Метод адаптивного ситуационного управления доставкой технологической информации о процессе промышленного бурения нефтяных скважин

Развитие нефтедобывающей промышленности в целом и увеличение объемов производства в отдельно взятых компаниях данного сектора обусловливают существенное возрастание количества обрабатываемой и хранимой производственной информации, что, в свою очередь, вызывает необходимость периодической модернизации телекоммуникационной инфраструктуры компаний. Наличие развитой телекоммуникационной инфраструктуры и использование передовых телекоммуникационных решений позволяют повысить эффективность работы компании и безопасность эксплуатации промышленных объектов, сократить время принятия управленческих решений и расходы на связь, что особенно актуально с учетом географического расширения деятельности нефтедобывающих компаний и создания территориально распределенных структур.

Территориально-распределенный характер производственных объектов нефтедобывающих компаний, а также частые структурные перестройки привели к потребности создания корпоративных телекоммуникационных сетей, интегрирующих высокопроизводительные локальные вычислительные сети (кабельные и радио-сети), телефонные сети и другие телекоммуникационные устройства.

Процессы освоения новых компьютерных технологий в области обработки геолого-геофизических материалов и использования цифровых моделей месторождений, внедрение высокопроизводительных серверов и рабочих станций идут непрерывно во всех крупных нефтяных компаниях. В настоящее время наблюдается активность самих нефтяных компаний в развитии систем мониторинга процессов бурения скважин.

Информационное обеспечение процесса бурения нефтяных скважин является важной составляющей процесса строительства скважин (в особенности, при введении в разработку и освоении новых месторождений).

Обеспечение мониторинга процессов бурения скважин является значимой составляющей информационного обеспечения, в рамках которого осуществляется автоматическая доставка геологической, технологической и производственной информации с объектов мониторинга (буровых площадок) в подразделения добывающей компании, отвечающие за управление буровыми работами.

Качество мониторинга зависит от своевременности и надежности доставки данных с объекта мониторинга (буровой площадки) в технологические центры управления буровыми работами (уровень управления буровыми работами).

Объективной и наглядной оценкой эффективности процесса доставки данных является соотношение объема информации, поступившей на передачу, и ее успешно переданной части (за выбранный фиксированный интервал времени).

Отсутствие эффективных средств доставки технологических данных с буровой площадки до центров управления буровыми работами ограничивает возможности оперативного прогнозирования нештатных ситуаций на буровой, принятия компетентных решений по управлению процессом бурения, а также по предотвращению аварийных ситуаций.

Снижение объема успешно передаваемой информации может определяться следующими причинами:

• Технические сбои (сбои сетевого оборудования и недоступность каналов связи).

• Нарушение регламента доставки данных (организационные причины).

• Некорректное функционирование источников данных.

• Некорректное функционирование программного обеспечения (ПО) передачи данных.

Для процесса доставки технологической информации о процессе бурения нефтяных скважин важна очередность доставки и обработки данных мониторинга. По этой причине используется доставка данных с подтверждением и ограничением на время доставки. До момента получения подтверждения успешной доставки или превышения предельного времени доставки новая сессия передачи данных не осуществляется в целях избежания нарушений очередности обработки данных мониторинга на принимающей стороне.

В случае низкого значения объема успешно передаваемых данных на принимающей стороне нарушается целостность представления о процессе бурения, а на передающей стороне могут образовываться очереди, состоящие из блоков данных, которые не могут быть отправлены из-за сбоев в доставке предшествующих данных. Следовательно, идет образование так называемых «пробок», когда увеличение длины очереди приводит к падению эффективности доставки данных.

Рассматриваемым критерием эффективности процесса доставки данных является: доля успешно передаваемых данных (в процентном выражении относительно общего объема поступающих данных на передачу) за фиксированный интервал времени.

Следовательно, возникает задача увеличения доли успешно передаваемых данных исходя из сложившихся текущих условий доставки данных.

Доля переданных данных может быть увеличена как путем модернизации аппаратно-программного обеспечения процесса доставки данных, так и путем оптимизации технологического регламента доставки данных.

В диссертации рассматривается вопрос адаптации технологического регламента доставки данных к изменениям условий доставки в рамках имеющихся аппаратно-программных ресурсов системы, что является наиболее актуальным решением для промышленно эксплуатируемых систем доставки данных, т.к. не требует дополнительного финансирования, решения организационных вопросов и может быть осуществлено в сжатые сроки.

