Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Обзор современного состояния информационных технологий, применяемых при проектировании обустройства нефтяных и газовых месторождений 17
1.1. Краткий исторический обзор 17
1.2. Сравнительная характеристика программного обеспечения и технических средств информационных технологий, применяемых при проектировании обустройства нефтяных и газовых месторождений 27
1.3. Практический опыт применения информационных технологий в нефтегазовых отраслях экономики 33
Выводы к разделу 1 36
Раздел 2. Реализация информационных технологий и применение методов системного анализа при проектировании обустройства нефтяных и газовых месторождений 38
2.1. Основные цели и задачи 38
2.2. Геотехнологическая информационная система - результат интеграции ГИС и САПР 40
2.3. Главные особенности геотехнологической информационной системы проектирования обустройства месторождений 48
2.4. Состав программного обеспечения 68
2.5. Функциональная модель геотехнологической системы 69
Выводы к разделу 2 70
Раздел 3. Технология проектирования и опыт применения геотехнологической информационной системы ОАО Гипротюменнеф-тегаз при проектировании обустройства нефтяных и газовых месторождений 73
3.1 .Технология проектирования 73
3.2. Обустройство правобережной части Приобского нефтяного месторождения 78
3.3. Обустройство Восточно-Таркосалинского газового промысла 82
3.4. Обустройство Самотлорского месторождения 87
3.5. Разработка мероприятий по снижению негативного воздействия на окружающую среду при строительстве и разработке нефтяных месторождений 94
Выводы к разделу 3 101
Основные результаты и выводы 103
Литература 107
- Краткий исторический обзор
- Сравнительная характеристика программного обеспечения и технических средств информационных технологий, применяемых при проектировании обустройства нефтяных и газовых месторождений
- Геотехнологическая информационная система - результат интеграции ГИС и САПР
- Обустройство правобережной части Приобского нефтяного месторождения
Введение к работе
Актуальность темы.
Современный этап развития нефтегазодобычи Западно-Сибирского региона имеет ряд особенностей, обусловленных совокупностью природных, экономических и технологических факторов. Ведется разработка большого количества мелких, вновь вводимых в эксплуатацию месторождений. Для большинства средних и крупных месторождений наступила стадия развития и реконструкции. Это требует выполнения полного цикла проектных работ обустройства месторождений. Проекты значительно отличаются друг от друга, имеют свою специфику, а проектирование и строительство ведется в условиях повсеместного перехода от плановой к рыночной экономике. В этих условиях повышение эффективности работы проектных институтов становится весьма актуальной задачей.
Труд проектировщиков становится востребованным, а проектные институты все больше стали работать под заказ. Целью развития и внедрения современных информационных технологий в проектировании является:
высокое техническое качество проектов;
современные технические решения;
обоснованность и квалифицированность проектных проработок;
максимально сжатые сроки проектирования;
гибкое реагирование на изменяющиеся требования заказчика;
оперативное внесение в проект необходимых изменений и корректировок;
выдача заказчику проектной документации в цифровом виде, удобном для работы, хранения, тиражирования;
выдача заказчику кроме традиционных проектных материалов дополнительной информации, способствующей более эффективному строительству и последующей эксплуатации объектов;
повышение эффективности управления проектированием;
ведение необходимой плановой и учетной информации на основе единого информационного пространства в корпоративной сети.
Успешное решение вышеперечисленных задач основывается на широком применении средств вычислительной техники, оснащенной современным программным обеспечением. Приобретение нескольких рабочих мест дорогостоящей системы, даже при наличии классных специалистов, не решает проблем автоматизации научно-исследовательского и проектного института.
Развитие информационных технологий коренным образом меняет информационную среду, технологию проектирования и даже роль проектировщиков: из техников, расчетчиков, чертежников и экономистов они превращаются в инженеров-конструкторов, полностью моделирующих с помощью компьютера объект проектирования и процессы, происходящие в нем. При этом актуальными задачами становятся задачи управления данными и обмена знаниями. Быстрый рост интернет-технологий дал выход для глобальной информатизации. Следует ожидать, что в ближайшие несколько лет информационные технологии будут бурно совершенствоваться и в первую очередь в аспекте взаимодействия.
Таким образом, успех работы проектного института в настоящее время определяется не только научным потенциалом, инженерными кадрами, но и способностью собирать, обрабатывать, обобщать и воспроизводить огромные объемы информации в электронном виде. Для сохранения конкурентоспособности проектные институты должны постоянно обновлять основную модель ведения проектирования. Она должна всегда соответствовать быстро меняющимся условиям, технологическим аспектам объектов проектирования при постоянном росте уровня компьютеризации.
От проектировщиков требуется умение быстро собрать точную и актуальную цифровую информацию об объекте проектирования, в короткие сроки обработать ее, проанализировать и выдать также в цифровом виде проектные решения в нескольких вариантах. Хотя цифровые технологии с одной стороны могут упростить сбор и преобразование информации, с другой стороны они одновременно ведут к необычайному разрастанию объемов данных. Фильтрация, сортировка, преобразование, анализ и передача наиболее эффективным способом проектных данных становится сложной информационно-технической задачей.
Динамика роста объема выпуска проектно-сметной документации средствами САПР за последние годы на примере института Гипротюменнефтегаз представлена на рис. 1.
Рис. 1 Развитие информационных технологий в Гипротюменнефтегазе.
