15.4. Принципы реализации системного подхода при решении задач разработки нефтяных месторождений

Обсуждение проблем нефтегазопромысловой геологии и раз­работки нефтяных месторождений с позиций системного подхода прежде всего требует рассматривать залежь нефти, совокупность технических сооружений и реализуемую на этих сооружениях технологию не по отдельности, как это имеет место в настоящее время, а в качестве такой сложной системы, как геолого-технический комплекс (ГТК), выступающий в виде целостного един­ства геологической и технической компонент (подсистем, разли­чающихся по своей природе). Очевидно, что геолого-технические комплексы относятся к числу объектов «второй природы», т.е. являются творением разума и рук человека. Для таких объектов характерна отчетливо выраженная системность, которая проявляется в неразрывной связи трех сторон: структуры, функ­ции и процесса, совершающегося внутри объекта. При этом в не­разделимом единстве находятся природные, или естественные, и создаваемые человеком, или искусственные, элементы объекта. В пространственном отношении ГТК представляет собой некото­рую область инженерного воздействия на геологическую среду. Структура этой области, выступающей как материальное «тело» ГТК, складывается из элементов как геологического, так и техни­ческого происхождения, слагающих геологическую и техническую компоненты ГТК. Для ГТК характерно то, что элементы геологи­ческой подсистемы (их состав, свойства, размеры, положение в пространстве и т.д.) определяют условия, в которых протекает взаимодействие геологических и технических сил. В этих услови­ях технические характеристики ГТК (т.е. параметры системы разработки) выступают как специфическое проявление его гео­логических свойств и процессов, совершающихся в подвергаю­щемся воздействию объеме геологического пространства. Соедине­ние представлений о естественных и искусственных характерис­тиках ГТК осуществляется через зависимость между особеннос­тями структуры и функционирования ГТК как сложной системы.

Из сказанного следует весьма важный вывод о том, что в существовании, устройстве и функционировании технической ком­поненты ГТК (совокупности скважин и промысловых сооруже­ний) определяющую роль играет геологическая компонента, структура которой обусловливает строение (т. е. морфологиче­ское и функциональное расчленение), функционирование и органи­зацию технологического процесса в рамках технической компо­ненты.

Это видно хотя бы из того, что структура геологической под­системы должна обусловливать размещение эксплуатационных и нагнетательных скважин, что определяет структуру системы про­мыслового сбора и транспорта нефти и газа, структуру системы заводнения, а также параметры режима эксплуатации этих сис­тем и их отдельных частей (подсистем).

Можно также утверждать, что суть процесса функционирова­ния ГТК в целом состоит в изменении структуры геологической компоненты посредством развития (изменения) структуры тех­нической компоненты. Определяющей особенностью процесса функционирования ГТК является именно изменение размеров, взаиморасположения, характера взаимосвязи подсистем и элемен­тов геологической и технической компонент. При этом происходит изменение и субстанции геологических элементов. В частности, меняется характер их насыщения (нефть вытесняется водой, сни­жается нефтенасыщенность на отдельных участках в связи с час­тичной промывкой пород и т.п.), а это приводит к изменению, например, законов распределения нефтенасыщенности и эффективной нефтенасыщенной мощности. Законы же распределения, как известно, являются характеристиками структуры. В связи с изменением структуры геологической компоненты происходит изменение структуры и технической компоненты: изменяются чис­ла эксплуатационных и нагнетательных скважин, их взаиморас­положение, величины забойных давлений и давлений нагнетания и т.п.

В конечном итоге необходимо говорить о том, что задача тех­нической компоненты ГТК состоит в том, чтобы перевести геоло­гическую компоненту, имеющую некоторую начальную структуру с исходными значениями и пространственным размещением признаков (мощности, нефтенасыщенности, запасов и т.п.) в желаемое финальное состояние, характеризуемое, например, ну­левыми или близкими к нулю запасами.

В этом состоит одна из существенных отличительных особен­ностей ГТК как системы. Если взять, например, такую систему, как автомобиль, то ее функционирование проявляется во взаи­модействии частей без изменения структуры. Результат функцио­нирования — перемещение грузов из одного пункта в другой - лежит вне системы. Если же говорить о ГТК, то процесс его функционирования заключается именно и только в перестройке его структуры.

Следовательно, решение задачи перевода геологической подсистемы ГТК в некоторое конечное состояние возможно, оче­видно, только путем оптимального согласованного создания и изменения структур технической и геологической компонент ГТК. Существование неразрывной связи между компонентами позво­ляет утверждать, что оптимальность процесса перевода геологи­ческой компоненты в заданное финальное состояние зависит от уровня адекватности структур обеих компонент. Этот уровень в первую очередь обусловливается полнотой наших знаний о структуре геологической компоненты и способом её описания и учета при проектировании и реализации проектных решений.

Поскольку между структурой, функцией и процессом в рам­ках ГТК как сложной системы существует неразрывная связь, то необходимые для организации разработки месторождения геологические знания не могут возникнуть только в сфере «чис­той» геологии, т.е. геологии нефти и газа. Геологические знания, которые эффективно могут быть использованы при проектирова­нии и эксплуатации ГТК, должны характеризовать соотношение между «естественным» и «искусственным» в форме соотношения между структурами его компонент: как геологические особеннос­ти области инженерной деятельности обусловливают особеннос­ти конструкции и технологии, реализуемой с помощью техничес­кой компоненты, так и технические возможности и экономические требования обусловливают наши представления о структуре геологической компоненты. Последнее видно хотя бы из того, что, например, границы нефтенасыщенных частей пластов уста­навливаются с учетом кондиционных значений пористости и про­ницаемости, которые определяются с учетом технических и эко­номических соображений.

Каким же образом можно реализовать охарактеризованные в предыдущем параграфе возможные представления системы при­менительно к геолого-техническому комплексу? Отвечая на этот вопрос, будем опираться на схему 1. В литературе уже неодно­кратно подчеркивалось, что любое геологическое тело имеет иерархическую структуру, в которой оно является элементом структуры более высокого порядка, и системой, состоящей из эле­ментов и подсистем — геологических тел более низкого порядка.

Например, при рассмотрении нефтегазоносных пластов можно выделить следующие естественные, природные уровни иерархии:

1. уровень минерального зерна, когда отдельное зерно высту­пает как элемент, т.е. далее неделимое геологическое тело; сово­купность таких тел образует систему, называемую горной по­родой;

2. уровень горной породы, когда горная порода определенного класса (песчаник, алевролит, аргиллит и т.д.), залегая в виде тела некоторой формы и размера, может рассматриваться как элемент более крупной системы, называемой в нефтяной геологии продуктивным (нефтегазоносным, нефтегазонасыщенным) или не продуктивным пластом или горизонтом;

3) уровень пласта или горизонта, когда отдельные пласты, насыщенные или не насыщенные нефтью или газом, выступают в качестве элементов системы, представляющей собой многоплас­товое месторождение.

П

Схема I. Возможные представления терригенного пласта как системы

ри изучении структуры геологических систем на указанных уровнях их структурной организации не учитываются результа­ты воздействия на них в процессе добычи нефти. Эта структура на любом из трех уровней может быть изучена без учета таких свойств пород, как пористость, проницаемость, нефтенасыщенность и т.п. Однако, как только мы включаем техническую компоненту ГТК, воздействуя на первичную геологическую систему, сразу же процесс взаимодействия этих систем вскрывает особен­ности, новые черты, новые отношения как между элементами пер­вичной геологической системы, так и между отдельными частями первоначально представлявшихся однородными, рассматривав­шихся как неделимые, элементов изначальной геологической системы. Оказывается, во-первых, что породы, характеризующиеся коллекторскими свойствами, в разных частях геологического пространства содержат разное количество нефти (имеют разную нефтенасыщенность), эти части характеризуются разной способ­ностью отдавать нефть (разной продуктивностью) и т.д. Если изменение пористости или проницаемости коллектора в пределах единого элемента начальной геологической системы, рассматри­ваемого до начала воздействия, происходит плавно, на фоне их изменения трудно провести какие-либо границы, то техничес­кое воздействие сразу же позволяет обнаружить существование граничных значений проницаемости (или пористости), разделяю­щих породы на отдающие и не отдающие нефть при данной систе­ме воздействия на пласт.

Точно также взаимодействие геологической, технической и эко­номической систем порождает необходимость более сложного разделения первично неделимого элемента, представленного нефтенасыщенной породой, на нефтенасыщенную породу-коллек­тор и нефтенасыщенную породу-неколлектор путем установления кондиционных значений некоторых параметров.

Из сказанного видно, как зависят представления о системе от конечных целей: по одним признакам, важным, например, для решения вопросов литологии, геологическое тело предстает пе­ред исследователем как простое, по другим, важным для решения задач подсчета запасов и разработки, это же тело предстает как сложное, расчлененное на тела, различающиеся по характеру по­ведения в процессе функционирования ГТК.

В конечном итоге для целей промыслово-геологических ис­следований, проводимых именно в условиях взаимодействия гео­логии, техники и экономики, целесообразно выделить следующие уровни структурной организации геологической компоненты ГТК:

1) уровень минерального зерна;

2) уровень, на котором в качестве элемента структуры высту­пает некоторый конгломерат зерен, заполняющих определенную часть геологического пространства, и выступающих в качестве произвольного геологического тела, которое мы называем образ­цом горной породы;

3. уровень геологических тел, существование которых прояв­ляется только в процессе функционирования ГТК. Это, например, тела, выделяемые внутри одного и того же литологически одно­родного геологического тела (например, прослоя песчаника) как сложенные породами-коллекторами и неколлекторами, низко-, средне- и высокопродуктивными породами и т.п.;

4. уровень тел, сложенных одной горной породой, относя­щейся к определенному классу;

5. уровень пласта или горизонта как той части геологического пространства, к которой приурочены единичные скопления нефти или газа, называемые залежами. Пласты или их части являются элементами систем такого высокого уровня, как многопластовое месторождение или эксплуатационный объект.

Ранее нами было предложено структурам систем, элемен­тами которых являются геологические тела указанных выше структурных уровней, дать названия в соответствии с имеющим­ся в геологической литературе опытом такого наименования: 1-й уровень — ультрамикроструктура, 2-й уровень — микроструктура, 3-й уровень — интраструктура, 4-й уровень — макроструктура и 5-й уровень —метаструктура.

Выделив пять уровней структурной организации геологической подсистемы ГТК, мы получили ее иерархическое представление. На каждом уровне иерархии система выглядит как некоторое множество элементов. Если мы будем анализировать эти мно­жества, то, очевидно, будем иметь дело с множественным пред­ставлением.

На любом уровне иерархии элементы характеризуются опре­деленным (с точки зрения, например, разработки залежи) спис­ком свойств. Нетрудно заметить, что списки свойств элементов от одного уровня иерархии к другому удлиняются, т. е. количест­во свойств, которыми могут быть охарактеризованы элементы систем разных уровней, от уровня к уровню возрастает.

Так, минеральное зерно для целей нефтегазопромысловой гео­логии может быть охарактеризовано гидрофильностыо, гидрофобностыо, формой и размером. Элемент микроуровня — образец может быть охарактеризован уже гораздо большим числом свойств: к тем, которыми характеризуются минеральные зерна, добавляются пористость, проницаемость, водонасыщенность, неф­тенасыщенность, глинистость, петрофизические характеристики и т.п. В качестве дополнительных (к свойствам элементов микро­уровня) свойств элементов интраструктуры можно назвать про­дуктивность породы, гидропроводность, гидродинамическую про­ницаемость. Элементы макроуровня в дополнение ко всем тем свойствам, которыми характеризуются элементы более низких уровней, могут быть охарактеризованы различием в литологической характеристике.

Для наших целей представляет особый интерес тот факт, что элементам метаструктуры, как частям системы, которую мы на­зываем эксплуатационным объектом, присуще такое специфичес­кое свойство, как снижение коэффициентов продуктивности сква­жин, эксплуатирующих одновременно и совместно несколько нефтегазоносных пластов (элементов системы метауровня). Сле­дует обратить внимание на то, что это свойство является эмерджентным, т.е. присущим только системе метауровня. Выявить его, предсказать только на основе анализа продуктивности входя­щих в систему пластов, очевидно, невозможно.

Следует подчеркнуть, что в общем случае любое свойство, по­являющееся как новое у элементов более высоких уровней, явля­ется эмерджентным, подчеркивающим системный характер геоло­гических образований на каждом из рассмотренных структурных уровней. Так, агрегированность минеральных зерен, их существо­вание на микроуровне в виде стабильной совокупности порождает такие эмерджентные свойства породы — системы, как порис­тость, проницаемость и т.п. Никаким анализом самих зерен выявить эти свойства сложенной из них породы невозможно.

Среди названных свойств элементов систем разных уровней можно выделить свойства разных порядков, упоминавшихся в предыдущем параграфе. Так, с точки зрения осуществления про­цесса функционирования ГТК к свойствам I порядка следует отнести такие, как гидрофильность зерен, проницаемость пород, мощность образуемых ими тел и т.п. К свойствам II порядка, ухудшающим условия фильтрации нефти и воды, следует отнести расчлененность пластов на прослои, способность глин к разбуха­нию при заводнении и т.п. Различные геофизические характерис­тики пород должны быть отнесены к свойствам III порядка.

Таким образом, функциональное представление системы есть рассмотрение геологического тела как совокупности функций, обеспечивающих достижение определенных целей: выполнение планов добычи, достижение максимальной нефтеотдачи и т.п.

Нетрудно заметить, что при переходе с одного иерархического уровня на другой наблюдается определенная зависимость между свойствами, действуют определенные принципы перехода, которые иногда отчетливо видны (как, например, суммирование мощнос­тей или снижение коэффициентов продуктивности эксплуатацион­ного объекта по сравнению с суммой коэффициентов продуктив­ности входящих в объект пластов), а иногда до сих пор удовлетворительно не объяснены (как взаимосвязь значений проницаемости, определяемых по образцам и по данным геофи­зических и гидродинамических исследований скважин). Над мно­гими явлениями, связанными с переходом с одного иерархическо­го уровня на другой, специалисты еще вообще не задумывались (например, как меняется величина коэффициента вытеснения при увеличении объема породы и другие). Так обстоит дело с функциональным представлением геологи­ческой компоненты ГТК (см. схему 1).

Говоря о процессуальном представлении системы как о сово­купности её последовательных состояний во времени, в качестве состояний целесообразно рассматривать различные периоды раз­работки месторождения. Связями перехода от состояния к состоя­нию могут служить, например, такие факты, как появление пер­вых обводнившихся скважин; подключение (или отключение) в эксплуатацию новых пропластков или пластов в связи с измене­нием депрессии на пласт, на объект; смена способа эксплуатации и т.п. В зависимости от того, что будет служить связями пере­хода, в качестве состояний будут выступать более или менее дли­тельные периоды разработки. Инвариантами (т.е. тем неизмен­ным, постоянным, что является общим для всех состояний), на основе которых в настоящее время строятся прогнозы о будущих отборах, нефтеотдаче и т.д., служат годовой темп отбора запа­сов, темп обводнения скважин и т.п.

В приведенных примерах состояния и инварианты связаны с процессами, характерными для целостного представления ГТК, т.е. для случая рассмотрения его как нерасчленимого целого. Вместе с тем не следует забывать, что истоки этих процессов ле­жат на микроуровне структурной организации геологической си­стемы, а их развитие происходит при переходе с одного иерархи­ческого уровня на другой, достигая полной завершенности на макро- или на метауровне (для многопластовых эксплуатационных объектов). Кстати, каков механизм этого развития, пока неизвест­но. Этот вопрос ещё ждёт своего исследователя.

Как отмечалось в предыдущем параграфе, для целостного пред­ставления весьма важно системное окружение, которое в нашем случае имеет геологическую, техническую и социальную (эконо­мическую) природу. При целостном подходе важна не столько внутренняя, сколько внешняя структура системы, представляющая собой совокупность связей системы с окружающей средой. Эти связи проявляются в том, что например, изучение структуры гео­логической компоненты ГТК осуществляется средствами и мето­дами, соответствующими общему уровню развития геологической науки вообще и нефтяной геологии в частности; параметры тех­нической компоненты связаны с общим уровнем технического про­гресса, особенно в нефтегазодобывающей промышленности (выбор конструкции скважин, давлений нагнетания и других технических параметров); кондиции устанавливаются в соответствии с пред­ставлениями о минимальном рентабельном дебите скважин, а так­же зависят от эффективности имеющихся в распоряжении возмож­ностей увеличения естественной производительности скважин и так далее.

Так же как и для геологической, можно выделить те или иные уровни иерархии и в строении технической компоненты ГТК. Один из вариантов расчленения технической подсистемы, когда струк­турные уровни её организации будут соответствовать уровням организации геологической компоненты, может выглядеть следую­щим образом:

1. уровень, на котором элементом системы является отдельное перфорационное отверстие;

2. уровень, на котором в качестве элемента выступает отдель­ная скважина (её призабойная зона);

3. уровень, на котором элемент представляет собой группу скважин, характеризующихся близкими технологическими харак­теристиками (например, производительностями или приёмистостями). Уровни значений этих характеристик внутри групп разли­чаются несущественно, а между группами — значительно;

4. уровень блока разработки, в пределах которого в качестве неделимого элемента выступает совокупность всех эксплуатацион­ных и нагнетательных скважин данного блока.

Соотношение возможных представлений ГТК как сложной си­стемы показано на схеме 2.

Техническая подсистема, выступающая как совокупность сква­жин, части которых или группы образуют элементы разных иерархических уровней, — это только одна из подсистем технической компоненты (подсистема скважин). С этой подсистемой нераз­рывно связаны другие технические подсистемы, которые представ­ляют собой систему промыслового сбора, транспорта и подготовки нефти; систему технического водоснабжения и т.п.

Подсистема скважин, с одной стороны, выполняет функцию материального носителя связи между геологической и технической компонентами ГТК, а с другой — функцию рабочего органа тех­нической компоненты. Когда подсистема скважин рассматривается как исполнитель первой функции, нетрудно заметить, что её струк­тура должна обусловливаться структурой геологической компо­ненты. При рассмотрении скважин в качестве исполнителя второй функции видно, что её структура определяет структуры других технических подсистем. В целом же нетрудно заметить, что струк­туры всех подсистем ГТК находятся в неразрывной взаимозависимости и обусловливают друг друга. Этот факт весьма важен с точ­ки зрения разработки принципов организации наблюдений, способов описания ГТК, методов проектирования и т.п.

П

Схема 2. Логическая схема взаимосвязи различных системных представле­ний ГТК, блоков ГТИС, взаимодействия ГТК, ГТИС и системного окру­жения

редставления ГТК: Ц — целостное; М — множественное; И—иерархическое (1 — элемент; 2 — предельная единица, 3—единица), Ф—функциональное; П—процессуальное; Р—результат функционирования ГТК.

Блоки ГТИС: Ос — осведомляющий (1— разведка, 2 — материальное и натуральное модели­рование, 3 — анализ процесса функционирования ПК., включая производственный экспери­мент, пробную эксплуатацию месторождений и т. п.); Об — обобщающий (1— обобщение ин­формации с помощью существующих теоретических методов; 2 — разработка и применение новых методов обобщения информации); Пр — прогнозирующий (1 — на основе традицион­ных теоретических представлений, 2 — с учетом системных свойств ГТК). Г, Т, Э — соответ­ственно геологическая, техническая и экономическая информация о текущем состоянии ГТК и системного окружения.

Стрелками показаны связи между иерархическими уровнями и подсистемами ГТК и системным окружением.

Таковы основные принципы реализации системного подхода три решении задач нефтегазопромысловой геологии и разработки нефтяных и газовых месторождений. Изложенное позволяет более правильно представить место разных (и, в частности, математи­ческих) методов моделирования, применяемых при проектирова­нии и контроле над функционированием ГТК. Как отмечалось нами ранее, построение различных моделей осуществляется в рамках обобщающего блока ГТИС. Анализ возможностей совер­шенствования информационных систем в книге не рассматривается. Здесь же уместно отметить следующее.

Общенаучный опыт говорит, что построение математической мо­дели явления и конструирование системы, основанной на этом явлении, вещи разные. «Один из самых важных шагов при прове­дении инженерной разработки — выбор структуры проектируемой системы, или, иначе говоря, анализ структурных представлений по­ведения и деятельности системы. Для этой цели не подходит де­тальная математическая модель, даже если она имеется». Один из важнейших выводов, следующих из изложенных выше представлений о ГТК как сложной системе, состоит в том, что научное обоснование структуры технической компоненты ГТК может быть только геологическим обоснованием. Именно этот вывод положен в основу рассуждений, развиваемых в следующих главах.