Система доставки данных мониторинга бурения скважин является типовым примером СМО, где простои, отказы и задержки в обслуживании приводят к значительным дополнительным материальным затратам, в крайних случаяхк аварийным ситуациям.

На сегодняшний день существуют все необходимые предпосылки для широкого внедрения автоматизированных систем управления процессами маесового обслуживания в различных сферах обслуживания и производства: существует развитая теория ситуационного управления (СУпр) в системах массового обслуживания (СМО), имеются необходимые вычислительные средства для синтеза и реализации эффективных алгоритмов ситуационного управления процессами массового обслуживания, накоплен опыт проектирования и внедрения конкретных систем.

Для систем данного класса характерна ситуация, когда только увеличением мощности их аппаратно-программного комплекса не удается повысить эффективность доставки, т.к. после некоторого порогового значения увеличения мощности аппаратно-программного комплекса СМО задержки и отказы в обработке заявок будут определяться прежде всего внешними условиями, препятствующими обслуживанию. Например, некорректным формированием данных источником или регулярной недоступностью каналов связи.

Следовательно, одним из возможных способов решения задачи повышения производительности СМО в условиях, когда «полезная» вычислительная мощность ее аппаратно-программного комплекса уже максимально увеличена, является рационализация технологического регламента функционирования СМО, т. е. динамическая коррекция значений параметров алгоритма СУпр (стратегии СУпр) в процессе функционирования СМО.

Перед непосредственной коррекцией значений параметров алгоритма СУпр должен быть осуществлен предварительный поиск оптимального набора значений данных параметров, т. е. поиск оптимальной стратегии СУпр, минимизирующей число отказов в единицу времени при заданных ограничениях.

Реальные условия функционирования СМО, в том числе и систем доставки данных, характеризуются изменением параметров входной нагрузки в течение цикла функционирования СМО, а также изменением параметров самой СМО. Следовательно, значения параметров алгоритма СУпр, заданные на момент начала цикла функционирования СМО и обеспечивающее наименьшее число отказов при обслуживании заявок с использованием заданных параметров алгоритма СУпр, к моменту завершения цикла функционирования СМО могут обеспечивать даже большее число отказов, чем при обслуживании заявок в порядке поступления (дисциплина FIFO).

Таким образом, существует необходимость адаптировать параметры алгоритма СУпр к изменяющимся входной нагрузке и параметрам СМО в процессе функционирования СМО.

Важными свойствами процесса адаптации систем доставки данных (СДД) к внешним условиям является:

— адаптация параметров СУпр осуществляется путем конфигурирования программного обеспечения СДД, осуществляющего СУпр и/или дополнительной настройки аппаратного обеспечения СДД;

— изменение внешних условий может быть кратковременным и адаптация параметров СУпр в этом случае нецелесообразна (в некоторых случаях противопоказана).

В соответствии с вышеописанными условиями перед непосредственной адаптацией параметров СУпр предлагается осуществлять оценку риска ошибочного принятия решения о необходимости адаптации. Т. е. перед конфигурированием аппаратно-программного обеспечения СДД необходимо оценить целесообразность данных изменений, т.к., возможно, наблюдаемое изменение условий функционирования и состояния СДД является кратковременным и работы по адаптации приведут лишь к последующему снижению эффективности функционирования СДД.

Таким образом, актуальность настоящей работы обусловлена практической потребностью расширения функциональных возможностей СДД в части введения СУпр доставкой информации и автоматизации адаптации параметров СУпр (т.е. регламента доставки) к изменению условий функционирования СДД.

Объектом настоящего исследования является процесс доставки технологической информации о ходе промышленного бурения нефтяных скважин (в режиме реального времени и пакетном режиме) с буровой площадки в центры управления буровыми работами нефтедобывающей компании.

Предметом исследования является ситуационное управление доставкой технологической информации о промышленном бурении скважин.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности доставки технологической информации о ходе промышленного бурения нефтяных скважин с буровой площадки в центры управления буровыми работами путем ситуационного управления процессом доставки и адаптации параметров СУпр к изменениям условий доставки с учетом вероятностной оценки рисков нецелесообразности проведения данной адаптации.

Научной задачей, решаемой в диссертационной работе, является разработка метода адаптивного ситуационного управления процессом доставки технологической информации о ходе промышленного бурения нефтяных скважин.