Как следует из этого графика, в 1996-1998 годах происходило резкое сокращение численности проектировщиков, и только за последние три года наблюдается ее постепенный рост. За исследуемый период увеличивается количество компьютеров и, как следствие, пропорционально растет количество выполняемых с их помощью таблично-текстовых документов. Резкий рост количества чертежей, выполненных средствами информационных технологий, начиная с 1999 года, объясняется не столько ростом количества компьютеров, сколько внедрением мощных инструментальных пакетов и освоением информационных технологий.
Структурно проектный институт состоит, как правило, из следующих подразделений: отдел инженерных изысканий, технологический, автомобильных дорог, электроснабжения, сантехнических систем, архитектурно-строительный, АСУ ТП и связи, смет и ТЭО, САПР. Организации движения и хранения цифровой информации в институте становится ключевой с того момента, когда каждый специалист в качестве инструмента получил персональный компьютер и овладел основами подготовки документации в цифровом виде. В условиях локальной сети, чертежи, схемы, пояснительные записки, ведомости и сметы быстро переме-
щаются с одного компьютера на другой, дублируются и неимоверно растет потребность в дисковой памяти. При этом выполнение проектных работ даже замедляется пропорционально времени, необходимого на поиск актуального документа среди сотен компьютеров, пользователей и версий документа. Усилия, направленные на сокращение количества документов, договоренности о шифровании имен и другие меры ограничения приводят лишь к неудобствам в работе.
Таким образом, рост компьютеризации ставит в ряд актуальных задачу построения единого информационного пространства института для обеспечения взаимодействия различных подразделений и специалистов в рамках коллективной работы над группой текущих проектов. Наиважнейшим является вопрос создания среды, объединяющей различные структурные подразделения в согласованную систему для обеспечения всех проектировщиков оперативным доступом к исходной информации, проектным решениям, разрабатываемым и архивным документам.
Цели и задачи работы.
Работа выполняется с целью совершенствования процесса проектирования объектов обустройства нефтяных и газовых месторождений по следующим направлениям:
Использование современных программных средств, позволяющих выполнять более глубокую и квалифицированную проработку технических решений, оценивать большее число возможных вариантов, выполнять расчеты, в т.ч. и оптимизационные, которые раннее были практически невозможны из-за сложности алгоритмов, требовали значительных ресурсов времени и большого количества цифровых данных;
Выполнение проектной документации в цифровом виде (графика и атрибутика), которая может быть использована для управления процессом строительства и в дальнейшем при эксплуатации объектов и систем обустройства;
Создание математических моделей технологических систем (нефтесбор, ППД, электроснабжение), на которых выполняются проектные расчеты и которые могут быть использованы при эксплуатации запроектированных объектов. Та-
кие модели могут быть интегрированы с другими информационными системами заказчика, обеспечивая более высокий уровень эксплуатации;
- Формирование баз данных по применяемому в проекте оборудованию, позво
ляющих использовать их в автоматизированных системах материально-
технического снабжения при эксплуатации и в ГИС-проектах.
В соответствии с указанными целями в работе поставлены следующие задачи:
Создание в проектном институте технической базы (локальная сеть, серверы накопления, обмена и хранения справочной, нормативной, текущей проектной и архивной информации, периферия ввода и вывода, системное и инструментальное программное обеспечение);
Совершенствование технологии проектирования в условиях применения проектировщиками большого количества цифровой информации в качестве исходных, промежуточных и выходных данных;
Обеспечение эксплуатации современных программных средств для принятия технических решений, для подготовки и оценки возможных проектных вариантов, для выполнения технологических расчетов и т.д.;
Обеспечение оперативного доступа к нормативно-справочной информации на электронных носителях;
Создание технического архива проектно-сметной документации на электронных носителях;
Эффективное управление процессом проектирования с использованием имеющихся технических, программных и информационных ресурсов;
Формирование методического обеспечения для дальнейшего развития информационных технологий;
Построение единого информационного пространства проектной организации и служб заказчика для быстрого решения технических вопросов.
Практическая значимость.
Институт Гипротюменнефтегаз более тридцати пяти лет ведет работы по комплексному проектированию обустройства нефтяных и газовых месторождений в Западной Сибири. За это время было запроектировано более 200 месторождений. В последние годы значительное внимание уделялось вопросам автоматизации проектного производства. Последовательно проводилась политика обновления и модернизации технических средств, росло число прикладных программ, и, как следствие решения поставленных в работе задач, в институте Гипротюменнефтегаз в настоящее время наблюдается устойчивый рост применения информационных технологий по сравнению с предыдущим периодом (рис. 2).
Из графика видно, что за последние три года, в целом, объем выпускаемой средствами САПР документации вырос в восемь раз. В настоящее время вся про-ектно-сметная документация готовится в автоматизированном режиме, создана технология автоматизированной подготовки и выпуска проектно-сметной документации, интенсивно формируется электронный архив проектов. Эффективность применения вычислительной техники определяется созданием сквозных информационных технологий, способных организовать и обеспечить совместную работу изыскателей, технологов, дорожников, электриков, сметчиков и других специалистов. Овладевая мощными инструментальными и прикладными пакетами, проектировщики обеспечивают сокращение сроков проектирования. Внедрение информационных технологий уменьшает количество ошибок на ранних стадиях проектирования, делает процесс проектирования намного динамичнее и ближе к строительству и эксплуатации объектов обустройства нефтегазовых месторождений. Это необходимое условие продвижения института Гипротюменнефтегаз на рынке и его побед в конкурентной борьбе.
