Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Юрчишин Володимир Миколайович

УДК 622.276:0044

НАУКОВІ ОСНОВИ ЗАСТОСУВАННЯ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ПРИ УПРАВЛІННІ ПРОЦЕСАМИ РОЗРОБКИ НАФТОГАЗОВИХ РОДОВИЩ

05.15.06 - Розробка нафтових та газових родовищ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук

Івано-Франківськ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Бойко Василь Степанович,

Івано-Франківський національний технічний

університет нафти і газу, професор кафедри розробки і

експлуатації нафтових і газових родовищ
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Зезекало Іван Гаврилович,

Полтавське відділення Українського державного геолого розвідувального

інституту, м.Полтава, головний науковий співробітник

доктор технічних наук, професор

Ковалко Михайло Петрович

Президент Української нафтогазової академії

НАК ,,Нафтогаз України", м. Київ

доктор технічних наук, професор

Мислюк Михайло Андрійович,

Івано-Франківський національний технічний університет

нафти і газу Міністерства освіти і науки України

професор кафедри буріння нафтових і газових свердловин

Провідна установи: Український науково-дослідний інститут природних газів, м. Харків

Захист відбудеться ,,10“ жовтня 2006р. о 14.30 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 20.052.02 Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу за адресою: 76019, Україна, м. Івано-Франківськ , вул. Карпатська, 15.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу за адресою: 76019, Україна, м. Івано-Франківськ , вул. Карпатська, 15.

Автореферат розісланий “ 08“ вересня 2006р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 20.052.02

кандидат технічних наук, доцент Ковбасюк І.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В Україні видобувають із надр у значній кількості енергетичні корисні копалини – вуглеводневу сировину, вугілля, торф, уран. У загальному балансі споживання енергетичної сировини в Україні частка природного газу і нафти становить понад 60%. Основними шляхами забезпечення енергетичної незалежності України, аналогічно як і інших держав світу, є нарощування власного видобутку вуглеводнів, розширення географії джерел постачання нафти і газу, впровадження енергоощадних технологій тощо. Враховуючи структуру поточних видобувних запасів вуглеводнів та високу виробленість запасів за сьогоднішнього технічного рівня забезпеченості процесів розробки родовищ і обсягів розвідувального та експлуатаційного буріння, актуальним є потреба у впровадженні сучасних інформаційних систем і технологій у нафтовій та газовій галузі.

Пошук, розвідка та розробка нафтових родовищ вимагає врахування різних факторів і впровадження нових інформаційних технологій для організації систем збору, зберігання та відповідної обробки кількісної і якісної інформації з метою підтримки прийняття рішень фахівцями при управлінні процесом розробки таких родовищ, або їх ,,життєвим циклом”. Цим пояснюється інтенсивність наукових досліджень у даній області, які зумовлені низьким рівнем формалізації знань і необхідністю уточнення існуючих математичних моделей.

Наукові дослідження в цій області знань є багатоаспектними та широко розгалуженими, але центральною лінією в них є проблеми розробки науково-методологічних основ підтримки прийняття раціональних рішень при управлінні життєвим циклом нафтового родовища, складність яких полягає в інформаційній невизначеності при описі слабко структурованих нафтових об’єктів. Проблема має загально-теоретичне і значне прикладне значення.

Важливість проблеми прийняття рішень на етапах пошуку, розвідки та розробки нафтових родовищ зумовила високий та постійний інтерес до цієї області досліджень, особливо з врахуванням сучасних економіко-екологічних та соціально-політичних умов. Щодо підтримки прийняття рішень в різних предметних областях на основі інформаційного моделювання в умовах інформаційної невизначеності значним вкладом є здобутки теорії нечітких множин Л. Заде і штучного інтелекту Г.С. Поспелова, теорія безпаперових інформаційних технологій Г.Р.Громова і В.М. Глушкова, теоретичної інформатики Ю.М. Канигіна і Г.І. Калітича, результати застосування теорії нечітких множин та експертних систем в нафтогазовій предметній області М.А. Мислюка.

Проблеми моделювання процесів прийняття рішень з використанням методів штучного інтелекту при застосуванні технологій діяння на пласт з метою збільшення нафтовилучення розглядаються в роботах С.А. Жданова, В.В. Скворцова та інших.

У практичному аспекті стосовно використання сучасних інформаційних технологій в нафтогазовій галузі отримано ряд важливих результатів, серед яких в першу чергу слід відзначити наукові розробки вітчизняних вчених В.С. Бойка, Р.Ф. Гімера, Н.Н. Гуньки, В.М. Дорошенка, М.І. Євдощука, Д.О. Єгера, Ю.О. Зарубіна, І.Г. Зезекала, М.П. Ковалка, Р.М. Кондрата, В.М. Мойсишина, І.М. Фика, Р.С. Яремійчука та інших.

Разом з тим загальна теорія інформаційного моделювання в цілому та інформаційного моделювання слабко структурованих нафтогазових об’єктів потребують подальшого розвитку, що і визначило проблему досліджень в даній дисертаційній роботі.

