Содержание к диссертации
Введение 5
1 Анализ традиционного моделирования и обработки информации в нефтегазовых технологиях 14
1.1 Системы нефтегазодобычи как сложные системы 14
1.2 Многоуровневая структура сложных систем нефтегазодобычи
1.3 Анализ процессов моделирования и принятия решений в нефтегазодобывающих системах 32
1.4 Системный подход при моделировании сложных систем нефтегазодобычи в условиях неопределенности 54
1.5 Преимущества «мягких» вычислений для моделирования и обработки геолого-промысловой информации в условиях неопределенности62
1.6 Выводы по первому разделу 74
2 Технология «мягких» вычислений для моделирования и принятия решений в условиях неопределенности 78
2.1 Базовые описания для построения нечетких моделей 78
2.2 Формализация «мягких» вычислений для обработки нечеткой информации 95
2.3 Аналитические методы для «мягких» алгебраических операций... 106
2.4 Численные методы расчета нечетких величин 114
2.5 Дискретные методы «мягких» вычислений 118
2.6 Особенности решения уравнений и систем уравнений с нечеткими коэффициентами 123
2.7 Выводы по второму разделу 131
3 Методы принятия решений и оптимизации в нечетких условиях 135
3.1 Задачи оптимизации и принятия решений в нечеткой постановке 135
3.2 Игры в нечетко определенной постановке 145
3.3 Многоуровневая структура численных методов решения, задач математического программирования и идентификации 148
3.4 Динамические задачи принятия решений и особенности контроля и управления в условиях стохастической неопределенности 165
3.5 Многошаговые процессы принятия решений в нечетких условиях 174
3.6 Выводы по третьему разделу 181
4 Принципы построения системы математических моделей сложных систем в условиях неопределенности 185
4.1 Стратиграфическое описание сложных систем и иерархия вложенных моделей 185
4.2 Общие принципы построения системы математических моделей структурно-сложных объектов 191
4.3 Процедуры интеграции разнородной информации при принятии решений в условиях неопределенности
4.4 Многослойное моделирование в условиях неопределенности .206
4.5 «Мягкие» вычисления в многоуровневых модельных ограничениях 215
4.6 Выводы по четвертому разделу 218
5 Методы «мягких» вычислений для аналитической обработки нефтегазопромысловой информации в условиях неопределенности 223
5.1 Контроль уровня неопределенности при оценке технологических и геолого-промысловых параметров 223
5.2 Обработка гидродинамических исследований газовых скважин при неточных измерениях 227
5.3 Оценка параметров газоносного пласта с учетом точности геолого-геофизической информации 236
5.4 Аналитические расчеты параметров средней скважины и технологических показателей разработки газового месторождения 239
5.5 Балансирование измерительной информации в газосборных сетях при оценке фактических дебитов скважин 247
5.6 Идентификация нечетких коэффициентов гидравлических сопротивлений 253
5.7 Расчеты экономических показателей разработки месторождений в условиях неопределенности исходной информации 257
5.8 Выводы по пятому разделу 266
6 Многослойное моделирование нефтегазопромысловых процессов и систем 271
6.1 Оценка обобщенных фильтрационно-емкостных свойств скважин и уточнение коллекторских свойств пластов и пропластков 271
6.2 Многоуровневая система моделей подсчета запасов газа с учетом точности геолого-геофизической информации 273
6.3 Интеграция информации при подсчете запасов нефти в условиях неопределенности 291
6.4 Балансировка крупноблочных моделей разработки нефтяных месторождений 305
6.5 Согласование данных и расчет балансов газового месторождения для оценки процессов обводнения 317
6.6 Взаимодействие вложенных моделей при расчете и идентификации режимов работы сетевого межпромыслового коллектора и газосборных сетей 327
6.7 Стратиграфическая система моделей при оптимизации режимов работы сетевого межпромыслового коллектора 342
6.8 Выводы по шестому разделу 352
Основные выводы и рекомендации 357
Библиографический список 359
Приложение А. Программный комплекс по оценке запасов 385
Приложение Б. Акты внедрения 3
Введение к работе
Актуальность проблемы Разработка конструктивных методов контроля и управления сложными системами нефтегазодобычи в условиях неопределенности значительно отстает от потребностей практики, что затрудняет использование всех возможностей, предоставляемых технологией, и приводит к существенному снижению эффективности и надежности их работы.
Системы нефтегазодобычи характеризуются большой погрешностью промысловых данных, отсутствием информации об отдельных параметрах, наличием разнородной информации. Отсутствие достоверной исходной геолого-промысловой информации делает бессмысленным использование все более сложных математических моделей для анализа и прогнозирования процесса разработки. Ошибки аппроксимации и трудности вычислений становятся непреодолимыми, когда детерминированная модель экстраполируется на описание неточной системы явлений, распределенных в пространстве и во времени. В этих условиях наблюдается стремление специалистов нефтегазовой отрасли использовать упрощенные модели малой размерности и системы моделей для уменьшения неопределенности ситуации, исключения «странных» решений и получения устойчивых результатов.
