Введение к работе
Актуальность темы. Россия - одна из стран поставщиков нефти. Бюджет её в значительной степени зависит от уровня добычи нефти, её использования на внутреннем рынке и от объема зарубежных поставок.
Несмотря на то, что нефтяная промышленность является стержнем экономики России она, как и вся экономика страны, с 1990 г. переживает кризисные явления. В 90-х годах произошел спад объема добычи нефти почти в два раза. По данным Ставропольского краевого комитета государственной статистики объем добычи нефти в крае в 2000 г. составил по сравнению с 1980 г. 17,5 %, а в сравнении с 1990 г. - 57,6 %. Численность работающих в нефтяной отрасли края возросла к 2000 г. (с 1980 г.) в 3,9 раза. За 20 лет производительность труда упала в 22,3 раза.
Нефтяные компании, стремясь к максимальной прибыли, выводят из эксплуатации низкодебитные скважины, ведут бессистемный форсированный отбор жидкости из малообводненных и безводных скважин, тем самым интенсивно приближая момент полной обводненности скважин. При этом в нефтяных залежах остается значительное количество минерального сырья, которое можно извлечь, применяя оптимальные технологические и организационные режимы эксплуатации месторождения. Государство - владелец всех минеральных ресурсов на территории России - в создавшейся ситуации лишается стратегических запасов химического и энергетического сырья и возможности получения значительных поступлений в свой бюджет.
Успехи в развитии информационных технологий в последние десятилетия открыли перспективы широкого использования средств и методов обработки технологической и организационной информации при управлении процессами нефтедобычи. Распределенный характер технологических процессов добычи полезных ископаемых приводит к существенному возрастанию требований как к средствам передачи данных, так и к методам управления технологическими процессами. В первую очередь новые информационные методы нашли широкое применение в обработке оперативной информации и телемеханизации буровых установок, добывающих скважин, объектов промысловой энергетики.
На фоне интеграции средств передачи и обработки информации все более заметной становится разобщенность методов системного анализа и управления на различных стадиях эксплуатации месторождений. Особенно контрастно выглядит данная проблема при разведке малых месторождений, диспетчерском управлении бурением скважин, организации добычи нефти на последних стадиях эксплуатации месторождений.
Несмотря на вековую историю добычи нефти и отдельные успехи способов разведки залежей и технологии извлечения пластовых флюидов на поверхность, решены лишь отдельные частные задачи системного анализа нефтедобывающих комплексов. К сожалению, еще недостаточно исследованы методы выбора наиболее эффективных организационных, технических и технологических решений разработки нефтяных месторождений, отличающихся неопределенностью геологических характеристик залежей. Очевидно, что для решения различ-
ных задач проектирования и конструирования производственных комплексов нужна новая конструктивная теория, которая могла бы стать системно-объединяющей основой различных известных формальных методов, включая и оптимизационные, позволяющих с единых позиций проводить анализ и синтез технологических объектов, а также находить «оптимальные управления» на всем множестве ситуации проектирования, строительства и эксплуатации отдельных производств нефтедобычи.
В связи с изменившимися в последние десятилетия условиями информационного обмена в производственных системах требуется проведение всесторонних научных исследований с целью систематизации известных концептуальных моделей, научных методов формирования и выбора решения задач управления процессами добычи нефти, определение направлений разработки системных методов эффективного освоения природных ресурсов.
Наиболее близкими по методам решения поставленной проблемы являются методы теории автоматического управления, теории организационных систем и теории интеллектуальных систем. Перечисленные теории разрабатывают решения только частных задач поставленной в диссертационной работе проблемы. Причем одни из них нацелены на разрешение неопределенности на нижних уровнях управления производством, предполагающие идеальность внешних условий функционирования (оптимистический подход), а другие - на наихудший вариант такого воздействия (пессимистический). Первый подход приводит к возможным социальным потерям, а второй - к возрастанию капитальных затрат. В таких условиях методы поиска компромисса при анализе производственных систем, их моделировании, синтезе структур и поиска решений управления остаются открытым.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работы определяется необходимостью разрешения противоречий в системном анализе процессов нефтедобычи, обусловленных следующими двумя основными группами факторов.
Первая группа факторов - наличие ряда практических противоречий между постоянно возрастающими требованиями повышения качества организации работ и снижения социальных затрат при бурении скважин и эксплуатации залежей нефти.
Вторая группа факторов - недостаточный уровень развития теоретических основ решения задач системного анализа и управления производственными комплексами в условиях геологической неопределенности параметров нефтяных залежей. Указанный недостаток проявляется, прежде всего, в конструктивной незавершенности, в ограниченном использовании и недостаточности систематизации применения методов решения подобных задач.
Предметом исследования является методология системного анализа и управления процессами добычи нефти на различных стадиях эксплуатации месторождений в условиях неопределенности геологического строения среды.