Рис.2. Объем проектно-сметной документации выпускаемой средствами САПР
(листов в месяц).
В настоящее время стали актуальны задачи интеграция проектных институтов на основе локализации мощных программных систем, создания российских графических и атрибутивных баз данных оборудования и материалов. С другой стороны, заметно усилился интерес нефтегазодобывающих предприятий к информационным технологиям. Это объясняется повышением общего уровня информатизации предприятий, доступностью вычислительной техники и необходимостью серьезно заниматься планированием и управлением территориально рассредоточенных объектов нефтяной и газовой отрасли. Для проведения реконструкции и развития систем добычи и транспорта необходимо точно знать местонахождение и характеристики всех объектов и коридоров коммуникаций. Не секрет, что строительство часто велось с отклонением от проектов, а иногда и до утверждения проектной документации. После строительства проводились многократные реконструкции, и, несмотря на проводимые паспортизации внутрипро-мысловых трубопроводов, автомобильных дорог, линий электропередачи и технологических площадок, достоверность информации со временем снижалась.
Все эти факторы делают объективно необходимым активное применение в проектной и постпроектной деятельности новых современных информационных технологий на основе интеграции геоинформационных систем (ГИС), систем ав-
томатизированного проектирования (САПР) и систем автоматизированного управления (АСУ).
Научная новизна.
Разработана концепция геотехнологической информационной системы (ГТИС), представляющей собой новый класс информационных технологий, наиболее пригодный в настоящее время для проектирования обустройства нефтяных и газовых месторождений. ГТИС - это интеграция автоматизированных систем САПР, ГИС и АСУ. Под интеграцией понимается информационная совместимость этих систем, их непрерывность, возможность общения различных пользователей на всех стадиях жизненного цикла объекта.
Создана геотехнологическая информационная система в проектном научно-исследовательском институте Гипротюменнефтегаз. Основу технической базы ГТИС составляют более 500 компьютеров, локальная сеть, серверы накопления, хранения и обмена справочной, нормативной, текущей проектной и архивной информации, периферия ввода и вывода, системное и инструментальное программное обеспечение.
Усовершенствована технология проектирования с применением ГТИС. Разработана методика последовательно-параллельного проектирования, позволяющая в кратчайшие сроки просчитывать альтернативные варианты с полной подготовкой необходимого количества проектных документов. Суть этой методики заключается в том, что проектирование всеми направлениями ведется на единой подоснове - каждое направление работает на определенных слоях. Приступать к работе можно не дожидаясь полного окончания предыдущего этапа, т.е. работать параллельно, а любые внесенные изменения сразу становятся доступны всем. При такой технологии создается "многослойный" объект, содержащий все запроектированное на текущее время.
Разработано и реализовано на основе интранет-технологии единое информационное пространство института Гипротюменнефтегаз. Решены задачи по обеспечению централизованного хранения, оперативного доступа и защиты
информации. Создан технический архив проектно-сметной документации на электронных носителях, насчитывающий более 200000 документов. 5. Разработано и внедрено программное и методическое обеспечение ГТИС, ядром которого является комплекс программных средств MicroStation фирмы Bentley. Программное обеспечение построено на модульном принципе. Работа ведется на основе трехмерных моделей территории и объектов. Функциональная, программная и информационная стандартизация и унификация внутри и между уровнями позволяет вести комплексную обработку информации. Общим итогом данной работы является завершенная система автоматизированного проектирования. Использование ГТИС-технологии позволило максимально автоматизировать процесс проектирования, сократить издержки и создать проекты, полностью отвечающие особенностям месторождений и обеспечивающие оптимальные капитальные и эксплуатационные расходы при условии минимизации воздействия на природные процессы.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается практической реализацией геотехнологической информационной системы и ее успешным применением для проектирования обустройства ряда нефтяных и газовых месторождений, в частности, правобережной части Приобского нефтяного месторождения, Восточно-Таркосалинского газового промысла, Самотлорского месторождения и ряда других. На защиту выносится:
Концепция геотехнологической информационной системы (ГТИС) и основные принципы ее построения: модульность технических и программных средств; применение цифровых моделей; единое информационное пространство; централизованное хранение и сопровождение информации; функциональная, программная и информационная стандартизация и унификация; единое методическое обеспечение.
Реализация геотехнологической информационной системы (ГТИС) в проектном научно-исследовательском институте Гипротюменнефтегаз: структурная и функциональная схемы; схема локальной сети; состав программного обес-
печения; организация информационной среды; организация хранения нормативно-справочной документации; технический архив; меры защиты от несанкционированного доступа.
3. Технология последовательно-параллельного проектирования с применением
ГТИС; ее отличительные особенности и преимущества перед традиционной
методикой. Организация контроля за процессом проектирования.
Результаты применения ГТИС для разработки проектов обустройства правобережной части Приобского нефтяного месторождения, Восточно-Таркосалин-ского газового промысла, Самотлорского месторождения, обеспечивающих оптимальные капитальные и эксплуатационные расходы при условии минимизации воздействия на естественные природные процессы.
Методика применения ГТИС для проектирования с учетом требований экологии с целью снижения негативного воздействия на окружающую среду при строительстве, разработке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, а также для решения задач мониторинга за состоянием природной среды и предотвращения кризисных экологических ситуаций.
Структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, заключения и включает библиографический список из 95 наименований. Объем работы составляет 117 страниц машинописного текста, 1 таблицы, 41 рисунка и Приложения.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована постановка задачи, цель, научная новизна, основные положения, вынесенные на защиту. Дана общая характеристика работы.
В первом разделе сделан краткий исторический обзор развития средств автоматизированного проектирования, проведен анализ существующего программного обеспечения и технических средств, сделан обзор практического опыта применения информационных технологий для проектировании обустройства нефтяных и газовых месторождений.
Во втором разделе на основе методов системного анализа описана реализация информационных технологий при проектировании обустройства нефтяных и
газовых месторождений, как средства увеличения эффективности проектных решений и повышения качества проектной документации. Описана концепция и основные функции геотехнологической информационной системы как результат интеграции ГИС, САПР и АСУ. Раскрыты основные цели и задачи интеграции на базе интранет-технологий, а также основные особенности информационной системы при проектировании. Описана созданная техническая база, как необходимая основа применения информационных технологий. Сформулированы задачи и предложено решение централизованного хранения информации и обеспечения оперативного доступа к ней большого числа специалистов на основе интранет. Описана технология последовательно-параллельного проектирования, реализованная на имеющихся технических, программных и информационных ресурсах. Особое внимание уделено защите от несанкционированного доступа, рассмотрены вопросы практического применения средств защиты информации.
В третьем разделе описана технология автоматизированного проектирования и программные средства, применяемые в практике проектирования объектов обустройства месторождений. Сделан анализ результатов их практического использования и обобщен опыт применения геотехнологической информационной системы в Гипротюменнефтегазе на примерах проектирования ряда крупных месторождений. Приведены примеры разработки мероприятий по снижению негативного воздействия на окружающую среду при строительстве и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы.
Апробация работы.
Работа выполнена в ОАО Гипротюменнефтегаз и в Тюменском государственном университете. Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в работах [29, 30, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 46, 52, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 94]. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
- на первом семинаре ГИС-Ассоциации "Геоинформатика в нефтегазовой отрасли" (Москва, апрель 1998г);
на второй, третьей и четвертой Всероссийских научно-практических конференциях "Геоинформатика в нефтегазовой и горной отраслях" (Нижневартовск - 1999г., Москва - 2000г. и Тюмень - 2001 г);
на первом Всероссийском учебно-практическом семинаре 'ТИС и Интернет" (Москва, декабрь 2000г);
на 27 международной конференциии "Инженеры-нефтяники и информационные технологии" (Карловы Вары, Чехия ноябрь 1999 год);
на международной конференции пользователей (Филадельфия, США, 17-21, сентябрь, 2000);
на 29 международной конференциии "Инженеры-нефтяники и информационные технологии" (Будапешт, Венгрия ноябрь 2000 год);
на 30 международной конференции "Инженеры-нефтяники и информационные технологии" (Дубровник, Хорватия, 2-9 ноября 2001 года);
на первой пользовательской конференции фирмы Bentley Systems (Тюмень, апрель 2001 года.)
на международном семинаре "Информационные технологии в нефтяной промышленности" (Хельсинки, Финляндия 3-6 марта 2002 года);
на второй пользовательской конференции фирмы Bentley Systems (Тюмень, апрель 2002 года.);
Основные аспекты диссертационной работы неоднократно заслушивались на заседаниях научно-технического совета Гипротюменнефтегаза.
Благодарности.
Автор благодарит научного руководителя профессора Физического факультета Тюменского госуниверситета Анатолия Александровича Кислицына за обсуждение постановки задачи, результатов работы, помощь и консультации.
Автор благодарит директора ОАО "Гипротюменнефтегаз" Рафаила Петровича Киршенбаума за постоянное внимание к работе, административную и финансовую поддержку.
Автор благодарит декана Физического факультета Тюменского госуниверси-
тета профессора Константина Михайловича Федорова за обсуждение результатов работы, помощь и консультации.
Автор благодарит заместителя главного инженера ОАО "Гипротюмен-нефтегаз" профессора Юрия Сааковича Даниэляна за обсуждение результатов работы, помощь и консультации.
Автор благодарит Президента ГИС-ассоциации содействия развитию рынка геоинформационных технологий и услуг, зав. лабораторией института Нефти и газа им. Губкина к.г.м.н. Сергея Адольфовича Миллера за обсуждение результатов работы, и полезные критические замечания, помощь и консультации.
Краткий исторический обзор
Географическая информационная система (ГИС) - это компьютерная система, которая хранит, организует и отображает данные, описывающие объекты и явления на земной поверхности. Существуют многочисленные возможности применения ГИС в различных областях научной и практической деятельности: в картографии, нефтяной промышленности, строительстве, недропользовании, экологии, в сфере бизнеса и др.[14, 25, 42, 64]. ГИС можно рассматривать как инструментальное средство для управления информацией любого типа с точки зрения ее пространственного местоположения. Геоинформационные системы объединяют два различных типа данных: пространственные (определяющие форму и местоположение объекта) и атрибутивные (дающие описательную информацию). Современные ГИС используют объектно-ориентированную модель данных, обеспечивающую работу с реальными объектами (а не просто с записями в базе данных), что позволяет изучать поведение объектов и методы управления объектами [81, 85, 88].
