«Цифровые двойники» месторождений. Зачем они нужны и как с ними работать?
«Цифровой двойник» (digital twins) нефтегазового месторождения, виртуальные «копии» реальных объектов, операций, процессов, работающего оборудования или целого производства – ключевой тренд технологического развития для нефтегазового сектора на ближайшие годы. Однако несмотря на то, что число внедрений растет, у нефтегазовой отрасли по-прежнему остается много вопросов относительно того, как технологию применять, чтобы она быстро окупилась и далее работала на улучшение экономических показателей.
Эксперты группы компаний ITPS разработали инновационную методику, позволяющую быстро построить «цифровой двойник» месторождения и выйти на целевые бизнес-эффекты: рост производительности и стабильное выполнение планов, снижение недоборов, применение наиболее экономически выгодных сценариев добычи и т.д. Подход реализован на базе российской платформы AVIST Oil&Gas (собственная разработка ITPS), которая позволяет интегрировать разнородные данные из различных ИТ-систем и ускорить процессы работы с компьютерными моделями, тем самым повышая эффект от их применения. Основные пользователи решения – междисциплинарные команды, ключевая задача которых – искать возможности дополнительной добычи и предупреждать отклонения от плана в предиктивном режиме.
Опираясь на проектный опыт ITPS, можно убедиться, что даже небольшое улучшение показателей эффективности актива дает ощутимый экономический результат, который рассчитывается заранее, до реализации проекта. Заказчики и партнеры ITPS за адекватный бюджет и сроки получают эффекты, которые можно выразить в цифрах: например, ускорение процессов актуализации интегрированных моделей на 15–20 %, повышение точности прогнозов мероприятий на 10–20 %, поиск оптимального технологического режима, который даст +5 % по добыче на горизонте в год или больше и т.д.
«ЦИФРОВОЙ ДВОЙНИК» ИЛИ МОДЕЛЬ?
Прежде чем рассмотреть основные принципы работы с «цифровыми двойниками», необходимо конкретизировать, что представляет собой «цифровой двойник» нефтегазового месторождения. Общаясь со специалистами, можно услышать разные определения: геологическая, гидродинамическая модель, модели скважин, инфраструктуры, интегрированная модель и даже экономическая, сейсмическая, литологическая модель и т.д. По ответу можно даже догадаться, какой именно специалист его дал, и чем он занимается в своей повседневной деятельности.
Словом, «цифровым двойником» называют все, что можно смоделировать в специализированном ПО. Отчасти это так, поскольку разные модели создаются на разных стадиях работ, соответствуют описанию месторождения на соответствующей стадии и вполне могут называться «сейсмический цифровой двойник», «литологический цифровой двойник» месторождения и т.д. Однако не все модели актуализируются на всех стадиях разработки и эксплуатации месторождения. Они не отображают реальную картину того, что происходит на промысле, что называется, «здесь и сейчас», и поэтому никакими «двойниками» не являются.
Впрочем, конкретика в данном вопросе уже есть. 1 января 2022 года в России введен в действие первый в мире национальный стандарт в области «цифровых двойников»: ГОСТ Р 57700.37-2021 «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения», который вносит определенность в терминологию и конкретизирует технические требования к решениям данного класса. В нем прямо указано: ЦД (цифровой двойник) – это система, состоящая из цифровой модели изделия и двусторонних информационных связей с изделием (при наличии изделия) и (или) его составными частями.
Здесь особо подчеркнем: «цифровой двойник» разрабатывается и применяется на всех стадиях жизненного цикла изделия, изменяясь на каждой стадии. Само наполнение и функциональность «цифрового двойника» зависят от стадии жизненного цикла актива. Наибольший вклад от внедрения данной технологии возможен на стадии разработки и эксплуатации месторождения. На этом этапе формируются конкурентные преимущества – экономическая эффективность актива и низкая себестоимость продукта. В стандарте также отмечается, что «при создании и применении «цифрового двойника» изделия участникам процессов жизненного цикла рекомендуется применять программно-технологическую платформу «цифровых двойников».
