Интеллектуальное месторождение. Комплексный подход к оперативному управлению предприятием нефтегазодобывающей отрасли на базе цифровых инструментов, с использованием методов машинного обучения и искусственного интеллекта
Интеллектуальное месторождение и интегрированные решения
Несмотря на то что цифровое месторождение и интегрированные решения – относительно новые понятия, к настоящему времени они уже прочно вошли в обиход специалистов и все чаще используются в обсуждении вопросов повышения эффективности управления добычей углеводородов и разработкой месторождений. Большинство компаний внедряют самые передовые и современные технологии, позволяющие повысить эффективность добычи. На текущем этапе развития такими технологиями, обеспечивающими рост эффективности, в первую очередь в рамках организации оперативного управления, становятся технологии интегрированных решений, объединяемые понятием «Интеллектуальное месторождение». Среди них ключевыми являются – интегрированное моделирование, управление потенциалами и интегрированное планирование. Современные технологии интегрированных решений, объединяемых категорией «Интеллектуальное месторождение», активно развиваются и, в частности, рассмотрены в работах [1-10]. Взаимосвязанное использование перечисленных компонент в качестве инструментов оперативного управления и составляет основу нового комплексного подхода.
Рассмотрим область применения этого подхода и его ключевые принципы на примере. Допустим, необходимо увеличить добычу нефти на месторождении 3-4 стадии разработки при полной загрузке системы предварительной подготовки нефти и высокой степени обводненности скважин. Простое увеличение добычи жидкости может привести к снижению добычи нефти (Рис. 1). В этом случае необходимо подобрать такой режим работы скважин, чтобы уменьшить отборы из сильно обводненных скважин, учесть взаимовлияние скважин в пластовых условиях, внести корректировки в работу трубопроводов на участках противодавлений.
Рис. 1. Снижение добычи в условиях ограничения системы подготовки
Чтобы решить эту сложную задачу, мало одного анализа разработки. Необходимо провести полноценное моделирование всех участков производственной системы, состоящей из следующих элементов: пласт, скважины, система сбора, система подготовки, система закачки. Это первый этап интеллектуализации производства. На основании собранных данных вырабатывают концепцию работы с критичными параметрами, цель которой – повышение уровня добычи и снижение операционных затрат.
С целью обеспечения эффективного управления добычей с учетом энергетического состояния продуктивного пласта и оптимальных режимов работы скважин и наземного оборудования, необходимо вести непрерывный контроль параметров работы всех технологических объектов нефтепромысла, обеспечить поступление этих параметров в систему интегрированного моделирования и управления, а также в оперативном режиме выполнять пересчет моделей и генерировать необходимые управляющие воздействия. Для повышения скорости и качества расчетов целесообразно применение методов машинного обучения и искусственного интеллекта. Это позволит достичь сходимости плановых, прогнозных и фактических показателей добычи.
Чтобы достичь существенного повышения эффективности, необходимо перейти к предиктивному регулированию разработки месторождений на принципах оптимального управления, переработать нормативно-методическую основу анализа разработки и оперативного управления добычей.
Ключевые принципы оптимального управления предлагается формулировать в следующем виде:
обеспечить создание интегрированной среды управления и принятия оптимальных решений, в которой традиционные задачи локальной оптимизации меняются на постановку интегрированной задачи оптимизации, когда поиск наилучших решений осуществляют на общей интегрированной модели, а не в рамках отдельных моделей-компонентов. Очевидно, что глобальный оптимум предпочтительнее результата, определенного на совокупности локальных оптимизационных задач;
реализовать в управленческих процессах единый функциональный набор интегрированных инструментов и решений: интегрированное моделирование, интегрированное планирование, управление на основе потенциалов (с использованием модели ограничений), поиск оптимальных решений с использованием методов машинного обучения и искусственного интеллекта. Единство решений и инструментов – фундаментальная основа интегрированных операций в этой предметной области, и исключение любой из составляющих будет приводить к существенным потерям в эффективности;
обеспечить постановку и решение задач оптимального управления в условиях прогнозируемого развития процессов, а не для статистически зафиксированных значений их показателей по данным из ретроспективы.
Интегрированные операции
Базой для перехода к новой методологии управления могут стать интегрированные операции – решения, совместно принимаемые специалистами разных профилей: планировщиком, технологом, геологом, экономистом и др.
