Комплекс российских технологий для эффективного управления добычей. Интегрированная модель и цифровой двойник нефтегазового месторождения на базе AVIST Oil&Gas

Представлен опыт реализации управления нефтяными и нефтегазоконденсатными активами на основе технологий «интеллектуального месторождения» – интегрированного моделирования и модели ограничений. Задача выполнена с использованием российских программных продуктов: симулятора интегрированного моделирования тНавигатор (продукт компании РФД) и платформы AVIST Oil&Gas (Asset Virtualization System Oil&Gas, продукт ITPS). В ходе эксплуатации данных решений использовались уникальные цифровые инструменты автоматизации процессов создания, адаптации и актуализации цифровых моделей. По ряду выделенных ключевых аспектов моделирования получены результаты, сопоставимые с моделями, создаваемыми на базе зарубежных аналогов. Определены дальнейшие точки роста и перспективы перевода существующих интегрированных моделей нефтегазовых активов на полностью отечественный комплекс технологий в области интегрированного моделирования. 

Технологии создания и эксплуатации интегрированных моделей (ИМ) занимают особое место в инновационном развитии нефтегазовых активов. Комплексное моделирование является основой для принятия инвестиционных решений на стратегическом горизонте, а также важнейшим инструментом оперативного управления добычей, который обеспечивает выполнение текущих планов и максимально эффективное использование существующих мощностей. Правильно обоснованные мероприятия по корректировке режимов работы скважин и наземного оборудования способны увеличить объемы добычи углеводородов (УВ) на 1–2 %. 

Особенно важно применение ИМ на крупных добывающих активах, на объектах со сложными геологическими и технологическими условиями, а также на месторождениях на поздней стадии эксплуатации, разрабатываемых в режиме истощения. В большинстве подобных случаев специализированным подразделениям, таким как центр управления добычей (ЦУД) и центр интегрированных операций (ЦИО), приходится иметь дело с огромным количеством разнородных производственных данных. ИМ является главным инструментом извлечения экономической ценности из данных, собираемых на активе, поскольку производимые на модели расчеты служат основой для управленческих решений, направленных на достижение экономических эффектов, таких как устойчивое выполнение плана, снижение затрат, получение дополнительной добычи. 

Группа компаний ITPS с 2012 г. оказывает услуги по созданию и сопровождению ИМ нефтегазовых активов с использованием прикладного ПО. C каждым годом растет ценность использования российских решений. Сегодня все больше крупных компаний заинтересованы в создании комплекса инструментов на базе отечественного ПО, способного обеспечить детальность моделирования на уровне продуктов ведущих мировых вендоров. В связи с этим специалистами ITPS было проведено масштабное тестирование программного комплекса тНавигатор – отечественного решения по интегрированному моделированию. 

Принцип комплексности

Выбор прикладного инструмента для моделирования обусловлен тем, что большинство существующих на рынке российских симуляторов покрывает цепочку добычи лишь частично, моделируя отдельные элементы: скважины, системы сбора и транспортировки, системы подготовки углеводородов. Используемый комплексный подход подразумевает возможность моделировать все компоненты месторождения в составе единой системы. Именно поэтому были выбраны продукты компании РФД, как обеспечивающие полный цикл создания, адаптации и эксплуатации ИМ. Оставалось только дать обоснованный ответ на вопрос: можно ли с помощью данного подхода реализовать те же технологические возможности работы с ИМ, что и при работе с популярным зарубежным ПО, включая подготовку исходных данных к использованию в моделях и формирование системы поддержки принятия решений на основе полученных результатов моделирования. 

Помимо технологических параметров предстояло оценить такие важные для инженеров аспекты, как удобство работы и скорость выполнения оперативных и прогнозных расчетов. Таким образом, в рамках исследования, которое выполнялось на реальном технологическом объекте, были выделены такие направления, как анализ набора инструментов для создания и настройки моделей-компонент, автоматизация основных операций процесса создания и настройки моделей-компонент, интеграция моделей-компонент, расчеты и интеграция с внешними системами. 