Для достижения цели диссертационной работы и решения научной задачи необходимо решение следующих частных задач:

1. Анализ существующих методов повышения эффективности доставки технологической информации на предмет применимости в диссертации.

2. Разработка математической модели системы доставки технологической информации о процессе промышленного бурения скважин на основе теории СУпр в СМО.

3. Обоснование выбора способа оптимизации параметров СУпр доставкой данных.

4. Разработка метода принятия решений о целесообразности адаптации параметров СУпр.

5. Разработка архитектуры и алгоритмов работы системы доставки технологической информации о процессе промышленного бурения скважин, в программных средствах которой реализуется метод адаптивного ситуационного управления.

Методы исследования. Поставленные задачи решаются с использованием теории СМО, теории ситуационного управления в СМО, теории марковских цепей, теории вероятности, теории принятия решений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель системы доставки технологической информации о ходе промышленного бурения скважин, которая в отличие от известных моделей систем доставки информации построена с применением теории СУпр в СМО и учитывает состояние очередей данных на передачу, передающего оборудования и состояние каждого передаваемого блока данных для принятия решений по управлению доставкой информации.

2. Предложен алгоритм адаптации параметров СУпр доставкой информации к изменениям условий функционирования СДД, реализованный с использованием схемы Д. Уайта для оптимизации стратегии управления марковской цепью с конечным числом состояний.

3. Разработан метод принятия решений о целесообразности адаптации параметров СУпр доставкой информации к изменению условий функционирования СДД, отличающийся от известных использованием в качестве критерия принятия решений значения доли передаваемой информации, которой было отказано в передаче (относительно общего объема информации, поступившей на передачу).

4. Разработан метод адаптивного ситуационного управления доставкой технологической информации о процессе промышленного бурения нефтяных скважин, представляющий систематизированную последовательность действий по анализу исследуемого процесса доставки данных на предмет возможности применения СУпр, выбора алгоритма адаптации параметров СУпр, применения вероятностной оценки целесообразности адаптации параметров СУпр к изменяющимся условиям функционирования СДД.

Практическая значимость работы заключается:

1. В разработке архитектуры и алгоритмов функционирования системы доставки данных, которая может быть использована для решения различных практических задач, в частности, для доставки технологической информации о процессе промышленного бурения нефтяных скважин.

2. В разработке метода адаптивного ситуационного управления доставкой данных, который может быть использован в различных автоматизированных системах доставки данных (с отказами в доставке), в частности, в системе доставки технологической информации о процессе промышленного бурения скважин путем реализации метода в программном обеспечении данной системы.

8. Результаты работы докладывались:

— на 13-ой международной конференции «Актуальные проблемы науки-2009» (Чехия, Прага, 2009);

— на всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Приоритетные направления современной российской науки глазами молодых ученых» (Рязань, 2009);

— на международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике — 2009» (Зеленоград, 2009);

9. По теме диссертации произведено 5 публикаций, в том числе 1 статья в журнале из перечня ВАК.

Заключение

.

В связи с территориально распределенной структурой многих современных нефтедобывающих компаний важнейшей задачей информатизации (и в частности мониторинга) процесса бурения нефтяных скважин является обеспечение своевременной (оперативной) доставки технологических данных о ходе бурения с уровня буровой площадки на уровень управления буровыми работами, от чего зависит качество, производительность и безаварийность буровых работ.

В диссертационной работе проанализированы основные свойства и параметры процесса доставки технологической информации с уровня буровой площадки на уровень управления буровыми работами нефтедобывающей компании, влияющие на эффективность процесса доставки данных, критерием которого является доля успешно доставленных данных.

Обоснована актуальность разработки метода управления процессом доставки технологической информации.

Выполнена классификация типовой технологической информации, доставляемой в интересах мониторинга, проанализированы формат, режим и объем передаваемой информации.

В результате анализа возможных методов повышения эффективности доставки данных были выявлены методы модернизации аппаратно-программного обеспечения СДД, использование дополнительного специализированного ПО, оптимальное конфигурирование или рационализация технологического регламента функционирования СДД.

При промышленной эксплуатации с учетом экономических и организационных вопросов к модернизации аппаратно-программного обеспечения прибегают в последнюю очередь, конфигурирование является простейшей мерой, возможность применения которой зависит от конкретной системы. Анализ существующего дополнительного ПО управления вычислительными сетями показал, что данное ПО может обеспечить только автоматизацию мониторинга состояния каналов связи и сетевого оборудования, а также автоматическое изменение базовых параметров сетевого оборудования.