Кроме ГИС существует несколько видов систем, работающих с пространственно распределенной информацией: системы автоматизированного проектирования (CAD), автоматизированного картографирования (AM), а также системы управления сетями (FM). Все они, наряду с системами мелкомасштабного пространственного анализа и системами управления базами данных, в каком-то смысле могут считаться прародителями ГИС.
САПР - это системы для автоматизированного проектирования с использованием средств машинной графики - старая, хорошо развитая область программного обеспечения [7, 95], на которой специализируются известные фирмы Autodesk Limited, Seli и др. Такого рода системы работают с техническими чертежами, ускоряя их изготовление в среднем в 2.5 - 3 раза по сравнению с традиционным черчением за кульманом. Кроме этого повышается точность выполнения чертежей за счет возможности более детального просмотра любого элемента в произвольном масштабе, улучшается качество, а также появляется возможность многократного копирования как всего чертежа, так и любой его части. Первоначально САПР использовались для изготовления обычных (двумерных) чертежей. В настоящее время эти системы могут работать с трехмерными моделями объектов. Однако САПР (в своем классическом виде) манипулируют только с геометрическими объектами (кругами, эллипсами, цилиндрами, кубами и т.п.) хотя к настоящему времени их функциональные возможности значительно выросли. Кроме того, в классических САПР отсутствует тематическая часть в описании объектов, что затрудняет решение с их помощью задач, требующих анализа.
В отличие от САПР, ГИС обладают развитыми средствами анализа данных, на основе результатов которого может быть создана карта, написан отчет, создана база географических данных или данных другого типа. Информацию для ГИС можно готовить в других системах, а хранящуюся в ГИС - переносить в другие системы. По сравнению с САПР-системами, ГИС обладает развитыми средствами моделирования; это позволяет создавать карты с новым содержанием, чего нельзя сделать обычными средствами САПР, т.к. карта не является просто чертежом в виде набора геометрических фигур, каждый объект в ней имеет тематическое описание, и сами объекты логически связаны друг с другом [79].
Системы мелкомасштабного пространственного анализа связаны прежде всего с задачами природопользования, а также территориального планирования и управления. Одним из первых разработчиков ГИС был Институт Исследований Систем Окружающей Среды (ESRI) в США. В России ГИС также впервые появились в организациях геологического и географического профиля (Географический факультет МГУ, ЦГИ ИГ РАН) [45].
Обязательной составной частью любой ГИС является система управления базами данных (СУБД). Как правило, ГИС работает с базами данных двух типов: графическими (или метрическими) и атрибутивными (или тематическими), поэтому обычно ГИС имеет две системы управления базами данных: отдельно для метрической и атрибутивной информации. Оба вида баз - это файлы цифровых данных; при помощи СУБД производится поиск, сортировка, добавление и исправление информации в этих файлах [84].
Первые базы данных (БД), которые появились в начале 60-х годов, представляли собой обычные файлы с последовательной записью. Если для использования этих данных в какой-либо другой программе требовалось изменить организацию данных, создавался новый файл, содержащий аналогичную информацию, но в другой последовательности. При этом накапливалось большое количество разных версий одной и той же базы данных, из-за чего возникали специфические проблемы, например, противоречия при одновременном обновлении данных в разных версиях.
Современную БД можно определить как такую совокупность взаимосвязанных хранящихся вместе данных, которая допускает их оптимальное использование одним или несколькими приложениями. В современных БД данные структурируются так, чтобы не было зависимости от программ, использующих эти данные, благодаря чему обеспечивается возможность наращивания числа приложений. Для поиска, модификации и добавления данных в БД применяется общий управляемый способ [67].
Различают три типа моделей данных, используемых в СУБД: иерархические, сетевые и реляционные (или табличные); существуют также гибридные модели данных [4, 6, 27].
Иерархические модели получили широкое распространение в начале 60-х годов. Входящие в состав такой модели записи образуют древовидную структуру; каждая из них связана с одной записью, находящейся на более высоком уровне иерархии; доступ к любой из записей осуществляется путем прохода по строго определенной цепочке узлов дерева. Иерархическая модель пригодна лишь для достаточно простых задач. В сложных системах с распределенной архитектурой такая модель не может обеспечить быстродействия, необходимого для оперативной обработки запросов. Кроме того, она трудно модифицируема и не пригодна для работы в условиях одновременного модифицирования файлов несколькими прикладными системами. Первые сетевые модели были разработаны в конце 60-х годов с целью устранить некоторые недостатки иерархических моделей. В середине семидесятых годов сетевая модель была принята Ассоциацией по языкам систем обработки данных (КОДАСИЛ) в качестве основной модели данных, и стала стандартом СУБД. В сетевой модели каждый из узлов может иметь несколько "узлов-родителей"; записи, входящие в состав сетевой структуры, содержат в себе указатели, определяющие местоположение других записей, связанных с ними. Такая организация позволяет ускорить доступ к данным, но изменение структуры базы данных требует еще более значительных усилий и времени из-за необходимости перестановки многочисленных указателей.
Сравнительная характеристика программного обеспечения и технических средств информационных технологий, применяемых при проектировании обустройства нефтяных и газовых месторождений
В настоящее время существует большое количество программных средств, предназначенных для решения различных задач и имеющих различные функциональные возможности [92, 93]. Можно выделить три группы.
Первая группа - мощные системы, ориентированные на рабочие станции или мощные ПК, способные обрабатывать огромные объемы информации, имеющие разнообразные средства ввода и вывода (дигитайзеры, сканеры, средства обработки космических снимков и т.д.) и развитые средства документирования. Эти системы имеют универсальный характер и могут с успехом применяться в самых различных отраслях. Примеры таких систем - ГИС фирм GDS, ESRI, INTERGRAPH.
Вторая группа - настольные ГИС, предназначенные для решения каких-то определенных задач, например, научных или управленческих. В каком-то смысле их можно рассматривать как "урезанные" версии ГИС первой группы. Они имеют меньшие возможности по отношению к объемам обрабатываемой информации, меньший набор средств визуализации и др. Такие системы значительно дешевле, чем ГИС первой группы, доступны большинству коллективов и могут работать в любом малом офисе. Примеры ГИС второй группы - INTERGRAPH, ARC/INFO, Maplnfo, Atlas GIS и др.
Третья группа - системы для домашнего и информационно-справочного использования. Они дешевы, предъявляют скромные требования к ПК, но, как правило, являются закрытыми, в том смысле что почти или полностью не допускают внесения изменений в базы данных. Примеры: системы фирм Хорис (Санкт-Петербург), M-City (Москва).
С точки зрения архитектурных принципов построения ГИС можно разделить на "закрытые" и "открытые". Закрытые системы не имеют возможностей расширения, в них отсутствуют встроенные языки и не предусмотрено написание приложений. Их главное преимущество - низкая цена, но если задачи, которые решает пользователь, меняются, то закрытая система, как правило, неспособна их решить. Термин "открытые системы" означает открытость для пользователя, возможность расширения и приспособления к новым задачам с помощью специального аппарата создания приложений.
На создании ГИС специализируется ряд крупных фирм, таких как INTERGRAPH, ESRI, Simens Nixdorf, Bentley и др. Bentley Systems (США) - один из крупнейших разработчиков и поставщиков САПР/ТИС. В 1997 г. число пользователей этой компании превысило 250000 [55, 61].
Программные продукты MicroStation фирмы Bentley Systems предназначены для выполнения проектных работ в машиностроении, транспорте, электронике, геодезии, картографии, архитектуре и управлении. Наиболее известными среди них являются: Review (система поддержки для руководства проектом), PowerDraft (инструментальный комплекс для двух- и трехмерного черчения), Modeler (система трехмерного моделирования, объединенная с процессом подготовки чертежей и документации), Masterpiece (система визуализации созданных трехмерных моделей), GeoGraphics (пакет проектирования, картографии, геодезии и планировки местности), TeamMate (пакет для управления системой технической документации проектов), Descartes (система преобразования и обработки фотограмметрии). В докладе [17] генерального директора Steepler Graphics Group и ProLeasingGroup В.В.Дятлова отмечено, что базовый продукт MicroStation/J обладает всеми параметрами современной технологии ГИС/САПР-приложений и, имея модульную структуру, позволяет создавать рабочее пространство для большого количества пользователей.
В проектном производстве выделяется шесть основных информационных технологий: обработка материалов инженерных изысканий, расчет технических параметров и проработка вариантов технологических решений, расчет технико-экономических показателей, выполнение графических работ, подготовка таблично-текстовых материалов, архивирование и тиражирование документации.
Цифровая информация, обладая свойством легкого копирования, быстрой передачи и "бумажного" воспроизведения очень быстро растет в объеме. Сегодня паспортизацией объектов обустройства и оцифровкой района деятельности нефтегазодобывающих предприятий занимается большое количество фирм. Они выполняют важную функцию по популяризации красочной компьютерной графики, создают базы данных и поставляют на выбор различные графические пакеты и инструменты. В большинстве своем - это настольные (Maplnfo, Wingis...) или специализированные картографические системы (Arclnfo, GeoDraw...), сапров-ские пакеты (AutoCAD, ArhiCAD...), кроме этого предлагаются инструментальные средства по оцифровке растра (Easy Trace) или стереофотоснимков (FotoMod). Есть примеры выполнения схем обустройства даже в Excel и CorelDraw. Такое разнообразие дает хороший начальный импульс, но затем возникают естественные проблемы по стыковке, информационной увязке и транспорту данных. Важный вопрос - это интерфейс пользователя. Поскольку пакеты выполнены различными исполнителями, то освоение различных программных средств и обучение требует больше затрат.
Как следствие, когда, например, в нефтегазодобывающем предприятии появляется несколько вариантов одних и тех же схем промысловых объектов, неизбежно возникают вопросы актуальности, достоверности и непротиворечивости цифровых пространственных и атрибутивных данных и их согласование во времени. Необходимость электронного общения создают предпосылку выбора единой модели данных. Предпочтение отдается тем цифровым моделям, которые наиболее полно описывают объект, содержат свежую и юридически чистую информацию. Нет сомнения в том, что цифровую модель гидрографии, ландшафта и рельефа должны создавать и распространять специализированные геодезические предприятия. Они по статусу отвечают за твердую топографическую основу. Схемы проектных трасс и размещение технологических площадок должны предоставить в цифровом виде проектные институты, потому что они отвечают за весь комплекс вопросов, связанных с технологией, безопасностью и надежностью работы запроектированных объектов. Отвод земель под строительство и контроль за ним должны выполнять маркшейдерские службы на местах - это их первостепенная задача. Ведение баз данных по району нефтедобычи - это функция АСУ-нефть, потому что, только эта служба наиболее приспособлена к интеграции информации на компьютерной основе.