В соответствии с принципом целостности сложную систему нефтегазодобычи единообразно описать точно нельзя. Вследствие этого для ее анализа на разных уровнях требуются различные методы и модели; традиционный детерминированный подход к описанию процессов разработки месторождений является необходимым, но далеко не достаточным.
Ряд зарубежных фирм (Schlumberger, Roxar, Landmark), занимающихся созданием программного обеспечения по управлению нефтегазодобывающими комплексами, все больше уделяют внимание методам и программам принятия решений в условиях неопределенности и риска. Но в основном методики сводятся к методу Монте-Карло и простейшим расчетам, чаще всего в виде отдельного пакета программ.
Неполнота данных о сложных нефтегазопромысловых системах и их отдельных элементах заставляет разрабатывать для их описания и моделирования математические структуры, которые позволяли бы в комплексе использовать все виды мультидисциплинарных данных о строении и функционировании таких систем.
Принципиальный шаг в формальных приемах описания совместного использования перечисленных видов информации, особенно качественной, которая ранее при математическом моделировании просто терялась, сделана Л. Заде введением понятия нечеткого множества.
Цель работы
Целью работы является создание методологических основ многоуровневого анализа и технологии обработки нечеткой информации в сложных нефтегазопромысловых комплексах и системах.
Основные задачи исследований
1. Системный анализ основных проблем традиционного моделирования и обработки информации на нефтегазодобывающих предприятиях.
2. Разработка теоретических методов и алгоритмов технологии «мягких» вычислений для обработки информации в условиях неопределенности.
3. Разработка методов принятия решений, оптимизации и идентификации в нечетких условиях.
4. Формирование системных требований и разработка методики построения многослойной системы математических моделей сложных объектов в условиях неопределенности.
5. Разработка алгоритмов и методов обработки нечеткой нефтегазопромысловой информации для обеспечения надежных оценок технологических и экономических параметров.
6. Разработка алгоритмов и методов многослойного моделирования нефтегазопромысловых процессов и систем, обеспечивающих эффективное функционирование нефтегазодобывающих предприятий. Методологическими и теоретическими основами послужили работы:
• зарубежных ученых: Р. Беллмана, А. Брайсона, И. Вильсона, Д. Дюбуа, Л. Заде, А. Коффмана, В. Кикерта, И. Мамдани, М. Месаровича, К. Негойце, А. Прада, С. Хирагава, Хо Ю-Ши, Р. Ягера и других;
• российских ученых: А.Н. Аверкина, А.В. Алексеева, Р.А. Алиева, А.Е. Алтунина, Л.С. Берштейна, А.Н. Борисова, В.П. Бочарникова, Ю.Н. Васильева, Л.Ф. Дементьева, Ю.В. Желтова, С.Н. Закирова, А.Н. Кирсанова, Б.Л. Кучина, Б.Б. Лапука, В.М. Лачинова, М.И. Либерзона, В.В. Луценко, М.М. Максимова, А.Х. Мирзаджанзаде, О.П. Недосекина, С.А. Орловского, А.О. Полякова, СВ. Прокопчиной, А.С. Федулова, М.М. Хасанова, ЯМ. Хургина, СП. Шарого, А.Х. Шахвердиева, О.П. Шишкина, Ю.И. Шокина и других.
Обозначенные в работе цели из задачи диссертационного исследования ставились и решались с применением теории нечетких множеств и теории многоуровневого иерархического моделирования и управления.
Рассматриваемая методика представления и моделирования сложных систем в условиях неопределенности является синтезом известных подходов и приемов моделирования сложных объектов: макро — микро подхода для имитационного моделирования; стратиграфического описания сложных объектов; многопорядковой системной динамики вложенных процессов; координации решений в иерархических системах управления.
Научная новизна Для работы с нечеткими величинами разработана целостная технология выполнения расчетов в условиях неопределенности. Разработан подход к принятию решений в сложных системах нефтегазодобычи на основе теории нечетких множеств и теории многоуровневых иерархических систем. Научной новизной обладают следующие результаты:
1. Исследование аналитических и численных методов технологии «мягких» вычислений позволило разработать ряд простых и удобных для практики реализаций алгоритмов для обработки информации в
нечетких условиях.
2. Для многошаговых процессов принятия решений в условиях независимости ошибок измерения и помех выведена рекуррентная процедура нахождения апостериорной функции принадлежности для нечеткого состояния системы, что позволяет реализовать на практике алгоритмы идентификации параметров и состояния системы в нечетких условиях.
