Введение к работе
Актуальность проблемы. Разработка нефтяных месторождений является крупным, сложным, технически насыщенным, ресурсоемким производством, осуществляемым на больших пространствах и на больших интервалах времени. Достижение наиболее эффективного, экономически обоснованного и полного извлечения углеводородного сырья возможно только при научно-обоснованных технологиях его добычи и адекватных регулирующих воздействиях с рациональным использованием энергии нефтяного пласта. Оптимизация систем и технологий добычи нефти, оптимальное управление нефтяными резервуарами актуальны не только на этапе проектирования технологических схем, но и на любой стадии разработки месторождений.
В решении этих проблем немаловажную роль играет информатизация нефтедобывающего производства, интеграция накопленных данных и их комплексная обработка, решение задач мониторинга, анализа и прогноза систем разработки месторождений с помощью адекватных моделей и высокопроизводительных ЭВМ.
Еще совсем недавно на нефтедобывающих предприятиях и нефтяных компаниях Тюменской области и других регионов России обработка геолого-промысловой информации, автоматизация технологических процессов были основаны на технических и программных средствах, информационных технологиях 70-х - 80-х годов. Необходимость замены морально и физически устаревшего технического обеспечения, бурное развитие информационных технологий и необходимость реализации актуальных системных и прикладных задач на новых вычислительных платформах, а также возросшие потребности пользователей потребовали необходимости коренной модернизации информационных систем.
В настоящее время отечественные нефтедобывающие предприятия гостаточно хорошо оснащены современными компьютерами, рабочими ланциями и телекоммуникационными системами, но это пока не привело к эволюционным изменениям в информационных технологиях для нефтедобычи. Одной из крупных нерешенных проблем информатизации нефтедобывающего производства является создание информационных систем с функциями мониторинга добычи нефти, оперативного геолого-промыслового иализа систем разработки месторождений, моделирования и прогноза >сновных параметров разработки для информационной и интеллектуальной юддержки принятия решений.
Отсутствие готовых решений, полностью адекватных нуждам конкретных юфтяных компаний, побуждает к разработке концептуальных основ юстроения таких систем на основе интеграции наиболее прогрессивных ехнологических решений, которыми насыщен рынок информационных ехнологий в настоящее время, и создания новых подсистем.
Так, переход на новые вычислительные платформы привел к необходимости создания современных баз данных геолого-геофизической и промысловой информации - основы многоуровневой распределенной информационной системы нефтедобывающего производства. Коренная модернизация информационных систем нефтедобывающего производства, проводимая в настоящее время российскими нефтяными компаниями, требует также модификации алгоритмов обработки информации и создания нового программного обеспечения подсистем актуализации баз данных, формирования геологических и технологических карт, информационно-поисковых систем, зкспертно-аналитических систем, систем математического (имитационного) моделирования и других, а также формализации накопленных знаний и создания баз знаний.
Данная диссертационная работа сформировалась в 1988-2000 годах при выполнении 8 фундаментальных научно - исследовательских работ, финансируемых из средств республиканского бюджета и направленных на разработку концептуальных основ экспертных и информационных систем, технологий и методов имитационного математического моделирования, а также их математического и программного обеспечения. Работа частично поддержана грантом РФФИ N 99-01-00590 на 1999-2000г.г. "Разработка численного метода решения краевых задач с сингулярно возмущенным уравнением эллиптического типа для многомерных областей сложной конфигурации".
В процессе подготовки диссертации выполнено более 30 хозяйственных договоров с нефтедобывающими предприятиями Тюменской области и других регионов России на разработку информационных технологий, создание и передачу прикладного математического и программного обеспечения.
Целью диссертационной работы является формирование концепции современной информационной системы нефтедобывающего производства на основании анализа актуальных задач мониторинга добычи нефти, моделирования нефтяных резервуаров н регулирования систем разработки месторождений; разработка новых технологий математического моделирования и высокоэффективных вычислительных методов; создание математического, алгоритмического, программного и информационного обеспечения, включая важнейшие функциональные подсистемы: формирования геологических и технологических карт, информационно-поисковых, имитационных и других систем, а также баз данных и знаний.
Методы исследования. Проведенные в диссертационной работе исследования и разработки опираются на общие принципы анализа и технологии разработки нефтяных месторождений, гидродинамического регулирования систем их разработки, математического моделирования нефтяных резервуаров и основаны на разделах вычислительной математики, связанных с численными методами решения краевых задач математической физики для уравнений с частными производными, итерационными алгоритмами и методами решения некорректных задач; разделах информатики,
связанных с созданием информационных систем, проектированием баз данных, формализации знаний и создания баз знаний; разделах программирования, связанных с технологией программирования и разработки пакетов прикладных программ; на технологиях математического моделирования и проведения вычислительных экспериментов по схеме: физическая модель - математическая модель - метод - алгоритм - программа - тестовые задачи - реальные задачи. Научная новизна состоит в следующем:
-
Разработаны концептуальные основы построения информационных систем для нефтедобычи как систем мониторинга, оперативного анализа, математического моделирования и оптимального регулирования.
