Геологическое многомерное цифровое моделирование месторождений

 
А. О. Серебряков 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ МНОГОМЕРНОЕ ЦИФРОВОЕ 
МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва  
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 

УДК 553.98 
ББК 33.36 
С32 
Рецензент: 
кандидат технических наук, доцент Г. И. Журавлев  
(Астраханский государственный технический университет) 
Серебряков, А. О.  
С32  
Геологическое многомерное цифровое моделирование месторождений : 
монография / А. О. Серебряков.  Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2021. - 236 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0693-2 
Изложены технологии трехмерного цифрового геологического моделирования разведки, эксплуатации, добычи и переработки нефти и газа на основе геолого-геофизических, гидрогеологических, геохимических и экологических исследований углеводородов, ценных токсичных компонентов сероводорода и диоксида углерода в месторождениях. Приведены многомерные цифровые материалы о геологическом строении месторождений, взаимосвязи разведки и эксплуатации, добычи и переработки, гидрогеологии, геохимии и экологии нефти и 
газа. 
Для научных работников и практических специалистов в области поисков, 
разведки, разработки, переработки нефти и газа. Может быть полезно студентам, 
аспирантам и преподавателям нефтегазовых вузов и факультетов.  
УДК 553.98 
ББК 33.36 
ISBN 978-5-9729-0693-2 
” Серебряков А. О., 2021 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 

СОДЕРЖАНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5 
 
ГЛАВА 1. ВИДЫ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ  
ПРИРОДНЫХ НЕФТЕГАЗОНОСНЫХ СИСТЕМ 
.................................................. 8 
1.1. Научно-теоретическое, техническое, технологическое 
и экологическое обоснование геологического моделирования .............. 8 
1.2. Основные этапы создания и построения геологической модели 
.......... 20 
1.3. Задачи геологического моделирования природных  
и техногенных систем регионов 
............................................................... 38 
1.4. Электронное компьютерное моделирование  
нефегазопромысловой геологии 
............................................................... 42 
1.5. Геологическое моделирование природных и техногенных систем  
освоения месторождений нефти и газа 
.................................................... 46 
1.6. Сейсмическое моделирование природных и техногенных систем 
....... 51 
 
ГЛАВА 2. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАЛЕЖЕЙ  
НЕФТИ И ГАЗА В В ЕСТЕСТВЕННОМ СТАТИЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ 
...... 55 
 
ГЛАВА 3. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ  
МЕСТОРОЖДЕНИЙ В ДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ РАЗРАБОТКИ 
........ 59 
 
ГЛАВА 4. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ  
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ДОБЫЧИ НЕФТИ И ГАЗА ........... 63 
 
ГЛАВА 5. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОВМЕЩЕНИЯ  
ПРИРОДНЫХ И ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ МЕСТОРОЖДЕНИЙ 
.................. 69 
 
ГЛАВА 6. ОПЕРАТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ  
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОИСКОВ, РАЗВЕДКИ, РАЗРАБОТКИ  
И ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ И ГАЗА 
....................................................................... 71 
 
ГЛАВА 7. ТРЕХМЕРНОЕ ЦИФРОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ  
ПРОМЫСЛОВОГО СТРОЕНИЯ ПРОДУКТИВНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ ...................... 77 
7.1. Моделирование емкостных и фильтрационных показателей  
продуктивных залежей .............................................................................. 78 
7.2. Цифровое трехмерное моделирование геологического строения  
залежей нефти и газа ................................................................................. 79 
7.3. Геометризация цифровой 3D геологической модели  
продуктивных залежей .............................................................................. 80 
3 

7.4. Трехмерное гидродинамическое моделирование разработки  
и эксплуатации продуктивных залежей .................................................. 82 
7.5. Моделирование промысловых технологий воздействия  
на продуктивные залежи для увеличений добычи нефти и газа 
........... 83 
 
ГЛАВА 8. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОИСКОВ И РАЗВЕДКИ,  
РАЗРАБОТКИ, ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ  
МЕСТОРОЖДЕНИЙ-ГИГАНТОВ СЛОЖНОГО СОСТАВА 
.............................. 85 
8.1. Обоснование технологии геологического моделирования  
месторождений-гигантов сложного состава ........................................... 85 
8.2. Геологическое моделирование поисков  
и разведки месторождений ....................................................................... 87 
8.3. Гидрогеологическое моделирование разработки месторождений ..... 111 
8.4. Геохимическое моделирование переработки газа и конденсата 
......... 124 
8.5. Моделирование эксплуатации на естественном режиме ..................... 141 
8.6. Трехмерное цифровое моделирование месторождения-гиганта......... 156 
 