Вибраний напрям досліджень є актуальний і тим, що орієнтацію зроблено на інтенсифікацію інтелектуальної діяльності фахівця нафтогазової галузі в процесі прийняття рішення на всіх етапах життєвого циклу нафтового родовища, з обґрунтування і вибором напрямів та методик освоєння родовищ, проектування і реалізації їх розробки, експлуатації свердловин.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Викладені в роботі наукові дослідження тісно пов’язані з науково-дослідною роботою Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу (ІФНТУНГ) по впровадженню нових інформаційних технологій у нафтогазовій галузі. Основні положення дисертаційної роботи ґрунтуються на результатах держбюджетних робіт: ,,Розробка комп’ютеризованого банку даних по інфраструктурах нафтогазовидобувного комплексу України” (№ ДР 0195U009423); ,,Виявлення інформаційних потоків для формування автоматизованого робочого місця геолога в системі нафтогазовидобувних підприємств Держкомгеології України” (№ ДР 0195U0232244); ,,Експертна оцінка прогнозу нафтогазоносності осадових відкладів Прикарпатського прогину (№ ДР 0299U001781)”; ,,Наукові основи розробки нових інформаційно-вимірювальних керуючих систем та комп’ютерно - інтегрованих технологій для об’єктів нафтогазового комплексу України” (№ ДР 0198U009423). Результати дисертаційної роботи ввійшли також до госпдоговірних робіт з наданням науково-технічних послуг університетом: ВАТ ,,Укрнафта” – “Систематизація геологічної інформації по родовищах нафти і газу для комп’ютеризованої бази даних” (договір №89/95); ,,Систематизація геологічної інформації для утворення комп’ютеризованої бази даних свердловин” (договір № 589/97); ,,Організація та умови застосування методів обмеження припливу пластових вод” (договір № 104/98); ДП ,,Полтаванафтогазгеологія” – ,,Розробка програмних продуктів для автоматизованого робочого місця головного геолога” (договір № 371/94), ,,Розробка експертної системи по прогнозуванню нафтогазових колекторів” (договір № 211/96), ,,Розробка СТП ,,Умови та принципи застосування методів інтенсифікації видобутку нафти” (договір № 38/2001). Науковим керівником усіх названих робіт був автор дисертації.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є створення наукових основ підтримки прийняття раціональних технологічних рішень при управлінні процесом освоєння і розробки родовищ нафти та газу з використанням баз даних і баз знань.

Задачі дослідження:
1) розробка теоретичних засад системного аналізу інформаційних потоків, що описують етапи пошуку, розвідки та розробки нафтових родовищ;

2) розвиток змісту поняття “інформаційне моделювання нафтогазових об’єктів” на основі баз знань та баз даних з метою інтенсифікації інтелектуальної діяльності фахівців нафтогазової галузі;

3) розробка інформаційної моделі автоматизованої системи управління життєвим циклом нафтового родовища на основі теорії категорій;

4) удосконалення процедури діалогу фахівця нафтової і газової галузі з персональним комп'ютером при прийнятті обґрунтованих технологічних рішень у процесі управління на кожному етапі життєвого циклу та методики формування правил у базі знань з використанням різних пріоритетів та їх активності в експертній системі;

5) розробка методики отримання знань від фахівців нафтогазової галузі та інших джерел про нафтогазову предметну область за запитом особи, яка приймає рішення, відповідно до його інформаційних потреб, а відтак методики поетапної формалізації знань експерта на основі аналізу якісних і кількісних інформаційних потоків при описі нафтових об’єктів;

6) розробка і реалізація на практиці експертних систем для прогнозу нафтогазоносності, пошуку нафтогазових покладів, раціонального вибору варіанту системи розробки родовища, обмеження припливу пластових вод у свердловину, методу інтенсифікації видобування нафти при освоєнні нафтового родовища.

Об’єкт дослідження – процес прийняття технологічних рішень при управлінні освоєнням і розробкою нафтових родовищ в умовах неповної та нечіткої інформації.

Предмет досліджень – нові інформаційні технології підтримки прийняття рішень фахівцем нафтогазової галузі з використанням теорії категорій.

Методи досліджень базуються на сучасних положеннях теорій пошуку, розвідки та розробки нафтових родовищ, інформатики та інженерії знань, нечітких множин та теорії категорій.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше розроблено теоретичні засади системного аналізу інформаційних потоків з використанням баз знань, на всіх етапах освоєння нафтових родовищ, які уможливили дослідити основні кількісні та якісні параметри стосовно нафтових слабко структурованих об’єктів, розробити методику поетапного накопичення знань експерта при інформаційному описі нафтогазових об’єктів.

2. Розвинуто основи інформаційного моделювання нафтогазових об’єктів, що додатково до відомих положень математичного моделювання уможливило врахувати базу знань та базу даних у нафтогазовій області; інтенсифікувати інтелектуальну діяльність фахівців нафтогазової галузі; методологічно дослідити інформацію з переходом від формально-математичного до змістовного аналізу інформаційних моделей, які описують слабко структуровані нафтогазові об’єкти і дають змогу вибирати раціональні геолого-геофізичні моделі родовища та гідрогазодинамічні моделі процесів у нафтових покладах з метою подальшого проектування освоєння родовища та геолого-технологічного контролю за ним.

3. Вперше розроблено новий метод опису нафтового родовища на теоретико-множинному рівні, що забезпечило, можливість зображати зв’язки і відмінності між різними об’єктами нафтогазової області; приймати (при описі і застосуванні методу дослідження інформаційних потоків) обґрунтовані рішення щодо напрямків і доцільності подальшої розробки нафтового родовища.

