Цифровое месторождение и цифровой двойник месторождения: ИИ для добычи, подготовки и транспорта нефти и газа

Для прогноза отказов насосных и компрессорных агрегатов, цифровых двойников месторождений и объектов подготовки нефти и газа, подбора режимов работы скважин и установок, виртуальных расходомеров, видеоаналитики промышленной безопасности и поиска по технической документации. Такие задачи объединяет одно: данные уже собираются, а решения пока принимаются вручную. Мы разрабатываем и внедряем системы под задачу предприятия.

Цифровое месторождение — единая информационная среда, в которой данные скважин, замеров, объектов подготовки и сбора нефти и газа собраны и обновляются автоматически. Цифровой двойник месторождения — модель на этих данных: она прогнозирует добычу и обводнённость и проверяет режимы работы скважин и системы поддержания пластового давления до их применения. Интеллектуальное месторождение добавляет рекомендации оператору и технологу.

Да. Решение разворачивается на серверах заказчика без выхода в интернет. Сеть АСУ ТП отделяется от корпоративной шлюзом данных; документы и видео обрабатываются внутри сети предприятия. Запись уставок в АСУ ТП возможна только после опытной эксплуатации и согласования со службами АСУ ТП и промышленной безопасности.

Данные считываются из историана, SCADA, телеметрии и системы управления ТОиР. До опытной эксплуатации система работает в режиме советчика оператора: показывает рекомендации и параметры, на которых они основаны, но ничего не записывает в АСУ ТП. Конфигурацию подключения проверяем на этапе обследования вместе со службой АСУ ТП.

ИИ анализирует данные станции геолого-технологических исследований в реальном времени и предупреждает о признаках осложнений: прихватов, поглощений, потери устойчивости ствола. Дополнительно система подсказывает режимы бурения по опыту соседних скважин. Опытная эксплуатация проводится на одной скважине или кусте, результат сравнивается с плановыми показателями.

Система сравнивает давление и расход в начале и конце участка и выявляет отклонения, характерные для утечки, отсекая штатные переходные режимы. Данные диагностики линейной части дополняют картину. Рекомендация передаётся диспетчеру, решение об остановке перекачки принимает он.

Любой объект с накопленными данными: куст скважин, ДНС, УПСВ, УПН, КНС, насосная станция, ЛПДС, компрессорная станция, УКПГ. Выбираем объект с повторяющимися отказами или заметными потерями, где понятна метрика результата и есть доступ к данным за несколько месяцев работы.

Метрику согласуем до начала работ: например, доля отказов, выявленных заранее, число ложных предупреждений, время простоя оборудования, удельные энергозатраты на перекачку. Показатели сравниваются до и после на одном объекте, итог фиксируется в отчёте по опытной эксплуатации.

Оператор и технолог. Система выдаёт рекомендации и показывает параметры, на которых они основаны; управляющие воздействия передаются в АСУ ТП только по решению заказчика, ручное управление остаётся доступным в любой момент.

На обследовании оцениваем пригодность данных: архивы технологических параметров, журналы ремонтов, телеметрию. Разметку отказов и подготовку данных выполняем до разработки модели. Если данных для прогноза недостаточно, начинаем с задач, где они уже есть: поиск по документации, видеоаналитика на действующих камерах.

Стоимость рассчитываем индивидуально: она зависит от задачи, объёма и качества данных, интеграции с системами и требований к безопасности. Начинаем с обследования и согласуем, как будет измеряться результат.

Цифровое месторождение — единая цифровая модель месторождения и его объектов (скважин, кустов, ДНС, установок подготовки нефти, трубопроводов), которая обновляется данными датчиков. По ней оператор и технолог видят состояние объектов, находят отклонения и проверяют решения о режимах добычи, ремонтах и остановках. Встречаются и другие названия: интеллектуальное месторождение, умное месторождение.

Умная (интеллектуальная) скважина — скважина с постоянными датчиками и оборудованием, режим которого можно менять дистанционно. Данные о давлении, температуре, расходе и режиме насоса поступают в систему, ИИ находит отклонения и предлагает оператору, что изменить. У обычной скважины режим подбирают по редким замерам, у умной — по данным в реальном времени.

Цифровой двойник месторождения — модель, которая повторяет поведение месторождения и его объектов на реальных данных. Он помогает найти причину потерь добычи и остановок, спрогнозировать отказы насосов и компрессоров, сравнить режимы и проверить изменения на модели, а не на действующем промысле.

Цифровая модель месторождения — прежде всего геологическая и гидродинамическая модель пласта; её пересчитывают по мере появления данных. Цифровой двойник шире: он связан с живыми данными объектов добычи и подготовки и показывает, как они работают сейчас. Модель пласта может быть частью двойника.

Цифровой двойник скважины — модель, которая по данным датчиков и замеров повторяет её работу: приток, давление, режим насоса. С его помощью проверяют, что даст смена режима, раньше замечают снижение дебита и предвестники отказа оборудования. Двойник не заменяет оператора и систему управления, а подсказывает решение.

Цифровой двойник трубопровода — модель потока по трассе на данных давления, расхода и температуры. Она помогает находить утечки и отложения по отклонению от расчётного режима, подбирать режим перекачки и заранее видеть опасные состояния. Точность зависит от числа и качества датчиков на трассе, поэтому начинаем с обследования.