ГЛАВА 9. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ  
ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ УСЛОВИЙ ПОИСКОВ, РАЗВЕДКИ,  
РАЗРАБОТКИ, ЭКСПЛУАТАЦИИ, ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ   
НЕФТИ И ГАЗА ...................................................................................................... 162 
9.1. Экологическое моделирование оценки воздействия  
месторождений на окружающую среду ОВОС .................................... 162 
9.2. Экологическое моделирование безопасности  
геологоразведочных и эксплуатационных работ ................................. 183 
9.3. Экологическое моделирование безопасности переработки  
нефти и газа .............................................................................................. 197 
 
ГЛАВА 10. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ  
ИННОВАЦИОННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОИСКОВ И РАЗВЕДКИ,  
РАЗРАБОТКИ, ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ И ГАЗА ....................... 217 
10.1. Экономическое моделирование планирования и прогноза  
эффективности поисков, разведки, разработки, добычи  
и переработки месторождений нефти и газа ...................................... 217 
10.2. Экономическое моделирование инновационной эффективности  
топливно-энергетического комплекса 
................................................. 220 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 226 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
....................................................................................... 230 
 
 
 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
Актуальность трехмерного цифрового моделирования месторождений  
и геологоразведочных исследований заключается в том, что нефть и газ относятся к числу важнейших природных углеводородных (УВ) полезных ископаемых, используемых человечеством в качестве энергоносителей и сырья для 
нефтехимии. Хотя запасы УВ в недрах далеко не безграничны, их ключевая 
роль в функционировании мировой экономики будет сохраняться в ближайшем 
обозримом будущем. Поэтому требуется очень бережное отношение к этим 
природным сырьевым ресурсам, особенно на стадии их извлечения из недр. 
Современные методы геологического моделирования позволяют оценить 
и оперативно учесть в модели неопределенности разведки, разработки и добычи сырья, обусловленные недостатком знаний о строении и свойствах продуктивных пластов. При оценке неопределённостей геологических моделей используются методы геостатистики. Построение и практическое использование 
моделей необходимо на всех стадиях изучения, начиная от процесса поиска и 
разведки нефтяных и газовых месторождений и заканчивая выработкой остаточных запасов. При этом модель выполняет функцию интеграции геологических, экологических, технических и технологических знаний об объекте. За последние годы трёхмерное (3D) моделирование стало неотъемлемой частью производственного процесса в нефтегазовых компаниях. 
Нефтегазодобывающая отрасль промышленности Российской Федерации, 
является стержневой в развитии экономики страны, а также занимает одно из 
важнейших мест в обеспечении мировой экономики такими эффективными, но 
невосполнимыми энергоносителями. В России вопросы наиболее полного эффективного извлечения запасов УВ из недр всегда были приоритетными в деятельности специалистов в области промысловой геологии. Нефтепромысловая 
геология должна решать двуединую задачу. Во-первых, устанавливать условия 
залегания УВ в недрах, чтобы выбрать наиболее эффективную в этих условиях 
технологию их извлечения. И, во-вторых, следить за процессами нефтегазоизвлечения, обосновывая комплекс мер по управлению этими процессами. 
Сложность решения этой двуединой задачи заключается в том, что залежи нефти и газа представляют собой скопление УВ в порах и трещинах горных 
пород-коллекторов, находящихся в недрах на больших глубинах и недоступных 
для визуального изучения. 
Это решается путем комплексного обобщения и анализа разнообразной 
прямой или косвенной информации, получаемой в результате различных прямых и косвенных методов с привлечением современных программ для их обработки. 
5 