Создание и настройка моделей-компонент 

Нам предстояло убедиться в том, что существующий инструментарий в модулях тНавигатор сопоставим с набором инструментов в аналогичном зарубежном ПО и позволяет моделировать объекты с той же степенью детальности, интегрировать их в единую систему и получать подробные результаты расчетов, представляющих ту же промышленную ценность. Говоря про детальность, мы подразумеваем моделирование способов эксплуатации, элементов как внутрискважинного оборудования, так и наземной инфраструктуры. Мы начали исследование с процесса моделирования скважин. В качестве ПО для построения использовался модуль «Дизайнер скважин». 

За годы работы над задачами цифровизации нефтегазовых активов нами был накоплен крупный архив промысловой информации по ранее смоделированным объектам. Используя этот набор данных и общие эмпирические корреляции мультифазного течения, мы попытались воспроизвести ранее созданные модели. Оказалось, что четыре представленные корреляции из пяти дают минимальное отклонение при идентичных данных, коэффициентах и геометриях скважин. Это значит, что классические эмпирические корреляции в российском ПО работают удовлетворительно и процесс последовательного расчета по стволу скважин определяет те же самые гидравлические потери, что и при расчете в аналогах (табл. 1). 


                              Таблица 1. Моделирование скважин

Из положительных аспектов, которые мы отметили на этом этапе, можно выделить возможность внесения изменений в показатели внутрискважинного оборудования на указанном временном шаге. Также была подтверждена возможность выбора корреляции для различных участков скважин (вертикальный, наклонный, горизонтальный). Отмечен довольно широкий набор параметров для адаптации моделей скважин и весьма быстрый расчет таблиц VFP с возможностью одновременной адаптации на результаты замера, в несколько раз превосходящий аналоги по скорости. 

При моделировании наземных систем сбора и закачки использовался модуль «Дизайнер сетей». Точность его расчетов сравнивалась с аналогичным гидравлическим симулятором многофазного потока жидкости. Мы рассмотрели пример нефтесборной сети небольшого месторождения, состоящего из шести кустов, воспроизвели те же параметры трубопроводов: профили, диаметры, штуцера запорные, регулирующие устройства. В итоге были получены результаты, довольно близкие к фактическим показателям работы сети сбора, что говорит о возможности выполнять расчеты с сопоставимыми гидравлическими потерями (табл. 2). 


           Таблица 2. Моделирование наземных систем сбора и закачки

Автоматизация процессов моделирования 

Автоматизация процессов моделирования является одним из ключевых факторов эффективной работы с ИМ. Продукт тНавигатор предлагает в качестве методов автоматизации использовать встроенный функционал Workflow на базе языка Python. Нами были разработаны инструменты для полного цикла создания моделей скважин, занесения замеров, адаптации моделей к занесенным замерам. Мы также добавили свои алгоритмы верификации данных с использованием моделей. В будущем это станет основой для взаимодействия ПО тНавигатор с платформой AVIST Oil&Gas. Использование данной платформы даст важное преимущество – возможность обеспечить доступ к расчетам на ИМ широкому кругу специалистов, вовлеченных в процессы управления добычей, включая не обладающих навыками работы со специализированным ПО для моделирования. 

Разработанный нами подход к внедрению и применению ИМ подразумевает использование AVIST Oil&Gas для автоматизации процессов создания, актуализации и адаптации моделей-компонент в составе интегрированной модели. Это позволяет значительно снизить трудозатраты на поддержку ИМ в актуальном состоянии, а также обеспечивает высокую скорость и качество аналитических расчетов, влияющих на управленческие решения. Таким образом, функционал AVIST Oil&Gas повышает эффективность работы с прикладным ПО для моделирования, таким как тНавигатор, в полной мере раскрывая потенциал использования ИМ и обеспечивая результаты, недостижимые при ином подходе. 

Интеграция моделей-компонент 

Интегрированная модель «пласт – скважина – система сбора» представляет собой единую систему уравнений, описывающих физические процессы, протекающие в пласте, потери давления и изменения температуры при движении флюидов в скважине и системе сбора продукции. При этом учитываются технологические ограничения для режимов работы скважин и оборудования наземной сети. Модель флюида для системы задается единожды и используется для всех составляющих системы «пласт – скважина – система сбора». 

Интеграция подземной части и поверхностной системы сбора выполняется на скважинах. В рамках тестирования мы использовали два подхода: интеграция через перфорации скважин и интеграция через устье скважин. Помимо интеграции моделей-компонент в единый проект тестирование включало в себя расчеты сценариев добычи на краткосрочный и долгосрочный периоды, а также оценку скорости расчетов, удобства выгрузки и визуализации результатов. 

