового состояния углеводородных смесей и современные подходы к работе с информацией;

• практическая реализация информационной системы как инструмента поддержки аспектов вычислительного эксперимента, связанных с применением компьютера для задач исследования фазового равновесия в газонефтяных системах.

Методология исследований. При разработке алгоритмов численных расчетов в качестве основы математических моделей для задач оценки фазового состояния углеводородных смесей и компонентного состава их фаз были выбраны математические модели фазового равновесия, описываемые уравнением состояния Пенга-Робинсона, и эмпирические зависимости, полученные В.И. Шиловым, в которых с помощью математической статистики определены зависимости коэффициентов распределения от давления и температуры. [82, 47]

В качестве базовой методологии создания информационных систем для научных исследований выбран компонентный подход, практикуемый в последнее время при создании сложных программных комплексов и основанный на синтезе современных СОМ технологий, технологий удаленного доступа и баз данных.

При разработке модулей комплексного анализа и визуализации результатов расчетов была обеспечена независимость данных от способа их дальнейшей обработки.

Научная новизна исследования заключается:

• в разработке эффективного алгоритма расчета фазового равновесия многокомпонентной углеводородной системы, позволяющего проводить расчеты с использованием широкого класса уравнений состояния;

• в разработке нового метода и алгоритма оценки состава исходной углеводородной системы по известным компонентным составам ее фаз в различных термобарических условиях при неизвестном газовом факторе;

• в том, что в рамках общей методологии проведения вычислительного эксперимента реализованы новые подходы для задач, связанных с изучением фазового равновесия углеводородных систем, позволяющие учесть масштабность задачи.

Практическая значимость исследования состоит в том, что:

• разработана информационная система, значительно облегчающая проведение полного цикла вычислительного эксперимента для задач исследования фазового равновесия в газонефтяных системах;

• основные теоретические выводы и технологические положения доведены до уровня конкретных практических рекомендаций и использованы в разработке информационной системы;

• предложенная технология интеграции основных принципов вычислительного эксперимента, аппарата баз данных и современных com и web технологий значительно упрощает анализ достоверности результатов натурных и вычислительных экспериментов по исследованию углеводородных смесей;

• разработанная информационная система представляет собой виртуальную научную лабораторию для проведения различных этапов вычислительного эксперимента в задачах, связанных с исследованием фазового состояния газонефтяных систем.

Теоретическая значимость работы

• предложенная технология позволяет разрабатывать программные инструменты для тестирования и определения параметров математических моделей для изучения фазового и компонентного составов системы;

• разработан алгоритм расчета фазового равновесия многокомпонентной углеводородной системы, позволяющий проводить расчеты с использованием широкого класса уравнений состояния;

• разработан метод и алгоритм для численных расчетов состава исходной системы по известным составам её фаз, полученным в результате ее сепарации;

• предложенная технология позволяет разрабатывать программные инструменты для поддержки вычислительного эксперимента и в других областях знания.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается качеством выбранного математического аппарата моделирования и сравнением расчетных данных на качественном уровне с результатами натурных исследований.

На защиту выносятся:

• технология создания распределенных информационных систем проведения вычислительного эксперимента для задач исследования фазового равновесия в газонефтяных системах;

• практическая реализация информационной системы, основанной на разработанной технологии;

• алгоритмы численных расчетов для вычислительных экспериментов в задачах определения фазового равновесия газонефтяных систем для нефтяной скважины;

• метод и алгоритм определения состава пластовой углеводородной системы при неизвестном газовом факторе.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы были апробированы на следующих конференциях и семинарах:

1. Международной научно-технической конференции. Вологда. 2001.

2. 15 международной научной конференции, Тамбов. 2002.

3. XII научно-практической конференции молодых ученых и специалистов СибНИИНП, Тюмень 2002 г.

4. Научных семинарах кафедр программного обеспечения, информационных систем, математического моделирования, моделирования физических процессов и систем, механики многофазных систем Тюменского госуниверситета, в институте СибНИИНП и институте вычислительного моделирования СО РАН г.Красноярск.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации - 105 страниц, включая 22 иллюстрации, 1 таблицу и список литературы из 92 наименований.

Заключение

Целью диссертационной работы является создание и практическая реализация эффективной технологии информационных систем поддержки вычислительного эксперимента в задачах, связанных с изучением фазового состояния углеводородных смесей.