Объект исследования - технологические процессы, предприятия и интегрированные комплексы нефтедобычи.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности функционирования объектов нефтедобычи, особенно на поздней стадии экс-
плуатации нефтяных залежей, на основе совершенствования методологии системного анализа процессов создания и управления многоуровневыми интеллектуальными производственными системами, включая разработку методов управления ситуациями и создание специализированных технических средств измерения и передачи данных.
Научная проблема, решаемая в диссертационной работе, заключается в разработке теоретических основ и практических рекомендаций системного анализа многоуровневых технических систем, ориентированных на активное использование интеллекта операторов в условиях неопределенности геологического строения среды и недостаточной квалификации управляющих звеньев, на основе многоуровневого моделирования функций управления производственными комплексами, путем использования синтеза функциональных и технических структур, а также алгоритмов управления объектами на этапах создания, существования и их ликвидации.
Методы исследования. В диссертации использованы системный анализ, методы математического моделирования, теории вероятности, распознавания образов, направленных графов, алгебраические модели, асимптотические разложения в анализе, методы дискретной математики, экономико-математического моделирования, достижения современной психологии. В процессе исследования были изучены и проанализированы труды отечественных и зарубежных ученых, что позволило обобщить материалы по системному анализу и управлению многоуровневыми производственными комплексами.
Основные положения, выносимые на защиту:
Концептуальная модель интеллектуального производственного комплекса (ИПК), включающая пять потоков воздействия окружающей среды, пять потоков влияния комплекса на окружающую среду и пять внутренних преобразователей (энергетический, технологический, восстановления, безопасности и интеллектуальный).
Теоретико-множественные методы анализа и синтеза ИПК, включая алгебраические операции для различных видов технологических последовательностей, а также синтез функциональных, технических и алгоритмических моделей.
Метод многоуровневого ситуационного управления, требующий создания четырех семиотических моделей (описания сферы, уровня управления, межуровневой конкретизации и межуровневой корреляции) и четырех подсистем обслуживания.
Метод синтеза одноуровневых ИПК. Методы и результаты решения частных задач: оптимальная разведка малых месторождений и синтез забойных измерительных комплексов для температур выше 175 С.
Метод системного анализа и синтеза двухуровневых ИПК. Метод научного обоснования целесообразности диспетчеризации буровых работ с использованием в качестве канала связи промысловых линий электропередачи, а также структурный синтез крупных производственных объектов территориальной инфраструктуры нефтедобычи.
6. Метод системного анализа многоуровневого ИПК добычи нефти с
разработкой и обоснованием государственных стратегий налогообложения при
эксплуатации месторождений на поздней стадии.
7. Предложения по технической реализации забойного измерительного
комплекса и аппаратных средств диспетчерского управления буровыми работа
ми, а также технологическим решениям при проектировании цеха ремонта на-
сосно-компрессорных труб и мини нефтеперерабатывающего завода.
Научная новизна работы обусловлена тем, что в ней: 1. Впервые рассмотрена новая формальная модель многоуровневого производственного комплекса, представляемая 15-вершинным графом. Аналогичные концептуальные модели были предложены:
академиками Бергом А.И., Глушковым В.М., В.А. Трапезниковым В.А. - система автоматизированного управления {вход-автоматизированная система управ-ления-выход <-> физическая, социальная среда),
Цетлиным М.Л., СтефанюкомВ.Л. - локально-организованная система (вход -система - выход <-> (среда + аналогичные системы),
Оптнером С.Л., Федоренко Н.П., Никаноровым С.Н., Черняком Ю.И. - организационная система (вышестоящая система - исследуемая система - нижестоящая система - существенная среда),
Поспеловым Д.А., Клыковым Ю.И. - модель ситуационного управления (входной знак - семиотическая система - знаки управления <-> среда)
- Nilsson N.J., Poole D., Mackworch A.K., Goebel R., Newell A. - интеллектуаль
ный агент (восприятие - интеллектуальный агент - действия <-> среда)
- Hammer М., Champi J., Soham Y., Ойхманом Е.Г., Поповым Э.В. - многоагент-
ная система, интеллектуальное предприятие (входной информационный поток -
многоагентная система - выходной информационный поток <-> среда).
Недостатком этих концептуальных конструкций является их явная нацеленность на решение конкретных экономических или структурных задач, а также несоответствие современным достижениям в области информационных технологий, психологии управления, требованиям промышленной и экологической безопасности при проектировании и строительстве промышленных объектов.
Предлагаемая в диссертационной работе концептуальная модель интеллектуального производственного комплекса позволяет строить конструктивные процедуры системного анализа и синтеза разной информационной общности для сложных производственных объектов, действующих в условиях изменяющейся среды существования и неполноты процедур управления. Для новой концептуальной структуры ИПК исследованы операции декомпозиции и агрегирования.
