В качестве затрат газа на поддержание буферного объема газа в пласте, необходимых для обеспечения технологических требований к буферному объему газа, принимается объем закачиваемого в объект хранения газа на восполнение пластовой составляющей свободного газа в необводненной области залежи. Уменьшение пластовой составляющей свободного газа связано с многолетним непрерывным процессом растворения закачиваемого газа в пластовых водах и конвективно-диффузионного переноса растворенного газа в водоносную область пласта при циклических вторжениях - оттеснениях пластовых вод в газовой залежи. При многолетней циклической эксплуатации подземного хранилища объемы газа растворенного и диффундированного в водоносную область пласта накапливаются и могут достигать существенной части буферного объема газа в пласте. В связи с этим они должны ежегодно списываться с баланса газа в пласте в составе статьи собственных технологических нужд и компенсироваться затратами закачиваемого газа на поддержание буферного объема газа в пласте.
Рассмотрены различные виды затрат закачиваемого газа в объекты хранения на создание и поддержание буферного объема газа в пласте, что позволило обосновать понятие пластовых потерь газа.
Под пластовыми потерями газа следует понимать первично и вторично нерациональную часть затрат закачанного газа на создание и поддержание буферного объема газа в пласте, понесенную “впустую”. Пластовые потери закачанного газа могут включать неконтролируемые или нерентабельные по отбору объемы “вертикальных” утечек газа из пласта и объемы газа, ушедшего из основной газовой залежи за пределы структурной ловушки.
Четвертая глава посвящена вопросам упорядочения и рационального использования разных по сложности гидродинамических моделей пористых пластов для адекватного решения задач регулирования и контроля количества газа в пластах разного геологического строения на всех этапах функционирования подземных хранилищ.
Разработаны принципы рационального гидродинамического моделирования пористых пластов подземных хранилищ газа. Эти принципы заключаются в следующем: последовательность построения моделей разного уровня, проблемная ориентированность и адекватность модели поставленной задаче исследования, соответствие модели сложности геологического строения пласта и объему достоверных исходных данных. К числу принципов также относятся объединение (комплексирование) разных по сложности моделей, описывающих отдельные области пласта, в его полномасштабной модели, взаимодополняемость и контроль правильности результатов моделирования, полученных на моделях разного уровня.
Многочисленные гидродинамические модели пористых пластов подземных хранилищ по образу многообразных вертикальных и горизонтальных связей “генеалогического древа” последовательно “выстраиваются” от “высшего” уровня сложных - подробных многомерных детальных сеточных моделей до “низшего” уровня упрощенных - приближенных низкомерных укрупненных моделей, образуя комплекс моделей разного уровня.
Каждая модель пласта в указанном комплексе должна быть проблемно ориентирована и настроена на адекватное решение конкретной задачи исследования, обеспечивая рациональный объем трудозатрат физического и компьютерного моделирования. С одной стороны, модель по количеству и составу параметров должна наиболее полно соответствовать целям исследования. С другой стороны, параметров модели должно быть минимально необходимо и достаточно для решения поставленной задачи. Так, при исследовании, например, укрупненных показателей газовой залежи подземного хранилища, во многих случаях достаточно использование упрощенных гидродинамических моделей. Для исследования систем хранения и размещения скважин требуются более сложные модели.
Применение той или иной гидродинамической модели в решающей степени зависит от сложности геологического строения пласта и объема достоверных исходных лабораторных, геофизических, геологических и промысловых данных. Область предпочтительного применения упрощенных гидродинамических моделей распространяется на пласты сравнительно однородного геологического строения, а также на пласты с ограниченным объемом достоверных исходных данных. Областью предпочтительного применения сложных гидродинамических моделей являются сложно построенные неоднородные пласты, по которым имеется достаточно большой объем исходных данных.
Адекватность полномасштабной модели пласта, описывающей пласт в целом, поставленной задаче и соответствие такой модели объему и достоверности исходных данных, имеющихся по разным областям пласта, обеспечиваются путем комплексирования - объединения разных по сложности моделей, описывающих отдельные области пласта.