Мы отметили понятный и простой интерфейс, обеспечивающий прямое подключение сети сбора к гидродинамической модели через перфорацию скважин. Это позволяет выполнять необходимые операции без каких-либо проблем, которые теоретически могли бы возникнуть из-за того, что в тНавигатор и аналогах используются разные подходы к выполнению расчетов. Помесячный расчет, который мы тестировали на долгосрочный горизонт, показывал довольно стабильный результат в пределах пяти часов. 

Интеграция с внешними системами управления процессами моделирования 

Далее расскажем о наиболее ценном аспекте с точки зрения бизнеса. Для того чтобы ИМ работала как инструмент повышения эффективности нефтегазового актива в единой связке с другими промысловыми системами и источниками данных, ее необходимо правильно встроить в существующие бизнес-процессы добычи, разработки и эксплуатации месторождений. Для достижения этого результата проводилась пробная интеграция с платформой AVIST Oil&Gas. 

Основная задача использования платформы заключалась в обеспечении автоматической интеграции плановых и фактических данных учетных систем и результатов расчетов систем моделирования для совместного анализа. Таким образом, AVIST Oil&Gas служит связующим звеном для технологий и инструментов «интеллектуального место рождения». Платформа интегрирует потоки производственных данных и цифровые модели, ранее существовавшие в разнородных системах отдельно друг от друга, позволяя ЦУД (или ЦИО) отрабатывать многовариантные сценарии эксплуатации и развития месторождений с целью выбора наиболее выгодных вариантов с учетом заданных ограничений. 

В ходе проведенного тестирования были успешно выполнены такие операции, как загрузка сценариев добычи, сценарные расчеты, выгрузка плановых и фактических данных учетных систем и результатов расчетов систем моделирования. При этом мониторинг процессов добычи производился автоматически. Реализованный подход позволил автоматизировать ряд других важных функций, таких как поддержка ИМ в актуальном состоянии, приоритезация мероприятий по повышению эффективности актива, обеспечение поддержки решений при планировании мероприятий на фонде. 

Эксплуатация модели 

В рамках апробации интегрированного решения было также выполнено сравнение ретроспективных расчетов с данными аналогичного ПО на краткосрочном горизонте (табл. 3). В тестировании были задействованы нефтесборная сеть и около 15 скважин, на которых апробировались сценарии изменений режимов работы, возникающих за счет изменений частот и диаметров устьевых штуцеров. 


Таблица 3. Сравнение ретроспективных расчетов в «Дизайнере сетей» и аналогичном ПО

Изменения со стороны пласта были заданы в качестве набора изменяемых притоков, выгруженных в модели. Каждые сутки на оперативном горизонте мы проводили расчет, который выполнялся исключительно быстро – в считанные минуты. Прямое сопоставление результатов показало высокую сходимость ИМ в тНавигатор на уровне аналогов. 


                   Отечественные решения для управления добычей

Точки роста 

В ходе полугодового тестирования нами был сформирован список, включающий около 20 предложений по улучшению функционала тНавигатор, который был направлен вендору. Например, в настоящий момент мы ограничены в представлении моделей объектов подготовки УВ. Сейчас они представлены упрощенными элементами в «Дизайнере сети», отдельно сепараторы, компрессоры – а требуется использование Python-объектов с внешней логикой изменения параметров. По мере того, как мы добавляем в решение новые механизмы автоматизации, возникают требования по корректировке существующих инструментов. Это естественный процесс. 

По результатам тестирования был сделан вывод, что тНавигатор обладает достаточным набором инструментов для создания и настройки моделей-компонент в составе ИМ. Все основные операции по созданию и настройке моделей успешно автоматизируются, в т. ч. на базе нашей собственной разработки. 

В ближайших планах ITPS – разработка интегрированного модуля по взаимодействию тНавигатор с платформой AVIST Oil&Gas (см. рисунок). Решение данной задачи приближает нас к тому, что управление добычей на базе комплекса российских технологий станет реальностью. Применение этих продуктов на месторождениях позволяет повысить объемы добычи за счет ускорения цикла сбора и валидации данных, фокусировки на узких местах и проблемных зонах месторождения.