Исходными данными для проводимых в этой области численных экспериментов являются компонентные составы пластовой нефти. Поэтому одной из задач, стоящих перед вычислительным экспериментом, является задача получения достоверной исходной информации. В результате проведённого исследования был разработан метод, позволяющий оценить компонентный состав пластовой нефти исходя из составов газовой и жидкой фаз нескольких исследований, проведённых при различных термобарических условиях и неизвестном газовом факторе. Разработанный метод позволяет исследовать продукцию обводненных скважин, фонд которых составляет более 80% и практически не исследуется. Абсолютная погрешность определения по каждому компоненту предложенным способом не превышает установленную ГОСТом 14-920-79 погрешность определения состава хроматографическим методом. Отличие расчётных значений газового фактора продукции от фактических значений также лежит в пределах определения газового фактора прямым классическим способом. При этом себестоимость определения предложенным способом меньше классического в 1,4 раза.

В результате проведенного в работе анализа математических моделей фазового равновесия углеводородных систем был разработан абстрактный алгоритм проведения численного эксперимента для заданной углеводородной системы. Абстрактность алгоритма относительно отдельных этапов расчёта позволила использовать его на широком спектре уравнений состояния и эмпирических зависимостей, применяемых сегодня при моделировании в этой области исследований. Для практического использования этого алгоритма в диссертации разработана технология, позволяющая использовать в качестве исходных данных не только составы изучаемой углеводородной системы, но и практическую реализацию отдельных этапов численного эксперимента.

Далее в диссертации разработана модификация классической схемы вычислительного эксперимента. Внесенные в схему изменения позволили учесть существующие на сегодня компьютерные технологии и создать на их основе технологию проведения вычислительного эксперимента для задач изучения фазового равновесия в углеводородных системах с учётом масштаба задачи. Масштаб задачи определяется такими факторами, как:

• Необходимость получения исходных данных по как можно большему спектру углеводородных систем;

• Необходимость организации сбора и накопления исходной информации;

• Объем исходных данных - необходимость исследования продукции десятков тысяч скважин;

• Наличие большого числа математических моделей;

• Необходимость получения новых данных;

• Необходимость адаптации существующих моделей к продукции конкретных месторождений и создания новых моделей.

В диссертации разработана технология хранения методов расчёта, используемых в алгоритме, в базе данных. Синтез аппарата баз данных, web-технологий, СОМ технологий и классических информационных систем позволил разработать и практически реализовать технологию создания информационных систем поддержки вычислительного эксперимента в задачах, связанных с изучением фазового состояния углеводородных смесей. Созданная на основе предложенных в диссертации технологий информационная система показала их эффективность.

Исходными данными для проводимых в этой области численных экспериментов являются компонентные составы пластовой нефти. Поэтому одной из задач, стоящих перед вычислительным экспериментом, является задача получения достоверной исходной информации.

В проведённом исследовании разработан метод, позволяющий определить компонентный состав пластовой нефти исходя из составов газовой и жидкой фаз нескольких проб, отобранных при различных термобарических условиях и неизвестном газовом факторе, который позволяет изучать продукцию обводненных скважин, фонд которых составляет более 80% и практически не исследуется.

Практическое применение разработанных в настоящей диссертации технологий и методов не ограничивается рамками вычислительного эксперимента по исследованию фазового равновесия в углеводородных системах. Так, на основе предложенной технологии в систему был подключен модуль для изучения вероятности солеотложения для пластовых вод. Разработанная информационная система представляет собой виртуальную лабораторию. Отдельные элементы, предложенной в диссертации технологии, были успешно использованы при решении задач образовательного плана и в биллинговой системе ТюмГУ.

1. Адиль Абдель Маджид Саад. Прогноз фазового состояния углеводородов в залежах по геохимическим данным с применением многомерных статистических методов и ЭВМ На прим. Предкавказья: Дис. канд. геол.-минерал. наук : 04.00.17 / М. 1998.- 138с.

2. Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Основы моделирования и первичная обработка данных. Финансы и статистика, 1983. 471с.

