Нефтяные месторождения - комплексное проектирование

(В порядке обсуждения)

Своеобразные природные условия нефтегазодобывающих районов Западной Сибири (болота, озера, поймы рек, территории, сложенные переувлажненными и вечномерзлыми грунтами) существенно влияют на конструктивно-технические решения, стоимость строительства и затраты на эксплуатацию различных промысловых сооружений.

При разработке проекта обустройства месторождения необходимо решение большого числа инженерных задач, связанных с определением количества промысловых сооружений (включая автомобильные дороги и различные промысловые сети), их местоположения, а также технико-экономических показателей по отдельным промысловым подсистемам и в целом по всему месторождению.

Комплексность проектирования подразумевает совместное решение различных подсистем промыслового обустройства с учетом особенностей природных условий по территории месторождения [1]. Такое проектирование связано с решением задач большой размерности, реализация которых возможна только на ЭВМ, что, в свою очередь, требует разработки соответствующих моделей территорий.

Традиционными методами получение требуемого строительными нормами объема информации в сроки, отводимые на выполнение проектно-изыскательских работ, в рассматриваемых условиях практически невыполнимо даже по отдельным (определившимся) трассам коммуникаций и площадкам под сооружение. В связи с этим создание моделей территорий связано с реализацией проблемы сбора, обработки исходной информации по ним (неоднородной по условиям строительства) и формирования на основе данной информации соответствующих моделей. Выполненные в Гипротюменнефтегазе исследования на примере решения задач дорожного проектирования, позволяют сделать следующие предположения [2].

1. Модель территории должна давать возможность определять объемы строительно-монтажных работ, расходы материалов, стоимость строительства и т. п. (возможен учет эксплуатационных затрат и причиняемого окружающей среде ущерба, связанных с природными особенностями в точке), приходящиеся на единицу длины линейных коммуникаций или площади под площадные сооружения в любой точке рассматриваемой территории. В данном случае под точкой понимается географический объект в экономико-географическом определении. В соответствии с назначением будем именовать модели территорий как модели технико-экономических показателей территорий (МТЭПТ).

2. МТЭПТ должна содержать такое информационное обеспечение о природных условиях по территории, чтобы конечный результат решаемых на них задач не выходил за пределы некоторого значения, допустимого на данной стадии проектирования. Рациональным при этом как с позиции возможности получения исходной информации, так и последующей ее реализации на ЭВМ является представление информации применительно к определенным методам строительства промысловых сооружений.

Обеспечение информацией о природных условиях по территории может выполняться только дискретно. Это требует определения характерных точек на территории, а также номенклатуры и соответствующего объема информации в каждой точке. В результате возникает необходимость оценки информации с позиции адекватности ее как в отдельной точке, так и самой модели относительно рассматриваемой территории.

Очевидно, что точность модели можно повысить в результате увеличения числа точек (до определенного предела) по территории и объема информации в каждой из них. Однако это целесообразно только до определенного предела. При этом каждая территория, характеризующаяся конкретными особенностями неоднородности, должна иметь свои пределы в связи с тем, что увеличение информативности модели повышает степень ее подобия относительно рассматриваемой территории и требует увеличения затрат сил и средств на получение, обработку, ввод, хранение и последующую реализацию информации на ЭВМ.

Реальное решение находится между двумя граничными плотностями информации по территории: критической, когда модель минимально информативна и качественно отличается от реальной территории, и предельной, когда модель максимально информативна в пределах возможностей технических средств. При этом модель с предельной плотностью можно рассматривать как адекватную относительно данной территории. Практически реализовать решение целесообразно на основе использования многоуровневых иерархических моделей.

Рассмотрим это на примере предполагаемой трехуровневой МТЭПТ применительно к комплексному проектированию обустройства месторождения.
Модели первого уровня предназначены для проектирования генеральных схем обустройства нефтяного месторождения и охватывают всю его территорию. Объем информации, приходящейся на единицу площади данной модели, будет значительно меньше такого показателя у моделей второго и третьего уровней. Однако этот объем вполне достаточен для выполнения на ее основе принципиальных проектных решений по технологии промысловых систем; размещению основных и вспомогательных сооружений (дожимных насосных станций, электроподстанций, промышленных баз и т. п.), определению конфигурации линейных сооружений (нефтепроводов, водопроводов, газопроводов, автомобильных дорог, линий электропередач) и основных техникоэкономических показателей обустройства месторождения.