Интегрированные операции являются элементарными действиями специалистов центров интегрированных операций (ЦИО). В компетенцию ЦИО входят бизнес-процессы оперативного управления добычей с использованием интегрированных решений – интегрированное моделирование, интегрированное планирование и управление моделью ограничений. Все процессы тесно взаимодействуют между собой, их применяют на оперативном, среднесрочном и стратегическом горизонтах управления (или планирования) (Рис. 2). При этом любые принимаемые решения синхронизируют на всех горизонтах управления и учитывают в интегрированной модели.
Рис. 2. Схематическое представление оптимального управления
Интегрированное моделирование
Моделирование является важной частью производственного процесса на предприятиях нефтегазодобычи. Любое месторождение можно условно поделить на составляющие и для каждого элемента создать собственную модель, самостоятельную и независимую, на которой можно производить нужные расчеты. Можно смоделировать какой-то отдельный объект, или ветвь наземной инфраструктуры, или даже все объекты – и на этом уровне проектировать, прогнозировать, управлять.
Сложность в том, что каждая модель выполняет свой набор задач для какого-то конкретного подразделения предприятия. Моделью пласта занимаются геологи, моделью скважины – департамент добычи, моделью системы сбора – департамент эксплуатации трубопроводов. Соответственно, перед нами возникает задача установить взаимодействие между всеми элементами инфраструктуры и функциональными подразделениями, обеспечив их точной и актуальной информацией.
Решением вопроса является интегрированное моделирование, в процессе которого обеспечивают:
автоматический сбор и загрузку фактических данных добычи, исследований и проведенных мероприятий на технологических объектах;
обмен данными между функциональными подразделениями предприятия в режиме реального времени;
актуализацию интегрированной модели на фактические данные добычи и изменения инфраструктуры и оборудования;
подбор наиболее эффективных мероприятий по управлению разработкой на оперативном и среднесрочном горизонтах;
расчет технологических режимов работы скважин и наземного оборудования.
Интегрированное моделирование также позволяет определить рычаги управления, с помощью которых можно гибко влиять на параметры производства для получения целевого результата. Калькуляционное ядро, на котором происходит расчет всех плановых действий, должно обеспечивать взаимодействие модели с ИТ-системами предприятия, анализировать расчеты и формировать отчетность – понятную не только для профильных инженеров, но и для руководства компании.
В качестве инструмента для работы с интегрированными моделями, подбора сценариев и обеспечения групповой работы предлагается использовать российскую цифровую платформу AVIST и модуль AVIST Oil&Gas. Одним из основных методов регулирования разработки являются манипуляции с режимами работы добывающих и нагнетательных скважин, трубопроводов системы сбора и поддержания пластового давления, системы предварительной подготовки нефти и газа. Этот метод лежит в основе прогнозирования добычи в гидродинамических моделях, и адекватная реакция производственной системы на конкретное смоделированное воздействие и есть главный критерий оценки качества модели.
Интегрированное планирование
В рамках концепции Интеллектуальное месторождение интегрированное планирование является частью бизнес-модели и увязывается с предиктивным анализом в части учета. Подход позволяет эффективно планировать события, заносить их в расписание и гибко влиять на изменения на всех горизонтах планирования. Это позволяет минимизировать конфликты в действиях различных функциональных подразделений.
Экономический эффект интегрированного планирования складывается из следующих факторов:
увеличение добычи путем оптимизации (совмещения) оперативных и инвестиционных мероприятий, рассчитанных на интегрированной модели;
снижение недоборов (прогнозируемых убытков);
повышение эффективности взаимодействия функциональных подразделений, оптимизация трудозатрат.
В качестве инструмента автоматизации процесса интегрированного планирования предлагается использовать российскую цифровую платформу AVIST и модуль AVIST.Planning. С решениями работают все участники процессов – в том числе владельцы процесса, планировщики интегрированных и производственных планов, а также рядовые пользователи, участвующие в мероприятиях. В рамках решения существует возможность выполнения автоматической оптимизации расписания для каждой конкретной задачи: максимизация добычи на планируемом периоде, минимизация недобора до 3% на величину, снижение пусков-остановок до 20% на величину и т.д.