3. Анохина В.А. Краткие обзоры программных средств, предлагаемых фирмами-разработчиками.http://armgeo.narod.ru/GeoModels/View/Default.htm (10/11/2002)

4. Атавин А.А. Трубопроводные системы энергетики: модели, приложения, информационные технологии : Монография / Атавин А.А., Карасевич A.M., Сухарев М.Г. и др., под общ. ред. М.Г. Сухарева. Нефть и газ :РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина 2000. 318с.

5. Бабалян Г.А. Физико-химические процессы в добыче нефти. М. Недра, 1974. 87с.

6. Бакирова Т.В. Опыт построения геоиформационных систем в ОАО "Сургутнефтегаз". "Нефтяное хозяйство", сентябрь 2001, С. 75-76.

7. Баталии О.Ю., Брусиловский А.И., Захаров М.Ю. Фазовые равновесия в системах природных углеводородов. М., Недра, 1992. 272 с.

8. Беляков B.JI. Автоматизация промысловой подготовки нефти и воды. М.: Недра, 1988.232 с.

9. Биндер O.JI. Использование информационных технологий в инженерных изысканиях при обустройстве месторождений. "Нефтяное хозяйство", июль 2002. С.37-40.

10. Бондарь А.Г. Математическое моделирование в химической технологии., Вища Школа, 1973. 280с.

11. Брусиловский А.И. Моделирование фазового состояния и термодинамических свойств природных многокомпонентных систем при проектировании разработки и эксплуатации месторождений нефти и газа: Дис. д-ра техн. наук : 05.15.06/ М. 1994. 602 с.

12. Бучаченко АЛ. Физическая химия: Современные проблемы. М.: Химия, 1980. 340 с.

13. ВНТИИЦентр. Копия отчета о НИР, 1989. Научно-технический отчет АН Азерб.ССР. Тема: «Развитие геолого-геофизических, газо-гидродинамических и физико-химических основ разработки нефти и газа»

14. Вольпин С.Г., Мясников Ю.А., Свалов А.В. Анализ применения ГДИС-технологий в информационном обеспечении проектирования разработки. «Нефтяное хозяйство", октябрь 2002. С.91-93

15. Галкин В.Ю., Захаров А.А., Земцов В.Б. АРМ технолога сварочных работ на магистральных трубопроводах // Управляющие машины и системы. 1991. № 2. С.128-129.

16. Горбунов-Посадов М.М. Расширяемые программы. http://www.keldysh.ru/gorbunov/contfull.htm

17. Горшков В.А. Система планирования и контроля исполнения заданий. Публикации Miracle // М. 2001. НПФ "И.В.А.", http://www.miracle.ru/pub/nv.htm (20.12.2001)

18. Гуревич Г.Р., Брусиловский А.И. Справочное пособие по расчету фазового состояния и свойств газоконденсатных смесей. М. Недра. 1984. С.34.

19. Гуревич Г.Р., Карлинский Е.Д. Сепарация природного газа на газоконденсатных месторождениях. М. "Недра", 1982, С. 132

20. Динариев О.Ю., Евсеев Н.В., Храпова Е.И. Анализ и обработка геолого-технологической информации средствами виртуальной реальности. «Нефтяное хозяйство", октябрь 2000. С.85-90.

21. Желтов Ю.В. и др. Разработка и эксплуатация нефтегазоконденсатиых месторождений. М: Недра, 1979. 254с.

22. Жумагулов, Б.Т. Компьютерное моделирование в процессах нефтедобычи / Б. Т. Жумагулов, В. Н. Монахов, Ш. С. Смагулов. Алматы: Дылым 2002. 307 с.

23. Захаров А.А.,. Захарова И.Г., Ступников. А.А. Комплекс программных средств для визуализации динамограмм и диагностики состояния ГНУ. // Сборник тезисов научно-практической конференции «Использование микропроц. средств». Тюмень: ТГУ, 1987. С. 16-17.

24. Захаров А.А, Нестерова О.В., Широких А.В. Информационная система для исследований газо-насыщенных нефтей // Математическое и информационное моделирование: Сборник статей. Тюмень, 2002.

25. Захаров А.А., Семикин В.А., Шаров В.В., Широких А.В. Программный продукт, расширяющий возможности EXCEL при работе с картами и схемами// Всероссийский форум «Геоинформационные технологии»: Сборник тезисов. Москва, 1995. С. 14—15.

26. Захаров А.А., Широких А.В. Информационные системы для задач численного моделирования. //

27. Тюмень: Изд-во Тюменского госуниверситета. 2002. 160с.