На звание «цифрового двойника» месторождения с успехом претендует интегрированная модель (ИМ), состоящая из нескольких связанных частей – геологической и гидродинамической моделей, моделей скважин, трубопроводов, производственных объектов наземной инфраструктуры, экономической модели и т.д. Выглядит это просто: внедрили интегрированную модель и делаем на ней расчеты. Но на практике все сложнее. Интегрированная модель может претендовать на роль «цифрового двойника» месторождения, если у нее есть двусторонняя связь с реальными объектами и местами подготовки и принятия решений, плановыми и учетными системами и т.д. Кроме этого, чтобы называться «цифровым двойником», интегрированная модель должна постоянно наполняться актуальными данными, а также обеспечивать проведение цифровых (виртуальных) испытаний и анализ результатов.
Пожалуй, наиболее корректное определение «цифрового двойника» месторождения можно сформулировать следующим образом: это комплексная ИТ-система, состоящая из виртуальных двойников производственных объектов и объектов разработки, обеспечивающая двусторонний информационный обмен между реальными объектами и виртуальными двойниками. Виртуальные двойники адекватны реальным объектам по определенному перечню параметров на всех этапах жизненного цикла объектов.
Цифровой двойник нефтегазового месторождения
ПРЕДИКТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ
В настоящий момент обеспеченность нефтегазовых компаний геолого-гидродинамическими моделями составляет 100 %. Повсеместно внедряются интегрированные модели с моделями скважин и трубопроводов, ежегодный прирост составляет около 20 %. Многие компании моделируют участки предварительной подготовки нефти (ежегодный прирост составляет около 10 %) и др. В большинстве случаев, чтобы реализовать «цифровой двойник» месторождения, предприятию остается наладить взаимодействие различных моделей и обеспечить их непрерывную адекватность.
Для чего это делается? Приоритетной задачей для нефтегазовых компаний, вставших на путь цифровизации, является повышение эффективности добычи. Но в случае с «цифровым двойником» месторождения речь идет не столько об эффективности добычи, сколько о максимизации фондоотдачи. Поэтому выбранная предприятием модель управления должна работать на достижение наилучшего экономического результата. Если объекты производственной системы адекватно реагируют на мероприятия, смоделированные в «цифровом двойнике», то производством можно управлять предиктивно.
Переход к предиктивному управлению – это условие рентабельности и конкурентоспособности добывающего актива в современном мире. Вот лишь несколько очевидных плюсов такой модели:
Получение реальной картины о фактическом и прогнозном состоянии объектов разработки и ответственных планообеспечивающих объектов производства в разрезе возможностей достижения целевых производственных показателей и инвестиционного планирования.
Заблаговременное прогнозирование появления «узких мест» и отклонений в исполнении планов, нештатной работы оборудования. Это позволяет заранее провести упреждающее мероприятие, снизить (или исключить) последствия непланового события, уменьшить эксплуатационные расходы и затраты на оперативное реагирование.
Обоснованное эффективное формирование режимов работы оборудования, обеспечивающее увеличение сроков службы и межремонтных периодов и их эффективное планирование.
Если простыми словами – все производственные решения проверяются на «цифровом двойнике» (см. рисунок) с обязательной экономической оценкой.
ЦИФРОВОЙ ДВОЙНИК НЕФТЕГАЗОВОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Но и здесь не все так просто. Допустим, предприятие готово перейти на использование «цифрового двойника». Есть модели и программное обеспечение, налажено оперативное поступление данных, специалисты обучены работе с моделями. Более того, все уже работают и даже отчитываются о локальных дости жениях. А показатели фондоотдачи не только не улучшаются, а порой становятся даже хуже. Если не разобраться в причинах, то предприятие вернется на традиционные способы управления разработкой нефтегазовых месторождений и производством. В лучшем случае это чревато потерей некоторых конкурентных пре имуществ, в худшем – невосполнимым ущербом.