Изучение залежей нефти и газа с целью обеспечения запасов углеводородов с учетом геологических особенностей их залегания решается с помощью 
геолого-промыслового моделирования залежей углеводородов в их статическом 
природном состоянии, а при разработке залежи – в их динамическом состоянии. 
Геологические трехмерные цифровые модели служат основой для оценки 
запасов углеводородов и выбора наиболее эффективных технологий разработки 
залежей нефти и газа. 
Необходимые материалы о месторождениях геологи получают от геофизиков, при проведении различных полевых геофизических работ, таких как сейсморазведка. Геофизики, как и геологи, разрабатывают и внедряют в практику 
геологоразведочных работ оригинальные технологии полевых сейсморазведочных работ, а также способы обработки и комплексной интерпретации полевых 
материалов.  
На современном этапе создание трехмерных цифровых геологических 
моделей является важным звеном, позволяющим регулировать разработку 
нефтяных и газовых месторождений, и решать важнейшие геологические задачи, такие как подсчет запасов, размещение фонда всех видов скважин, гидродинамические расчеты, проектирование разработки и т. д. Качественное обоснование моделей отражает геологическое строение, параметры залегания горных пород и их распространение и свойства продуктивных пластов. Эффективность этапов разведки, эксплуатации, добычи и переработки месторождений 
углеводородов в значительной степени зависит от детальности строения моделей, которые определяются результатами геофизических исследований и данным поискового и разведочного бурения. 
Освоение нефтяных и газовых месторождений является исторически длительным и сложнейшим процессом, в котором анализируются несколько сот 
переменных, находящихся в постоянном изменении. Не случайно в последние 
десятилетия возрос интерес к использованию методов моделирования в геологии, что априори является основой экономического обоснования для решения 
перспектив нефтегазоносности нашей страны. 
Целью моделирования является анализ и изучение геолого-промысловой 
информации для построения геолого-промысловой модели нефтегазовых месторождений. 
К задачам трехмерного цифрового моделирования относятся:  
1. Обосновать научно-теоретическое значение геологической модели. 
2. Раскрыть основные положения и фундаментальные понятия создания 
геологических моделей. 
3. Рассмотреть основные этапы создания и построения геологической модели. 
6 

4. Выявить роль исходных данных для создания геологической модели. 
5. Проанализировать общегеологические сведения о моделировании. 
6. Проследить диалектическую преемственность при моделировании пласта как части единой геологической системы. 
7. Обосновать использование программных средств моделирования для 
задач нефтегазопромысловой геологии. 
8. Определить аспекты моделирования при планировании и анализе разработки месторождений. 
9. Актуализировать роль трехмерного гидродинамического моделирования при разработке месторождений. 
Объектом исследований является обоснование трехмерных цифровых 
геологических моделей. 
Предметом моделирования являются геолого-геофизические параметры 
месторождений и продуктивных пластов, изучение которых необходимо для 
наиболее эффективного освоения нефтегазовых месторождений и переработки 
нефти и газа. 
Научная новизна трехмероного цифрового моделирования заключается 
в обосновании практической значимости использовании геолого-геофизических 
исследований для эффективного освоения нефтегазовых месторождений и активизации эксплуатации месторождений. 
Практическая значимость трехмерного цифрового моделирования состоит в том, что на современном этапе развития геологической науки обоснование структурно-тектонического и литолого-стратиграфического строения месторождений углеводородов является неотъемлемой частью процесса разведки, 
разработки, добычи и переработки нефти и газа.  
7 

ГЛАВА 1. ВИДЫ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ  
ПРИРОДНЫХ НЕФТЕГАЗОНОСНЫХ СИСТЕМ 
Геологическая модель – это диалектически связанная система исследований, понятий и научных знаний о геологическом, природном и техническом 
объекте с учетом исторического времени и окружающей среды. 
Виды и типы, средства и способы моделирования, применяемые в промысловой геологии и смежных природныхъ науках, разнообразны. Конечной 
целью моделирования является создание целостного и обоснованного знания  
о чрезвычайно и сложно построенных природных и техногенных объектах 
(пластах, горизонтах, залежах, месторождениях, различных этапах работ и др.). 
1.1. Научно-теоретическое, техническое, технологическое  
и экологическое обоснование геологического моделирования 
Модель (фр. modele – воспроизведение предмета) является предварительныи исскуственным механизмом, изображающим или представляющим системы натуральных объектов и дающим наглядное и научное представление об 
исследуемых объектах или процессах. 
Модели могут быть разные: натуральные, физические, мысленные, аналоговые, математические (в виде собрания формул), гидродинамические, геологические, сейсмологические и др. Моделирование – это представление реального объекта и процессов во взаимообусловленных и взаимосвязанных (синергичных) системах, что позволяет учитывать самые существенные параметры  
и свойства объектов или процессов, которые изменяются в геологическом пространстве недр и во времени. Моделирование является действиями мышления 
от реальности к абстакциям, т. е. к установлению закономерностей и в последующем от мышления обратно к реальности для проверки полученных результатов и их практического применения, которые должны дать значительный 
практический, экономический и экологический эффекты.  
Моделирование является научным обоснованием исследуемых объектов на 
теоретической и эмпирической основе с использованием результатов геологогеофизических, буровых и промысловых материалов. 
При построении геологической модели исследуются следующие материалы: 
1) тектоническое строение объекта,  
2) геометрия объекта,  
3) стратиграфия 
и 
литолого-фациальная 
характеристика 
пластовколлекторов,  
8 