Управление потенциалами (моделирование ограничений)
В рамках управления моделью ограничений оценивается и прогнозируется изменение потенциалов производственных объектов и системы в целом для обеспечения плановых производственных показателей:
на месячном горизонте – для оптимизации технологических режимов работы оборудования;
на годовом горизонте – для приоритизации проведения и моделирования ГТМ и ОТМ;
на среднесрочном и стратегическом горизонтах – для инвестиционного планирования реконструкции инфраструктуры и ввода новых объектов.
В качестве инструмента для работы с поиском технологических и производственных потенциалов, а также для выбора оптимизированных решений предлагается использовать российскую цифровую платформу AVIST и модуль AVIST Oil&Gas.
Единая концепция «Интеллектуальное месторождение»
На данном этапе развития технологий и методик реализация единой концепции «Интеллектуальное месторождение» предполагает разработку целевой модели бизнес-процессов, консолидацию всей производственной и нормативной информации, а также создание комплексной информационной системы, которая обеспечивает:
автоматический обмен данными между процессами ЦИО;
сбор и анализ геолого-геофизических данных, плановых и фактических данных добычи из промысловых и учетных систем;
автоматическую обработку вновь поступающих данных, включение их в аналитику и прогнозирование;
формирование отчетности за заданный период.
Такой набор функций может быть реализован только соответствующими цифровыми инструментами. В частности, предлагаемая к использованию в рамках концепции российская цифровая платформа AVIST обеспечивает взаимосвязанную работу модулей интегрированного моделирования, интегрированного планирования и управления потенциалами. Консолидация производственных данных обеспечивает взаимосвязь и учет всех влияющих факторов на объектах. Это важный момент, поскольку попытки увеличить добычу какой-либо скважины без учета влияния других скважин могут привести к снижению добычи на интерферирующих скважинах.
Инструменты и математика платформы AVIST ориентированы на повышение эффективности процесса и максимизацию добычи углеводородов с оптимизацией затрат на ППД при максимально бережном сохранении потенциала пласта.
Использование комплексной информационной системы управления добычей и методологии управления потенциалами с помощью интегрированного моделирования позволяет качественно прогнозировать вероятность интерференции и перетоков в пласте, выявить и учесть взаимовлияние производственных процессов и наладить их оптимальное взаимодействие.
Процесс принятия решений по управлению добычей учитывает следующие основные этапы анализа и расчетов:
автоматическое поступление геолого-геофизических данных, плановых и фактических данных добычи из промысловых и учетных систем;
оперативная актуализация интегрированных моделей на фактические данные добычи;
расчет потенциалов объектов производственной системы;
оперативная оптимизация технологических режимов добывающих и нагнетательных скважин;
приоритизация геолого-технологических мероприятий на оперативном горизонте;
планирование инвестиционных мероприятий на среднесрочном и стратегическом горизонте, для обеспечения необходимых уровней добычи и КИН;
моделирование и оценка эффективности инвестиционных мероприятий в системах интегрированного моделирования на длительных горизонтах управления;
оперативная оптимизация интегрированного плана;
мониторинг исполнения (план/факт) интегрированного плана и оперативное управление добычей.
Если сгруппировать работы перечисленных этапов по горизонтам управления, процесс принятия решений будет выглядеть следующим образом:
на месячном горизонте выполняют только актуализацию моделей на фактические данные, производят автоматическую оптимизацию мероприятий и расчет технологических режимов;
на 90-дневном горизонте проводят приоритизацию мероприятий;
на годовом горизонте выполняют расчет потенциалов, оперативное моделирование, экономическую оценку.
Описанный комплексный подход к управлению добычей эффективен как на ранних, так и на поздних стадиях разработки месторождений, в том числе в условиях эксплуатации низкорентабельных и высокообводненных скважин. Для достижения наибольшей эффективности процессов добычи и разработки наиболее важными условиями являются постоянная координация совместных действий различных специалистов, соблюдение принципов оптимального управления при планировании и прогнозировании ограничений, оперативной оценке и оптимизации мероприятий и технологических режимов работы скважин с использованием интегрированных моделей. Таким образом, предложен новый подход, основанный на принципах оптимального управления в предметной области анализа разработки и оперативного управления добычей. Использование этих принципов при решении прикладных задач позволяет достичь максимальной эффективности.