Поэтому тем, кто уже внедряет «цифровые двойники» или находится на стадии принятия решений по их внедрению, не стоит ждать быстрого решения всех проблем. К их решению необходимо подготовиться, заранее выявить возможные проблемные и «узкие места» вводимых в производство решений: процессы, оргструктура, персонал, информация, технологии.
СИЛЬНЫЕ СТОРОНЫ
Создавая «цифровые двойники» месторождений, эксперты ITPS находятся в постоянном взаимодействии со специалистами заказчика, заинтересованными в выполнении планов по добыче. Общаясь с ними, мы пришли к выводу, что наиболее проблемными участками для изменений являются информация и персонал. Попробуем в этом разобраться. Вне «цифрового двойника» каждый производственный или операционный процесс «живет» самостоятельно, имеет входы, выходы и точки взаимодействия со смежными процессами.
В пределах процессов вся внутренняя информация структурирована, нормирована и имеет своих потребителей. На стыке процессов информация обрабатывается и трансформируется до форматов смежных процессов, чтобы стать понятной их потребителям. Это приводит к тому, что участники разных процессов (люди и системы) по-разному интерпретируют одинаковую первичную информацию. Эта разница порой может привести к абсолютно противоположным результатам. Например, на вход процесса «интегрированное планирование» поступают данные о перечне планируемых мероприятий с прогнозными показателями добычи на дату начала и дату окончания мероприятий, посчитанными на интегрированной модели.
Задача – провести оптимизацию плана по максимизации добычи. На выходе мы получили перечень мероприятий с уточненными датами начала и окончания мероприятий и увеличением добычи на 2 %. Дальше происходит самое интересное: смоделировав уточненный план мероприятий в интегрированной модели, мы получаем снижение добычи на прогнозируемом горизонте на 3 %. Дело в том, что задачи решались отдельно.
Подобные ситуации случаются при раздельном использовании любых моделей: гидродинамических, моделей скважин, моделей трубопроводов и др. «Цифровой двойник» месторождения – это модель динамическая, в ней все параметры взаимосвязаны. Это качество позволяет выполнять оценку производства в комплексе – как в части планирования, так и в части исполнения и мониторинга. Локальная оптимизация отдельных участков решает локальные проблемы и не всегда приводит к повышению эффективности производства.
ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ФАКТОР
Описанный выше пример справедлив в отношении не только информационных систем, которые используют различные алгоритмы обработки данных, но и персонала. Человек оказывает огромное влияние на производство. Каждый специалист видит общую картину по-своему, использует свои инструменты обработки, анализа и представления данных месторождений: геолог – геокарту, технолог – схему оборудования или узла, инженер транспорта – схему трубопроводов, строитель – генеральный план и т.д. При этом далеко не все обладают специальными навыками работы с прикладным ПО для моделирования, и вовлечь их в работу со сложным ИТ-решением – задача нетривиальная. Обычно с моделью работают модельеры. Но поставщиками, потребителями и интерпретаторами данных являются все специалисты. Как наладить с ними двустороннюю связь?
Чтобы решить этот вопрос, предлагаем сделать несколько шагов:
Исключить проблему информационной «недостаточности» оперативных и предиктивных данных, обеспечив их непрерывное поступление и обработку в системах моделирования.
Создать информационный «фундамент», обеспечить консистентность имеющихся данных, исключить возможность их некорректной интерпретации. Как правило, уже на этом этапе становятся видны ключевые области оптимизации, где применение цифровых технологий может дать наиболее ценный эффект. С их помощью обеспечивается согласованность плановых, прогнозных и фактических показателей добычи.
Построить комплексную автоматизированную интегрированную среду управления добычей на основе имитационного моделирования. Данные геолого-геофизических, промысловых и планово-учетных систем поступают в системы имитационного моделирования и обрабатываются в них непрерывно и автоматически.
Сформировать нормативно-методическую основу эффективного производства. Вопрос интерпретации первичных данных перевести в плоскость «перевода» данных: включить в состав «цифрового двойника» месторождения привычные для специалистов инструменты и обеспечить автоматический перевод виртуальных данных в формат специализированных приложений.