4) изменение эффективных толщин (hэф),  
5) изменение коллекторских свойств (пористости и проницаемости) по 
площади и разрезу,  
6) газонефтенасыщенность отдельных пропластков, 
7) гидрогеологическая характеристика,  
8) величина запасов нефти и газа месторождения. 
Особое значение приобретает «адресная постоянно действующая геологотехнологическая (называется также геолого-гидродинамическая или гидродинамическая) модель». Такая модель (ПДГТМ) является объёмной имитацией 
месторождения. Она хранится в памяти компьютера в виде многомерного объекта, позволяющая исследовать и прогнозировать процессы, протекающие при 
разработке и получении новых данных, что позволяет уточнять особенности 
строение исследуемой территории на протяжении всего периода эксплуатации 
месторождения.  
Постоянно действующие геолого-технологические модели, построенные 
в рамках единой компьютерной технологии, представляют совокупность:  
 цифровой интегрированной базы геологической, геофизической, гидродинамической и промысловой информации;  
 цифровой трёхмерной адресной геологической модели месторождения 
(залежей);  
 двухмерных (2D) и трёхмерных, трёхфазных и композиционных, физически содержательных фильтрационных (гидродинамических) математических моделей процессов разработки; 
 программных средств построения, просмотра, редактирования цифровой геологической модели, подсчёта запасов нефти, газа и конденсата;  
 программных средств для пересчёта параметров геологической модели 
в параметры фильтрационной модели и их корректировки;  
 программных средств выдачи отчётной графики, хранения и архивации 
получаемых результатов;  
 базы знаний и экспертных систем, используемых при принятии решений по управлению процессом разработки.  
Под цифровой трёхмерной адресной геологической моделью месторождения понимается представление продуктивных пластов и вмещающей их геологической среды в виде набора цифровых карт (двухмерных сеток) или трёхмерных сеток ячеек, характеризующих:  
 пространственное положение в объёме резервуара коллекторов и разделяющих их непроницаемых (слабопроницаемых) прослоев;  
9 

 пространственное положение стратиграфических границ продуктивных 
пластов (седиментационных циклов);  
 пространственное положение литологических границ в пределах пластов, тектонических нарушений и амплитуд их смещений;  
 идентификаторы циклов, объектов, границ;  
 средние значения в ячейках сетки ФЕС, позволяющих рассчитать 
начальные и текущие запасы углеводородов;  
 пространственное положение начальных и текущих флюидных контактов;  
 пространственные координаты скважин (пластопересечения, альтитуды, 
координаты устьев, данные инклинометрии).  
Программный комплекс геологической модели (вычисления, получение 
файлов, просмотр на экране, получение твёрдых копий) должен обеспечить: 
 формирование модели в виде, требуемом для передачи в системы фильтрационного моделирования;  
 формирование сеток и построение карт параметров пласта, структурных 
и литологических карт;  
 построение геологических и палеогеологических профилей, просмотр и 
анализ каротажных диаграмм, результатов обработки и интерпретации 
ГИС;  
 ознакомление и анализ результатов интерпретации 2D- и ЗD-сейсморазведки с учетом материалов трассирования горизонтов, выделения 
тектонических нарушений, карт изохрон, глубин и сейсмических атрибутов, положение сейсмических профилей, а также площади 3Dсейсморазведки;  
 дифференцированный подсчёт запасов нефти, газа и конденсата.  
Размерность геологических моделей определяется областью их практического использования и детальностью исследования. Различают одномерные 
(1D), двухмерные, двух с половиной мерные (2.5D) и трёхмерные слоистые и 
3D полнообъёмные модели. При геолого-промысловом моделировании наиболее широко применяются следующие размерности моделей: одно-, двух- и 
трёхмерные.  
Одномерная модель. При характеристике одномерной модели прослеживается эмпирическая зависимость одного параметра от другого, представленная 
в форме уравнения. Эта модель широко применяется при петрофизическом 
изучении горных пород с целью описания взаимосвязи физических характеристик пласта по керну с геофизическим данными и при обосновании параметров 
подсчета запасов нефти.  
10