Т.к. в диссертации рассматривалась более перспективная задача разработки метода управления доставкой данных, не привязываясь к конкретному ПО или оборудованию (индивидуальному для каждой СДД), то в качестве наиболее приемлемого подхода был выбрана автоматическая рационализация (адаптация) технологического регламента функционирования СДД (или управление параметрами передачи в зависимости от текущей ситуации).

Математическое обеспечение СДД, обеспечивающее адаптацию технологического регламента функционирования СДД, должно базироваться на математической модели СДД и процесса доставки данных.

По результатам сравнительного анализа способов и средств моделирования в качестве используемого математического аппарата была выбрана теория систем массового обслуживания, имитационное моделирование проводилось с использованием самостоятельно разработанной программной модели.

Была разработана математическая модель СДД в виде СМО, проведена классификация свойств СМО, определены законы распределения параметров СМО.

Была выявлена возможность применения принципов теории СУпр в управляемых СМО к управлению доставкой технологической информации о процессе бурения.

Сформирован алгоритм СУпр доставкой технологической информации.

С использованием разработанной модели была проведена серия имитационных экспериментов, которые показали, что использование ситуационного управления позволяет увеличить долю успешно передаваемых данных в пределах 12,29% (в зависимости от выбранных параметров СУпр) по сравнению с доставкой данных в порядке их поступления (на передачу).

Был проведен сравнительный анализ специальных схем поиска оптимальных стратегий СУпр, обеспечивающих нахождение значений параметров рационального технологического регламента функционирования СДД (в общем случае — параметров алгоритма СУпр).

По причине необходимости оценки рисков принятия ошибочных решений о целесообразности адаптации алгоритма СУпр в складывающихся условиях функционирования СДД (например, риска преждевременного внесения изменений) был разработан метод принятия решений о коррекции алгоритма СУпр, основывающийся на вероятностной оценки рисков и являющийся частью метода адаптивного СУпр.

Для предложенных архитектуры, общих приципов работы СДД, а также с учетом реализуемости разработанного метода адаптивного СУпр, были разработаны детальные алгоритмы функционирования СДД при передаче и приеме данных. Архитектура, принципы работы и алгоритмы функционирования СДД были соглсованы со специалистами ООО «Петровайзер». На базе предложенных архитектуры и алгоритмов работы СДД специалистами ООО «Петровайзер» была разработана подсистеме пакетной передачи данных (ПС ППД) информационной системы «Мониторинг удаленных объектов — Wellonline».

Практическая апробация разработанного метода адаптивного СУпр осуществлена путем реализации метода в специализированных программных средствах ПС ППД. В ходе эксплуатации специалистами ООО «Петровайзер» программных средств ПС ППД с реализованным методом адаптивного ситуационного управления было установлено увеличение доли успешно доставляемых данных в пределах 26% (в зависимости от условий эксплуатации) по сравнению с доставкой данных в порядке их поступления (на передачу).

Разработанный метод адаптивного СУпр применим для широкого класса СМО с ограниченным временем ожидания, отказами в обслуживании и прерываниями.

В ходе исследований использовались теория СМО, теория ситуационного управления в СМО, теория марковских цепей, теория вероятности, теория принятия решений.

В работе были получены следующие научные и практические результаты:

1. Разработана математическая модель системы доставки технологической информации о процессе промышленного бурения на основе теории управляемых СМО.

2. Предложен алгоритм СУпр доставкой технологической информации и выбран алгоритм адаптации параметров СУпр к изменению условий функционирования СДД.

3. Разработан метод принятия решений о целесообразности адаптации параметров СУпр к изменениям условий функционирования СДД.

4. Полученные результаты сведены в обобщенный метод адаптивного СУпр доставкой технологической информации о процессе промышленного бурения нефтяных скважин.

5. Разработаны архитектура и алгоритмы функционирования системы доставки технологической информации о процессе промышленного бурения нефтяных скважин, в программных средствах которой реализован разработанный метод адаптивного СУпр.

6. Результаты оценки эффективности разработанного метода адаптивного СУпр, полученные в ходе имитационных вычислительных экспериментов.

7. Результаты практической апробации разработанного метода адаптивного СУпр в подсистеме пакетной передачи данных информационной системы «Мониторинг удаленных объектов — Wellonline».