ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ 7
1.1. Описание исходных данных 7
1.2. Общая структура модели 8
1.3. Допущения модели 10
1.4. Метод решения задачи 11
1.5. Обоснование выбора языка программирования 11
ГЛАВА 2. ЗАДАЧА РАЗДЕЛЕНИЯ СКВАЖИН НА ГРУППЫ 13
2.1. Предварительный анализ исходных данных 13
2.2. Обоснование алгоритма разделения скважин на группы 18
2.3. Описание алгоритма разделения скважин на группы 19
2.4. Реализация алгоритма разделения скважин на группы 20
2.5. Результаты работы алгоритма разделения скважин на группы 22
2.6. Оценка взаимодействия скважин внутри групп 24
ГЛАВА 3. РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ 31
3.1. Выбор данных для построения модели 31
3.2. Способ выделения стратегий 34
3.2.1. Описание архитектуры и алгоритма обучения карты Кохонена 36
3.2.2. Реализация алгоритма выделения стратегий 39
3.2.3. Результаты работы алгоритма выделения стратегий 39
3.3. Проверка адекватности модели 46
3.4. Результаты работы алгоритма подбора режимов эксплуатации скважин 50
ВЫВОДЫ 55
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 57
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 59
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 61
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 62
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 63
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 65
ПРИЛОЖЕНИЕ 5
Данная работа является прикладным исследованием, относящимся к области автоматизации процессов нефтегазовой отрасли.
В настоящее время основные участки месторождений в России отличаются высокой степенью обводненности продукции - порядка 86% [1]. Аналогичная ситуация наблюдается и в республике Татарстан. Например, обводненность продукции НГДУ «Джалильнефть» ПАО «Татнефть» достигает значения 87.9%, НГДУ «Елховнефть» - 78.9% [2]. Таким образом, поддерживать текущий уровень добычи нефти без увеличения ее себестоимости становится все сложнее. В данных обстоятельствах доход от добычи нефти напрямую зависит от того, насколько эффективным будет управление разработкой месторождения. На эффективность управления сильно влияет степень использования накопленной исторической и телеметрической информации, которая на текущий день уже имеет внушительный объем и продолжает расти. Поэтому возникает задача разработки автоматических алгоритмов, которые способны оптимизировать режимы работы скважин путем анализа исторических данных.
Следует помнить, что в настоящее время неосуществима реализация полностью автоматических систем управления месторождением. Однако возможно разработать такие системы и алгоритмы, которые извлекут из огромных массивов данных ценные сведения и представят их геологу и технологу в качестве дополнительной и рекомендательной информации для управления процессом эксплуатации. Таким образом, проблема разработки методов автоматического подбора оптимальных режимов работы скважин путем анализа накопленных исторических данных является актуальной.
Цель данной работы состоит в разработке метода, позволяющего автоматически выбирать режимы работы скважин, обеспечивающие максимальную прибыль от добычи нефти.
Задачи исследования:
• извлечь информацию о режимных показателях работы скважин и данные о количестве извлекаемой нефти по выбранному участку месторождения из эксплуатационных карточек, провести предварительный анализ данных сведений, представить их в пригодном для дальнейшей работы виде;
• разработать алгоритм на языке R разбиения скважин на группы наиболее взаимодействующих между собой объектов. Под «взаимодействием» понимается явление, выражающееся в изменении дебитов скважин и (или) их забойных давлений под влиянием изменения режима работы соседних скважин [3, c.12];
• определить модель принятия решений по установке режимов эксплуатации скважин;
• разработать алгоритм подбора режимов эксплуатации на языке R для группы скважин, обеспечивающий максимальный доход от добычи нефти данной группой в течение конечного периода времени.
Объектом исследования выступают данные эксплуатационных карточек, предметом - процесс выбора режимов работы скважин на основе анализа исторических данных.
Эксплуатационная карточка содержит сведения об изменяющихся каждый месяц технологических показателях работы скважины и отражает все изменения ее режима. Под режимом эксплуатации скважин понимают совокупность параметров, с помощью которых осуществляется рациональная эксплуатация скважин [3, с.96].
Эксплуатационная карточка может содержать следующие элементы:
• абсолютные величины дебита (количества продукции в единицу времени) нефти и жидкости в данной скважине;
• весовой и объемный процент воды;
• типоразмер насосного оборудования;
• часы работы скважины и др.
В рамках магистерской диссертации выдвигается следующая гипотеза: существует возможность проводить оптимальное управление режимами работы скважин на основе анализа накопленной исторической информации о режимных показателях работы скважин и данных о количестве извлекаемой ими нефти.
Ввиду того, что разработка и внедрение подобных алгоритмов в процесс нефтедобычи являются экономически выгодными, результаты в данной области часто сокрыты коммерческой тайной. Поэтому тема данной работы плохо освещена в современной специальной литературе.
Теоретической и методологической основой магистерской диссертации послужили:
• литература по методам исследования операций;
• литература по методам анализа и прогнозирования разработки месторождений при недостаточной и неопределенной исходной информации;
• материалы, полученные в процессе практической работы автора.
При решении поставленных задач в работе использованы такие методы исследования, как моделирование процессов управления при разработке нефтегазовых месторождений и эксперименты.
Структура и объем работы
Магистерская диссертация состоит из Введения, трех глав, Выводов, Заключения, Списка литературы и Приложения.
Введение раскрывает актуальность темы, цель, задачи, объект, предмет и методы исследования.
В главе 1 приводится информация об исходных данных, описание математической модели, раскрываются допущения, которые были приняты при моделировании, а также освещается метод решения задачи и обосновывается выбор языка программирования, с помощью которого это решение было реализовано.
