Building an expert system for comprehensive risk assessment in mining of hydrocarbon deposits

Zavyalov Dmitry graduate student, Department of Engineering Graphics and Industrial Design, National Research Tomsk Polytechnic University 634050, Russia, Tomskaya oblast', g. Tomsk, ul. Sovetskaya, 84/3, of. 216 zda@tpu.ru Other publications by this author

Zakharova Alena Aleksandrovna Doctor of Technical Science Head of Department of Engineering Graphics and Industrial Design, National Research Tomsk Polytechnic University 634050, Russia, Tomskaya oblast', g. Tomsk, pr. Lenina, 2, of. 300 zaa@tpu.ru Other publications by this author

В условиях падения и резких скачков цен на нефть крайне важным для нефтяного бизнеса становится правильно оценивать и планировать объемы добычи нефти и возрастающие риски разработки месторождений. Это связано не только с экономическими реалиями – разработка месторождений все более усложняется, т.к. в общем объеме растет доля запасов трудноизвлекаемой нефти, ввод в разработку которых связан с низкой экономической эффективностью и требует развития и применения новых технологий. Безусловно, главным риском при разработке месторождений остается геологический, т.к. оценка запасов и проектирование разработки связаны с высокой степенью неопределенности, и в течение всего жизненного цикла представления о геологическом строении месторождения, как и объем запасов углеводородов, неоднократно, иногда кардинально, изменяются.

Часто наблюдаемые на месторождениях Томской области отступление от запланированной стратегии разработки и невыполнение проектных показателей связаны с отсутствием анализа полного комплекса возможных рисков, неучитываемым риском экономических потерь в результате недоизученности геолого-геофизических условий и коллекторских свойств пласта ^[3] и неподтверждением геологического строения.

Месторождение представляет собой сложную систему, а сам процесс разработки порождает противоречие между целями и интересами компании-недропользователя и государства, как владельца недр. Одна из сторон стремится к достижению максимальной прибыли минимумом затрат, другая – требует рационального использования недр, максимально полного извлечения запасов и осуществляет надзор. Поэтому эффективность разработки зависит от многих факторов и определяется не только экономическими показателями, но и полнотой извлечения запасов.

Учитывая объемы вложений в эксплуатацию месторождений и степень неопределенности при проведении работ планирование рисков представляется важной и неотъемлемой составляющей процесса разработки. Актуальность задачи выполнения комплексной оценки рисков определяется, прежде всего тем, что должное внимание при планировании разработки уделяется только экономическим рискам. Фактически оценка рисков сводится к созданию экономической модели разработки, учитывающей основные затраты на реализацию проекта. Однако стоит учитывать и другие виды рисков, сопровождающих разработку месторождения.

Возникает задача оптимизации процесса проектирования разработки – для минимизации затрат и повышения выработки запасов помимо экономических и геологических необходимо учитывать весь спектр рисков: экологические, технологические, технические, природные и др.

Анализ используемых при проектировании разработки месторождений программных средств показал отсутствие комплексной методики или средства для оценки рисков. На практике решается проблема оценки отдельных видов рисков (в основном геологических, экономических и инвестиционных) посредством специального программного обеспечения, комплексный же подход реализуется специализированными компаниями применительно к конкретному объекту или заказчику. Среди существующих решений есть средства для оценки геологических рисков, планирования бурения скважин (пакеты компьютерного моделирования месторождений Schlumberger, Roxar и др.), экономических и некоторых других рисков, однако среди недостатков существующих решений стоит отметить высокую стоимость и отсутствие комплексного подхода.

Риск (R) определяется как совокупность таких понятий, как актив, уязвимость и возможная угроза (рис. 1), и требуется его комплексная характеристика и оценка, включающие вероятность (P) и длительность (D) его проявления, тяжесть (S) и длительность (T) последствий. Эти составляющие риска учитывают специфику отрасли и наиболее полно определяют его влияние на разработку месторождения. Для эффективного управления разработкой месторождения, принятия решений о целесообразности дальнейшей разработки и выработки стратегии необходимо средство оценки всех рисков в комплексе ^{[3, 4]}.

Рис. 1. Основные составляющие риска

Для осуществления комплексной оценки рисков разработки месторождений требуется выполнить ряд задач:

• создать среду для унификации, хранения и обработки данных по месторождениям;
• создать подробную классификацию рисков разработки месторождений, учитывающую специфику отрасли;
• установить взаимосвязи между рисками и факторами;
• создать методику комплексной оценки рисков.