4. Удосконалено процедуру аналізу інформаційної напруженості в процесі діалогу фахівця нафтогазової галузі з персональним комп'ютером на етапах пошуку, розвідки та розробки нафтових родовищ і розроблено методи зняття цієї напруженості на кожному етапі роботи з базою знань, що дає змогу фахівцеві приймати раціональні технологічні рішення.

5. Вперше розроблено інформаційну модель автоматизованої системи управління життєвим циклом нафтового родовища на основі теорії категорій, яка описує процеси пошуку, розвідки та розробки нафтового родовища і враховує кількісні й якісні інформаційні потоки та забезпечує прийняття ефективного рішення.

6. Удосконалено методику формування правил продукцій у базі знань з використанням їх пріоритетів у ході діалогу користувача з експертною системою, що дає змогу кількісно оцінювати вплив правила на пріоритет його використання та забезпечує прийняття ефективних технологічних рішень у процесі управління на кожному етапі освоєння нафтового родовища.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Систематизовано геологічну інформацію по вуглеводневих розвідувальних свердловинах Західного регіону України стосовно до комп’ютерної бази даних, яка є зручною при аналітичних дослідженнях та моделюванні процесів розробки родовищ та експлуатації свердловин і впроваджена у ВАТ “Укрнафта”.

2.Створено експертну систему POKLAD по прогнозуванню наявності нафтових покладів у надрах, яка забезпечує інформаційну підтримку прийняття рішень фахівцями. Експертна система впроваджена в нафтогазорозвідувальних та нафтогазовидобувних підприємствах України.

3. Розроблені і впроваджені в ДП “Полтаванафтогазгеологія” автоматизоване робоче місце головного геолога та експертна система COLECTOR, які забезпечують інформаційну підтримку прийняття рішень при розробці нафтогазових родовищ .

4. Розроблені експертні системи PLAST і NAFTA для вибору раціональних технологій обмеження припливу пластових вод у свердловину та інтенсифікації видобування нафти.

Одержані наукові результати впроваджено у ВАТ “Укрнафта” (м.Київ), ДП “Полтаванафтогазгеологія” (м. Полтава), в Державному комітеті по геології та використанню надр (м.Київ), що підтверджено відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі основні результати отримано автором самостійно, а особистий внесок у роботах, опублікованих у співавторстві, наступний: [2, 6, 17, 31] – проведено аналіз семантичних зв’язків при опису слабко структурованих нафтогазових об’єктів та методологічно розвинуто методи переходу від формально-математичного до змістовного аналізу інформаційних моделей, які їх описують з використанням баз знань на етапах пошуку, розвідки та розробки нафтових родовищ; [8, 12 25, 32] – запропоновано при формуванні баз знань використовувати фрейми та правила продукцій з урахуванням коефіцієнтів впевненості фахівців нафтогазової галузі при прийнятті технологічних рішень; [20, 21] – виконано постановку задачі та розроблено алгоритм по формуванню баз знань, необхідних для обмеження припливу пластових вод у нафтову свердловину.

Апробація результатів дисертації. Основні положення результатів дисертаційних досліджень обговорювалися та отримали схвалення на: науково-практичній конференції ”Стан, проблеми і перспективи розвитку нафтогазового комплексу Західного регіону України ”(Львів, 1995р.); міжнародній конференції “Нафта і газ України–98” (Полтава,1998р.); міжнародній науково-практичній конференції “Нафта і газ України–2000” (Івано-Франківськ, 2000 р); міжнародній науково-практичній конференції “Нафта і газ України – 2002” (Київ, 2002 р,); міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми і шляхи енергозабезпечення України” (Івано-Франківськ,1993р.); Всеукраїнській науковій конференції ”Застосування обчислювальної техніки, математичного моделювання та математичних методів у наукових дослідженнях” (Львів,1995р.); міжнародній конференції” Математическое моделирование” (Херсон, 1996р.); міжнародній конференції “Математические модели и современные информационные технологии” (Херсон, 1998р.); міжнародному симпозіумі “Комп’ютери у Європі: минуле, сучасне, майбутнє ” (Київ, 1998.р.); VI науково-технічній конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” (Хмельницький, 1999р.); VI міжнародній науково-практичній конференції ”Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини ” (Харків, 1999р.); міжнародній конференції з управління ”Автоматика - 2000” (Львів, 2000р.); 6-й міжнародній конференції “Теория и техника передачи, приема и обработки информации ” (Туапсе, Краснодарський край, Росія, 2000р.); міжнародній науково-технічній конференції “Інформаційно-комп’ютерні технології–2002” (Житомир, 2002р.); наукових семінарах кафедри розробки і експлуатації нафтових і газових родовищ та кафедри програмного забезпечення автоматизованих систем ІФНТУНГ, науково - технічних конференціях та наукових семінарах при захисті науково-дослідних робіт в ІФНТУНГ, в ДП “Полтаванафтогазгеологія”, в Державному комітеті по геології та використанню надр, ВАТ “Укрнафта”, (1994-2005р.р.)

