СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД В ГЕОЛОГИИ И РАЗРАБОТКЕ НГМ.

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД В ГЕОЛОГИИ И РАЗРАБОТКЕ НГМ.

Современный уровень проникновения в природу процессов и явлений, связанных с формированием залежей нефти и газа и их разработкой, характеризуется значительным объемом знаний, который распределен между большим числом научных дисциплин, таких, как геология нефти и газа, нефтегазопромысловая геология, подземная гидрогазодинамика, физика пласта, теоретические основы поисков, разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений, технология и техника добычи нефти и газа, бурение скважин, экономика, организация и управление нефтегазодобывающей промышленностью и др. Каждая из названных дисциплин имеет свой предмет исследований, свои цели, задачи, методы, критерии и т.п. Все они расчленяют, «растаскивают» залежь и протекающие в ней или вокруг нее процессы по своим аспектам, изучая их только со своей узкой точки зрения и давая соответствующие своим целям рекомендации.

Дифференциация и специализация методов научного познания таят в себе опасность утери или в лучшем случае недооценки единства всех способов подхода к действительности, ее анализа, ее общих философских устоев, на которых так или иначе держится любой частнонаучный метод. Это опасность проявляется в первую очередь в стремлении абсолютизировать какие-то стороны познания, возвести отдельные методы в ранг единственно научных методов и т.п. В частности, наблюдается тенденция технологов провозгласить такими единственно научными методы гидродинамики и физики пласта, отвести геологии роль лишь поставщика отдельных количественных характеристик залежей нефти и газа.

Необходимость комплексного подхода к проектированию систем разработки нефтяных (а позднее и газовых) месторождений, основанного на результатах теоретических и методических исследований в области промысловой геологии, теории фильтрации, технологии эксплуатации пластов скважин и отраслевой экономики, была впервые научно обоснована в монографии «Научные основы разработки нефтяных месторождений» (А.П.Крылов и др., 1948г.). Новый подход, широко внедренный в практику нефтегазодобычи, оказался для своего времени достаточно эффективным, обеспечив высокие и устойчивые темпы роста добычи нефти и газа, значительно улучшив технико-экономические показатели разработки нефтяных и газовых месторождений. Однако в настоящее время добыча нефти и газа достигла такого уровня, что стала очевидной ограниченность и недостаточность комплексного подхода в том виде, в каком он осуществлялся до сих пор. Учет геологических данных только в форме средних значений геолого-физических свойств коллекторов, гидродинамических факторов только в форме зависимости дебитов скважин от депрессии на пласт, факторов эффективности только в форме капиталовложений и себестоимости добытой тонны углеводородов не отражают во всей глубине сложной геолого-физической картины, возникающей в залежи при ее разработке.

 

В поисках выхода из создавшегося положения нефтяники- исследователи интуитивно пришли к необходимости дальнейшего развития комплексного подхода, начали стихийно применять методы, которыесовременная философия и методология науки относят к категориисистемных. Таково, например, построение уравнений множественной регрессии для оценки нефтеотдачи, в которые введены показатели, характеризующие как геолого-физические свойства коллекторов, так и технико-экономические характеристики систем разработки.

Развитие исследований такого характера привело к усилению внимания к системному подходу, помогло осознать тот факт, что и залежи нефти и газа, и реализуемые для их эксплуатации системы разработки есть системы сложные, управление функционированием которых оказалось гораздо более трудным, чем представлялось ранее, требующим дополнительных специфических знаний. Стало очевидным, что необходим переход от стихийного использования системного подхода к его осознанию, развитию применительно к нефтегазовой отрасли и формулированию на соответствующем уровне корректности. Решение этой важной научной задачи имеет три направления: 1) создание концептуальных и методологических основ; 2) формулирование и формализация новых задач; 3) разработка методов и аппарата решения.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА.

ОСНОВОПОЛОЖНИКИ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА

Дальнейший прогресс в области теории и практики разведки, подсчета запасов и разработки месторождений нефти и газа невозможен без широкого использования принципов и методов анализа систем различной природы, без использования богатейшего опыта, накопленного в разных областях науки (включая геологию) и производства по исследованию, проектированию и эксплуатации систем.

В данном курсе излагается концептуальная модель системного подхода к проблемам познания и практического использования объектов нефтегазопромысловой геологии и разработки НГМ. Раскрывается содержание понятий и методики проведения системного анализа проблем разведки и разработки на стадии выделения систем, описания их структуры, функционирования, т.е. идентификации и решения других задач, связанных с познанием геологических объектов как больших и сложных систем, вовлеченных в орбиту народнохозяйственной деятельности. При этом в общих чертах раскрываются те новые возможности в решении теоретических и практических задач, которые открываются при использовании понятия «система» и всех неразрывно связанных с ним понятий, теоретических представлений и методических приемов.

