Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1 Сущность и задачи формирования производственных структур комплексов технических средств освоения морских нефтегазовых месторождений 20
1.1 .Понятие и задачи формирования производственных структур комплексов технических средств (КТС) 20
1.2.Содержание и особенности производственных процессов м деятельности КТС 33
1.3 Элементы производственной структуры комплексов технических средств и их параметрические характеристики 37
Глава 2 Имитационное моделирование формирования производственной структуры КТС 61
2.1. Сущность и общая процедура имитационного моделирования производственных структур комплексов технических средств 61
2.2. Система моделей формирования количественных параметров элементов поисково-разведочного комплекса (ГТРК) 83
2.3. Моделирование процессов формирования производственной структуры ПРК 92
Глава 3 Оценка надежности функционирования производственных структур комплексов морской техники 103
3.1. Описание производственных структур с помощью теории графов 103
3.2. Модель оценки надежности производственной структуры ПРК нефтегазодобывающего флота 108
3.3. Алгоритм и экспериментальные расчеты надежности функционирования производственных структур поисково разведочного комплекса морской техники 118
Заключение 124
Литература 128
Приложения
Приложение 1 140
Приложение 2 146
Приложение 3 155
Введение к работе
Актуальность исследования
Дальнейшее развитие современного общества неразрывно связано с интенсивным ростом потребления топливно-энергетических ресурсов во всех сферах промышленности. К концу XX столетия наиболее доступные месторождения нефти и газа на суше практически выработали свой ресурс. Поэтому акценты нефтегазодобычи неуклонно смещаются в сторону запасов, скрытых толщей Мирового океана, в первую очередь - континентального шельфа. В связи с этим за последние десятилетия резко возрос интерес к проблеме освоения морских нефтегазовых месторождений. Причем совершенно очевидно, что без эффективной разработки и внедрения инноваций эту проблему не решить. Непрерывное освоение новых наукоемких технологий является сейчас одним из приоритетных направлений развития нефтедобывающей и газовой отраслей России.
Проводившиеся в последние годы поисково-разведочные работы на нефть и газ в прибрежных районах морей и. океанов, показали, что недра континентального шельфа содержат большие запасы природно-сырьевых ресурсов, поэтому за последние десятилетия в развитых странах резко повысился интерес к проблеме морской нефтегазодобычи. К концу 90-х годов поиски нефти и газа на континентальном шельфе проводили более 100 из 120 стран, имеющих выход к морю, причем 55 из них уже вели разработку месторождений. Доля добычи нефти из морских месторождений во всем мире составила 26% (680 млн. т.) и газа более 18% (340 млрд. м.3). За все время их эксплуатации на начало 1990 г. извлечено порядка 15 млрд. т. нефти и 3,8 трлн. м.3 газа [10].
Два обстоятельства определяют необходимость и возможность активных действий России по освоению морских месторождений углеводородов:
- перспектива истощения запасов на материковой части и открытие богатейших месторождений нефти и газа на континентальном шельфе;
- наличие в России комплекса оборонных предприятий подводного кораблестроения, владеющих уникальной морской и машиностроительной технологией.
Российская Федерация традиционно является одной из ведущих энергетических держав. На ее долю приходится седьмая часть суммарного производства энергоресурсов в мире. До 1990 года наш топливно-энергетический комплекс был крупнейшим на планете и в основном обеспечивал экономические нужды страны, давал крупные валютные поступления. В связи с реформированием прежней системы управления народным хозяйством и возникшими трудностями при новых рыночных условиях начался спад добычи нефти и газа. Однако следует отметить, что принимаемые меры экономического и организационного характера, а также форсированное и масштабное применение наукоемких технологий позволят в ближайшее время изменить положение дел в топливных областях к лучшему.
Континентальный шельф России составляет 3,9 млн. км.2 (около 28% протяженности мирового шельфа), располагает большими запасами и имеет высокую перспективность для открытия крупных месторождений [10]. Более 85% его площади расположены в арктическом секторе. К сожалению, площадь изученных отечественных арктических акваторий не превышает 10%. Добыча углеводородного сырья из глубин российской части Мирового океана практически не ведется, хотя к перспективным относятся 3,7 млн. кв. км.