Модели второго уровня более информативные, чем первого, охватывают только часть месторождения в пределах доверительной площади (площади, на которой строительство промысловых сооружений маловероятно). Эта площадь получена из решения задач на МТЭПТ первого уровня. Модели второго уровня предназначены для уточнения размещения промысловых объектов, определения структуры сети коридоров коммуникаций и отдельных капиталоемких (возможна оценка и по другим критериям, например материалоемкость) коммуникаций и методов их строительства.

Модели третьего уровня, как наиболее информативные, предназначены для детального проектирования трасс коммуникаций по определившейся сети и отображают территорию в пределах возможного варьирования трасс коридоров коммуникаций или трасс коммуникаций по отдельным звеньям найденной сети.

Решение проблемы создания МТЭПТ применительно к комплексному проектированию обустройства нефтяных месторождений и ее реализации на ЭВМ связано с проведением исследований и разработок по типологии и классификации территорий по условиям строительства; типизации проектных решений по строительству промысловых сооружений в различных природных условиях; формализации объемов и удельных стоимостей строительно-монтажных работ в различных природных условиях; моделированию территорий; построению МТЭПТ.

Типология и классификация территорий по условиям строительства. В поставленной задаче построения МТЭПТ деление исследований по группировке территорий (на соответствующие категории) и типизации проектных решений во многом условно и выполнено для более последовательного изложения сути вопроса.

Группировка территорий базируется на их неоднородности по условиям строительства и должна определяться соответствующим критерием неоднородности. В качестве такого критерия, очевидно, следует принять необходимые объемы строительно-монтажных работ или стоимость их выполнения при различных методах их строительства. При этом, территории считаются неоднородными, если хотя бы для одного из промысловых сооружений найдется такой метод строительства, при котором функция критерия по территории отличается более, чем на некоторую заданную величину.

Этот же принцип можно использовать при учете эксплуатационных затрат, связанных с территорией, и воздействия на окружающую среду строящихся промысловых сооружений. Критерий неоднородности показывает на необходимость учета неоднородности территории при проектировании. Неоднородность территории необходимо оценивать преимущественно по ключевым участкам, обоснование и выбор которых должны основываться на методах типологических группировок выборочного исследования с помощью теории математической статистики.

Под типологической группировкой подразумевают разделение территории (приемлемое на любом уровне решаемых задач) по устойчиво-различающимся качественным признакам. В качестве примера такого подразделения можно привести такие категории, как болота, озера, поймы рек, вечномерзлые грунты и т. п. В пределах типологических группировок территории (преимущественно по количественным признакам) проводят их классификацию, которая уже вполне определена для каждого класса решаемых задач. Качественное различие между соседними классами отражает, в основном, их иерархический порядок — детализацию или укрупнение. Так, болота дополнительно подразделяют на типы (I, II, III). Показателем, определяющим число категорий местности (дискретность территории) может служить критерий неоднородности.

Такой подход позволит заменить реально существующую сложную систему зависимостей технико-экономических показателей строительства промысловых сооружений от множества аргументов — природных характеристик — на более простые подсистемы, каждая из которых адекватна реальной для соответствующего класса решаемых задач. В результате не требуется широкая дифференциация природных условий в пределах выделенных категорий местности, что значительно сократит требуемый объем исходной информации по территории.

Типизация проектных решений по строительству промысловых сооружений в различных природных условиях. Практика обустройства месторождений располагает двумя методами проектирования промысловых сооружений, основанными: при индивидуальном проектировании на учете многообразия факторов, существенно или незначительно влияющих на выбор проектного решения; при типовом проектировании — на группировке факторов в соответствующие комплексы, имеющие определенный физический смысл и характеризующиеся осредненными инженерными решениями (при осредненных природных условиях), которые представлены типовыми проектами, строительными нормами и т. п.

Формирование МТЭПТ на основе данного метода проектирования значительно затруднено, так как требует большого объема исходной информации, затрат сил и средств на ее обработку и реализацию выбора рационального решения. Поэтому типизация проектных решений по строительству сооружений в пределах выделенных категорий местности, которая должна выполняться одновременно с классификацией территорий, значительно сокращает объем исходной информации без существенного снижения качества проектного решения. В результате МТЭПТ получается простой и практически реализуемой в проектировании. Примером такого решения является типизация природных условий и проектных решений применительно к строительству автомобильных дорог [2].

