Опыт проектирования обустройства нефтяных месторождений с использованием ГИС-технологий

Рафаил Киршенбаум, Алексей Кружинов, Петр Пальянов

Институт Гипротюменнефтегаз в течение длительного времени ведет работы по комплексному проектированию обустройства нефтяных и газовых месторождений в Западной Сибири. Отличительной особенностью нефтяных месторождений как объекта проектирования является то, что их разработка ведется на значительных территориях, площадь которых измеряется тысячами квадратных километров. При этом объекты, непосредственно связанные с процессом добычи, сбора и первичной подготовки нефти и газа, системы внутрипромысловых автодорог, электроснабжения и др. занимают не более 10% общей территории месторождения.

Анализ возможных путей увеличения эффективности проектных решений и повышения производительности труда проектировщиков и изыскателей, проведенный в институте Гипротюменнефтегаз, показывает, что в настоящее время наиболее перспективным направлением является применение ГИС-технологий.

Размещение объектов обустройства месторождений является задачей, имеющей много критериев, основными из которых являются минимизация вредного воздействия на окружающую среду, оптимизация денежных и материальных ресурсов. Другой важной задачей является оценка состояния территории в течение всего периода эксплуатации месторождения, продолжающегося 50 и более лет, и оценка затрат на рекультивацию.

Традиционно задача размещения решается на основе анализа картографических и аэрофотоматериалов, данных геологических фондов, проведения полевых работ и заканчивается подготовкой и рассмотрением нескольких вариантов размещения объектов. Недостатками такой технологии являются значительная трудоемкость оценки количественных показателей сравниваемых вариантов, невозможность или сложность построения трехмерных моделей территории месторождения, использование ограниченного количества сравниваемых показателей.

В настоящее время в институте используется технология разработки проектно-изыскательской документации с применением ПК, высокоскоростных цветных струйных плоттеров и лазерных принтеров. Основой проекта становится цифровая модель территории. Для этого проводится подготовительная работа по оцифровке района месторождения, включая гидрографию, построенные и запроектированные ранее объекты, ландшафт, схемы размещения участков с ценными породами древесины и т.д. На основе общегосударственных картографических материалов строятся схемы, включаемые в проектную документацию (ландшафтно-индикационная карта, карты сеток линий стекания, водоохранных и прибрежных зон, специальные топографические планы, схемы нефтесбора, поддержания пластового давления и напорных нефтепроводов, автомобильных дорог, электроснабжения и пр.). Идеальными считаются ситуации, когда используется единая топографическая основа, приобретаемая на предприятиях ГУГК, однако на практике это удается крайне редко, и институту приходится самостоятельно создавать цифровую картографическую подоснову, используя наряду с имеющимися топографическими картами различные дополнительные материалы (лесоустроительные карты, исполнительную съемку, аэрофотоснимки, безмасштабные технологические схемы и т.д.).

С целью выбора современных технологий были рассмотрены известные программные средства ArcInfo, MapInfo, WinGIS, AutoCAD, CADdy, MicroStation и ряд отечественных разработок. Техническими средствами проектных институтов являются персональные компьютеры — начиная с PC-386. Поэтому мы рассматриваем только IBM PC, не без основания считая, что это правильный выбор. Анализ программных средств для построения ГИС-технологий показывает, что это дорогостоящие средства (порядка 4 тыс. долл. за одно рабочее место). Дешевые программные средства построения ГИС, по нашему мнению, нет смысла рассматривать, поскольку они относятся к классу упрощенных настольных картографических систем и способны решать только некоторое подмножество задач, возникающих в процессе проектирования, управления или документирования.

Применение сложных информационных технологий в настоящее время сдерживается высокой стоимостью программных средств, недостаточным уровнем подготовки производства и специалистов и высокой трудоемкостью начального этапа.

Для широкого внедрения ГИС нужно обучить специалистов, перестроить технологию проектирования и создать необходимое информационное обеспечение.

В результате изучения выяснилось, что наиболее полно обеспечить симбиоз САПР и ГИС можно при использовании программной среды фирмы Bentley MicroStation 95 и приложений, разработанных на его основе, — TerraModeller, Descartes и GeoGraphics. В 1997 году институт приобрел ядро системы и вышеназванные лицензионные пакеты. Этот набор программ позволил решить целый ряд задач при проведении изыскательских работ, проектировании, разработки разделов охраны окружающей среды и оценки воздействия объектов обустройства месторождений на природную среду.