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковано в 33 фахових виданнях, затверджених ВАК, серед яких 23 статті без співавторів.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, переліку використаних джерел та додатків. Зміст дисертації викладено на 353 сторінках, які містять 118 рисунків, 5 таблиць, 6 додатків, 235 назв бібліографічних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, показано її наукову та прикладну спрямованість, сформульовано мету роботи та задачі дослідження, які потрібно вирішити для її досягнення. Подано коротку характеристику результатів досліджень, ступінь їх апробації та розкриття в публікаціях.

Перший розділ дисертації присвячено аналізу інформаційних потоків життєвого циклу нафтового родовища і проблемам їх формалізації.

Нафтове родовище, як і будь-який об'єкт, має свій життєвий цикл, який включає такі процеси: пошук, розвідка та розробка (рис. 1). Процес розробки нафтового родовища є динамічним, змінним у часі і характеризується стадіями : освоєння експлуатаційного об’єкта (І); стабільного видобутку вуглеводнів(II); значного зменшення видобутку вуглеводнів (ІІІ); завершальна (ІV). На кожній з цих стадій накопичується інформація про нафтогазовий об'єкт.

Життєвий цикл можна поділити на два етапи: дослідження і виробництво. На першому етапі життєвого циклу родовища одержання додаткових знань (лінія 1) інформація накопичується при зростанні витрат (лінія 2) на здійснення регіональних геологічних, пошукових, пошуково-оціночних робіт, попередньої та детальної розвідки, проектування та будівництва свердловин, часткового освоєння родовища. Економічний ефект (кінцева частина лінії 3) виникає лише після компенсації витрат на освоєння виробничих потужностей родовища і його промислової розробки. Питання консервації пробурених свердловин та їх ліквідації з пов’язаними із цим витратами може виникнути як на етапі досліджень, так і на етапі виробництва. На першому етапі процес консервації свердловин може виникнути під час геолого-економічних досліджень, коли виробляються знання не в аспекті природної якості родовища за його геологічними, геофізичними, хімічними і іншими властивостями, а в аспекті їх корисності, функціональних, економічних та екологічних якостей. Консервація нафтових свердловин та їх ліквідація на етапі виробництва може виникнути на основі знань про еколого-економічну доцільність продовження їх експлуатації.

Вирішення складних багатоаспектних завдань з життєвого циклу нафтових родовищ вимагає об’єднання знань і досвіду фахівців різного профілю (геологів, геофізиків, буровиків, фахівців по розробці родовища, програмістів). Така інтеграція виявляється можливою і результативною лише в тому випадку, якщо спільна дія усіх учасників досліджень є певним чином організована. Тут особливо важливим є вміле узгодження вузькоспеціальних досліджень, їх переорієнтація на досягнення єдиної мети. Це, в свою чергу, вимагає вироблення єдиного в методологічному аспекті інформаційного підходу, що визначає як процедуру проведення спостережень, так і інтерпретацію одержаних результатів в умовах інформаційної невизначеності.

У результаті аналізу нами встановлено, що інформація, яка описує нафтову предметну область, зумовлена низьким рівнем формалізації знань. Це конкретно проявляється:

1) за рахунок відсутності логічно, коректно оформлених понять про виділення однотипних нафтогазових об'єктів;

2) підведення під один термін суттєво різних предметів досліджень або тлумачення однотипних об'єктів різними термінами;

3) опис однотипних об'єктів різним набором параметрів, що веде до дублювання і невизначеності при формуванні правил у базі знань;

4) використання ознак, які сприймаються неоднозначно, тобто суб'єктивно;

5) відмінності методів визначення певного показника, що веде до необхідності фіксувати, зберігати і обробляти декілька значень одного показника нафтогазового об'єкта.

Нами вперше дано тлумачення інформаційного поняття нафтогазового об'єкта, яким може бути пастка, родовище, поклад, частина покладу, пласт, сукупність пластів, колектор, керн, шліф, свердловина, що дало змогу відповідно опрацьовувати накопичену інформацію, класифікувати її і формувати для комп‘ютерного використання. Наприклад, колектор можна описати такими кількісними та якісними факторами: тип колектора (теригенний, карбонатний, вулканогенний, глиняний), клас (А, В, С, D, Е –для теригенних; I, ІІ, ІІІ,...VІІІ – для карбонатних тощо), пористість (більше 20, 20-15, 15-10, 10-5, менше 5%), проникність (більше 1000, 1000-500, 500-300, 300-100, 100-50, 50-25, 25-10, 10-110-3 мкм2), ємність (висока, середня, низька) тощо.

Аналіз нафтогазової предметної області свідчить, що обсяг знань фахівця - експерта про предметну область дуже великий, але виникають труднощі зі способом одержання цих знань. Формальним вираженням цих знань є інформація про нафтогазові об'єкти, яка передбачає наявність таких чотирьох величин: опорної множини X об'єктів; інформаційного покажчика x одного з об'єктів X, або xX; підмножини об'єктів з X, тобто X та інформаційної достовірності k, яка характеризує достовірність виконання головної умови x . У дисертації запропоновано формалізувати будь-яку інформацію про нафтогазовий об'єкт xX у вигляді таких кортежів (наборів даних):

{ k, , x }.

Встановлено, що невизначеність інформації про нафтогазовий об’єкт зумовлена комплексом причин, головною з яких є унікальність кожного об’єкта, його масштабність, скритність, а також складність внутрішньої будови. Наприклад, імовірнісний характер геологорозвідувальної інформації є одною з причин багатостадійності геологорозвідувального процесу.