Геотехнологическая информационная система - результат интеграции ГИС и САПР
В процессе проектирования при размещении сооружений используется и анализируется значительный объем информации о природной среде: данные об инженерно-геологическом строении, гидрологии, топографии, растительности, животном мире, размещения стойбищ местного населения и т.д. Здесь происходит естественная интеграция САПР и ГИС. Системы АСУ дают реальные характеристики эксплуатируемых объектов и систем. При этом ГИС-технологии становятся интегрирующими и открывают новые возможности. В цепочке проектирование - строительство - эксплуатация все более четко просматривается зарождение нового класса систем - геотехнологические информационные системы (ГТИС). ГТИС - это интеграция автоматизированных систем САПР, ГИС и АСУ. Под интеграцией понимается информационная совместимость этих систем, их непрерывность, возможность общения различных пользователей, на всех стадиях жизненного цикла объекта. Интеграция подразумевается при решении всего спектра задач, связанных с обустройством месторождений, в общем случае, включая геологическую разведку, разработку и эксплуатацию месторождений.
Сформулируем основные принципы построения ГТИС: - Распределенность, т.е. децентрализация функций сбора и первичной обработки информации. Максимальное приближение к месту возникновения и использования; - Централизованное хранение и сопровождение информации. Необходим центр для ее хранения и сопровождения. Модульность построения технических и информационных средств. Набор функциональных модулей обеспечивает различные потребности предприятий, служб и специалистов; - Стандартизация и унификация внутри и между уровнями. Функциональная, программная и информационная стандартизация, позволяющая вести комплексную обработку информации; - Единое методическое обеспечение. Стандартизованное и утвержденное методическое обеспечение - центральное звено, определяющее функциональные характеристики информационной системы в целом. Топооснову цифрового фонда составляют векторные и растровые данные в условной или топографической системах координат, в том числе: - растровая аэрофотомодель местности; - растровая картографическая модель местности; - векторная модель гидрографии; - векторная модель ландшафта; - цифровая модель рельефа; - пространственная модель инженерной геологии; - цифровая модель инфраструктуры обустройства; - цифровые модели кустовых площадок; - цифровые модели технологических площадок типа ДНС, КНС, ЦПС и т.д.
Рассмотрим принципы построения информационного пространства ГТИС: - Интеграция пространственной информации об объектах обустройства с информационными системами, обеспечивающими проектирование, строительство, контроль состояния нефтепромысловых систем, управление процессами добычи, сбора, обезвоживания нефти, компремирования газа, систем поддержания пластового давления, замера продукции скважин и т.д. Объединение цифровых пространственных и атрибутивных данных проводится как для существующих, так и для разрабатываемых информационных систем; - Непрерывность и единство информационного пространства. ГТИС предполагает использование единых цифровых данных при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов капитального строительства. На каждом этапе "жизни" объектов обустройства информация изменяется в соответствии с современными условиями и требованиями; - Источники и пользователи информации. ГТИС является продуктом коллек тивной деятельности предприятий, подразделений, служб и специалистов, ра ботающих на территории месторождения, объектах и системах обустройства. Первичная информация, поступающая из различных источников, с одной сто роны, дополняет, уточняет и обогащает корпоративную базу данных ГТИС, с другой - из ГТИС по регламенту может быть выдана информация для исполь зования.
Сформулируем требования к организации информации: - Введение местной системы координат. Пространственная цифровая информация, входящая в состав ГТИС, независимо от масштаба, должна быть привязана к единой местной системе координат. В рамках каждого масштаба предусмотрено деление на номенклатурные листы. Использование на территории месторождения единой условной системы координат позволяет обеспечить необходимый режим секретности и работать без дополнительных преобразований координат;
- Представление цифровых данных в растровой и векторной формах. Для обеспечения достаточной полноты и точности представления исходного картографического материала растровая подоснова должна быть получена сканирующими системами с проведением необходимой геометрической коррекции и координатной привязки, иметь достаточную контрастность и быть легко читаемой. Векторная информация представляется в двух и трехмерном виде и содержит цифровые модели и топологические связи объектов обустройства и местности; - Способ изображений линейных, площадных, точечных и текстовых объектов должны соответствовать требованиям действующих нормативных документов для объектов топографии и дополнительных технических условий; - Точность векторных данных должна быть не ниже точности топографических планов и карт соответствующих масштабов; - Единство модели данных. Этому требованию должна отвечать атрибутивная информация, описывающая любой объект обустройства. Для каждой категории данных существует единственное представление, не зависящее от присутствия реальных данных во множественном числе; - Ограничение доступа. По способу распространения информация подразделяется на информацию закрытого и открытого использования. Перечень закрытой информации соответствует действующим нормативным документам. Перечень информации для служебного пользования и открытого использования определяется решением предприятия; - Двухуровневая схема построения доступа к системе. Первый уровень - пользователи, второй - разработчики и администраторы.
На рис. 2.1. приведена растровая трансформированная по опорным точкам картографическая модель местности, подготовленная для проектирования одного из нефтяных месторождений. Топокарта обновлена, построенными коммуникациями и площадками в соответствии с собранными для проектирования данными. В зависимости от потребности возможна работа в нескольких системах координат. На рис. 2.2 изображен фрагмент цифровой модели инженерной геологии, а на рис. 2.3 представлена векторная модель гидрографии и ландшафта, на рис. 2.4 и 2.5 представлены цифровые модели рельефа. На рис. 2.6. находится цифровая модель инфраструктуры обустройства, где отражены автомобильные дороги, трубопроводы различного назначения, линии электропередачи, размещение кустовых и основных технологических площадок и карьеры.