российских акваторий. Оптимистическим планам конца 70-х годов (тогда уровень морской добычи нефти в 2000 г. прогнозировался на уровне 100 - 150 млн. т.) не суждено сбыться. Шельфы окраинных и внутренних морей до сих пор мало изучены глубоким бурением. Разведка ресурсов северных и дальневосточных морей находится в зачаточном состоянии, хотя целый ряд отечественных компаний ("Росшельф", "ЛУКОЙЛ", "Роснефть", "Печорморнефть" и др.) уже приблизились к реализации крупных морских проектов на шельфе России [63].
Среди открытых месторождений четыре по запасам являются уникальными: Штокмановское - газоконденсатное, расположенное в центральной части Баренцева моря, Ленинградское и Русановское -газовые (Карское море) и Приразломное - нефтяное, расположенное в акватории Печорского моря.
Из изложенного следует, что нефтегазовая промышленность России располагает достаточной природно-сырьевой базой, что позволит укрепить отечественный топливно-энергетический потенциал на технологической и хозяйственной основе с максимальной эффективностью. К 2010 году планируется довести добычу газа на шельфе до 56 млрд. м.3, а нефти до 25 млн. т. в год, в том числе на побережье до 5 млн. [10]. Минимальный уровень запасов прибрежной зоны только Северного Ледовитого океана оценивается более чем в 80 млрд. т. условного топлива. Континентальный шельф российских арктических морей является основным резервом стабильного развития отечественного нефтегазового комплекса в XXI веке [61].
Освоение шельфа представляет собой весьма специфическую задачу управления, отличающуюся как составом решаемых задач, так и используемыми инструментами и методами. Для успешного ее решения необходимы глубокие теоретические исследования приемов и методологических подходов, связанных с формированием и управлением комплексами технических средств (КТС), используемых при разработке морских месторождений нефти и газа.
Одной из главных черт новой экономической системы является то, что она характеризуется широким применением знаний в области высоких технологий и называется инновационной. Очевидно, что роль научных исследований и технологических инноваций в области управления сейчас, в период острой конкурентной борьбы, велика, как никогда. Ключ к успеху любого предприятия заключается, прежде всего, в подобных регулярных и успешных инновациях, которые могут быть реализованы на рынке. Снижение расходов и реструктурирование предприятий, опирающееся на новые знания и технологии несомненно необходимым и важны. Большой вклад в решение проблемы формирования производственных структур предприятий внесли такие известные отечественные специалисты, как Завьялов О.В., Кабаков B.C., Казанцев А.К., Яковенко Е.Г.
Особенности добычи нефти и газа на континентальном шельфе требуют создания сложных, разветвленных, динамично изменяющихся и экономичных производственных структур, формирование и функционирование которых приводит к необходимости проведения научных исследований и развитию методов рационализации элементного состава этих структур.
Опыт освоения морских месторождений углеводородов в России показывает, что для комплексного решения технико-экономических задач при проектировании разработки месторождений, а также для оперативного и эффективного управления процессами морской нефтегазодобычи необходимо рассматривать интегральные параметры, характеризующие его в полном объеме. Наиболее адекватное решение в данном случае можно получить, используя имитационное моделирование. Применение подобных методов и использование новейших компьютерных технологий позволяют успешно решать вопросы проектирования и управления процессами эффективной разработки месторождений нефти и газа в морских условиях.
Эффективное управление эксплуатацией сложных систем (в данном случае - это КТС) связано с решением ряда научно-технических проблем по обеспечению и поддержанию заданной технической готовности и повышению надежности их использования. В связи с этим особую актуальность приобретает необходимость разработки математических моделей анализа комплексных характеристик качества функционирования систем. Одним из наиболее важных показателей качества функционирования сложных систем является оценка надежности их функционирования, отражающая вероятность выполнения системой целевых задач на заданном промежутке времени при определенных условиях эксплуатации с учетом технического состояния системы в целом и ее отдельных подсистем.
Освоение шельфа требует нового научного подхода к реализации проектов, позволяющих при ограниченности финансовых средств и материально-технических ресурсов обеспечить за короткий период стабильную добычу нефти и газа и их переработку.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы является разработка методического аппарата формирования и рационализации производственной структуры сложных комплексов морской техники нефтегазодобывающего флота на основе использования имитационных методов моделирования.