Імовірність одержання якісної інформації про нафтогазовий об’єкт (Р) можна оцінити

Р=Р1Р2Р3,

де Р1 – ймовірність знаходження родовища в межах досліджуваного нафтогазового об’єкта; Р2 – ймовірність виявлення родовища в заданому нафтогазовому об’єкті певним методом пошуку; Р3 – ймовірність того, що це родовище виявиться промисловим. Інформаційний опис знаходження продуктивного родовища (ймовірність Р1) залежить від вибору методики досліджень та інтуїції спеціалістів, які визначають у певній мірі успіх пошуку. Інформаційний опис виявлення продуктивного родовища (ймовірність Р2) залежить від якості пошуково-розвідувальних робіт. Зроблено висновок, що величина Р3 визначається природними аспектами і можливостями економіки.

Ці положення у відповідності до сучaсного нaуково-технічного і методологічного рівня свідчать, що застосування сучасних інформаційних технологій з використанням баз даних (БД) та баз знань (БЗ) у нaфтогaзовій гaлузі вимaгaє вдосконалення логічно неоформлених понять про однозначний опис нафтогазових об’єктів. Спроектована БД уявляє собою інформаційну модель нафтогазової предметної області, наприклад нафтового родовища. БЗ встановлює зв’язки між цими даними на основі інтуїції та досвіду фахівця нафтової і газової галузі, наприклад, прийняття рішення для розміщення свердловин з метою освоєння і розробки нафтового родовища.

Нами вперше запропоновано застосовувати теорію категорій, яка уможливлює об’єднання теорій – розробка нафтових родовищ, управління ними, прийняття рішення, баз даних та баз знань, що дає змогу проводити проектування, аналіз, контроль та регулювання розробки нафтових родовищ, здійснювати інтенсифікацію припливу нафти до вибоїв свердловин та обмеження припливу пластових вод у свердловину.

У другому розділі розроблено теоретичні засади інформаційного моделювання нафтогазових об’єктів на основі застосування теорії категорій.

Інформаційне середовище нафтогазової предметної області розглядаємо як простір пошуку, а формалізацію такого простору задаємо у вигляді функціональної залежності :

,

де S={si};; і=1,n; ;, ; Ip – множина опису інформаційного середовища; S – множина нафтогазових об’єктів; si - і-ий нафтогазовий об’єкт; Hi – найменування і-го нафтогазового об’єкта; Dі – інформація про і-ий нафтогазовий об’єкт; Ci – множина суттєвих значень в і-му нафтогазовому об’єкті, Vi –множина властивостей, що описують і-ий об’єкт; ; Lij – множина властивостей у j-ої суттєвості і-го нафтогазового об’єкта, N – кількість суттєвих значень в і-му нафтогазовому об’єкті; Rij – середня кількість значень властивостей j-ої сутності в і-му об’єкті; Fi – множина функціональних залежностей і – го нафтогазового об’єкта, яка містить ці залежності між властивостями однієї суттєвості, між суттєвостями і-го нафтогазовидобувного об’єкта та між сукупністю властивостей однієї суттєвості; Х — множина відношень між нафтогазовими об’єктами, які входять у склад інформаційного середовища.

При описі життєвого циклу нафтового родовища розглядаємо наступні процеси: пошук (A), розвідка (B), розробка (C), експлуатація (D) та консервація(E). На теоретико-множинному рівні весь технологічний життєвий цикл нафтового родовища подаємо у вигляді FinSet категорії (рис. 2), для яких перехід від одного етапу життєвого циклу до іншого відображаються за допомогою морфізмів. Це вказує на можливість існування морфізму, який відображає функцію співвідношення між C > E, і для Передкарпатського нафтового регіону відповідає таким фактам: по менілітовому покладу Долинського родовища вторинна газова шапка почала утворюватися наприкінці 1958 р., коли через високий газовий фактор було закрито чотири свердловини, розташовані у купольній частині.

Оскільки нафтогазові об'єкти є слабко структурованими, то при їх інформаційному описі має місце інформаційна невизначеність, яка може бути подана у вигляді ентропії згідно основ теоретичної інформатики , що є не просто мірою невизначеності випадкової величини, а мірою недовикористання інформаційного ресурсу в людино-машинній системі. Нами запропоновано кожний крок діалогу користувача з інформаційною системою вважати кроком зняття інформаційної напруженості. У даному випадку поняття ентропії кожного кроку зняття інформаційної напруженості є показником здатності фахівця до набуття знань при звернення до блоку пояснень експертної системи про прийняте технологічне рішення.

На основі аналізу інформаційних потоків, що мають місце в процесі підтримки прийняття рішення на етапах пошуку, розвідки та розробки нафтових родовищ, у дисертації вперше запропоновано функціональну схему автоматизованої системи управління (АСУ) життєвим циклом нафтового родовища, яка включає автоматизовані робочі місця (АРМ), бази даних (БД), бази знань (БЗ) та експертні системи (ЕС). На рис.3 показано абстрактно-категорійну модель АСУ життєвим циклом нафтового родовища.