Излагаемая концепция системного подхода к объектам геологии нефти и газа сложилась в результате изучения большого числа работ советских и зарубежных ученых среди которых в первую очередь следует назвать имена таких естествоиспытателей (в том числе геологов), экономистов и философов, как В.Г. Афанасьев, Л. Берталанфи, И.В. Блауберг, Ю.А. Воронин, Д.М. Гвишиани, И.П. Герасимов, А.Н. Дмитриевский, В.В. Дружинин, Ю.Н. Карогодин, Д.С. Конторов, Ю.А. Косыгин, В.П. Кузьмин, С.М. Месарович, А.П. Назаретян, И.Б. Новик, А.А. Петрушенко, А.Ю. Ретеюм, В.Н. Садовский, Ю.А. Салин, В.Н. Сачков, В.А. Соловьев, Ю.А. Урманцев, А.Д. Урсул, Б.С. Флейшман, Ю.И. Черняк, Ю.А. Шрейдер, У.Р. Эшби, Ю.Г. Юдин и др.

В связи с новизной проблем, возникающих при системном подходе к задачам геологии и разработки месторождений нефти и газа, появляется необходимость философского и методологического осмысления тех или иных новых понятий, методов, представлений определения их места в общей системе представлений системного подхода, применимости в рамках нефтегазовой науки и т.п.

РАЗНОПОРЯДКОВОСТЬ КАЧЕСТВ СИСТЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ (ИЕРАРХИЧЕСКАЯ УПОРЯДОЧЕННОСТЬ).

МОНО- И ПОЛИСИСТЕМЫ

Современная методология изучения нефтегазовых залежей, наблюдающихся в них явлений и процессов основана на расчленении сложного, полисистемного во всех изложенных смыслах, явления на разнородные, разнотипные, разнопорядковые и разноуровневые моносистемы (керн, породы разной продуктивности, прослои, разнонасыщенные части залежи, капиллярные явления, фильтрация, литология, тектоника и т.п.). Каждая из этих моносистем изучается отдельно. Результаты изучения одной моносистемы в малосущественной степени учитываются при изучении других моносистем. Общая теория разработки залежей в какой-то мере учитывает и пытается увязать результаты изучения всех моносистем в нечто целое.

Начав с эмпирических способов разработки месторождений, нефтяная отрасль пришла к необходимости «поиска теории», разработки теории подземной газогидродинамики и на этой основе - методики технологических гидродинамических расчетов, производимых при проектировании систем разработки. Практика показала большую эффективность таких технологических решений по сравнению с «дотеоретическим» подходом, но со временем обнажила недостатки созданной теории, ее ограниченность, обусловленную тем, что она не учитывает, не отражает всей сложности промышленного объекта - залежи, сложности, обусловленной множественностью оснований поведения и развития залежи как в естественных условиях, так и под воздействием человека. В результате вновь начались «поиски рецептов» увеличения нефтеотдачи, выхода на проектный уровень добычи, более длительного сохранения достигнутых максимальных уровней отбора и т.п.

Выход заключается в том, чтобы моносистемное знание заменить полисистемным знанием путем синтеза на основе изучения, выявления взаимосвязей между моносистемами, имеющими различные основания в одном и том же объекте. При этом должно возникнуть более полное и глубокое представление о сложном объекте, каковым является залежь нефти или газа, которое позволит создать более эффективные промышленные технологии проектирования и управления разработкой.

УГЛЕВОДОРОДОВ

При решении задач нефтегазопромысловой геологии трактовка цели системы как стремления сохранить свое состояние и структуру при воздействии на нее извне может быть раскрыта следующим образом. Вскрытие залежи добывающими и нагнетательными скважинами и их эксплуатация выступают в данном случае как воздействия внешней среды на залежь, до такого воздействия представляющую собой естественную природную систему с определенными значениями параметров состояния (давления, температуры, нефтегазонасыщенности, запасов и т.п.) и структуры (характером размещения в пространстве нефте-, газо- и водонасыщенных частей, высоко- и низкопроницаемых участков, пропластков и т.п.). Начавшееся воздействие на залежь (отбор нефти и закачка воды) вызывает в ней сохранительные процессы. Воздействие воспринимается не всей залежью в целом, а лишь наиболее проницаемыми ее частями, в которых и происходит резкое изменение параметров состояния и структуры. Вследствие этого наблюдаются возникновение языков обводнения, вплоть до кинжальных прорывов воды, опережающее обводнение более проницаемых пропластков и т.п. Как показывает практика, этим влиянием оказывается охваченной существенно меньшая часть залежи, о чем свидетельствует коэффициент конечного нефтеизвлечения, как правило, не превышающий 35-45%. Большая же часть залежи длительное время претерпевает изменения в существенно меньшей степени, находясь в первоначальном или близком к нему состоянии. В этой большей части происходит медленное, постепенное перераспределение давления, углеводородов и воды и за счет этого - некоторое истечение нефти в интенсивно измененную часть.