В дополнение к известным методам ситуационного управления разработан новый метод многоуровневого ситуационного управления, в котором предложены процедуры межуровневой конкретизации и корреляции, рассмотрены ситуации неопределенности вывода и способы её исключения.
Диспетчерские системы - самые распространенные интеллектуальные производственные комплексы. Обоснован и разработан новый метод социальной оценки диспетчеризации буровых работ, использующий высокочастотные каналы связи по линиям электроснабжения. Создан новый системный метод оценки
затухания высокочастотного сигнала при его распространении по силовым сетям электроснабжения. Он включает оценку затухания по топологии сети методом распознавания образов, расчет затухания методом направленных графов и оценку расчета по асимптотическому разложению выражений коэффициентов четырехполюсника.
Выполнено агрегирование структуры крупных промышленных объектов нефтедобычи: цеха ремонта насосно-компрессорных труб и мини нефтеперерабатывающего завода.
Новизна и эффективность технических решений создания забойных измерительных комплексов и диспетчеризации буровых работ подтверждена 21 авторским свидетельством.
Совокупность сформулированных и обоснованных в диссертации новых научных положений, разработанных методов и моделей представлена как теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием положений, доказанных методами системного анализа, дискретной математики, теории графов, теории управления, а также строительством промышленных объектов и их эксплуатацией.
Практическая ценность и внедрение результатов работы. Практическая значимость проведенного исследования состоит в том, что методический инструментарий, разработанные проекты одноуровневых и двухуровневых ИПК были использованы при решении конкретных задач управления нефтедобывающим комплексом. Полученные теоретические результаты, методики, модели были апробированы на нефтедобывающих предприятиях г. Грозного и Ставропольского края.
Аппаратура диспетчерского контроля бурения скважин, изготовленная Грозненским НПО «Промавтоматика» в 1970-1980 г. была поставлена на многие буровые предприятия России, Украины, Белоруссии и Казахстана.
Под руководством автора диссертационной работы в 2003-2004 г. разработан проект двухуровневого интеллектуального комплекса ремонта насосно-компрессорных труб производительностью 120 тыс. труб в год. Автоматизированный ремонтный комплекс сдан в эксплуатацию в августе 2005 г. Аналогично в 2006 г. разработан проект современного товарно-сырьевого склада нефтепро-дуктов объемом хранения 8000 м , принятый к производству ОАО «Компания «Полином-ойл». Методика оптимизации налогообложения нефтедобывающих предприятий одобрена руководством НК «Роснефть-Ставропольнефтегаз».
Апробация исследований. Основные результаты исследований были представлены на научных конференциях и семинарах по ситуационному управлению и искусственному интеллекту, организованных в семидесятых - восьмидесятых годах Научным советом по комплексной проблеме «Кибернетика» при Президиуме АН СССР. Они проводились в городах Одесса (1972, 1973, 1974, 1981 гг.), Грозный (1975 г.), Звенигород (1977 г.)
Методы создания систем управления различными технологическими процессами, разработанные под руководством автора, обсуждались на многочис-
ленных научно-практических конференциях, организованных под эгидой Министерства нефтяной промышленности СССР, Министерства приборостроения и систем управления СССР и Института проблем управления АН СССР в 1966 -1987 г. Среди них: «Автоматизация управления и построение информационной сети нефтедобывающего предприятия» (Грозный, 1966 г.); «Технологические основы оптимального управления процессом бурения скважин шарошечными долотами» (Куйбышев, 1966 г.); «Микропроцессорные комплексы для управления технологическими процессами» (Москва, 1987 г.); «Республиканское научно-техническое совещание по каталитическому крекингу» (Баку, 1989 г.); «Всесоюзный семинар по волоконной оптике» (Грозный, 1986 г.)
Методы анализа и синтеза производственных комплексов, методика оптимального налогообложения нефтедобывающих предприятий были представлены на следующих конференциях: VI международная научно-производственная конференция «Состояние и перспективы работ по повышению нефтеотдачи пластов» (Самара, 2002 г.); научно-практическая конференция Северо-Кавказского государственного технического университета (Ставрополь, 2003 г.); международная научно-практическая конференция «Наука, производство, транспорт, бизнес - 2005», (Ессентуки, 2005 г.); Вторая международная научно-техническая конференция «Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании» (Кисловодск, апрель 2006 г.); Третья международная конференция «Современная АЗС: рынок нефтепродуктов, тенденции, оборудование, эксплуатация» (Москва, апрель 2006 г.)
Публикации и личный вклад автора. Основные результаты диссертации изложены в 60 печатных работах, в том числе в 6-ти книгах и монографиях, 12 статей из Перечня журналов ВАК РФ, 21 авторском свидетельстве на изобретение
Структура и объем работы. Диссертация представлена на 296 страницах и состоит из введения, 6 глав, выводов и предложений, списка использованной литературы и приложений, в которые включены акты приема рабочих проектов по теме диссертации.