Упрощенные и сложные гидродинамические модели пластов, а также получаемые с их использованием результаты расчетов взаимно дополняют и могут служить в качестве проверки друг друга. Так, низкомерные укрупненные модели позволяют описать некоторую интегральную в пространстве характеристику состояния газовой залежи хранилища, многомерные детальные сеточные модели - дифференциальную картину распределения насыщенности и давления в пласте. Результаты расчетов на укрупненных моделях могут служить интегральной проверкой результатов, полученных на детальных сеточных моделях, результаты сеточного моделирования представляют собой определенную детализацию решений на укрупненных моделях. Исходя из этого контроль результатов моделирования при решении как прямых, так и обратных задач, особенно для сложно построенных неоднородных пластов, целесообразно осуществлять путем последовательного использования нескольких гидродинамических моделей разного уровня и сопоставления полученных результатов. Последовательный переход от “крупносеточных” к “мелкосеточным” моделям позволит в прямых задачах более обоснованно и экономично получать прогнозные решения, при решении обратных задач - проводить определенную регуляризацию решений некорректных задач.
Дано обоснование рационального использования разных по сложности гидродинамических моделей для решения задач регулирования и контроля количества газа в пористых пластах на разных этапах функционирования подземных хранилищ газа.
Показано, что рациональное использование тех или иных по сложности моделей - это вопрос соотношения цены и качества, т.е. на сколько получаемые результаты моделирования будут соответствовать понесенным затратам и удовлетворять целям и задачам моделирования. Проведенные исследования показали, что при использовании упрощенных гидродинамических моделей повышение условно на единицу качества результатов обеспечивается сравнительно небольшим приростом затрат. При использовании сложных гидродинамических моделей для повышения качества результатов на условную единицу требуется значительное увеличение затрат на моделирование.
По результатам анализа применения разных по сложности гидродинамических моделей пористых пластов получены оценки рационального долевого использования моделей на разных этапах функционирования подземных хранилищ газа. В начале сооружения подземного хранилища на базе укрупненной цифровой геологической модели имеется возможность построения и использования только упрощенных гидродинамических моделей пласта. По мере поступления новых геологических данных в процессе сооружения подземного хранилища детализируется цифровая геологическая модель пласта, происходит постепенное снижение рациональной доли преимущественного использования упрощенных гидродинамических моделей и увеличение доли использования сложных гидродинамических моделей пласта.
На этапе циклической эксплуатации подземного хранилища на основе детальной геологической модели пласта появляется возможность построения подробной, многомерной, детальной сеточной гидродинамической модели пласта, а также уточнения ранее созданных упрощенных гидродинамических моделей путем их адаптации по поступающим новым данным истории хранения газа. При этом рациональная доля использования упрощенных гидродинамических моделей становится не более 40% в основном для оперативных укрупненных технологических расчетов и расчетов на долгосрочную перспективу. Рациональная доля применения детальных многомерных гидродинамических моделей увеличивается до уровня примерно 60%.
Полученный опыт использования гидродинамических моделей показывает, что для обычных по геологическому строению объектов хранения газа трудовые и материальные затраты при исключительном использовании сложных трехмерных моделей оправдываются достигаемыми результатами на 50-60%. Это означает, что в 40% случаев те же результаты можно получать с меньшими затратами на более простых моделях.
Разработана структура иерархического комплекса гидродинамических моделей пористых пластов подземных хранилищ газа. В этой структуре модели различаются по полноте описания происходящих в пласте физических процессов; способу описания взаимного вытеснения и совместной фильтрации газа и воды; размерности и системе координатных осей в динамико-кинематической схематизации фильтрационных потоков; размерам ячеек, равномерности сетки и масштабу осреднения параметров цифровых фильтрационных моделей пласта (рисунок 5).