Этот процесс в конечном итоге может привести к возникновению нового «естественного» состояния, характеризующегося установившимся равновесием между залежью и нашим воздействием на нее. Однако, поскольку в скором времени выявляется низкая эффективность примененной системы разработки, мы разрабатываем мероприятия по совершенствованию и регулированию этой системы, в результате реализации которых неравновесное состояние залежи усугубляется и уже известная картина вновь появляется и развивается по прежнему пути.

Описанный процесс возникает в связи с тем, что разнообразие системы нашего воздействия на залежь (сетки добывающих и нагнетательных скважин, их геолого-технологические характеристики) меньше разнообразия залежи. Очевидно, неравновестное состояние залежи с воздействующей системой будет существовать всегда. Вместе с тем по мере увеличения плотности сети скважин способность залежи как системы к сохранению неравновестного состояния будет уменьшаться. По мере уплотнения сети скважин описанный выше процесс будет перемещаться с верхних уровней иерархии на нижние. Можно представить себе такую сеть скважин, когда не затронутые процессом целики породы, содержащие нефть, будут оставаться лишь на микроуровне. Тогда, очевидно, можно считать, что разнообразие системы скважин превысило разнообразие залежи, в результате чего воздействие на залежь достигло разрушительной силы и залежь оказалась разрушенной, а цель наших практических действий - достигнутой: коэффициент нефтеотдачи стал равным коэффициенту вытеснения.

Очевидно, что на практике такое разнообразие системы скважин достигнуто быть не может по экономическим соображениям. Поэтому, осуществляя прогноз конечной нефтеотдачи (т.е. определяя степень достижимости одной из общих целей разработки залежи), мы всегда будем допускать ошибки, и тем большие, чем меньше разнообразие сети скважин. Эти ошибки будут возникать потому, что значительная часть залежи остается в начальном или близком к нему состоянии. Эта часть будет продолжать вести себя естественным образом. Однако каковы размеры, местоположение и параметры этой части, мы сегодня определять не умеем, в связи, с чем и возникают ошибки в прогнозировании конечной нефтеотдачи.

СИСТЕМА.

В результате воздействия на недра с целью добычи углеводородов возникают специфические элементы вещественного тела, представляющие собой области инженерного воздействия на геологическую среду. Структура этих областей складывается, прежде всего из элементов геологического и технического происхождения, в которых «естественное» и «искусственное» переплетаются и объединяются специфическим образом, Специфичность объектов «второй природы» в данном случае состоит в том, что их геологические свойства определяют условия, в которых протекают взаимодействия геологических сил и сил, организованных, направленных или вызванных к действию человеком.

Объекты, о которых идет речь, называются геолого-техническими комплексами (ГТК). Прежде всего, каждый ГТК обнаруживает специфические характеристики, присущие ему как средству целеполагающей деятельности человека. Они отражают внешнее действие объекта, его функционирование. Подобные свойства называют техническими в отличие от естественных свойств, выступающих как частный случай проявления законов природы открываемых разными естественными науками, изучающими геологические объекты и процессы, используемые в технических объектах.

Три аспекта воздействия человека на геологическую среду в процесседобычи нефти и газа. Во-первых, очевидно, что влияние этого процесса на

геологическую компоненту приводит к совершенно новому состоянию залежи: меняются направление и скорости потоков жидкостей и газов, перераспределяется давление, меняется структура залежи с точки зрения соотношения размеров и взаиморасположения разнонасыщенных частей и т.п. Это новое измененное состояние залежи может существовать более или менее длительное время только при постоянной поддержке человека, т.е. залежь как функционирующий объект теряет способность к саморегулированию. Во-вторых, по-новому, видится роль техники, с помощью которой производится воздействие на геологическую среду. Возникает понимание необходимости различать техническое воздействие и последствия этого воздействия. Термин «воздействие» предполагает наличие у технического средства активного начала. Первооснова воздействия - всегда изъятие из геологической среды или привнос в нее вещества или энергии. Таким воздействием являются, например, извлечение нефти или закачка в пласт. Последствия же этого воздействия теперь выступают как изменения состояния или каких-либо характеристик элементов залежи, наступающие вследствие воздействия.

