Управляемый объект — система разработки нефтегазового месторождения, т.е. комплекс мероприятий и условий для их выполнения по вовлечению в разработку залежей нефти и газа, выполнению плановых показателей по добыче нефти и газа при условии наиболее полного извлечения углеводородов из недр с учетом технико-экономических возможностей текущего и проектируемого периодов. Это связано с особенностями объекта как системы с существенной "неполнотой" информации. Поэтому управление такой системой — сложная многоаспектная задача, не имеющая единственного решения.
Представление о месторождении, а также о принципах и методах его разработки зависит от этапа "жизненного цикла" месторождения и накопленных внутрисистемных знаний специалистов, их квалификации и опыта, сложившейся системы нефтегазодобычи и др. Такое представление формируется на основе анализа информации со скважин, пробуренных на данном месторождении и накопленного опыта разработки. Само месторождение — это набор залежей нефти и газа, контролируемых одним структурным элементом в пределах определенной площади на поверхности земли. Залежь — элементарное скопление углеводородов в недрах земной коры. Понятно, что структурные элементы выделяются также по анализу геолого-геофизической информации скважин и геофизических исследований регионального характера. Такое рекурсивное определение месторождения, в конечном итоге, через определенный на основе текущих представлений геологов набор пробуренных скважин и представляет собой первую характерную особенность объекта, которая неявно учитывается при традиционном управлении и которую нужно учесть явно при проектировании, прежде всего, информационного обеспечения организационно-технологических автоматизированных систем (ОТ АСУ) и систем автоматизированного проектирования (САПР).
Вторая отличительная особенность объекта — это структурированность. Очень редко под месторождением понимается одна залежь нефти и газа. Как правило, это набор залежей, приуроченных к осадочным отложениям разных возрастов и представленных коллекторами, разного типа. Сами залежи нефти и газа и коллекторы их вмещающие имеют разнообразные размеры как по толщине, так и по площади. Кроме того, залежи имеют разные условия образования и, следовательно, разный физико-химический состав коллекторов и флюидов. В специальной литературе имеется большое количество всевозможных классификаций месторождений по тем или иным признакам. Для проектирования разработки очень важен принцип выбора структурных элементов месторождения. В практике проектирования и разработки месторождения за основу принят объект разработки месторождения. Объекты разработки месторождения — это первая детализация моделей объекта (системы) разработки месторождения, которая определяет структуру управления. Объект разработки в последующем должен определять основную наблюдаемую и анализируемую линию поведения системы разработки этого месторождения. На крупных объектах разработки (прежде всего по линейным размерам) выделяют площади объекта разработки, участки или блоки объекта разработки, которые являются дополнительной или уточняющей наблюдаемой линией поведения системы разработки конкретного месторождения. Дальнейшая детализация линии поведения — ряды, очаги, элементы сетки скважин, скважина, пласты и пропластки в скважинах. Характерной особенностью объекта разработки нефтегазового месторождения является возможность изменения его во времени от проекта к проекту, так же, как изменяется понятие самого месторождения: месторождение может стать площадью или объектом разработки другого месторождения или разделиться на более самостоятельные месторождения. Эти особенности также важны при проектировании информационного обеспечения ОТ АСУ и САПР.
Третьей особенностью объекта является сложность построения формализованной модели. Исследованиями установлено, что на современном этапе физико-химические процессы в пласте не описываются в полной мере существующими уравнениями подземной гидродинамики. Установлено также, что дебиты скважин существенно зависят не только от геолого-физических и фильтрационных параметров пласта, но и от технологии строительства скважин и применяемого оборудования, состояния скважин, качества их ремонта и обслуживания. Большое количество уравнений (формализованных моделей процессов) получены эмпирическим путем, т.е. в ограниченном интервале признаков. Распространение тех же зависимостей на другой интервал противоречит природе процессов. В чисто теоретическом плане формализованная модель системы разработки нефтегазового месторождения — это система уравнений со многими неизвестными. Среди них — значительное число уравнений с коэффициентами, подобранными эмпирическим путем. Решать такую многомерную систему уравнений либо крайне затруднительно, либо практически невозможно. Поэтому даже трехмерные детерминированные модели процесса разработки весьма приближенно описывают процесс разработки реального месторождения.
Четвертой особенностью объекта является тот факт, что проверка правомерности геолого-физических и гидродинамических моделей занимает большой отрезок времени. Это связано, во-первых, с третьей особенностью объекта, а во-вторых, с тем, что для решения дифференциальных уравнений, как правило, применяют численные методы решения. Алгоритмы численных методов имеют свойства давать хорошую сходимость на определённом множестве параметров. Поэтому задачи адаптации моделей, относящиеся к классу обратных задач, в которых применены дифференциальные уравнения, часто не имеют единственного решения. Сложность построения формализованной модели процесса разработки, а также сложность методов решения и проверки результатов определяют роль и место математической модели в процессе проектирования и разработки нефтегазовых месторождений. Поэтому на первый план выступают профессиональные качества специалиста, состав его базы данных и умение оперировать знаниями, а также проводить аналитическую работу с фактическим материалом по разработке конкретного месторождения (базой данных месторождения), выбору на этой основе альтернативных вариантов концептуальной модели системы разработки месторождения. Этот интеллектуально-логический этап управления трудно поддается формализации. Автоматизация этого этапа — перспективное научное направление, связанное с созданием интеллектуальных банков данных (без знаний) и методов работы с ними. С другой стороны, это автоматизация информационного обеспечения и сервис для анализа информации банка данных нефтегазовых месторождений.
При принятии решения управляющего воздействия имеется несколько критических точек, определяющих принятие решения:
- выбор альтернативных моделей процесса;
- выбор оптимальных вариантов расчетов процесса;
- выбор экономической модели и оптимальных вариантов экономических расчетов или возврат принятого решения.
В настоящее время ведётся дискуссия о выборе критериев оптимизации. Использование чисто экономических критериев при долгосрочном планировании, например в проектах разработки, проблематично ввиду нестабильности экономической коньюнктуры. Следует отметить, что критериями оптимизации любых процессов являются безразмерные параметры — КПД, производительность труда и т.д. При выборе оптимальных параметров проектов разработки следует, видимо, оперировать также безразмерными параметрами: коэффициентом извлечения углеводородов (аналог КПД) в долгосрочном плане и экономическими — приведёнными затратами на скважину или на единицу произведенной продукции (в динамике).
Принятию решения предшествует аналитическая работа и (или) подготовка информации для расчетов и сами расчеты. Как видно из схемы (рис. 1.2), этап принятия решения можно охарактеризовать как интерактивный процесс принятия решения на основе вычислительного эксперимента. Для успешного выполнения работ по управлению производственным процессом специалисту, кроме профессиональных качеств специалиста, требуются:
- интегрированный банк данных технологических и экономических показателей;
- наличие банка альтернативных математических моделей расчета технологических показателей разработки для прогноза показателей и оценки качества прогноза;
- наличие банка экономико-математических моделей;
- наличие инструментальных средств, позволяющих ускорить и автоматизировать вычислительный эксперимент.
Проблемы формализации процессов, происходящих в пластах и на производстве, сложность оценки надежности формализованной модели приводят к тому, что в процессе работ по проектированию разработки нефтегазовых месторождений математические модели в процессе принятия решения не могут играть решающей роли. Определяющим здесь является профессиональный опыт специалиста на основе которого, привлекая результаты анализа факта и расчетов по моделям (математического эксперимента), технолог корректирует свою концептуальную модель процесса и руководствуется ею при принятии решения.
Автоматизация этапа принятия решения имеет большое количество сложных проблем как с точки зрения методики, так и с точки зрения организации информационного, программного, технического обеспечения, а также с точки зрения принципов и методов развития автоматизации в среде проектных работ [32]. На уровне научных исследований находится проблема взаимодействия пользователей с ОТ АСУ. Нечетко сформулированы принципы управления системой разработки месторождения, поэтому в сфере автоматизации информационного обеспечения возникают сложности, обусловленные отсутствием единого информационного конвейера: пласт — скважина — месторождение — АСУ ТП — ОТ АСУ — САПР — ОТ АСУ — АСУ ТП — месторождение — скважина — пласт. Особенности проектируемого объекта диктуют особые требования к составу и принципу организации банков данных и банков моделей, используемых в процессе управления разработкой, каждой ступени развития инструментальных средств автоматизации.