В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие основные задачи:
- изучение практики формирования и условий функционирования сложных комплексов технических средств, используемых при добыче нефти и газа на континентальном шельфе;
анализ факторов, влияющих на определение состава, количественных пропорций и условий использования судов при проведении работ по освоению морских месторождений;
- разработка понятийного аппарата, включающего определение категории производственной структуры, требований к ее формированию и оценке надежности функционирования в кратких и долгосрочных периодах эксплуатации при проведении поисково-разведочных работ на шельфе;
- разработка комплекса моделей формирования рациональных производственных структур КТС;
- исследование условий и разработка рабочих моделей оценки надежности функционирования производственной структуры поисково-разведочного комплекса (ГТРК);
- проведение экспериментальных расчетов по формированию и оценке надежности в эксплуатации поисково-разведочного комплекса.
Объект исследования
В последние годы процесс морской нефтедобычи приобрел более упорядоченный характер, вследствие чего появилась возможность представления любой морской технологии в виде совокупности нескольких операций (каждая такая операция направлена на разведку, освоение или защиту ресурсов месторождения) и сведения морских технологий к семи основным этапам [4]:
1. Поисковые научно-исследовательские работы
2. Разведочное бурение
3. Строительство сооружений на шельфе
4. Эксплуатационное бурение
5. Обустройство нефтегазопромысла
6. Эксплуатация месторождения
7. Демонтаж производственных объектов
Каждый из этих этапов включает множество рабочих операций, выполняемых судами, плавучими и подводными техническими средствами (ГШТС), объединяемыми в комплексы морской техники (комплексы технических средств).
Из всех этапов освоения морских нефтегазовых месторождений на отечественном шельфе в настоящее время наиболее широко осуществляется этап поисково-разведочных работ.
Объектом исследования в настоящей работе являются сложные комплексы технических средств поиска и разведки морских месторождений углеводородов, а также процессы их функционирования.
В технологический комплекс судов и плавучих технических средств на этапе разведочного бурения (поисково-разведочный комплекс - ПРК) входят плавучие буровые установки всех конструктивных типов, буксиры-постановщики якорей, суда обеспечения и суда снабжения буровых установок.
Производственная цель этапа - строительство поисковых и разведочных скважин на континентальном шельфе. Разведочные скважины сооружаются на площадях с установленной промышленной нефтегазоностностью с целью подготовки месторождения к освоению, сбора данных, необходимых для его проектирования и разработки.
Предмет исследования
Увеличение масштабов работ на континентальном шельфе ставит проблему повышения эффективности КТС, в состав которых могут включаться до 60-ти целевых типов судов, плавучих и подводных технических средств. Большое количество рабочих операций, выполняемых судами и ППТС из состава КТС при освоении и эксплуатации нефтегазопромыслов, обуславливает значительное число их целевых типов; многообразие природно-климатических условий континентального шельфа определяет многообразие архитектурно-конструктивных типов судов _и ППТС, а множественность организационных форм работы судов и ППТС определяет многообразие их функциональных типов. Поэтому задача рационализации производственной структуры КТС практически не имеет аналогов.
Предметом исследования данной диссертационной работы являются методы формирования экономически оправданной рациональной производственной структуры комплекса технических средств поиска и разведки морских месторождений углеводородов. Разрабатываются модели, позволяющие определить рациональный элементный состав производственной структуры ПРК. При их построении используется имитационный подход, как основной инструмент системного анализа.
Если ограничить работу КТС одним технологическим этапом, то задача рационализации его производственной структуры может быть сформулирована следующим образом: определить целевой и количественный состав комплекса, потребный для выполнения всех рабочих операций этапа морской технологии на всех объектах морской нефтедобычи на регионе в заданных объемах, в заданные сроки при соблюдении технологической дисциплины и условий эксплуатации судов и ППТС, с учетом технических возможностей действующего флота и минимизации затрат.
Теоретическая и методологическая основа
Теоретической и методологической основой исследования являются труды отечественных и зарубежных ученых, специалистов в области производственного менеджмента, экономики предприятия, организации производства, структуризации производственных систем и морских инженерных сооружений. Методологической основой исследования стал системный подход. Для решения поставленных задач применялись методы общей теории систем, имитационного моделирования, использовался математический аппарат теории графов.
Современное судно - сложная система, состоящая из ряда взаимосвязанных подсистем, каждая из которых в свою очередь может быть разложена на подсистемы меньшей сложности. Одновременно каждое судно есть элемент еще более сложных транспортных, промысловых и других систем. Проектирование судна и его оптимизация становятся невозможными в отрыве от систем более высокого уровня, являющихся для отдельно взятого судна своеобразной внешней средой.