В совокупности эти меры должны помочь персоналу нефтегазового актива быстрее включиться в рабочие процессы, основанные на многовариантных расчетах, аналитике и других возможностях «цифрового двойника».
ЧТО ОБЕСПЕЧИВАЕТ «ЖИЗНЬ» «ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА»?
Прежде чем двигаться дальше, обратимся к стандарту: «ст.6.3. Для создания цифровых моделей и (или) ЦД, проведения цифровых (виртуальных) испытаний, применения результатов математического и компьютерного моделирования и организации совместной работы по созданию цифрового двойника изделия рекомендуется применять программно-технологическую платформу цифровых двойников, включающую, как правило:
средства управления программным обеспечением компьютерного моделирования;
средства управления проектами;
средства сбора, обработки, анализа, визуализации, каталогизации, хранения, передачи компьютерных моделей и результатов компьютерного моделирования;
средства отслеживания всех изменений конструкторских, технологических решений и модификации компьютерных моделей и вариантов инженерных расчетов;
средства оформления результатов; средства защиты данных и организации совместной работы участников проекта в соответствии с правами доступа;
средства компьютерного моделирования для планирования применения изделий по назначению, поддержки его технического обслуживания и ремонта».
Обратите внимание, это особо важный момент. В составе «цифрового двойника» месторождения должен быть инструмент, обеспечивающий «жизнь» данного решения, непрерывно наполняя его необходимыми оперативными производственными данными из разнообразного разнородного ПО и обеспечивая двустороннюю связь между системами и специалистами.
В рамках работы с интегрированными моделями осуществляется сбор и загрузка фактических данных добычи, исследований и проведенных мероприятий на технологических объектах, расчет технологических режимов работы скважин и наземного оборудования, прогноз добычи и оценка потенциалов производственных объектов, подбор наиболее эффективных мероприятий по управлению разработкой на оперативном и среднесрочном горизонтах, экономический анализ и многое другое.
В качестве технологической основы для обеспечения «жизни» цифрового двойника предлагается использовать российскую платформу AVIST Oil&Gas, которая позволяет автоматизировать все основные процессы консолидации, обработки и анализа инженерных и промысловых данных, обеспечивает взаимодействие различных автоматизированных систем (включая компьютерное моделирование) и организацию потоков данных между информационными ресурсами. Все смоделированные ситуации проходят проверку в системах имитационного моделирования и синхронизируются на всех горизонтах управления.
ВЕРНЫЕ «НАПРАВЛЯЮЩИЕ»
Сегодня российская платформа AVIST Oil&Gas обеспечивает всю необходимую функциональность, позволяющую ускорить процессы создания и актуализации моделей. Обновление и настройка моделей сокращается до нескольких дней (ранее на это уходили 1–2 недели, в зависимости от размеров ИМ). Решение обладает уникальным функционалом, обеспечивающим ускоренное создание моделей и автоматическое обновление данных.
AVIST Oil&Gas предназначен для компаний, которые или уже работают с технологией моделирования, или задумываются о применении цифровых двойников и не знают, с чего начать. Компаниям, которые еще только собираются встать на путь цифровизации, проще – они могут заложить все необходимые функции уже на стадии внедрения. Главное – это двигаться поэтапно, учитывая природные и технологические особенности месторождения. Чтобы заложить верные «направляющие» для цифрового проекта, необходимо определить целевые результаты.
Введение в работу ГОСТ Р 57700.37-2021 открывает широкие перспективы для дальнейшего развития нормативной базы в области создания и применения «цифровых двойников». Национальный стандарт дает основы и единую терминологию, которая будет использоваться при разработке новых стандартов, «привязанных» к специфике каждой конкретной отрасли. Будет больше типовых требований к структуре и порядку их сопровождения при эксплуатации, порядку учета и хранения производственной информации и т.д. В результате компании, которые стремятся занять свою нишу в новом технологическом укладе, известном как «Индустрия 4.0», получат больше определенности и больше новых возможностей для работы с этим инновационным инструментом.