Якщо ввести позначення А1 – АСУ, А2 – АРМ, А3 – БД, А4 – БЗ і ЕС, тоді

функції переходу від А1 до А2, А3 і А4 – це багатопараметричні залежності інформаційних потоків, одержані в результаті пошуку, розвідки, розробки, експлуатації, консервації і ліквідації нафтогазового об’єкта. На основі множини А4 за допомогою функцій або правил виведення і правил логічного висновку ми робимо перехід на триелементну множину {0,?,1}. Тоді користувач одержує на виході “0” – негативна відповідь на питання, що досліджується, “1” – позитивна відповідь, “?” – невизначеність. На основі цієї діаграми для експертної системи COLECTOR, морфізм А1 > А4 свідчить про необхідність встановлення ознак та зв’язків для виявлення продуктивного колектора з використанням таких парамерів: абсолютна проникність, опір пласта, пористість, параметр насиченості тощо. Так, наприклад, при проникності пласта більшій 2010-3 мкм2 і пористості більшій 6,5 % експертна система COLECTOR робить висновок, що присутня товща із задовільними фільтраційно-ємнісними властивостями, а за умови проникності пласта меншому 2010-3 мкм2 і пористості більшій 6,5 % – присутній нафтовий колектор.

У даному випадку морфізм – це функція, яка утворюється співвідношеннями між параметрами АСУ, є одним із складових запропонованої експертної системи. Даний морфізм дає можливість на основі знань фахівця нафтогазової галузі зробити висновок про існування продуктивних колекторів. Новизна і особливість такого підходу до підтримки прийняття рішення при управлінні життєвим циклом нафтового родовища полягає в тому, що допомагає фахівцям нафтогазової галузі використовувати сучасні інформаційні технології на основі баз даних та баз знань.

У третьому розділі розроблено методи прийняття рішень для управління процесами розробки нафтових родовищ.

Нами запропоновано розглядати три основні фактори, які відзначені в Національній програмі “Нафта і газ України до 2010 року” – закономірності розміщення покладів нафти по стратиграфічному розрізу і території нафтогазоносного басейну (?1); кількісну оцінку прогнозних ресурсів вуглеводнів (?2); практичні результати пошукових робіт за останні роки (?3), тобто ?i(i=1,2,3) – з точки зору теорії категорій у вигляді пучка ростків. Тоді перетин цих множин і дає очікуваний позитивний результат – множину V (рис.4). Тобто на основі таких характеристик: сукупність ознак та зв’язків, які зумовлюють утворення нафтового родовища (геологічна будова, тектонічна будова тощо), можна отримати у результаті геологічних і геофізичних досліджень(Щ1); розрахунок запасів вуглеводнів на родовищі (Щ2); уточнення розмірів і характеру родовища, а також інформація про нововідкриті нафтогазоносні горизонти(Щ3). Наприклад, за 1966 - 1978 р.р. на Гвіздецькому родовищі пробурено 9 експлуатаційних свердловин, а за наслідками буріння з'ясувалося, що передбачувана геологічна будова площі не підтвердилася (змінилося простягання структури, зменшилися її розміри, змінилося положення водонафтових контактів). Це призвело до того, що проектні показники родовища не були досягнуті.

Рис.4. Початкова факторизація для нафтогазової предметної області

А цього можна було б уникнути, враховуючи зв’язки між інформаційними потоками і на основі теорії категорій уточнити контури розміщення нафтогазового пласта. У дисертації розроблено інформаційну модель виявлення параметрів нафтогазоносності з точки зору теоретико-множинного рівня, що дало змогу встановити структуру дерева рішень для визначення можливості існування покладів. За допомогою множинно-категорійного аналізу встановлено кількісну залежність між масштабуванням при відповідному типі геофізичного методу розвідки в сукупності і ймовірністю достовірного визначення накопичення вуглеводнів. Якщо через функції hi (i=1,2,3) позначити відповідно сукупність даних про магнітну, сейсмічну і акустичну розвідку, через функції f, g, k i r – інші методи досліджень (аналіз керна, аналіз шламу, аналіз термодинамічних умов у експлуатаційних свердловинах тощо), то на основі теорії категорій нами отримано діаграму (рис.5).

Рис.5. Діаграма виявлення перспективності нафтогазового району

де a – утворення вуглеводнів; b – формування вуглеводнів; c – знаходження вуглеводнів; d – інформаційний потік. При цьому, можна переходити від об’єкта а до об’єкта d одразу за допомогою функції і, де — композиція результатів магнітних, сейсмічних і акустичних даних. Слід зауважити, що f=gh1; g=kh2; k=hh3, тобто при визначенні об’єкта {1} всі інформаційні потоки (функції) є досить важливими при переході від а до {1} . На основі цього ми робимо висновок про перспективність нафтогазоносного району.

Процес підготовки пошукових об’єктів починається з дослідження геологічної будови маловивчених територій, загальної оцінки перспектив її нафтогазоносності та закінчується виявленням і підготовкою локальних пасток для глибокого буріння. З точки зору теоретико-множинного підходу вибір точок закладання пошукових свердловин є зоною дослідження, яка описується множиною інформаційних потоків А, а структурні одиниці х, у є, наприклад, склепіння, літологічний екран, тектонічне порушення, стратиграфічний розріз тощо. На основі множинно-категорійного аналізу автором вперше розроблено інформаційну модель пошукового буріння, що дало змогу запропонувати вибір пріоритетних точок закладання пошукових свердловин, який визначається будовою базового покладу (рис.6).