В бурении ИИ анализирует данные станции геолого-технологических исследований и датчиков буровой: ищет предвестники осложнений — прихвата, поглощения, газонефтеводопроявления, — подсказывает режимы бурения и следит за состоянием оборудования. Решение остаётся за буровым мастером и технологом: система предупреждает и объясняет, что заметила.

ИИ помогает геологам обрабатывать сейсмику и данные каротажа: выделять пласты и неоднородности, сопоставлять скважины, подбирать параметры модели пласта и быстрее перебирать варианты. Итоговую интерпретацию подтверждает специалист. Для проекта нужны данные в цифровом виде и согласованные форматы, поэтому начинаем с аудита данных.

Применяют несколько способов: контроль давления и расхода по балансу (падение давления, расхождение между входом и выходом), газоанализаторы на площадках, акустические датчики на трассе, видеоаналитику и обследование с воздуха. ИИ объединяет сигналы и снижает число ложных тревог. Что подойдёт, зависит от объекта и условий — это выясняется при обследовании.

Начинают с одного объекта, где потери уже заметны: куста, ДНС, насосной станции или участка трубопровода. Сначала диагностика: какие данные есть и какой показатель должен улучшиться. Затем модель и опытная эксплуатация рядом с АСУ ТП, без записи в систему управления. Расширяют, когда польза подтверждена.

Полный двойник связывает четыре звена: пласт, скважины, сеть сбора и подготовку нефти. На практике начинают с одного звена, где потери заметнее — например, с режима скважин куста или с установки подготовки, — и подключают остальные по мере накопления данных.

По открытым случаям, которые мы изучили, двойник «скважина — сбор — подготовка» даёт прирост в единицы процентов добычи, а не в десятки. Почти все такие цифры публикуют сами компании и поставщики, поэтому эффект для своего объекта честнее считать на пилоте против исходных значений.

Модели месторождений обновляются с задержкой, а ошибка в режиме обходится дорого. Поэтому в отрасли двойник почти везде подсказывает оператору и объясняет причину, а прямое управление встречается только в узких задачах после опытной эксплуатации.

Цель — автоматический сбор из телеметрии, историана, баз замеров и системы ТОиР. Ручной ввод оставляем только там, где данных в системах нет, и отмечаем его отдельно, чтобы было видно, на чём основан расчёт.

Одна и та же скважина в разных системах часто записана по-разному. Без единого справочника модель путает объекты или теряет данные. Поэтому в начале проекта сводим скважины, кусты и оборудование в одну запись на объект.

Это модель, в которой пласт, скважины, сеть сбора и подготовка нефти рассчитываются вместе. Изменение режима одной скважины сразу видно в давлениях сети сбора и нагрузке на установку подготовки.

По открытым материалам, которые мы изучили, крупные компании строят двойники по слоям: сначала модель объектов и живые данные, затем расчёт и прогноз. Чаще всего двойник помогает с режимами скважин и газлифтом, прогнозом отказов насосов, расчётом сети сбора и подготовки. Эффект обычно публикуют сами компании, поэтому для своего объекта его честнее считать на пилоте.

Это ступени развития: модель объекта, живые данные, расчёт и прогноз, помощь в решении и, последней, обратная связь в управление. Единой нумерации уровней в отрасли нет, поэтому нужный уровень и способ его проверки согласуем с заказчиком на старте.

Гидродинамическую модель пласта пересчитывают раз в несколько месяцев под проект разработки. Двойник скважины работает каждый день на живых данных телеметрии и замеров. Модель пласта может быть частью двойника, но не заменяет его.

Чаще всего — в виртуальных анализаторах качества между лабораторными анализами, в подсказках оператору по режимам установок и в прогнозе загрязнения теплообменников и отказов насосов и компрессоров. Решение по режиму остаётся за оператором.

Автоматизация управляет оборудованием по заданным уставкам: контроллеры, АСУ ТП, SCADA. Цифровизация собирает данные всех систем в одном месте и строит на них модели и двойники. ИИ работает поверх цифровизации и даёт прогноз и подсказку.

Это оснащение скважины датчиками давления и температуры и управляемыми клапанами по интервалам пласта. Приток регулируют по каждому интервалу без подъёма оборудования; ИИ подсказывает, какой клапан изменить по данным датчиков и замерам.

Модель пласта, которая обновляется замерами, телеметрией и исследованиями скважин. Вместе с двойниками скважин и сети сбора она даёт цифровую модель месторождения целиком.

Гидродинамическую и геологическую модель строят геологи и разработчики в своих программах. Мы подключаем эти модели к живым данным промысла, строим двойники скважин и объектов и с помощью ИИ ускоряем подбор параметров модели под историю добычи.

Начать с данных станции геолого-технологических исследований и датчиков буровой. ИИ ищет предвестники осложнений, подсказывает режим по соседним скважинам и следит за оборудованием. Опытную эксплуатацию проводим на одной скважине или кусте.

В обходах и инспекциях площадок и трубопроводов, в видеоаналитике охраны труда, в носимых датчиках бригад — там, где человеку опасно или далеко добираться.