В-третьих, с позиций системного подхода процесс разработки залежи выступает как процесс целенаправленного изменения природного геологического объекта. Обеспечение необходимой эффективности этого процесса требует появления в отношениях между человеком, техникой и природной системой еще одного звена - обратной связи, которая устанавливает зависимость не только техники от природы, но и природы от техники. В существовании данной взаимосвязи заключается сущность процесса управления, цель которого - поддержание оптимального с точки зрения стоящих перед ГТК целей уровня функционирования всей этой природно-технической системы.

ГТК представляет совокупность геологической, технической и управленческой компонент, образующих единую систему целенаправленного поведения, связанных единством наполняемой социально-экономической функцией, как правило, локализованных в пределах площади одного месторождения.

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Имитационная модель представляет собой систему математических зависимостей (т.е. совокупность взаимоувязанных уравнений), необязательно вытекающих из единых и строгих теоретических предпосылок. С помощью некоторых формальных и неформальных приемов система идентифицируется с реальным объектом. При этом необходимо убедиться, что модель в основных чертах воспроизводит хотя бы частично важнейшие свойства и поведение реального объекта, после чего на вход модели подаются воздействия, характеризующие внешние условия, и на выходе снимаются последствия этих воздействий. Таким образом, может быть получен ряд вариантов поведения модели, позволяющих прогнозировать поведение объекта и судить о его динамических свойствах.

Важнейшим критерием адекватности имитационной модели является практика.

Метод имитационного моделирования состоит в том, что с помощью ЭВМ воспроизводится поведение исследуемой сложной системы (геолого-­технического комплекса), а исследователь или проектировщик, управляя ходом процесса имитации и анализируя получаемые результаты, делает вывод о свойствах и качестве как поведения системы, так и входящих в состав имитационной модели частных моделей, отражающих отдельные стороны и свойства объекта, в котором протекает процесс, и самого процесса.

           

 

СТРУКТУРА ПРОЦЕССА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Изучение реальной системы

Составление содержательного описания

процесса функционирования системы

 

Формулировка цели исследования и

выбора критериев оценки

 

Разбиение сложной системы на

простейшие

 

Построение формализованной схемы

процесса функционирования

исследуемой системы

 

Построение математической модели

системы

 

Планирование эксперимента, подготовка

исходных данных

 

Составление моделирующей программы

с учетом конкретной ЭВМ

 

Отладка модели

                                                                                                                                            

Моделирование процесса

функционирования системы

 

Обработка результатов моделирования

 

Выработка рекомендаций

 

 

СИСТЕМООБРАЗУЮЩИЕ ФАКТОРЫ

Системообразующие факторы можно подразделить на внешние и внутренние. Внешние системообразующие факторы — факторы окружающей среды - это такие явления, воздействия, силы, обстоятельства и т.п., которые по своей природе чужды или несвойственны объектам, объединяемым в систему, но тем не менее оказывают существенное влияние на это объединение и его сохранение. К числу внешних факторов могут быть отнесены: условия образования объектов составляющих или объединяемых в систему; способ воздействия на нее; цель исследования или использования данной совокупности объектов; наблюдаемость; отраслевая принадлежность; эффективность функционирования системы, обусловливающая целесообразность включения тех или иных объектов в данную систему или исключения их из системы. Одной из важных является пространственно- временная характеристика системы, поэтому пространство и время также могут быть отнесены к факторам системообразования. В частности, это проявляется в том, что существование любой системы всегда ограничено как в пространстве, так и во времени.

Внутренние системообразующие факторы — это факторы, содержащиеся в самой природе объектов, объединенных (или объединяемых) в систему. В их числе можно назвать такие факторы: общность природного качества объектов; различные отношения и связи между объектами, такие, как прямые или опосредованные взаимодействия, связи обмена веществом, энергией, информацией, функциональные связи и др.; существование специфических свойств, таких, как коллекторские свойства, нефтенасыщенность и т.п.; участие в одном и том же процессе. Важными внутренними системообразующими факторами являются различные физические поля, связывающие объекты друг с другом.

Как внешние, так и внутренние системообразующие факторы можно подразделить на естественные и искусственные. Примером первых являются условия образования, общность природных качеств, а вторых - цель, способ воздействия, участие в искусственно инициированном процессе.

НГМ.

Методология и методы системного анализа сегодня лежат не только в основе общих теорий планирования, управления, оптимизации производственных процессов вообще, но и в основе решения многих конкретных задач. В качестве примера можно привести дальнейшие развитие теоретических основ прогноза нефтеотдачи и управления поисково- разведочными работами.