3. Анализ принципов построения системы математических моделей структурно-сложных объектов позволил предложить методику построения многослойного описания сложной системы в условиях неопределенности, что дает возможность объединить отдельные модели и разрозненную информацию о системе на единой методологической основе.
4. Разработана процедура интеграции разнородной информации при принятии решений в многослойных моделях в условиях неопределенности. Предлагаемый подход на основе теории нечетких множеств дает возможность согласовать разрозненную приближенную информацию разных уровней описания и сузить область неопределенности.
5. Разработаны методика и алгоритмы координации нечетких многоуровневых модельных ограничений, которые позволяют уменьшить неопределенность и скорректировать функции принадлежности исходных данных таким образом, чтобы они соответствовали согласованным решениям на верхних уровнях описания системы.
6. Предложенные методы и алгоритмы обработки нечеткой нефтегазопромысловой информации дают возможность вести контроль уровня неопределенности при расчетах и оценках геолого-промысловых, технологических параметров и экономических показателей в условиях неопределенности.
7. Разработана методика многослойной интеграции информации при оценке запасов нефти и газа для уменьшения неопределенности решений и повышения надежности результатов. При наличии многоуровневой системы моделей подсчета запасов нефти и газа объемным и балансовым методами данная методика позволяет согласовать неточную геолого-геофизическую информацию и получаемые нечеткие оценки на разных уровнях обобщения.
8. Разработаны алгоритмы балансировки крупноблочных моделей разработки нефтяных и газовых месторождений, которые основаны согласовании избыточной информации, появляющейся при наличии такой многоуровневой системы моделей, и последующей корректировки нечетких решений по уровням описания. Предложенные алгоритмы позволяют проводить экспресс-оценку объема вторгшейся в продуктивный пласт воды из водоносного бассейна, восстановление материального баланса по отдельным фазам, настройку трёхмерных геолого-технологических моделей.
9. Использование многослойной системы моделей при гидравлических расчетах газосборных сетей позволило разработать эффективные алгоритмы расчета, идентификации и оптимизации режимов работы сетевого межпромыслового коллектора.
10. Разработан многоуровневый алгоритм оптимизации режимов работы сетевого коллектора с нечетким критерием, учитывающим целый ряд важных для практики особенностей системы газодобычи: координирующих нечетких параметров со стороны процесса разработки месторождения, технологического оборудования УКПГ и магистрального транспорта газа, возможность проведения расчетов при наличии неопределенности информации экспертного характера.
Практической значимостью обладают:
- оценка геолого-промысловых параметров при наличии неточных замеров и моделей;
- подсчет запасов газа объемным и балансовым методами по неточным промысловым данным;
- подсчет запасов нефти объемным и1 балансовым методами с учетом точности геолого-промысловой информации; аналитические расчеты параметров средней скважины и технологических показателей разработки газового месторождения в условиях неопределенности;
- экспресс-метод контроля и управления режимами работы газовых скважин при наличии многоуровневой системы моделей;
- оценка фактических дебитов скважин; балансировка крупноблочных моделей разработки нефтяных месторождений;
- расчет и оптимизация режимов работы межпромыслового коллектора с учетом неопределенности и «мягких» ограничений; оценка экономических показателей нефтегазовых проектов и инвестиций.
Реализация результатов работы
На основе предложенных методов были разработаны комплексы алгоритмов и программ, которые использовались в ООО «Тюменский нефтяной научный центр» ОАО «ТНК-ВР Менеджмент», г. Тюмень для расчета запасов нефти объемным методом по неточным геолого-промысловым данным; в ООО «Тюменский научно-исследовательский и проектный институт природных газов и газовых технологий» (ТюменНИИгипрогаз) ОАО «Газпром», г.Тюмень — для оценки точности подсчета запасов с использованием теории нечетких множеств; в ВПО «Тюменгазпром», г. Тюмень - для контроля и рационального управления процессами разработки газовых месторождений; в ООО «Газпромразвитие» (Отдел в г. Тюмени) ОАО «Газпром» - для расчета и оптимизации стационарных режимов работы межпромысловых коллекторов сложной сетевой структуры.
Разделы работы, посвященные вопросам формализации «мягких» вычислений, методам построения системы многослойных моделей сложных объектов использовались при чтении лекций и на практических занятиях по предметам «Моделирование информационных процессов и систем», «Компьютерное моделирование» и спецкурсу «Теория нечетких множеств» студентам специальности 071900 - Информационные системы в бизнесе в Тюменском государственном университете.