На рис. 6 позначено : А – вхідна множина інформації про зону дослідження нафтогазоносного регіону; В – об’єктивна характеристика наявності вуглеводнів; С – множина інформації, одержаної від застосування методів дослідження функції f. У даному випадку ми можемо застосувати співвідношення f : A C, якщо позначимо Rf ={<x,y>:xA, yA; f(x)=f(y)}, або x Rf y, де х, у – структурні одиниці зони дослідження, тоді одержимо декартовий добуток у категорії Set. Тут f визначається рівністю f(х)=f(x), для хf-1(B). Під функцією f1 ми розуміємо узагальнення інформаційного потоку.

Наприклад, в умовах Лопушнянського родовища, А – сукупність даних, отриманих від польової розвідки, аналізу кернового матеріалу по найближчих родовищах; В – сукупність даних від буріння свердловин, на основі чого було підтверджено наявність родовища за допомогою функції (стрілка f), тобто оцінка нафтогазоносності; С – множина інформації, яка була отримана, зокрема зразки порід по відкладах, густина, міцність, пористість тощо. На основі цих даних зроблено висновок про наявність вуглеводнів на даному родовищі, що і є на сьогодні фактом.

На рис. 7 показано інтерпретацію підготовки пасток до пошукового буріння на теоретико-множинному рівні.

Рис.6. Теоретико-множинна інтерпретація Рис.7. Інтерпретація підготовки
процесу підготовки пошукових об’єктів пасток до пошукового буріння

Наприклад, в умовах Лопушнянської площі: А – Лопушнянське родовище; стрілка f - оконтурювання родовища; стрілка f – колекторські властивості, гідрологічні умови, оцінка нафтогазоносності; стрілка В>С – буріння пошуково-розвідувальних свердловин. На основі даної діаграми робимо висновок про доцільність розробки окремо взятого пласта, що фактично і прийнято.

Для розв'язування цілого ряду задач, які виникають при проектуванні та аналізі розробки нафтових родовищ, доцільно використовувати методи розрахунку процесу заводнення, які повніше враховують кінематику потоку рідини до свердловини. До таких методів відносяться: вибір найбільш раціональної схеми заводнення і оптимальної густоти сітки свердловин; оцінка впливу обводнених свердловин на техніко-економічні показники і кінцеве нафтовилучення із пласта; вибір найбільш ефективних заходів по регулюванню процесу розробки, оцінка ефективності зміни кінематики потоків рідини на процес розробки нафтових покладів.

На категорійному рівні при виникненні задачі проектування та аналізу розробки нафтових родовищ (задача В) запропоновано робити зіставлення з наступною ТорSet – категорією (рис.8). На рис. 8 всі відношення між об’єктами є монострілками і визначають методи розв’язування; А1, А2, А3 – проміжні результати, множина {1} – кінцевий розв’язок для прийняття рішення підготовки родовищ згідно з існуючими методиками. В умовах Передкарпатського нафтогазоносного регіону проміжним результатом, тобто А1 будуть нафтові поклади Долинського і Битківського родовищ, які знаходяться в стадії переходу на II етап режиму розчиненого газу. Тут також уже кілька років йде процес утворення вторинних газових шапок, а стрілка В> А1 – це сукупність факторів, які зумовлють перехід з одного режиму розробки на інший. На основі даної діаграми можна зробити висновки про стан нафтового родовища.

Враховуючи, що при розробці нафтових родовищ створюється певний фонд свердловин і основну частину фонду складають видобувні і нагнітальні свердловини, то у дисертації запропоновано зобразити на множинно-категорійному рівні структуризацію групи нагнітальних свердловин у вигляді діаграми (рис.9),

Рис.8. Використання TopSet-категорії для Рис.9. Структуризація груп
аналізу стану нафтового родовища нагнітальних свердловин

де А – фонд експлуатаційних свердловин; В – видобувні свердловини; С – нагнітальні свердловини; D – діючі свердловини. Тоді на множинному рівні D В ? С, однак D В і D С. . У структуру кожної множини входять як кількісні, так і якісні показники окремо взятої свердловини з того чи іншого фонду.

Оцінимо етап розробки за допомогою NonSet-категорії. Для цього введемо такі позначення: R - весь період розробки нафтового об’єкта; A1, A2 , A3, A4 - відповідно, кожна стадія розробки (див. рис.1).

Якщо звернемося до теорії категорій (рис. 10), то відношення в даній NonSet – категорії fi:RAi – означає інформацію, яка стверджує віднесення процесу розробки (R) до однієї із названих стадій видобування нафти (Ai).

Рис.10. Визначення стадії розробки родовища з допомогою NonSet-категорії

При визначені етапу розробки родовища за допомогою теорії категорій беруться параметри розробки родовища, які між собою не зв’язані, але у сукупності дають можливість визначити етап розробки (A1, A2, A3, A4).

В умовах застосування процедури щодо Гвіздецького родовища використовуються такі параметри для визначення етапу розробки родовища: тиск пласту по середній відмітці покладу, зниження пластового тиску рпл на пружному режимі, депресія, середній газовий фактор, коефіцієнт нафтовіддачі, JdB – стрілка, яка враховує зв'язок між цими параметрами на категорійному рівні і визначає етап розробки родовища.