Современная теория организации и управления предприятиями и общая теория систем схожи в том, что они рассматривают систему как объединенное целое, как некую совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, обладающих свойствами целостности, эмерджентности и устойчивости. Под элементом системы обычно понимают такой объект, выполняющий определенные функции, который в условиях данной задачи не подлежит расчленению на части. Между элементами в системе устанавливаются определенные отношения, обуславливающие те или иные ее свойства. Эти отношения и свойства, характеризующие взаимосвязь, упорядоченность и взаимодействие всех элементов, являются конкретным проявлением главного принципа системного подхода - целостности системы. Все части системы взаимозависимы. Если одна из них будет отсутствовать или неправильно работать, то и вся система либо не будет работать вообще, либо будет работать не эффективно. Отсюда следует, что такую функциональную структуру, как КТС (например, поисково-разведочный комплекс), можно отнести к сложным системам, а в качестве целевой функции (функции критерия), представляющей собой точное отображение целей или задач системы, рассматривать эффективность комплекса или его надежность в эксплуатации.
Реальные сложные системы можно исследовать с помощью двух типов математических моделей: аналитических и имитационных. В аналитических моделях поведение сложных систем записывается в виде некоторых функциональных соотношений или логических условий. Наличие мощного математического аппарата и относительная быстрота и легкость получения информации о поведении системы способствовали повсеместному и успешному распространению таких моделей в различных областях науки и техники. Когда же аналитическая модель становится слишком грубым приближением к действительности, то исследователь вынужден использовать имитационное моделирование (ИМ). В имитационной модели поведение компонент сложной системы описывается набором алгоритмов, которые затем реализуют ситуации, возникающие в реальной системе.
Моделирующие алгоритмы позволяют по исходным данным, содержащим сведения о начальном состоянии системы, и фактическим значениям ее параметров отобразить реальные явления в системе и получить сведения о возможном поведении сложной системы для данной конкретной ситуации. На основании этой информации исследователь может принять соответствующие решения. Исследователю рекомендуется использовать ИМ при решении своих задач в следующих случаях:
если не существует законченной или корректной постановки задачи исследования и идет процесс познания объекта моделирования, ИМ служит средством изучения явления; если аналитические методы имеются, но математические процедуры столь сложны и трудоемки, что имитационное моделирование дает более простой способ решения задачи; когда кроме оценки параметров сложной системы желательно осуществить наблюдение за поведением ее компонент в течение определенного периода;
когда ИМ оказывается единственным способом исследования системы из-за - невозможности наблюдения явлений в реальных условиях;
когда изучаются новые ситуации в сложной системе, о которых мало что известно или неизвестно ничего. В этом случае имитация служит для предварительной проверки новых стратегий и правил принятия решений перед проведением экспериментов на реальной системе; когда модель используется для предсказаний узких мест в функционировании системы и других трудностей, появляющихся в поведении системы при введении в нее новых компонент. Однако имитационные модели наряду с характерными для них достоинствами имеют ряд существенных недостатков. Разработка хорошей имитационной модели (т.е. имеющей высокую- степень адекватности) часто обходится дороже создания аналитической модели и требует больших временных затрат.
Необходимо отметить, что для решения задач ИМ требуются специальные языки, выражающие те понятия, которыми оперирует специалист, создающий модели. Разработано уже много языков имитационного моделирования, но наиболее известные из них: SIMULA, GPSS, SIMSCRIPT, Стам, Недис, Слэнг и т.д. Каждый из них имеет свои специфические качества, касающиеся:
сложности представления понятий ИМ;
языковой основы (все на базе английского языка);
количества базовых понятий. Важным фактором применения языка имитационного моделирования является наличие эффективной реализации транслятора на базе выбранной ЭВМ. При наличии многофункционального интерфейса пользователя отпадает необходимость во многих операторах языка. Необходимо оставить в языке только описание и операции имитационной части. Поэтому, при построении имитационной модели КТС желательно иметь, в идеальном варианте, свой язык имитационного моделирования.
