Концепция интеллектуальной системы управления разработкой месторождений

УДК 622.323+004.89

И.А. Зинченко, Д.В. Люгай, Ю.Н. Васильев, Я.С. Чудин, И.А. Федоров

Концепция интеллектуальной системы управления разработкой месторождений

Ключевые слова:

интеллектуальная

система управления

разработкой

месторождений,

требования

и принципы

создания системы,

логическая схема

функционирования

интеллектуальной

системы.

Keywords:

smart system, control

of hydrocarbon field development, requirements and basics for system creation, logic scheme for smart system functioning.

Разнообразие свойств углеводородов и условий их залегания в недрах определяет многоликость проблем, возникающих при разработке газовых и газоконденсатных месторождений. Современный этап развития техники и технологий добычи углеводородов характеризуется широким внедрением систем автоматики, телемеханики и компьютерных сетей. Существенно увеличился поток информации об изменении условий разработки месторождений и состоянии объектов добычи углеводородов вследствие внедрения систем телеметрии. Создание методов комплексного использования полученной информации позволит повысить эффективность разработки месторождений [1].

Под интеллектуальной системой управления разработкой месторождений углеводородов (ИСУРМУ) понимается такая система, в которой при выработке и реализации управляющих воздействий на процессы извлечения из пласта и подготовки к транспорту добываемой продукции в моделях объекта и/или процесса используются подсистемы интеллектуальной поддержки решений и оценки рисков. Данная система должна обеспечивать поддержку принятия эффективных управленческих решений как на уровне месторождения, так и на уровне добывающего общества и всей компании в целом.

Необходимость создания ИСУРМУ определяется:

1) возрастанием неопределенностей и связанных с ними рисков природного (глубокозалегающие месторождения с трудноизвлекаемыми запасами) и рыночного (изменение спроса/предложения и колебания цен на углеводороды) характера и рисков, обусловленных человеческим фактором;

2) появлением новых технологий и техники для добычи углеводородов и средств мониторинга разработки месторождений;

3) существенными объемами геолого-промысловой информации и применением разнотипных программно-аппаратных комплексов для ее сбора, обработки, анализа и хранения.

Основная задача ИСУРМУ - осуществление согласованной поддержки принятия эффективных решений на всех уровнях управления для обеспечения рациональной разработки и эксплуатации месторождений. В настоящее время активно развивается такое научное направление системного анализа, как создание сложных сетецен-трических систем (СЦС) [2], подразумевающее в первую очередь интеграцию всех сил и средств в едином информационном пространстве, многократно улучшающую качество решения проблем за счет синергетического эффекта. Основные принципы построения СЦС используются при синтезе ИСУРМУ.

Ядром ИСУРМУ должен стать программно-аппаратный комплекс, позволяющий анализировать поступающую в режиме реального времени промысловую информацию, выявлять отклонения от проектных (установленных) параметров, формировать варианты управляющих воздействий и вырабатывать оптимальные решения, а в некоторых случаях и реализовывать эти решения с разрешения человека. Под режимом реального времени [3] понимается режим обработки информации, при котором обеспечивается взаимодействие системы обработки информации с внешними по отношению к ней процессами в темпе, соизмеримом со скоростью протекания этих процессов.

Целостность системы, охватывающей все уровни управления разработкой, обеспечивается выполнением следующего комплекса требований [1, 4]:

• информационной основой системы служит база знаний, содержащая наборы продукционных правил;

• программное обеспечение системы основано на быстроразвивающихся методах цифровой обработки информации (стохастическое моделирование, нечеткая логика) с применением адаптивных алгоритмов;

• адаптация применяемых моделей осуществляется в режиме реального времени;

• управление системой строится с соблюдением принципа обратной связи;

• система управляет процессом в целом, а не только его составными частями;

• система связана с существующими информационными и автоматизированными системами управления промыслом (АСУ ТП) и использует их информационные и функциональные возможности;

• система должна быть построена на основе постоянно действующих геолого-технологических моделей месторождений (ПДГТМ).

С учетом сформулированных требований и принципов определена функциональная схема ИСУРМУ (рис. 1).

Центральным блоком интеллектуальной системы управления разработкой месторождений углеводородов является единая база знаний (рис. 2). В ней хранится информация о свойствах и закономерностях протека-

ния технологических процессов на объектах и правилах использования этой информации для принятия решений [5]. Основные автоматизируемые функции единой базы знаний:

• сбор, обработка, хранение и предоставление данных и знаний (продукционных правил);

• обмен данными с информационными системами;

• применение алгоритмов верификации и анализа информации;

• формирование решений (вариантов управляющих воздействий) для лиц, принимающих решение.

Наличие базы знаний в составе интеллектуальной системы управления позволяет учитывать накопленные годами знания высококвалифицированных сотрудников и компенсировать ими ту часть недостающей информации, которую невозможно строго формализовать, и, соответственно, принимать более правильное решение для управления технологическими процессами [5].

Неотъемлемой частью базы знаний является набор эвристических правил, записываемых в форме «ЕСЛИ (условие), ТО (действие)»:

• условие включает одно или несколько элементарных предложений, соединенных между собой логическими связками «И», «ИЛИ», «НЕТ»;

• действие состоит из одного или нескольких предложений, представляющих собой либо заключение об истинности какого-либо положения, либо команду на выполнение одной из процедур.

Модель Единой

системы газоснабжения

Интеллектуальная система управления процессами разработки месторождений

Единая база знаний

Информационно-управляющие и автоматизированные системы управления месторождениями

' I Подсистема поддержки принятия *—решений

#Н5==========

Постоянно действующие геолого-технологические модели месторождений

Рис. 1. Общая логическая схема ИСУРМУ

гдис

Рис. 2. Логическая схема функционирования и основные функции единой базы знаний:

- газогидродинамические исследования скважин; ГТМ - геолого-технологические мероприятия; ПО - программное обеспечение

В эффективном управлении разработкой нефтегазовых месторождений особое место принадлежит ПДГТМ [4], т.е. объемной имитации месторождения, хранящейся в памяти компьютера в виде многомерного объекта, позволяющей исследовать и прогнозировать процессы, протекающие при разработке в объеме резервуара, и непрерывно уточняющейся на основе новых данных на протяжении всего периода разработки. Как правило, это цифровые трехмерные (3Б) модели, опирающиеся на актуальную базу данных месторождения.

Использование ПДГТМ месторождений в составе ИСУРМУ позволит повысить эффективность управления за счет реализации следующих функций:

• проведения автоматизированной адаптации моделей;

• моделирования проведения ГДИС и обработки их результатов;

• рационального распределения отборов по месторождению, отдельным участкам месторождения или нескольким месторождениям региона;

• моделирования сценариев проведения ГТМ;

• прогнозной оценки добычи углеводородов с учетом состояния оборудования;

• анализа корректности управляющих воздействий.

Подсистема поддержки принятия решений (рис. 3), использующая базу знаний и ПДГТМ, позволяет предоставить лицу, принимающему решение, и другим пользователям варианты наиболее эффективного управления разработкой месторождений. В зависимости от уровня управления подсистема предоставляет возможность использовать тот набор инструментов, который необходим конкретному специалисту. Так, например, на уровне администрации управляющей компании пользователям будет доступен функционал распределения отборов между месторождениями, оперативного регулирования разработкой, мониторинга за состоянием разработки и т.д. На уровне добывающих предприятий - эффективное управление технологическим оборудованием, анализ технологических процессов разработки и принятие корректирующих решений, составление планов ГТМ.

В качестве основных функций подсистемы поддержки принятия решений, определены:

• расчет оптимальных технологических режимов работы добывающих скважин;

• оценка состояния технологического оборудования и продуктивных горизонтов;

• автоматизированная адаптация расчетных моделей;

• планирование и оценка эффективности ГТМ;

• планирование проведения и обработка результатов ГДИС;

• определение управляющих воздействий для оперативного регулирования отбора газа.