-
Задачи оптимального гидродинамического регулирования нефтяными резервуарами сведены к задачам математического моделирования и решения неидеально - сопряженных эллиптических и параболических краевых задач математической физики с сингулярными уравнениями.
Для решения этих задач на основании полученной новой симметричной формы записи условий неидеального сопряжения предложены новые реализации метода декомпозиции:
Способ формирования систем базисных функций, аналитически точно удовлетворяющих как краевым условиям на внешних границах расчетной области, так и условиям идеального сопряжения эллиптических задач.
Метод фундаментальных решений обобщен на решение идеально и неидеально сопряженных эллиптических и параболических задач. В аналитическом виде получены интегрированные фундаментальные решения и частные решения для класса сингулярных эллиптических и параболических уравнений.
Принцип (алгоритм) итерирования по подобластям обобщен на неидеально сопряженные эллиптические и параболические задачи.
Показана целесообразность совместной реализации обобщенного метода фундаментальных решений для решения задач в подобластях и алгоритма итерирования по подобластям. Для достижения практической сходимости итерационного процесса предложено использовать регуляризацию решений задач в подобластях с минимизацией апостериорных оценок погрешностей их решений.
-
Показаны возможности применегаїя предложенных реализаций метода декомпозиции для решения задач оптимального управления системами гидродинамически взаимодействующих скважин и нефтяными резервуарами, решения обратных коэффициентных задач расчета полей пластовых давлений, математического моделирования процессов многофазной фильтрации флюидов в нефтяных резервуарах.
-
Разработано математическое, алгоритмическое и программное обеспечение подсистем имитационного моделирования нефтяных резервуаров, формирования геологических и технологических карт; принципы построения проблемно-ориентированной информационно-поисковой системы;
б информационное обеспечение задач мониторинга нефтяных месторождений и база знаний "Методы гидродинамического регулирования систем разработки нефтяных месторождений".
Основные положения, представляемые к защите
Концепция и принципы организации информационных систем нефтедобывающих предприятий, как систем мониторинга, анализа, моделировшшя и поддержки принятия решений;
Новые реализации метода декомпозиции, обобщенные методы и алгоритмы решения краевых задач математической физики для создания имитационных моделей нефтяных резервуаров;
Установленные закономерности, полученные при вычислительных экспериментах и апробации моделей, алгоритмов на тестовых и реальных задачах.
Математическое, алгоритмическое и программного обеспечения важнейших функциональных подсистем информационных систем нефтедобывающего производства;
Новые реализации информационного обеспечения систем мониторинга добычи нефти, включая базы данных и знаний.
Практическая ценность работы и реализация результатов работы
В данной диссертационной работе предложена концепция создания и развития информационной системы производственно-технологического комплекса нефтедобычи с учетом основных потребностей потребителей информационных услуг в настоящее время и в обозримом будущем.
На основе разработанных концепции и принципов простроения информационных систем нефтедобывающих предприятий выполнены работы по модернизации важнейших компонент информационных систем нсфгяных компаний Тюменской области: ОАО "Юганскнефтегаз" НК ЮКОС и других. Результатами работ является математическое и программное обеспечение нескольких важнейших функциональных подсистем и баз данных.
Одним из результатов выполнения нескольких фундаментальных и прикладных научно-исследовательских работ с бюджетным и хоздоговорным финансированием, полученных соискателем лично и в соавторстве, является программная система "ТОМОГРАФ" для оперативного геолого-промыслового анализа систем разработки нефтяных месторождений, формирования геологических и технолопіческих карт, визуализации геолого-геофизической и промысловой информации о скважинах и пластах нефтяных месторождений.
Версии программной системы "Томограф" с 1994-1996 годов и по настоящее время находятся в производственной эксплуатации в ОАО "Юганскнефтегаз" - г. Нефтеюганск; ТПП "ЛУКойл-Когалымнефтегаз", ООО "Ватойл" - г. Когалым; ТПП "ЛУКойл-Урайнефгегаз" - г. Урай; АО "Варьеганнефтегаз", ОАО "Варьеганнефть", 000 "Белые ночи"- г. Радужный; 000 "Нобель Ойл" - г. Усинск Республики Коми и других - всего около 20 предприятий.
Использование предложенных в диссертации новых реализаций метода декомпозиции позволяет решать задачи математического моделирования для произвольных систем гидродинамически взаимосвязанных вертикальных, наклонно - ориентированных, горизонтальных и многозабойных горизонтально - ветвящихся скважин, а также для имитации гидроразрывов пластов в таких скважинах. При этом исключается необходимость формирования каких-либо расчетных сеток в расчетных областях. Ограничений на число скважин и их профиль практически нет. Метод применим для имитационного моделирования нефтяных резервуаров с тектоническими нарушениями.