Апробация работы Основное содержание диссертационной работы докладывалось на: республиканской межвузовской конференции "Проблемы освоения нефтегазовых ресурсов Западной Сибири" (г. Тюмень, 1979); III научно-технической конференции "Проблемы улучшения использования математических методов и ЭВМ в народном хозяйстве области" (г. Тюмень, 1982); межреспубликанской научной конференции "Модели выбора альтернатив в нечеткой среде" (г. Рига, 1984); научно-технической конференции "Использование вычислительной техники в решении задач повышения эффективности производства" (г. Краснодар, 1985); всесоюзной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири. Проблемы добычи и транспортировки" (г. Тюмень, 1985); всесоюзной научно-технический конференции "Внедрение новых технологий и методов в разработку и функционирование АСУ" (г. Свердловск, 1987); всероссийской научно-практической конференции «Технолого-инструментальные новации в управлении топливно-энергетическим комплексом: макро-, мезо- и микроуровень» (г. Тюмень, 2000); международной конференции по мягким вычислениям (г. С.-Перербург, 2003); международном научно-техническом семинаре «Информационные системы и технологии в геологии и нефтегазодобыче» (г. Тюмень, 2003); 33-ей конференции «Современные информационные технологии в нефтяной и газовой промышленности» (Черногория, 2004); 34-ой конференции «Современные информационные технологии в нефтяной и газовой промышленности» (Мальта, 2005).
Публикации По теме диссертации опубликовано 44 работы, в том числе 2 монографии и одно авторское свидетельство.
Личный вклад В публикациях, подготовленных лично автором, содержатся основные теоретические положения развиваемого подхода к анализу и обработке нечеткой информации в условиях неопределенности. В работах, опубликованных в соавторстве с Алтуниным А.Е.,
Крел Л.Д., Чуклеевым С.Н., автор выступал как постановщик и разработчик ряда оригинальных аналитических, численных и дискретных методов обработки нечеткой информации, в том числе и с альтернативными типами операций, методов «мягких» вычислений для аналитической обработки нефтегазопромысловой информации.
В работах, опубликованных в соавторстве с Алтуниным А.Е., автор развивал идеи многослойного стратиграфического описания сложных систем в условиях неопределенности, выступал разработчиком процедуры интеграции информации при оценке запасов нефти и газа различными методами, численных методов «мягких» вычислений для координации многоуровневых модельных ограничений и алгоритмов балансировки крупноблочных моделей разработки нефтяных и газовых месторождений.
В работах, опубликованных в соавторстве с Кирсановым А.Н., Адлером автор развивал идеи многоуровневой системы моделей подсчета запасов газа объемными методами и оценки нечеткой величины газоотдачи месторождения.
В работах, опубликованных в соавторстве с Кутыревым А.Л., Крел Л.Д., Цыбульник В.Н., Губиным Е.Б., автор был постановщиком рекуррентной процедуры нахождения апостериорной функции принадлежности для идентификации нечеткого состояния системы, метода нелинейной оптимизации режимов работы сетевого коллектора с нечетким критерием, разработчиком алгоритмов гидравлического расчета и оптимизации газосборных сетей.
Основные защищаемые положения
1. Теоретически обоснованы методы и разработаны удобные для практического использования алгоритмы «мягких» вычислений для обработки нечеткой информации, позволяющие получать результаты в численном или аналитическом виде.
2. Выведены рекуррентные процедуры идентификации состояния и нечетких параметров моделей аналогично стохастическому оцениванию параметров с использованием байесовского подхода.
3. Разработана методика построения многослойной системы математических моделей сложных объектов в условиях неопределенности, позволяющая интегрировать отдельные модели разного уровня представления и разрозненную нечеткую информацию о системе на единой методологической основе.
4. Обоснованы методы и построены алгоритмы координации и согласования многоуровневых нечетких модельных ограничений, учитывающих особенности многослойной организации геолого-промысловой информации, для уменьшения неопределенности и повышения надежности результатов оценки.
5. Разработаны алгоритмы обработки нечеткой промысловой информации для гидродинамических исследований газовых скважин, оценки параметров газоносного пласта, средней скважины, технологических и экономических показателей разработки месторождения, идентификация нечетких коэффициентов гидравлических сопротивлений и фактических дебитов скважин, позволяющие вести контроль уровня неопределенности на всех этапах расчета.
6. Разработаны алгоритмы интеграция информации при оценке запасов нефти и газа, позволяющие уменьшить неопределенность и согласовывать нечеткие модели разных уровней представления - балансовые, объемные, в том числе двух- и трехмерные.
7. Разработаны методы многослойного моделирования нефтегазопромысловых процессов и систем для балансировки крупноблочных моделей разработки нефтяных и газовых месторождений, гидравлических расчетов газосборных сетей с целью повышения эффективности функционирования нефтегазодобывающих предприятий.
Структура диссертации Диссертация состоит из введения, шести разделов, списка использованной литературы, включающего 287 наименований, и двух приложений. Содержит 358 страниц текста, 58 рисунков, 17 таблиц.