Глава 2 посвящена задаче разделения скважин на группы взаимодействующих объектов, а также содержит результаты предварительного анализа исходных данных.
Глава 3 описывает детали реализации модели, содержит обоснование ее адекватности, результаты работы алгоритма подбора оптимальных режимов скважин.
Выводы содержат ключевые результаты исследования.
В Заключении формулируются общие итоги по рассматриваемой теме в соответствии с задачами магистерской диссертации.
В Приложении приводятся графики и таблицы с результатами вычислений, на которые присутствуют ссылки в тексте работы, а также код, разработанный в ходе исследования.
В процессе работы над магистерской диссертацией был разработан метод, который позволяет автоматически подбирать режимы работы скважин, обеспечивающие максимальную прибыль от добычи нефти. Данный метод предполагает построение модели марковской задачи принятия решений. Для достижения цели работы были решены следующие задачи:
• из эксплуатационных карточек была извлечена информация о режимных показателях работы скважин и данные о количестве извлекаемой нефти по исследуемому участку месторождения. Данная информация отличается большим объемом ввиду широкого временного охвата (около шестидесяти шести лет) наблюдения за 177 скважинами. Единичные выбросы, которые присутствовали в исходных данных, были обнаружены и скорректированы;
• был разработан алгоритм на языке R разбиения скважин на группы наиболее взаимодействующих между собой объектов. В основе алгоритма лежит идея иерархической кластеризации. Внутригрупповое взаимодействие между скважинами было проверено с помощью коэффициента ранговой корреляции Спирмена;
• для каждой группы скважин были определены состояния участка в зависимости от объема добытой нефти. Данные состояния были использованы как компоненты марковской задачи принятия решения (состояния системы) при реализации алгоритма подбора оптимальных режимов работы скважин;
• было определено понятие стратегий, согласно которым происходит настройка режимов работы скважин;
• был разработан алгоритм выделения стратегий путем кластеризации режимных векторов с помощью самоорганизующихся карт Кохонена. Данный этап был сопряжен с большим количеством экспериментов по настройке параметров карт Кохонена. Одновременно был проведен анализ
максимального размера группы скважин, для которого могут быть получены удовлетворительные результаты;
• на основе накопленной исторической информации были вычислены матрицы переходных вероятностей и дохода в качестве компонент марковской модели принятия решения;
• для доказательства адекватности построенных моделей (отдельная модель для каждой группы скважин) была исследована степень изменчивости матриц переходных вероятностей с течением времени;
• был разработан алгоритм подбора режимов для группы скважин на языке R, обеспечивающий максимальный доход от добычи нефти данной группой в течение полугода. В основу алгоритма положен принцип вероятностного динамического программирования;
• с помощью разработанного алгоритма для каждой группы скважин были определены оптимальные стратегии по управлению режимами работы скважин.
1. О современном состоянии нефтедобычи, коэффициенте извлечения нефти и методах увеличения нефтеотдачи // Специализированный журнал «Бурение & Нефть» [электронный ресурс]. URL:http://bumeft.ru/archive/issues/2011 -02/6
2. Нефтегазодобывающие управления // Татнефть [электронный ресурс]. URL:http://www.ngdu.tatneft.ru
3. Мохов, М.А: Краткий электронный справочник по основным
нефтегазовым терминам с системой перекрестных ссылок / Игревский Л.В, Новик Е.С. - М.: Университет нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005. - 125 с.
4. Разбиение Вороного // Свободная энциклопедия «Википедия» [электронный ресурс].
URL:http://ru.wikipedia.org/wiki/Диаграмма_Вороного
5. Жизненный цикл месторождения нефти // Все о нефти [электронный ресурс].
URL: http: //vseonefti.ru/upstream/stadii-razrabotki.html
6. Таха, Х.А., Исследование операций.: Пер. с англ. // Под ред. О.Ю. Белозовская. - М.: ВИЛЬЯМС, 2005. - 912 c.
7. Tidy data // Hadley Wickham's Academic Portfolio [электронный ресурс]. URL: http: //vita.had.co .nz/papers/tidy-data. html
8. Выброс (статистика) // Свободная энциклопедия «Википедия» [электронный ресурс].
URL: https: //en.wikipedia. org/wiki/Outlier
9. Ведерникова, Ю.А. Оценивание гидродинамических параметров системы "пласт-скважина-насос" в режиме нормальной эксплуатации.: дис. ... канд. технич. наук: Тюмень, 2006. — 154 с.
10. Мирзаджанзаде, А.Х. Основы технологии добычи газа.: Научное издание / З.С. Алиев, К.С. Басниев, О.Л. Кузнецов. - М.: Недра, 2003. - 880 с.
11. Hierarchical Clustering // Statistical Data Analysis [электронный ресурс]. URL:https://stat.ethz.ch/R-manual/R-devel/library/stats/html/hclust.html
12. Математические методы обучения по прецедентам (теория обучения машин) // Профессиональный информационно-аналитический ресурс [электронный ресурс].
URL: http: //www. machinelearning.ru/wiki/images/c/ca/V oron-ML- Clustering.pdf.
13. UPGMA // Свободная энциклопедия «Википедия» [электронный ресурс]. URL: https: //en.wikipedia. org/wiki/UPGMA
14. Горбаченко В. И. Сети и карты Кохонена [Электронный ресурс]. URL: http://gorbachenko.self-organization.ru/articles/Self-organizing_map.pdf
15. Гипотеза компактности // Профессиональный информационно-аналитический ресурс [электронный ресурс].
URL:http://www.machinelearning.ru/wiki/index.php?title=Гипотеза_компактности