Система должна быть способна частично заменить специалиста-эксперта в оценке рисков, и кроме того, выполнять ряд функций:

• хранение данных, аккумулирование опыта разработки месторождений;
• объединение знаний экспертов со статистикой и параметрами месторождений;
• объединение знаний экспертов из различных областей и решение задачи оценки рисков с эффективностью эксперта-человека;
• возможность использовать систему должны иметь руководители и непрофильные специалисты.

Все выше перечисленное обуславливает потребность в создании экспертной системы для выполнения комплексной оценки рисков разработки месторождений.

Комплексная оценка предполагает использование всей доступной информации об объекте разработки, однако это совершенно разнородные данные (основные представлены на рис. 2), которые отличаются по размерности: константы, двухмерные, трехмерные; по форме: статичные, динамичные; по области знаний: физические, экономические, геологические, геофизические, химические, технические, сейсмические; по регулярности и т.д. ^[1]

Помимо разнородности данных, существует и ряд других проблем:

• большие объемы информации по месторождениям,
• неполнота данных, необходимость использовать аналогии,
• неравномерность или неоднородность – регулярность и частота получения данных могут отличаться,
• неунифицированные форматы и формы хранения,
• многие данные не оцифрованы, имеются только твердые копии,
• устаревшие, неактуальные или утерянные данные.

Решением этих актуальных для недропользователей и проектных организаций проблем является разработанная база данных (БД), которая представляет собой инструмент для хранения, обработки и анализа таких разномасштабных и разновременных данных. В БД содержатся параметры и свойства месторождений в динамике по годам и по проектам, история разработки месторождений и история возникновения происшествий. Схема БД представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема базы данных

Для решения проблем формализации и систематизации рисков разработки месторождения создана структурная модель рисков и факторов (рис. 4), отражающая их взаимосвязи и учитывающая специфику отрасли.

Структурная модель легла в основу комплексной классификация всех возможных рисков разработки, которая включает до пяти уровней вложенности элементов и в полной мере описывает процесс разработки. Классификация создана с учетом применяемых при проектировании месторождений регламентных документов, она учитывает специфику отрасли, объединяет в себе риски и факторы, связанные с различными аспектами и направлениями технологии проектирования разработки месторождений.

Рис. 4. Структурная модель рисков разработки нефтегазового месторождения

К основным факторам, определяющим риски разработки месторождения относятся: качество бурения, моделирование месторождения, текущее состояние разработки, свойства пластов и флюидов, внешние факторы: законодательные акты, регламенты, цены на углеводороды и др.

Взаимосвязи между рисками и факторами содержатся в базе знаний, созданной на основе экспертных мнений специалистов нефтяной отрасли. В базе знаний каждый риск определяется набором факторов, его вызывающих. Например, группа финансовых рисков определяется следующими факторами: ошибки при проектировании геологической модели, неполнота данных о месторождении, сложностью строения месторождения, неудовлетворительная работа подрядчика. Риски срыва поставок оборудования и сезонности работ определяются климатическими условиями, доступностью и уровнем развития инфраструктуры месторождения.

Для выполнения комплексной оценки рисков разработки месторождений необходим инструмент, в качестве которого предлагается экспертная система (рис. 5). В состав экспертной системы входят база данных, содержащая информацию о месторождениях: свойства залежей и флюидов, информация по проектам и фактические показатели разработки, база знаний, включающая совокупности фактов и правил для оценки рисков разработки месторождений и оперативного принятия решений при управлении. Система на основе развернутой классификации рисков и факторов, а также базы экспертных оценок и возможных решений, призвана в автоматическом режиме вырабатывать рекомендации касательно стратегии разработки месторождения.

Рис. 5. Функциональная схема экспертной системы

Оценка рисков выполняется на основе нечеткой логики ^[2]. Входными переменными системы нечеткого вывода риска R_i (рис. 5) являются:

• P_i – вероятность (частота) проявления i-го риска:

• • K_i – корректирующий коэффициент для учета давности происшествий (либо их отсутствия),
  • N_i – для учета степени изученности,
  • G_i – для учета сложности геологического строения (для некоторых видов рисков);
• D_i – воздействие i-го риска (определяется видом риска):

• S_i – серьезность (тяжесть) последствий воздействия i-го риска (определяется видом риска):

• • F_i – корректирующий коэффициент для учета стадии жизненного цикла месторождения;
• T_i – длительность воздействия последствий i-го риска (определяется видом риска):

• • C_i – корректирующий коэффициент для учета климата, инфраструктуры (например сезонность завоза оборудовании и пр.).

Вероятность возникновения риска P_i определяется в зависимости от вида риска по совокупности факторов F_ij, характеризующих месторождение и состояние его разработки. Каждому риску в каталоге соответствует набор факторов, его определяющих, часть из них имеют числовые значения, часть – лингвистические.

Терм-множества X₂, X₃, X₄ системы нечеткого вывода определяются на основе экспертных оценок либо, по мере наполнения базы данных, на основе статистических данных по имеющимся в БД месторождениям.

Терм-множество выходной переменной риск R_i – множество Yi ={«минимальный», «низкий», «существенный», «высокий», «максимальный»}, представляет собой комплексную характеристику риска i.

Апробация предлагаемой методики оценки рисков разработки проведена на пяти месторождениях Томской области, находящихся на первой стадии разработки, но характеризующихся разной степенью изученности и сложностью геологического строения.

Рассмотрим одно из месторождений (рис. 6). Месторождение характеризуется неравномерностью распределения запасов и скважин, имеет сложную структуру – состоит из нескольких залежей со слабой гидродинамической связью, каждая залежь характеризуется разной степенью изученности. Добыча ведется в восточной, наиболее разбуренной залежи.

Рис. 6. Пример работы экспертной системы

Оценка рисков разработки этого месторождения показывает высокие технические риски – риск невыполнения утвержденных показателей оценивается как 0,71. Риск неподтверждения геологического строения также оценен как высокий – 0,64, пробуренная позднее в западной залежи скважина, не давшая притока нефти, подтверждает данный результат. Месторождение характеризуется высокими технологическими рисками – риски аварий на скважинах, заколонных перетоков, прорывов подошвенной воды оцениваются на величины от 0,7 до 0,78. Технологические риски оцениваются как высокие, в том числе и за счет имеющихся за историю разработки месторождения инцидентов (рис. 6), сопровождавшихся падением добычи нефти.

Экологические риски характеризуются как существенные, однако месторождение расположено в районе, характеризующемся высокой экологической устойчивостью, и выполнение работ в соответствии с регламентом должно обеспечить достаточный уровень экологической безопасности.

Риски, связанные с неверным вскрытием пласта скважинами, оцениваются как низкие (0,33), что обусловлено большой мощностью и низкой расчлененностью пласта.

Полученные оценки рисков подтверждаются фактическим состоянием разработки – в настоящее время на месторождении растет обводненность продукции из-за близости водоносного горизонта и некачественно проведенных гидроразрывов пласта. Система поддержания пластового давления в залежи неэффективна – закачка ведется в приконтурные скважины, расположенные у подножия купола залежи.

По результатам оценки рисков предложен комплекс мероприятий: необходимо выполнить комплекс мер по доизучению геологического строения, в том числе бурением новых разведочных скважин, следует выполнить подбор более подходящих ГТМ и разработать систему подержания пластового давления.

Комплексная оценка рисков позволяет выработать оптимальную стратегию с учетом текущего состояния разработки месторождения и снизить вероятность возникновения внештатных ситуаций. Экспертная система комплексной оценки рисков разработки объединяет знания экспертов из различных областей и предоставляет общую картину – комплексную оценку рисков, вероятности и характеристики рисков – руководителям и непрофильным специалистам.

Для реализации экспертной системы комплексной оценки рисков разработано средство обработки (база данных) разнородной информации, описывающей месторождения, разработана комплексная классификация рисков и факторов, на основе экспертных оценок установлены связи между рисками и факторами, составляющие базу знаний, предложена методика комплексной оценки рисков разработки, которая призвана помочь выработать управляющее воздействие на стратегию разработки для повышения ее эффективности.

Выявленные связи рисков и факторов разработки, а также закономерности их возникновения с учетом особенностей отрасли позволяют в целом повысить эффективность разработки месторождений. Кроме того, комплексная характеристика рисков разработки месторождения на основе экспертных оценок, как средство анализа и визуализации информации о состоянии разработки месторождения, позволяет производит экспресс-оценку проектного решения.