Дальнейшее повышение эффективности систем разработки, повышение конечной нефтеотдачи тормозится неточностью существующих представлений о том, как устроена залежь углеводородов, что в ней происходит, как она функционирует. Поэтому в числе важнейших задач системных исследований на будущее в области нефтегазопромысловой геологии следует назвать разработку конкретной программы геолого­технического мониторинга и методики системного моделирования залежей нефти и газа. Это требует коренного пересмотра отношения к проблеме разведки месторождений, к геологическому обоснованию проектов разработки и методов управления процессами в действующих геолого­технических комплексах. Основой такого пересмотра должен служить подход к залежам и месторождениям углеводородов как к большим, сложным, иерархически организованным системам.

 

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД В ГЕОЛОГИИ И РАЗРАБОТКЕ НГМ.

Современный уровень проникновения в природу процессов и явлений, связанных с формированием залежей нефти и газа и их разработкой, характеризуется значительным объемом знаний, который распределен между большим числом научных дисциплин, таких, как геология нефти и газа, нефтегазопромысловая геология, подземная гидрогазодинамика, физика пласта, теоретические основы поисков, разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений, технология и техника добычи нефти и газа, бурение скважин, экономика, организация и управление нефтегазодобывающей промышленностью и др. Каждая из названных дисциплин имеет свой предмет исследований, свои цели, задачи, методы, критерии и т.п. Все они расчленяют, «растаскивают» залежь и протекающие в ней или вокруг нее процессы по своим аспектам, изучая их только со своей узкой точки зрения и давая соответствующие своим целям рекомендации.

Дифференциация и специализация методов научного познания таят в себе опасность утери или в лучшем случае недооценки единства всех способов подхода к действительности, ее анализа, ее общих философских устоев, на которых так или иначе держится любой частнонаучный метод. Это опасность проявляется в первую очередь в стремлении абсолютизировать какие-то стороны познания, возвести отдельные методы в ранг единственно научных методов и т.п. В частности, наблюдается тенденция технологов провозгласить такими единственно научными методы гидродинамики и физики пласта, отвести геологии роль лишь поставщика отдельных количественных характеристик залежей нефти и газа.

Необходимость комплексного подхода к проектированию систем разработки нефтяных (а позднее и газовых) месторождений, основанного на результатах теоретических и методических исследований в области промысловой геологии, теории фильтрации, технологии эксплуатации пластов скважин и отраслевой экономики, была впервые научно обоснована в монографии «Научные основы разработки нефтяных месторождений» (А.П.Крылов и др., 1948г.). Новый подход, широко внедренный в практику нефтегазодобычи, оказался для своего времени достаточно эффективным, обеспечив высокие и устойчивые темпы роста добычи нефти и газа, значительно улучшив технико-экономические показатели разработки нефтяных и газовых месторождений. Однако в настоящее время добыча нефти и газа достигла такого уровня, что стала очевидной ограниченность и недостаточность комплексного подхода в том виде, в каком он осуществлялся до сих пор. Учет геологических данных только в форме средних значений геолого-физических свойств коллекторов, гидродинамических факторов только в форме зависимости дебитов скважин от депрессии на пласт, факторов эффективности только в форме капиталовложений и себестоимости добытой тонны углеводородов не отражают во всей глубине сложной геолого-физической картины, возникающей в залежи при ее разработке.

 

В поисках выхода из создавшегося положения нефтяники- исследователи интуитивно пришли к необходимости дальнейшего развития комплексного подхода, начали стихийно применять методы, которыесовременная философия и методология науки относят к категориисистемных. Таково, например, построение уравнений множественной регрессии для оценки нефтеотдачи, в которые введены показатели, характеризующие как геолого-физические свойства коллекторов, так и технико-экономические характеристики систем разработки.

Развитие исследований такого характера привело к усилению внимания к системному подходу, помогло осознать тот факт, что и залежи нефти и газа, и реализуемые для их эксплуатации системы разработки есть системы сложные, управление функционированием которых оказалось гораздо более трудным, чем представлялось ранее, требующим дополнительных специфических знаний. Стало очевидным, что необходим переход от стихийного использования системного подхода к его осознанию, развитию применительно к нефтегазовой отрасли и формулированию на соответствующем уровне корректности. Решение этой важной научной задачи имеет три направления: 1) создание концептуальных и методологических основ; 2) формулирование и формализация новых задач; 3) разработка методов и аппарата решения.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА.

123Следующая ⇒

Поделиться: