Интегрированное моделирование все чаще применяется на разных этапах жизненного цикла месторождения — от проектирования до оперативного управления [1–5].
В литературе представлены различные определения термина «интегрированное моделирование».
В данной статье под термином «интегрированное моделирование» понимается совместное моделирование нескольких технологических процессов, объектов, расчетных блоков с учетом их взаимовлияния и накладываемых ими ограничений на систему, которая представляет собой совокупность этих процессов, объектов, блоков.

Необходимо отметить, что интегрированная модель при концептуальном проектировании не является конечной целью работы, она используется в качестве инструмента для получения информации, используемой при решении прикладных задач в рамках проекта и для выработки соответствующих проектных решений.

Необходимо отметить, что интегрированная модель при концептуальном проектировании не является конечной целью работы, она используется в качестве инструмента для получения информации, используемой при решении прикладных задач в рамках проекта и для выработки соответствующих проектных решений.

В качестве примера для нефтегазовой отрасли можно выделить следующие блоки задач:
проектные:

• анализ и выработка проектных решений в части разработки и обустройства месторождений углеводородов;
• управленческие: определение стратегии разработки и эксплуатации месторождений (в том числе в виде группы связанных месторождений), решений в части бюджетирования, инвестиций и финансового управления месторождением, оптимизационные задачи в части добычи углеводородов, капитальных вложений, эффективности инвестиций и т.д.;
• управленческие в части оперативного сопровождения разработки и эксплуатации месторождений: мониторинг и контроль достижения целевых показателей, анализ рисков, определение корректирующих или компенсационных мероприятий различного рода, формирование технологических режимов работы производственного оборудования и т.д.

В рамках данной работы будут освещены отдельные аспекты применения интегрированного моделирования в проектах концептуального проектирования (КП). Концептуальное проектирование при этом представляет собой процесс создания концептуального проекта, предусматривающего выработку принципиальных решений по разработке и обустройству месторождения, группы месторождений или участка месторождения с целью определения варианта их развития, рекомендуемого для дальнейшей его реализации. Как правило, при этом осуществляется многовариантная проработка основных технико-технологических решений с обоснованием их экономической эффективности.

На рисунке 1 отражен типовой информационный поток при выполнении проекта КП. Цели, решаемые задачи, применяемые исходные данные (ИД) и модели (модели отдельных блоков и интегрированная цифровая информационная модель (ИЦИМ)) могут отличаться в зависимости от особенностей месторождения или типа проекта, но последовательность этапов в информационном потоке, как правило, сохраняется.

На этапе работы с исходными данными осуществляется консолидация, систематизация данных, анализ их достаточности, оценка актуальности для целей выполняемого проекта. Стоит отметить, что в блок исходных данных входят не только данные как таковые (значения параметров и показателей целевого объекта или системы, файлы, содержащие информацию о системе, и т.п.), но и расчетные модели отдельных элементов системы. Только часть из всего массива данных используется непосредственно для интегрированного моделирования (ИМ). Значительный объем информации может не применяться для ИМ, но при этом оказывает важное влияние на сам проект КП, например, при формировании вариантов проектных решений, для определения вносимых изменений в проектные решения, для учета отдельных внутренних и внешних условий проекта, при сопоставлении вариантов проектных решений и выборе рекомендуемого варианта для дальнейшей реализации.

На следующем этапе осуществляется формирование ИЦИМ для целей выполнения проекта КП.
Необходимость использования ИМ определяется целями и задачами проекта, требованиями к процессу выполнения проекта, формированию и анализу вариантов проектных решений, требованиями к качеству этого процесса. В условиях наметившегося тренда на переход к интегрированному подходу при проектировании использование ИМ при КП является все более актуальным. Интегрированный подход подразумевает выработку проектных решений с учетом взаимосвязи компонентов, формирующих проектное решение. Из ключевых компонентов проекта можно выделить следующие:

Отметим, что в ИЦИМ присутствуют сквозные расчетные компоненты проекта, которые не являются отдельными самостоятельными блоками, но при этом могут присутствовать в качестве вспомогательных составляющих в некоторых компонентах. В качестве примера сквозных компонентов проекта можно привести PVT-модель, модель осложнений.
В зависимости от того, по каким из компонентов системы должны быть отражены проектные решения, определяются требования к составу ИЦИМ.

В рамках КП используемый объем информации превышает тот, который непосредственно относится к расчетной интегрированной модели. Объекты, входящие в расчетную модель, могут обладать такими параметрами, характеристиками, атрибутами, которые непосредственно при самих расчетах не используются, но для специалистов, участвующих в проекте, важны и могут повлиять на процесс анализа, формируемые специалистом выводы и вырабатываемое проектное решение. В качестве примера таких данных можно привести модульность и исполнение объекта (мобильное или объект капитального строительства), геометрические размеры, технико-технологические ограничения по условиям эксплуатации, межремонтный период, геоинформационные данные и т.д. В связи с этим модели, которые формируются для целей проектирования, а не только для целей расчета, могут обладать целым комплексом дополнительной атрибутивной информации. Данные модели находят все большее применение в КП и имеют название цифровых информационных моделей (ЦИМ) [6–8]. Интегрированные модели, которые сформированы на базе таких ЦИМ или в которых расчетные объекты обладают дополнительной атрибутивной информацией, имеют название интегрированные цифровые информационные модели (ИЦИМ).

Как уже отмечено ранее, состав интегрированной модели для целей КП определяется особенностями месторождения и целями, которые стоят перед проектом. Для отдельных случаев достаточно использование интегрированной модели, состоящей из расчетного блока пласта, скважин и трубопроводной сети, а для других уже необходимо учитывать объекты подготовки, внешний транспорт, энергетику, экономику.

На рисунке 2 представлен один из возможных вариантов состава интегрированной модели.

Таким образом, можно выделить следующие основные расчетные блоки по представленной выше интегрированной модели для целей КП: пласт, добывающая скважина, трубопроводная система сбора, объекты подготовки, трубопроводная система ППД, нагнетательная скважина, внешний транспорт, энергетика, экономика.
Для отдельных случаев возможно включение в интегрированную модель других или дополнительных расчетных блоков.

При объединении расчетных элементов/блоков в единую ИЦИМ необходимо обеспечение интеграции между собой путем решения следующих вопросов:

• синхронизация расчетных блоков по сквозным расчетным моделям. Данный вопрос вызван тем, что технологические блоки связаны между собой через материальные потоки: добываемая из пласта продукция проходит последовательно через добывающие скважины, трубопроводную систему сбора, объекты подготовки и т.д. Фазовое состояние и свойства такого материального потока описывается с помощью PVT-модели, следовательно, или PVT-модель в блоках пласта, скважин и других блоках должна быть одной и той же, или они должны быть согласованы между собой.
• синхронизация расчетных блоков ИЦИМ по потокам данных — часть выходных данных (результатов расчетов) одного блока является входными данными для другого блока. синхронизация расчетных шагов по блокам ИЦИМ — для поиска совместного решения по ИЦИМ необходимо, чтобы дискретность выдачи результатов расчетов соотносилась с дискретностью расчетов по другим блокам.

Стоит отметить, что часто при выполнении проектов КП применяемые расчетные модели имеют региональный характер. Это предполагает, что проект формируется сразу на группу месторождений/лицензионных участков, объединенных по определенному признаку (например, месторождения, имеющие общую связанную поверхностную инфраструктуру — объекты подготовки, трубопроводный транспорт, энергетику). Данные проекты могут предполагать применение региональных моделей поверхностной инфраструктуры (региональных ЦИМ), создание которых определяется общими элементами инфраструктуры и их взаимосвязью.
При этом расчет и детализация экономических показателей определяется их отнесением по объектам учета, а это, как правило, лицензионные участки (ЛУ).

Вышеперечисленные факторы приводят к необходимости обеспечения возможности консолидации локальных проектов и показателей по ним, сформированных на уровне лицензионных участков/месторождений, для формирования регионального проекта и показателей по нему. Также требуется обеспечение возможности использования региональных расчетных моделей при расчете показателей по локальному проекту с учетом совместной эксплуатации объектов инфраструктуры несколькими ЛУ/месторождениями, что подразумевает необходимость декомпозиции результатов расчетов с регионального на локальный уровень.
Принципы иерархичности активов, объектов учета, объектов анализа и проектов соответствующего уровня отражены на рисунке 3.

Использование интегрированного моделирования для целей КП подразумевает решение комплекса задач и проведение серии расчетов, направленных на анализ и выработку проектных решений, что и определяет состав интегрированной модели. Консолидация, систематизация и анализ практики применения интегрированных моделей позволяет сформировать рекомендации по составу интегрированной модели для целей КП для месторождений с преимущественно нефтяными запасами. Рекомендации по составу интегрированной модели в зависимости от задачи приведены в таблице 1.

Процесс КП представляет собой многовариантный анализ, в рамках которого варианты проектных решений могут различаться, например, составляющими расчетных блоков, целями формирования варианта, решаемыми задачами. Ввиду того, что варианты, как правило, различаются решениями в части разработки, обустройства, то и используемые в рамках них интегрированные модели также должны быть различны. Таким образом, каждому из вариантов проектных решений, формируемых и анализируемых в рамках проекта КП, соответствует своя интегрированная модель.
Анализ вариантов, их сопоставление, оптимизация, выводы и рекомендации по варианту, предлагаемому в качестве рекомендуемого для дальнейшей реализации, осуществляется на основе результатов расчетов с использованием совокупности интегрированных моделей по вариантам проектных решений.

Можно выделить следующий рекомендуемый перечень расчетов для целей проекта КП:
• прогнозный расчет — прямой расчет по вариантам проектных решений в виде формирования результатов расчетов по технологическим и экономическим показателям в разрезе расчетных блоков и по проекту в целом. Выделяются три периода проводимых расчетов: исторический, на период бизнес-планирования, на период стратегического планирования. Расчеты на исторический период проводятся для сопоставления «расчет – факт», оценки корректности/актуальности используемой расчетной модели и, при необходимости, адаптации модели. На период бизнес-планирования (как правило, на пять лет, следующих за текущим) расчеты проводятся для формирования производственной программы по активу (лицензионный участок, месторождение, группа месторождений) с последующим их включением в соответствующие бизнес-планы. Расчеты на период стратегического планирования (как правило, следующие за периодом бизнес-планирования от 15 лет и выше) проводятся для формирования долгосрочных планов развития (стратегии развития) соответствующего актива.

• сравнительный анализ результатов расчетов по вариантам проектных решений — проведение серии прогнозных расчетов по вариантам и их сопоставление по ключевым показателям (технологические, экономические показатели эффективности и т.д.). Результаты данного анализа позволяют выполнить сравнение вариантов в формате сопоставления полученных результатов, а также сформировать соответствующие выводы.
• параметрический расчет — проведение серии прогнозных расчетов на совокупности ИЦИМ, различающихся между собой значением варьируемого параметра или значениями группы параметров, с последующим сопоставлением результатов расчетов. В качестве примеров таких параметров можно привести следующие: сроки ввода в эксплуатацию объектов инфраструктуры (скважины, трубопровода, объекта подготовки и т.п.), само наличие того или иного объекта в инфраструктуре актива (например, бурение отдельной скважины или куста скважин, прокладка дополнительной ветки трубопроводов, строительство дополнительной ступени/модуля компрессорной станции и т.д.), параметры объектов инфраструктуры или режимы их работы (например, типоразмер трубопроводов, рабочие условия на ступенях сепараторов и т.д.), значения свойств флюида/пласта (PVT-свойства пластовых флюидов, пористость коллектора, ожидаемая продуктивность скважин и т.д.) или внешних условий (температура внешней среды, экономические макропараметры и т.п.), если по ним имеются неопределенности. При этом необходимо отметить, что ввиду взаимовлияния блоков друг на друга изменение в одном блоке ИЦИМ может привести к изменениям в других блоках ИЦИМ (например, исключение какого-либо куста скважин приводит к исключению ветки трубопроводов до этого куста, элементов энергетики, обеспечивающих функционирование этого куста, корректировку экономической модели как в расходной, так и в доходной части). Данный расчет позволяет оценить влияние варьируемого параметра на технологические и экономические показатели как в разрезе расчетных блоков (и их внутренних элементов), так и по ИЦИМ в целом.

• анализ «что, если» — проведение серии сценарных расчетов для оценки влияния реализации какого-либо события на систему, на результаты расчетов, проведенных на интегрированных моделях. В качестве сценария может выступать реализация различных событий: изменение значения какого-либо параметра, изменение режима какого-либо технологического оборудования, реализация положительного или отрицательного события. В качестве примеров реализации положительного или отрицательного события можно привести следующие: отмена льгот, повышение транспортных тарифов, проведение геолого-технических мероприятий (ГТМ), способствующих изменению продуктивности/приемистости скважин, неподтверждение запускных дебитов, увеличение или уменьшение запасов после реализации исследовательских программ, возникновение внешних ограничений по транспорту продукции, аномальное изменение внешней температуры, внеплановое отключение какого-либо производственного объекта и другие события, поддающиеся количественной оценке получаемого результата. Возможен анализ по одновременному влиянию группы сценариев, при этом осуществляется последовательное внесение изменений в ИЦИМ.

• анализ рисков по расчетным технологическим блокам — проведение прогнозных расчетов и анализ их результатов для идентификации различных технологических рисков (например, коррозия, солеотложения, скоростной режим и т.д.). Результаты расчетов используются для идентификации места и типа реализуемого риска. Далее полученные результаты могут применяться для выработки решений или мероприятий, направленных на снижение или устранение выявленного риска.

• анализ пропускной способности по различным элементам инфраструктуры актива — проведение прогнозных расчетов и сопоставление их результатов с ограничениями/критериями, определяющими пропускную способность элементов инфраструктуры (например, гидравлические потери, скоростной режим, технологические параметры и т.д.). Влияние ограничений приводит к потенциальной невозможности реализации целевого режима эксплуатации объектов инфраструктуры и приводит к формированию рисков для реализации соответствующих проектных решений. Результаты расчетов анализа пропускной способности используются для определения интервалов времени эксплуатации инфраструктуры и элементов инфраструктуры, по которым пропускной способности недостаточно, с последующей разработкой мероприятий для устранения данного риска.

• анализ неопределенностей по входным данным, анализ чувствительности и связанных с этим рисков — проведение серии прогнозных расчетов на совокупности ИЦИМ, различающихся значениями изменяемых параметров модели, по которым имеются неопределенности, с последующей оценкой влияния на результаты расчетов по элементам инфраструктуры, а также на технологические и экономические показатели проекта. Данный анализ позволяет охарактеризовать устойчивость проектных решений к неопределенностям по проекту, выявить наиболее влияющие неопределенности и сформировать компенсационные мероприятия для снижения риска (например, предложения в программу исследований или изменения проектных решений, обеспечивающих снижение степени влияния риска на расчетные показатели).

• анализ устойчивости (или анализ чувствительности) — проведение серии прогнозных расчетов для оценки возможных изменений в проектных решениях, выраженных в виде технологических и экономических показателей проекта, при изменении внутренних или внешних условий проекта. Отличием от анализа неопределенностей является то, что здесь варьируются значения параметров, по которым не обязательно имеется неопределенность.

• анализ баланса по материальным, энергетическим потокам — прогнозный расчет и контроль баланса по материальным и энергетическим потокам между расчетными блоками ИЦИМ. Наличие дисбаланса приводит к необходимости внесения изменений в проектные решения по объекту обустройства: если имеется дефицит по материальному или энергетическому потоку, то необходимо увеличение мощности (а точнее, потенциала) существующих объектов (соответствующим источникам) или введение новых объектов, являющихся источниками, а при профиците – соответственно изменение в части объектов, обеспечивающих утилизацию возникших излишков, или же уменьшение мощности существующих источников. Материальные и энергетические потоки тесно взаимосвязаны между собой: расходы фаз (нефть, газ, вода) определяют необходимые соответствующие энергозатраты, а энергообеспечение в свою очередь формирует ограничения на соответствующий возможный расход материальных потоков, или же, например, при использовании электрогенераторов на попутном газе их рабочая мощность определяет, сколько газа из потока направляется для выработки электроэнергии. Но ввиду различия мероприятий, формирующих баланс при изначальном дисбалансе, по ним требуется одновременное обеспечение баланса как по материальным, так и по энергетическим потокам. В качестве примера факторов, влияющих на баланс материальных потоков, можно привести водозаборные/поглощающие скважины, поступление флюида из-за пределов моделируемого актива, использование газа для выработки электроэнергии. В качестве возможных дополнительных источников энергетических потоков можно привести дополнительные внешние источники электроэнергии, дополнительные внутренние электрогенерирующие объекты. Итогом данного анализа являются изменения, корректирующие проектные решения и обеспечивающие сбалансированность по потокам.

• оптимизация графика ввода объектов (скважин/кустов, объектов поверхностной инфраструктуры) — данный анализ предполагает поиск значений для даты ввода в эксплуатацию объектов, соответствующих критерию оптимальности, который связан с технологическим или экономическим показателем, характеризующим проект. При сдвиге даты ввода в эксплуатацию какого-либо объекта необходимо учитывать взаимосвязь объектов инфраструктуры по материальным и энергетическим потокам. Результаты оптимизации графика ввода объектов используются для формирования оптимизационных предложений (например, в части изменения графика бурения, строительства и ввода в эксплуатацию объектов поверхностной инфраструктуры) в варианты проектных решений с отражением в виде новых вариантов.

• оптимизация параметров/характеристик элементов инфраструктуры — поиск значений варьируемых технических параметров объектов инфраструктуры с точки зрения влияния на технологические и экономические показатели проекта, соответствующих критерию оптимальности. Оптимизируемые параметры отражаются в виде изменений в ИЦИМ.

• оптимизация путем ранжирования и исключения объектов разработки — анализ вклада от объектов разработки (скважины или кусты) в технологические и экономические показатели с последующим ранжированием объектов и исключение отдельных «неэффективных» объектов. Исключение объектов разработки также должно учитывать их влияние на объекты инфраструктуры.

• факторный анализ по текущему проекту — анализ влияния различных факторов на технологические и экономические показатели по проекту. В качестве факторов могут выступать: влияние различных расчетных блоков или объектов, влияние внутренних или внешних факторов/сценариев, влияние внутренних и внешних условий. Результаты факторного анализа используются для идентификации значимых факторов, оценки характера их влияния (положительные или отрицательные) и их ранжирования с последующей выработкой мероприятий, направленных на снижение влияния вероятных факторов ухудшения на показатели по проекту в виде уменьшения вероятности реализации этих факторов или уменьшения величины их влияния.

• факторный анализ изменений показателей предыдущего проекта — анализ влияния изменений, которые соответствуют условиям текущего проекта, на показатели предыдущего проекта. Результаты данного анализа могут использоваться для прогнозирования потенциальных отклонений от предыдущего проекта. Также они могут использоваться для повышения качества прогноза текущего проекта.