На основі обробки інформації за промисловим досвідом фахівців нафтової і газової галузі з питань розробки багатопластових об'єктів зроблено висновок про високу ефективність нафтовилучення із застосуванням методу зміни напрямку фільтраційних потоків у пласті. Поряд з цим, широке застосування цього методу в ряді випадків призводить до створення зон повторного нафтонасичення в промитих водою пластах, тобто до створення зовсім інших умов для витіснення нафти при одній і тій ж нафтонасиченості пласта. Застосування такого методу уможливило підвищити нафтовилучення із пластів, виключити створення повторної нафтонасиченості в промитих водою зонах, покращити умови витіснення нафти із охолоджених пластів, що дало змогу зберегти створений пластовий тиск протягом тривалого часу. На категорійному рівні застосування описаного методу означає використання функції JdNi, де Ni – поточний тиск в і-му пласті, а на теоретико-множинному рівні отримуємо діаграму, яка показана на рис. 11.

Рис.11. Діаграма методу зміни напрямків фільтраційних потоків

Так, на основі дослідних даних за допомогою функцій JdN1..JdNi, у яких враховуються термодинамічні коефіцієнти фільтраційних потоків та співвідношення між ними, в умовах Гвіздецького родовища можна підтвердити цей аналіз даними по трьох нафтогазоносних пластах на момент вивчення: 1 шар (пластовий тиск – 21 МПа, коефіцієнт нафтовіддачі – 0,332, коефіцієнт обводнення – 97,6 %); 2 шар (пластовий тиск – 18 МПа, коефіцієнт нафтовіддачі – 0,302, коефіцієнт обводнення – 97,7 %), 3 шар (пластовий тиск – 19,5 МПа, коефіцієнт нафтовіддачі – 0,341, коефіцієнт обводнення – 97,3 %)

На основі аналізу застосування фізико–хімічних, теплофізичних, термохімічних методів та їх комбінацій і на основі теоретичних, експериментальних, лабораторних і промислових досліджень та аналізу інформаційних потоків можна зробити висновок, що значного підвищення нафтовилучення можна досягнути при використанні газоводяних сумішей після створення в покладах певних термобародинамічних умов (наприклад, в умовах Битківського нафтового родовища). Запомпування газоводяної суміші у поклад здійснюється після пониження поточного пластового тиску до рівня, що не перевищує 0,7–0,8 величини початкового пластового тиску, при чому поклад спочатку розробляється на водонапірному режимі. Кінцеве нафтовилучення при застосуванні способу збільшується на 8-10 % порівняно із заводненням. Якщо S1 – газоводяний спосіб, f1 i f2 – реалізація методів цього способу; А1, В2 – проміжні результати, N – коефіцієнт нафтовилучення, тоді одержимо FinSet – категорію, яка показана на рис. 12.

Рис.12. Категоризація процедури методу кінцевого нафтовилучення

на основі FinSet-категорії

Практика розробки Прикарпатських нафтових покладів показала, що нафта, яка залишилася в покладі після тривалого гравітаційного дренування, втримується капілярно-молекулярними силами і є “мертвою” при таких методах діяння на поклад, як заводнення і газоповітряна репресія. Тут f1, f2 – заводнення і газова репресія, A1, B1 – дебіти свердловин при застосуванні цих методів, N – кінцевий коефіцієнт нафтовіддачі. На основі цієї діаграми можна зробити висновок про кінцевий коефіцієнт нафтовіддачі.

Таким чином, проведене дослідження структури нафтогазових об’єктів показує доцільність інформаційного моделювання динаміки процесів розробки нафтового родовища на основі теорії категорій. Зазначимо, що після прийняття рішення щодо вибору системи розробки родовища для його проектування застосовуються відомі гідрогазодинамічні чи статистичні моделі.

У четвертому розділі розглянуто методи використання сучасних інформаційних технологій для управління процесами розробки нафтових родовищ. Аналіз способів формального опису діалогу користувача з комп'ютером у процесі формування баз даних свідчить, що при розгляді проблем проектування діалогових систем ігнорується специфіка задач, які вирішуються в діалозі.

У зв'язку з цим, розроблено комплекс програмних засобів з використанням сучасних інформаційних технологій для формування банку даних по нафтогазовому об‘єкту, що дає змогу накопичувати інформацію та використовувати її для підтримки прийняття раціональних технологічних рішень.

Запропоновано при проектуванні інформаційної системи залучати до цього процесу майбутніх користувачів такої системи. Кінцевий користувач знає, що хоче від інформаційної системи, він здатний запропонувати систему, яка повніше задовольняє його вимогам. Методологію проектування інформаційної системи за участю користувача розроблено і використано автором при розробці АРМ геолога.

У дисертації дано критичний аналіз відомих експертних систем, які використовуються в даний час для формалізації знань у нафтогазовій предметній області . Так, експертна система DIPMETER ADVISIOR, яка розроблена компанією Schlumberger – Doll Research, виводить картину підземних геологічних структур; експертна система DRILLING ADVISIOR, яка розроблена компанією Teknowledge у співробітництві з Societe Nationale Elf Aguitaine, допомагає буровому майстру при бурінні нафтогазових свердловин вирішувати питання, що пов’язані з прихопленням долота; експертна система LITHO, яка розроблена компанією Schlumberger, допомагає геологам інтерпретувати дані каротажу нафтових свердловин; експертна система MUD, яка розроблена в Університеті Карнегі в співпраці