Освоение в течение года основных функциональных возможностей MicroStation позволяет сделать вывод о том, что с помощью технологий Bentley можно решать не только задачи проектирования, но и вопросы управления эксплуатацией месторождений, мониторинга состояния природной среды, предотвращения аварийных ситуаций и некоторые другие проблемы, поэтому однажды оцифрованная информация должна использоваться на всех стадиях жизни месторождений.

Приведем некоторые результаты, полученные с использованием MicroStation и его приложений при проектировании обустройства первоочередного участка Приобского нефтяного месторождения для нефтяной компании «ЮКОС».

Первоочередной участок Приобского месторождения располагается в правобережной части затапливаемой поймы реки Обь. Паводок здесь длится три и более месяцев, глубина затопления на отдельных участках достигает трех и более метров. В экологическом отношении территория характеризуется высокой степенью ранимости, неустойчивостью к внешним воздействиям и низкой способностью к самовосстановлению. На территории участка планировалось пробурить 328 скважин с 16 насыпных кустовых площадок. Для каждой площадки необходимы постоянно действующая автомобильная дорога, линия электропередачи, система нефтепроводов. На кустовой площадке размещаются все технологические сооружения, необходимые для добычи нефти.

Задача заключалась в оптимизации капитальных и эксплуатационных расходов, при условии минимизации воздействия на естественные процессы, происходящие в природе, и особенно на гидрологический режим поймы и многочисленных проток и речек, впадающих в пойму на этом участке.

В качестве исходной информации использовались топопланы М 1:10000, топографические карты М 1:25000, аэрофотоснимки М 1:10000, 1:25000 залетов различных лет, цифровая карта М 1:10000, изготовленная Западно-сибирским аэрогеодезическим предприятием.

Для решения поставленных задач с помощью Descartes на основе контактных аэрофотоснимков была построена растровая модель местности района месторождения (~300 км2) масштаба 1:10000. Каждый из 60 снимков сканировался с разрешением 500 dpi и трансформировался по 7-12 опорным точкам (рис. 1).

Точки опознавались графическим способом на цифровом топоплане или задавались аналитически по вычисленным координатам. Затем на компьютере выполнялись обрезка и стыковка фрагментов в единый растровый массив. Объем растровой модели составил 400 Мбайт в формате HMR. Растровая модель местности на основе аэрофотоснимков, дающая целостное представление о территории строительства, позволила уточнить и оцифровать фактические границы лесных массивов, гидрографию и построенные на момент аэрофотосъемки автомобильные дороги и кустовые площадки. В дальнейшем растровая модель использовалась в качестве подложки для контроля размещения площадных объектов и трассировки линейных сооружений.

На основе оцифровки рельефа, командных высот и урезов воды была построена с помощью TerraModeller цифровая трехмерная модель рельефа с шагом сетки в 10 м (рис. 2).

По модели рельефа был произведен выбор месторасположения основных площадок кустов скважин и трасс — с целью минимизации объемов земляных работ.

Эта модель дала реальную картину рельефа местности и позволила протрассировать автомобильные дороги с учетом обеспечения необходимых для их сооружения объемов грунта. В итоге MicroStation и приложения позволили выполнить в короткий срок несколько вариантов схем размещения площадок и трасс коридоров коммуникаций. Рабочим масштабом был выбран М 1:25000, но реально в большинстве случаев информация снималась с М 1:10000. Избыточность информации обеспечивала надежность и достоверность массивов данных.

Были сделаны срезы (слои) 1-, 5- и 10-процентной обеспеченности (рис. 3). На основе трехмерной модели, данных многолетних наблюдений уровня воды и скоростей течения Государственным гидрологическим институтом (Санкт-Петербург) были определены основные характеристики водных потоков и сделаны прогнозы возможных изменений основного русла Оби и ее проток в районе месторождения. На основании полученных данных была проведена оценка влияния сооружаемых объектов на естественное состояние правобережной поймы реки Обь. Одновременно Научно-исследовательским центром «Морские берега» (филиал ОАО ЦНИИС, г. Сочи) были спрогнозированы и смоделированы возможные разрушения насыпей автодорог, минимальные пролеты мостов и эстакадных участков дорог для различных вариантов размещения трасс.