В приближенных гидродинамических моделях ограничиваются рассмотрением лишь основных свойств газа и пластовой воды и наиболее значимых сторон происходящих в пласте процессов. В подробных гидродинамических моделях в наибольшей степени учитываются реальные свойства флюидов и породы и наиболее широкий круг эффектов и явлений физики газоводонасыщенного пласта. В подробных моделях рассматривается неполное вытеснение и совместное (двухфазное) течение газа и воды, учитывается капиллярный гистерезис и гистерезис относительных фазовых проницаемостей для флюидов при их многократно чередующемся вытеснении. Кроме того, в подробных моделях может рассматриваться адсорбция газа горными породами, растворение газа в пластовой воде и конвективно-диффузионный перенос растворенного газа в водоносную область пласта. Подробные гидродинамические модели позволяют проводить детальные исследования отдельных процессов.
Гидродинамические модели с более низкой размерностью получаются путем последовательного интегрирования по исключаемым осям дифференциальных уравнений фильтрации газа и воды в моделях с более высокой размерностью. При этом в моделях с низкой размерностью используются масштабированные по исключаемым осям параметры детальной цифровой геологической модели пласта и модифицированные дополнительные фильтрационные параметры.
Цифровые фильтрационные модели пласта по размерам ячеек и масштабу осреднения параметров представляют собой последовательно построенные “сверху вниз” модели - от детальных сеточных мелкомасштабных до укрупненных крупномасштабных моделей.
В составе иерархического комплекса гидродинамических моделей пористых пластов подземных хранилищ рассмотрен упорядоченный ряд разных по сложности разновидностей моделей. Приведена балансовая модель газовой залежи при газовом и водонапорном режиме. Рассмотрены модификации балансовой модели газовой залежи, в которых учитываются основные особенности распределения
Рисунок 5 - Многоуровневая структура иерархического комплекса гидродинамических моделей пористых пластов подземных хранилищ газа
давления и газонасыщенности в пласте путем той или иной геометрической схематизации пласта, детализации уравнения материального баланса газа в целом для залежи и расчетных формул вторжения-оттеснения пластовой воды в газовую залежь. В рассмотренных модификациях балансовой модели - зональной, слоистой, блочной, концентрированного расположения эксплуатационных скважин, переменной газонасыщенности по зонам газоносности учитываются общие репрессионные и депрессионные воронки давления по выделяемым укрупненным разнодренируемым участкам газовой залежи.
Среди модификаций балансовой модели рассмотрена отдельная группа “двухобъемных” моделей газовой залежи. В этих моделях газовая залежь представляется в виде двух виртуальных газодинамически связанных между собой объемов, пространственное положение которых не “привязывается” к конкретному геологическому строению пласта и системе размещения скважин. Здесь, в одном виртуальном объеме объединяются все активно аккумулируемые и дренируемые участки залежи, а в другом - все пассивно аккумулируемые и дренируемые участки. В связи с этим такие модели позволяют оценивать активно и пассивно аккумулируемые и дренируемые объемы газа в пласте даже в тех случаях, когда известны лишь наиболее общие особенности геологического строения пласта и системы размещения скважин.
В структуре иерархического комплекса гидродинамических моделей приведена исходная трехмерная модель газовой залежи и ее окрестности и некоторые часто используемые гидродинамические модели с более низкой размерностью. В этих моделях учет геометрии и распределения фильтрационно-емкостных свойств пласта осуществляется по рассматриваемым осям: двухмерная площадная с подошвенной водой, двухмерная площадная с контурной водой, двухмерная осесимметричная с подошвенной водой, двухмерная осесимметричная с контурной водой.
Рассмотрены разновидности аналитических моделей водоносной области, которые совместно с моделями газовой залежи и ее окрестности образуют полномасштабную гидродинамическую модель пористых пластов подземных хранилищ.
Пятая глава представляет результаты исследований условий стабилизации и многолетней установившейся циклической эксплуатации искусственных газовых залежей в пористых пластах подземных хранилищ при водонапорном режиме.