Формализация объемов и удельных стоимостей выполнения строительно-монтажных работ. Классификация территорий и типизация конструктивно-технологических решений позволяют получить соответствующие функции зависимостей объемов строительно-монтажных работ по строительству промысловых сооружений на различных категориях местности.

Формализовав удельные стоимости выполнения строительно-монтажных работ, которые с некоторой условностью можно разделить на постоянную и переменную группы, можно оценить стоимость строительства сооружения в любой точке рассматриваемой территории. Постоянная группа удельных стоимостей — это затраты на выполнение единицы объема работ, не зависящие от места выполнения строительно-монтажных работ на территории (отсыпка грунта в насыпь, монтаж железобетона и т. п.). Переменная группа представляет затраты, зависящие от места их выполнения и связанные, в основном, с транспортом строительных материалов. В результате в каждой точке территории при незначительных затратах сил и средств можно получить технико-экономические показатели строительства сооружений.

Моделирование территорий. Это может быть осуществлено с помощью аналитических функций, описывающих изменение параметров природных условий площади месторождения (аналитическая модель), или с помощью конечного множества точек, расположенных на площади (дискретная модель). Второй метод, по нашему мнению, более рациональный, поскольку позволяет с меньшими затратами машинного времени определить параметры природных условий строительства промысловых сооружений каждого участка месторождения, что обусловлено характерными особенностями месторождений Западной Сибири (большие размеры площади, значительная по условиям строительства неоднородность территории, необходимость учета в моделях по всей площади характеристик природных условий).

В дальнейшем дискретную модель местности будем называть цифровой моделью местности (ЦММ), имея в виду под местностью природные условия (категории местности) с определяющими существенными характеристиками площади месторождения применительно к его обустройству.

Более точно ЦММ представляет совокупность точек (узлов) или ядер в экономико-географическом определении, соответствующим образом расположенных на территории месторождения. Каждому узлу однозначно соответствует конкретная часть площади (участок), природные условия которой определяются параметрами, заданными в соответствующем узле. Все участки между собой не пересекаются и полностью покрывают площадь месторождения.

Для каждого узла ЦММ найдено множество возможных переходов к соседним узлам. Порядок расположения узлов определяется прямоугольной (не обязательно регулярной) сеткой, контурными линиями однородных участков территории, комбинацией сеток и контуров и выбирается исходя из природных условий конкретного месторождения.

ЦММ формируют с помощью алгоритма преобразования исходной информации о местности. Известны следующие способы представления исходной информации о местности: по опорным точкам вдоль заданных направлений (например, вдоль оси ординат), и вдоль границ однородных участков местности; в каждом узле сетки (например, прямоугольной или состоящей из равносторонних треугольников).

По-видимому, ни одному из названных способов нельзя отдать предпочтение, поскольку преимущества одного перед другими определяются степенью неоднородности территории, формой однородных участков и их распределением по площади месторождения. Например, для сильно неоднородной территории, на которой относительно равномерно распределены малые участки с различными категориями местности, информацию целесообразно задавать по узлам прямоугольной сетки.

Погрешность моделирования местности определяется по степени достоверности исходной информации о природных условиях в каждой опорной точке или узле, а также способами представления исходной информации о местности и построения ЦММ. Первая компонента погрешности зависит от точности (техники и методов определения различных параметров природных условий), две другие — от частоты следования опорных точек вдоль контурных линий и шага сетки.

В настоящее время для территорий с различными природными условиями нам не известны точные методы выбора способов представления исходной информации и построения ЦММ, частоты следования опорных точек вдоль контурных линий и шага сетки. Однако требования к точности моделирования местности определяются классом решаемых задач, трудоемкостью получения исходной информации о природных условиях и возможностями реализации ее на ЭВМ (объем основной памяти, ресурсы машинного времени).

Целесообразность использования МТЭПТ в практике проектирования устанавливается на основе того, насколько результат, полученный по модели, близок реальному. А это обусловлено адекватностью формирования технико-экономических показателей по модели по сравнению с полученными при обустройстве месторождения. Очевидно, что адекватность МТЭПТ зависит от ЦММ, точности определения объемов строительно-монтажных работ и удельных стоимостей их выполнения.