За последние десять лет произошли существенные структурные и качественные изменения как в российском бизнесе вообще, так и в российских компаниях успешно занимающихся разработкой морских месторождений нефти и газа на шельфе. В стремлении обеспечить устойчивое экономическое положение в условиях обострения жесткой конкурентной борьбы и за привлечение бюджетных средств наиболее дальновидные компании уделяют все больше внимания разработке и внедрению современных информационных технологий (ИТ). Информация - это один из ценнейших ресурсов общества наряду с такими традиционными материальными видами ресурсов, как нефть, газ, полезные ископаемые и др. Успех любого предприятия напрямую зависит от регулярных и успешных инноваций в области ИТ. Одним из главных инструментов для решения задач, связанных со снижением расходов и реструктурированием предприятий, осваивающих морские месторождения нефти и газа, являются информационные технологии управления, которые позволяют достичь следующих результатов:
• Упразднение ряда функций и сокращение количества уровней управления, высвобождение работников среднего звена;
• Рационализация решения управленческих задач за счет внедрения математических методов обработки данных, применения систем имитационного моделирования и систем искусственного интеллекта; Создание современной динамичной организационной структуры, повышение гибкости и управляемости предприятия;
• Снижение административных расходов;
• Экономия времени на планирование деятельности и принятие решений;
• Увеличение конкурентного преимущества.
Ориентация на современные информационные технологии, применяемые на всех уровнях управления предприятиями нефтегазодобывающей промышленности: стратегическом, тактическом и оперативно-функциональном, является сейчас одним из приоритетных направлений развития и основным критерием устойчивого экономического роста в условиях конкурентной борьбы.
Научная новизна диссертационного исследования состоит в развитии методов формирования элементного состава производственной структуры комплекса технических средств освоения нефтегазового месторождения на континентальном шельфе.
Наиболее существенные результаты диссертации, которые составляют ее научную новизну и заключаются в следующем:
- обоснована объективная необходимость в условиях обостряющейся конкуренции на ресурсодобывающих рынках в рационализации производственных структур комплексов морской техники нефтегазфлота с учетом новых экономических условий;
- предложена группировка факторов, существенно влияющих на определение количественных характеристик и условий эксплуатации судов, плавучих и подводных технических средств при проведении работ поиска и освоения месторождений нефти и газа на континентальном шельфе;
- систематизированы параметрические характеристики элементного состава производственных структур КТС;
- предложена имитационная модель и разработаны алгоритмы формирования производственной структуры ПРК, позволяющие провести расчет потребности в буровых установках и судах нефтегазопромыслового флота на этапе разведочного бурения;
- реализован программный комплекс в среде DELPHI v.7, который позволяет производить расчеты в режиме имитации рационального состава производственной структуры поисково-разведочного комплекса;
- разработана модель и приведен алгоритм расчета оценки надежности функционирования производственной структуры комплекса поиска и разведки месторождений углеводородов на шельфе.
Практическая значимость диссертационного исследования состоит в том, что предлагаемые методические решения имеют практическую направленность и обеспечивают системный подход к формированию производственной структуры комплексов технических средств с точки зрения рациональности элементного состава и оценки надежности функционирования. Разработаны модели и реализованы программные комплексы, позволяющие решать задачи рационализации производственных структур комплексов технических средств.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации и полученные результаты были доложены и прошли апробацию на следующих научных конференциях: International Conference on Ocean Research and Underwater Technology, 1990, Szczecin, Poland; 1-st International conference Development of Russian Arctic Offshore, 1-ая Международная конференция Освоение шельфа Арктических морей, 1993 г, Санкт-Петербург; VII Ежегодные научные чтения памяти первого декана факультета менеджмента профессора Ю.В. Пашкуса, СПбГУ, 2003г; III Международная научно-практическая конференция "Актуальные проблемы экономики и новые технологии преподавания (Смирновские чтения)",Санкт-Петербург, 2004г.
Структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы из 105 наименований, содержит 4 таблицы, 23 рисунка и 3 приложения.
Характер основных результатов
В диссертационном исследовании обосновывается необходимость использования имитационных моделей при определении экономически оправданного рационального состава производственных структур комплексов морской техники. Создана модель и разработан программный комплекс, позволяющий провести расчет потребности в буровых установках и судах НГФ на этапе разведочного бурения. Предложена модель и алгоритм расчета оценки надежности функционирования производственных структур комплексов технических средств. В модели в качестве языка формализации предлагается использовать математический аппарат теории графов.
Предлагаемый подход позволяет определить рациональный состав производственной структуры комплексов и исследовать специфические связи, возникающие между отдельными элементами комплексов в процессе их эксплуатации, а также определить такие параметры отдельных технических средств и комплекса в целом, при которых показатели надежности его функционирования приобретают рациональные значения.