Немаловажную роль в функционировании интеллектуальной системы играет интеграция с существующими АСУ ТП. Основной принцип интеграции - координированное управление одновременно и локальными по отношению к «своим» объектам АСУ ТП, и ИСУРМУ, причем с обязательным учетом текущего состояния оборудования и технологических процессов.

Основные функции АСУ ТП:

• сбор информации и контроль режимов технологического процесса, автоматическое поддержание заданных режимов работы;

• визуализация и протоколирование хода технологического процесса и процедур управления;

• дистанционный контроль и управление основным и вспомогательным оборудованием, включая экстренный останов оборудования и перераспределение нагрузки между параллельными агрегатами;

• расчет показателей работы технологического оборудования;

• контроль работы систем защиты.

При совместной работе с АСУ ТП функциями ИСУРМУ станут:

• получение данных о работе технологического оборудования от автоматизированных систем;

• проверка достоверности данных;

• анализ данных;

• хранение данных и их систематизация;

• выработка и передача в автоматизированные системы уставок для осуществления управления.

Функции сбора данных, останова оборудования, включая экстренный, и перераспределения нагрузки между параллельными агрегатами остаются в ведении АСУ ТП.

I Пользователи системы I

Рис. 3. Логическая схема функционирования и основные функции подсистемы поддержки принятия решений:

ГСС - газосборная сеть; УКПГ - установка комплексной подготовки газа

Экономический эффект. Согласно опыту зарубежных компаний, существенный положительный эффект от внедрения интеллектуальной системы наступает уже на стадии запуска интегрированного информационного пространства. По данным докладов Общества инженеров-нефтяников (англ. Society of Petroleum Engineers, SPE) [6], эффект от внедрения интеллектуальной системы управления в компаниях Royal Dutch Shell plc и Statoil ASA состоит:

• в увеличении коэффициента извлечения углеводородов в среднем на 5-10 %;

• росте добычи углеводородов примерно на 10 %;

• снижении операционных затрат на 15-20 %.

Затраты на создание интеллектуальной системы в период 2002-2009 гг. в компании Royal Dutch Shell plc составили около 200 млн долл. США. Эффект от внедрения превысил 2 млрд долл. США [6].

***

Таким образом, ИСУРМУ позволит организовать цикл управления разработкой по принципу «мониторинг - моделирование - принятие решений - исполнение» и будет обладать следующими преимуществами:

• доступ к достоверной информации, автоматически выдаваемой именно тому персоналу, которому она необходима для принятия решений в режиме реального времени;

• доступ к постоянно действующей геолого-технологической модели месторождения;

• непрерывная адаптация и оптимизация расчетных моделей и выдача предупреждений об отклонениях от проектного или штатного режимов работы оборудования;

• организация процесса совместного оперативного принятия обоснованных решений по управлению промыслом на основе полной (достоверной) информационной картины.

Список литературы

1. Никоненко И.С. Газодобывающее предприятие как сложная система / И.С. Никоненко,

Ю.Н. Васильев. - М.: Недра, 1998. - 343 с.

2. Рахманов А.А. Принципы и подходы к концептуальному проектированию сетецентрических систем / А.А. Рахманов // Известия Южного федерального университета. Технические науки. - 2010. - Т. 113. - № 12. -С. 125-134.

3. ГОСТ 15971-90. Системы обработки информации. Термины и определения. - М., 1991. - 22 с.

4. РД 153-39.0-047. Регламент по созданию постоянно действующих геолого-технологических моделей нефтяных

и газонефтяных месторождений. - М., 2000.

5. Ананенков А.Г. АСУ ТП промыслов газоконденсатного месторождения Крайнего Севера. Гл. 4 / А.Г. Ананенков, Г.П. Ставкин, Э.Г. Талыбов. - М.: Недра, 1999. - 230 с.

6. Van den Berg F. Business value from intelligent fields / F. van den Berg, R.K. Perrons, I. Moore et al. // SPE Intelligent energy conference

and exhibition. - Utrecht, The Netherlands, March 2010.