28. Захаров А.А., Широких А.В. Информационная система для изучения состава и свойств газовой и жидкой фаз в углеводородных системах. //Математические методы в технике и технологиях ММТТ-2002.

29. Сборник научных трудов 15 международной научной конференции, Тамбов. 2002.

30. Захаров А.А., Широких А.В. Информационные системы: моделирование и программная реализация. Тюмень: Изд. Тюменского госуниверситета. Электронное издание. № государственного учета 0320200393. Тюмень, 2002. 208 с.

31. Захаров А.А., Широких А.В. Программный модуль для работы с RTF форматом //"ООО Реагент", № гос.рег. 032000393. Тюмень, 2002.

32. Захаров А.А., Широких А.В., Ярышева И.Я. СОМ объект для моделирования фазового равновесия в углеводородной среде // "ООО Реагент", № государственного учета 0320200395. Тюмень, 2002.

33. Исакович Р.Я., Логинов В.И., Попадько В.Е. Автоматизация производственных процессов в нефтяной и газовой промышленности. М. Недра, 1983. 148с.

34. В.В. Кафаров. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М. Химия. 1987. 187с.

35. Кашик А., Билибин С., Гогоненков Г. Новые технологии при построении цифровых геологических моделей месторождений углеводородов.http://www.oilcapital.ru/news.asp?IDR=159&IDNEWS=20090, (28.07.2003)

36. Киршенбаум Р.П, Нагаев А.Р., Пальянов П.А. Информационные технологии при проектировании обустройства нефтяных и газовых месторождений. "Нефтяное хозяйство", март 2001. С.46-47.

37. Киршенбаум Р.П., Пальянов П.А. Реализация информационных технологий при проектировании обустройства месторождений. «Нефтяное хозяйство", октябрь 2000. С. 107-108.

38. Корнеев С.Н., Деренок Д.В., Моргачев Р.В. Система сбора и обработки информации по добыче и поставкам нефтяного газа. "Нефтяное хозяйство", февраль 2000. С.79-83.

39. Краснощекое П.С., Петров А.А. (1983). Принципы построения моделей / Москва: МГУ. 264 с.

40. Кричлоу Г.Б. Современная разработка нефтяных месторождений -проблема моделирования. М: Недра, 1979.

41. Кудрявцев А.В., Попов В.Е., Кашлева Г.Г. ОАО "НК "Роснефть ": Некоторые особенности подходов к построению информационной системы. "Нефтяное хозяйство", октябрь 2001. С.94-95.

42. Мариненков Д.В. Реализация Интраиет-технологий для организации информационного пространства процесса проектирования. "Нефтяное хозяйство", июль 2002. С.63-64.

43. Матылин Ю.В. Интернет доступ к гетерогенным, распределенным базам данных в четырехуровневой архитектуре информационных систем. "Нефтяное хозяйство", октябрь 2002. С.53-54.

44. Методика, компьютерный инструментарий адаптации математических моделей процессов подземной гидродинамики // Центр компьютерного моделирования белорусского государственного университета.http://www.ccm.bsu.by/ccm/PRO/MODEL.HTM (2003, 2 мая).

45. Методика расчета фазовых равновесий и физических свойств фаз нефтегазоконденсатных систем. РД 39-1-348-80, М. ВНИИ, 1980. 84с.

46. Ничипоренко A. ASAP методология построения корпоративной информационной системы на основе программного обеспечениякомпании SAP. "Нефтяное хозяйство", октябрь 2000. С.99-102.

47. ОСТ 39-112-80 «Нефть. Типовое исследование пластовой нефти»

48. Пальянов П.А, Мариненков Д.В. Интранет способ организации проектных данных. "Нефтяное хозяйство", октябрь 2001. С.84-85.

49. Пальянов П.А, Мариненков Д.В. Организация информационного пространства ОАО "Гипротюменнефтегаз" в среде Интранет. «Нефтяное хозяйство", май 2001. С.91-93.

50. Пальянов П.А. Применение информационных технологий при проектировании обустройства месторождений. «Нефтяное хозяйство", июль 2001. С.49-50.

51. Пьянков В.Н., Филев А.И. Интегральный программный комплекс "Баспро-аналитик". «Нефтяное хозяйство", сентябрь 2000. С. 107-110.54