Обустройство правобережной части Приобского нефтяного месторождения
Ниже приводятся некоторые результаты, полученные при использования информационных технологий для проектировании обустройства первоочередного участка Приобского нефтяного месторождения.
Это месторождение обладает специфическими особенностями и требованиями к размещению проектируемых объектов.
Первоочередной участок Приобского месторождения располагается в правобережной части затапливаемой поймы реки Обь. Глубина затопления на отдельных участках достигает трех и более метров. В экологическом отношении территория характеризуется высокой степенью ранимости, неустойчивостью к внешним воздействиям и низкой способностью к самовосстановлению.
Одна из проектных задач состояла в том, чтобы обеспечить минимальные воздействия на естественные процессы происходящие в природе и, особенно, на гидрологический режим поймы и многочисленных проток и речек, впадающих в пойму на этом участке.
В качестве исходной информации использовались отсканированные топо-планы М 1:10000, топографические карты М 1:25000, аэрофотоснимки М 1:10000, 1:25000 залетов различных лет и цифровая карта М 1:10000 изготовленная Западно-Сибирским аэро-геодезическим предприятием.
Были сделаны срезы 1%-, 5%- и 10%-ной обеспеченности (рис. 3.2.3.). На основании трехмерной модели, данных многолетних наблюдений уровней воды и скоростей течения Государственным гидрологическим институтом (г. Санкт-Петербург) определялись основные характеристики водных потоков прогнозы возможных изменений основного русла Оби и её проток в районе месторождения. На основании этих материалов было оценено влияние сооружаемых объектов на естественное состояние правобережной поймы р. Оби. Одновременно Научно-исследовательским центром "Морские берега" (филиал ОАО ЦНИИС г. Сочи) были смоделированы и дан прогноз возможных разрушений насыпей автодорог, Обустройство Восточно-Таркосалинского газового промысла.
С широким применением информационных технологий разрабатывался и другой крупный проект: "Обустройство Восточно-Таркосалинского газового промысла".
Для разработки проекта созданы модели территорий по аэрофотоснимкам М 1:10000 и картографическим материалам М 1:25000. Далее проектные решения принимались на основе анализа модели территории с учетом мероприятий по охране окружающей среды. Были построены схемы почвенно-растительного покрова, гидрологические карты и карты направления поверхностного стока. Результаты такого анализа позволили определить оптимальное размещение сооружений, оценить объемы грунта для строительства и др., а также выполнить специальные разделы, включая: - Краткую климатическую характеристику; - Геолого-геоморфологическую характеристику; - Общую гидрографическую характеристику; - Водяной режим; - Ледовый режим. Мероприятия по охране окружающей среды состояли из оценки воздействия на окружающую среду, в том. числе: воздушную и водную среды, почву, грунты, растительный мир, животный мир, социальную среду. Выполнена интегральная оценка экологического риска.
Объекты обустройства Самотлорского месторождения - это сложнейшая инфраструктура. Выполнение Генерального плана Самотлора невозможно без применения современных информационных технологий, а к его особенностям следует отнести наличие уже на начальной стадии проектирования большого количества цифровых данных. Это оцифрованные схемы автомобильных дорог, линий электропередачи, сетей трубопроводов различного назначения, исполнительные съемки кустовых и технологических площадок, промбазы и др. Общий объем оцифрованных картографических материалов Самотлора составляет сотни гигабайт. За тридцатилетнюю историю эксплуатации месторождения в нефтегазодобывающих предприятиях накоплены комплексные массивы фактических и проектных данных, описывающих историю добычи, подготовки и транспортировки нефти. Созданы цифровые карты: лесоустроительные, недропользования, экологические, ландшафтные и др.
Оцифровку, накопление и организацию данных по эксплуатируемым объектам обустройства выполняли в разное время большое количество предприятий-исполнителей, работа велась в зависимости от имеющихся сил и средств, с применением различного "самопального" и "фирменного" инструментального программного обеспечения. К настоящему времени противоречие состоит в том, что, с одной стороны, имеется большое количество графической и атрибутивной информации, а с другой стороны нет возможности эффективно ею воспользоваться и применить для проекта реконструкции.
Подготовка нескольких вариантов Генерального плана реконструкции Самотлора потребовала выполнить следующие работы: - Собрать всю имеющуюся по Самотлору цифровую информацию; - Привести все данные к одному виду, формату, масштабу; - Построить на этой основе интегрированную геотехнологическую информационную систему (ГТИС обустройства) для применения, прежде всего в проектировании реконструкции; - Провести на основе собранной информации анализ существующего положения объектов обустройства месторождения и разработать варианты генерального плана реконструкции.
В случае, когда проектирование ведут одновременно несколько исполнителей, нужны дополнительные усилия на согласование. Исходные данные, представляемые различными организациями, как правило, готовятся в различных программных средах. Это создает дополнительные трудности для проектировщиков, которые должны хорошо знать все пакеты программ и их форматы, либо иметь механизм приведения данных к единообразию. Кроме того, цифровые данные могут находится в стадии формирования, поступать неравномерно, дублировать друг друга и т.д. По условиям проекта документация должна быть выдана заказчику в цифровом виде.