Обобщенный принцип (алгоритм) итерирования по подобластям имеет самостоятельную ценность. Он способен существенно повысить эффективность любого из известных численных методов моделирования нефтяных резервуаров и их программных реализаций, снять ограничения на размеры резервуаров и число скважин в них.
Для ОАО "Юганскнефтегаз" разработана база данных "История разработки месторождений' - основа информационной системы нефтедобывающего производства.
Достоверность
Все разработашюе математическое и программное обеспечение метода декомпозиции тестировалось на задачах, имеющих точное аналитическое решение. Эти вычислительные эксперименты показали эффективность метода и апостериорных оценок погрешностей получаемых численных результатов для контроля решения задач в подобластях и сходимости итерационных процессов.
Алгоритмическое и программное обеспечение, информациошга-поисковой системы, систем визуализации геолого-геофизической информации и формирования геологических и технологических карт тестировалось при обработке информации реальных баз данных. Для более чем 20 нефтедобывающих предприятий корректность алгоритмов подтверждена 4-5 годами производственной эксплуатации.
Полнота, неизбыточность, непротиворечивость базы данных и нормализованность отношений элементов данных проверялись в период ее опытно-производстветюй эксплуатации на трех предприятиях ОАО "Юганскнефтегаз" как на этапе единовременной загрузки информации при переносе ее с магнитных носителей ЕС ЭВМ, так и в опытно-производственных условиях при ежемесячной актуализации базы данных и формировании документов геологической и технологической регламентной отчетности.
Достоверность базы знаний основана на большом числе использованных литературных источников.
Апробаиия результатов
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях, симпозиумах, научно-технических совещаниях различного уровня, в т.ч. 15 международных, 2 всесоюзных и 6 всероссийских:
ПІ, IV конференции по дифференциальным уравнениям и приложениям, КДУ-Ш, КДУ-IV (г. Русе, Болгария, 1985,1989г.г.); V регион, научно-практ. конф. (Томск, 1986); Школа молодых ученых "Численные методы механики сплошной среды" (Красноярск, 1987); 4-й Всесоюзный симпозиум по вычислительной томографии (Ташкент, 1989); International symposium on visual analysis and interface (Novosibirsk, 1991); Совещание "Проблемы информационного обеспечения нефтегазовой промышленности" (Москва, 1992); Школа-семинар "Программное и аппаратное обеспечение проектных и геологических служб нефтегазовой отрасли" (Москва, 1993); Научные мероприятия "Вычислительные Технологии-94, 98 " (Новосибирск, 1994, 1998); Forum des echanges technologiques Est-Ouest. Technologies duales: telecommunications, informatique, electronique et, imagerie spatiales. Centre international de la communication avance Sophia Antipolis (Ницца, Франция, 1994); Международная конференция "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды"-ПООС-95 (Томск, 1995); II Международная конференция по проблемам захоронения жидких радиоактивных отходов (Красноярск, 1995); Авиаперелет ГИС-ассоциации (Сургут, 1996); Ш Международная радиоэкологическая конференция "Судьба отработавшего ядерного топлива: проблемы и реальность" (Красноярск, 1996); Выставка "Нефтегаз - 96" (Москва, 1996); Семинар фирмы SUN (Тюмень, 1996); Выставка "СибВПКнефтегаз- 2000" (Омск, 1997); The First, Second, Third Korea-Russia International Symposium on Science and Technology (Ulsan, Korea, 1997; Tomsk, 1998; Novosibirsk, 1999); Семинар "Современные информационные технологии в нефтяной и газовой промышленности" (Карловы Вары, Чехия, 1997); The Third International Symposium. Application of the conversion research results for international cooperation (SIBCONVERS'99) (Tomsk, 1999); International Conference honoring academician Sergei K.Godunov "Mathematics in Applications" (Novosibirsk, 1999); 7-й Всероссийский семинар "Нейроинформатика и ее приложения" (Красноярск, 1999); XVII Международная конференция "Математическое моделирование в механике сплошных сред на основе методов граничных и конечных элементов" (Санкт-Петербург, 1999); II Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве" (Нижний Новгород, 2000).
Публикации
Основное содержание диссертационной работы изложено в 40 опубликованных статьях, докладах и тезисах докладов в трудах конференций и симпозиумов различного уровня.
Личный вклад автора в результаты совместных публикаций состоит в разработке и развитии методов математического моделирования, формулировке концепции модернизации информационных систем, постановках задач, формализации алгоритмов обработки данных, формировании общей концепции систем и их функциональных подсистем для обработки геолого-геофизической
и промысловой информации о нефтяных месторождениях, разработке и внедрения информационного обеспечения математического, алгоритмического и части программного обеспечения.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 164 названий (исключая публикации автора) и приложения. Ее основной текст изложен на 233 страницах, 23 таблицах и иллюстрирован 78 рисунками.