Таким образом на основе трехмерной цифровой модели рельефа территории месторождения были определены и обоснованы оптимальные варианты размещения нефтепромысловых сооружений.

Преимуществами программных средств на основе MicroStation-95 являются сравнительно небольшая трудоемкость построения и значительный набор средств, позволяющий рассматривать территорию в различных ракурсах: горизонтальные сечения на любых отметках, вертикальные сечения произвольных направлений и др. При этом все построения выполняются достаточно быстро и с минимальным количеством команд.

В ходе рассмотрения вариантов проектные решения неоднократно оперативно изменялись и уточнялись, при этом цифровые модели местности и компьютерные схемы обеспечивали быструю подготовку проектной документации.

В процессе работы над проектом обустройства правобережной части Приобского месторождения было подготовлено и рассмотрено 12 вариантов с множеством дополнений и изменений (рис. 4).

Принятый вариант успешно прошел предварительную экспертизу и согласование в административных и инспектирующих органах, и в настоящее время ведется его текущее проектирование.

Разработка проектов с использованием MicroStation-95 позволяет увязать проектируемые технологические объекты с той природной средой, в которой они будут сооружаться и эксплуатироваться, то есть объединить САПР- и ГИС-технологии.

Опыт применения ГИС-технологий в проектировании и накопленный фактический материал по оцифрованным объектам позволяют сделать вывод о необходимости и возможности создания геотехнологических информационных систем (ГТИС) для нефтяных компаний, использующих идеологию ГИС, но имеющих более мощную технологическую нагрузку. Под технологией понимается использование ГТИС не только при проектировании и строительстве, но и в процессе эксплуатации месторождений (площадки, автомобильные дороги, трубопроводы и линии электропередачи).

***

Большой интерес представляет создание (на основе бурно развивающихся ГИС-технологий) интегрированных информационных ГТИС обустройства нефтяных месторождений, обеспечивающих проектирование, контроль состояния нефтепромысловых систем и управление процессами добычи, сбора и межпромыслового транспорта нефти.

Объектами автоматизации геотехнологических систем являются процессы управления производством на предприятиях добычи нефти и газа, а именно:

• разработка месторождений;
• добыча нефти и газа;
• подготовка нефти, газа и воды;
• сбор и межпромысловый транспорт нефти;
• сервис, включая транспортные услуги, обслуживание и ремонт сооружений и оборудования, материально-техническое снабжение и др.;
• административно-хозяйственная деятельность.

С помощью ГТИС-системы реализуются следующие функции:

• контроль и отображение параметров производственных процессов добычи, подготовки и транспортировки нефтепродуктов по широкому спектру технологических параметров с привязкой к местности;
• сбор данных для контроля и оценки параметров экономической эффективности эксплуатируемых месторождений;
• подготовка информации для оптимизации производственных процессов, обеспечивающих эксплуатационных затрат, таких как затраты на электроэнергию, транспорт, аренду и пр.;
• накопление данных для оценки состояния трубопроводов и формирования планов проведения ремонтов;
• представление данных для оценки масштабов различных повреждений и стоимости восстановительных работ;
• представление необходимой картографической подосновы для проектирования дорожно-транспортной инфраструктуры.

Результатами этих работ должны быть:

• повышение эффективности производства за счет сокращения издержек и потерь времени на поиск и подготовку материалов;
• повышение достоверности данных на всех уровнях управления системой обустройства месторождения;
• прозрачность производственного процесса за счет применения единой информационной технологии;
• основание и перспектива оптимизации процесса разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений;
• создание основы для планирования мероприятий по предотвращению кризисных экологических ситуаций.

Сегодня наш институт продолжает активное внедрение технологий Bentley Systems. В сетевом режиме используется более 40 лицензий MicroStation/J в различных инженерных конфигурациях (TriForma, Modeler, GeoGraphics и др.). В дальнейшем планируется использование прикладных решений Bentley Systems для технологического проектирования и документооборота.

«САПР и графика» 4'2001