Опыт проведения проектно-изыскательских работ в рассматриваемом регионе показывает, что объемы работ и удельные стоимости выполнения их можно формализовать достаточно точно относительно класса решаемых задач (однако их влияние на адекватность МТЭПТ во многом зависит от целесообразности детализации этих расчетов). В основном на адекватность МТЭПТ влияет ЦММ, исходную информацию для которой получают в точках местности, определенным образом расположенных по территории.

Наиболее сложным нам представляется вопрос о плотности точек и форме задания их по территории, которые зависят от достоверности информации, получаемой в самой точке; неоднородности территории; затрат сил и средств, требуемых на получение исходной информации; класса рассматриваемых задач. Этот вопрос можно решить двумя способами: посредством опыта и путем формализации критерия с использованием соответствующего математического аппарата. В ближайшее время практически реализуемым должен стать метод опытной оценки посредством решения задач применительно к ЦММ с различной плотностью и формой задания точек по территории.

Построение МТЭПТ. После получения ЦММ формируется МТЭПТ. При этом каждая точка на модели описывается группой функций, позволяющих получить техникоэкономические показатели по различным методам строительства промысловых сооружений.

В общем практическая задача проектирования с использованием МТЭПТ (различных уровней) может быть решена в следующей последовательности.

1. Определение размера и конфигурации площадки обустройства месторождения.
2. Проведение аэрофотосъемки, изучение и выделение ключевых участков территории.
3. Выполнение наземного обследования ключевых участков и типизация территорий.
4. Построение ЦММ.
5. Формализация объемов работ и удельных стоимостей их относительно конкурирующих методов строительства промысловых сооружений.
6. Определение трасс на месторождении для перевозки различных строительных материалов.
7. Решение на МТЭПТ задачи обустройства месторождения, проблемы и методы решения которой в статье не рассматриваются.

Прежде, чем определить эффективность применения МТЭПТ, в решении задач обустройства месторождений Западной Сибири целесообразно рассмотреть особенности выбора основных проектных решений. Многие из них принимают для условий, не встречающихся в практике не только обустройства месторождений, но и строительства других отраслей народного хозяйства. Решения часто выбирают не только при отсутствии достаточного объема информации, но и при их неопределенности.

Для принятия решения отводится, как правило, очень мало времени, которое недостаточно при многовариантной проработке задач проектирования (часто рабочие чертежи разрабатывают раньше, чем проект технико-экономического обоснования обустройства). Решения принимают в условиях, когда многие из вопросов обустройства трудно или вообще не формализуемы, вследствие чего окончательное решение во многом зависит от опыта (интуиции) проектировщика.

Применение МТЭПТ при решении задач комплексного обустройства месторождений будет способствовать минимизации затрат на обустройство месторождения, так как дает возможность учесть неоднородность территории по условиям строительства на ней различных промысловых сооружений, а также более обоснованному выбору стратегии выполнения проектно-изыскательских работ.

Имея в руках такой аппарат, проектировщик может выполнять следующие мероприятия.

1. Определить перспективные (путем «проигрыша» на моделях) проектные решения и направления дальнейших исследований в совершенствовании конструктивнотехнологических разработок по отдельным направлениям обустройств месторождения.
2. Методически более обосновано подойти к назначению объемов работ при изыскании, решив вопрос о необходимой и достаточной информативности относительно класса рассматриваемых задач.
3. Снизить затраты сил и средств на проектно-изыскательские работы в результате широкой и единой типизации природных условий применительно к задачам промыслового обустройства.
4. Разработать основы к созданию автоматизированных систем проектирования на основе формализации природных условий и конструктивно-технологических решений.
5. Способствовать обеспечению высокой оперативности принятия решений и путем выдачи наглядных выходных результатов, одновременно повысить к ним доверие (поскольку проектировщик будет участвовать в логико-математической процедуре выбора решения).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Оптимизация систем обустройства нефтяных месторождений / Ш. М. Донгарян, Я. М. Каган, В. А. Горбатиков, В. Б. Ройзрах. Свердловск, Средне-Уральское книж. изд-во, 1976.
2. Табаков Н. В. Исследование путем выбора оптимальных проектных решений для нефтепромысловых автомобильных дорог на сильно заболоченных территориях Западной Сибири. Автореф. дис. на соиск. уч. степ, канд. техн. наук. М., СоюздорНИИ, 1975.

УДК 622.276.006.002.5
Я. М. Каган, Н. В. Табаков, Э. А. Ахпателов
(Гипротюменнефтегаз)
1979