چکیده
مخازن و میادین نفت و گاز ایران غالبا به علت قرارگیری در نیمه دوم عمر خود نیازمند اعمال روش ها و مطالعات بهینه سازی تولید هستند. در این پژوهش به بحث و بررسی و تبیین مسایل بهینه سازی و مفاهیم آنها به طور عام و توضیح و تفسیر بهینه‌سازی به هنگام (RTO) و شرح جزئیات آن به طور خاص در بحث توسعه و تولید هیدروکربن از میادین پرداخته شده است. عدم به کارگیری این روش ها منجر به تولید و بازده کمتر میادین و مخازن نفت و گاز خواهد شد. بهینه سازی به هنگام مفهومی از بهینه سازی است که معایب و نقاط ضعف دیگر روشهای بهینه سازی مرسوم را تا حد امکان مرتفع کرده و ارتباط تنگاتنگی با مفهوم هوشمندسازی میادین و مخازن نفت و گاز دارد. در این پژوهش این مفهوم و سیستم بهینه سازی به خوبی و به طور جامع توضیح داده شده است.
مقدمه
بهینه سازی هنر یافتن بهترین جواب در بین وضعیتهای موجود است. بهینه سازی در طراحی و نگهداری بسیاری از سیستمهای مهندسی، اقتصادی و حتی اجتماعی به منظور کمینه کردن هزینه لازم و یا بیشینه کردن سود کاربرد دارد. به دلیل کاربرد وسیع بهینه سازی در علوم متفاوت، این بحث رشد بسیاری کرده است، بهطوریکه در ریاضیات، مدیریت، صنایع و بسیاری از شاخه های علوم موردمطالعه و بررسی قرار می گیرد و حتی نام های متفاوتی از قبیل برنامه ریزی ریاضی(Mathematical Programming) و تحقیق در عملیات(Operation Research) برای اشاره به مباحث بهینه سازی به کار میرود. به‌طور عام بهینه کردن به معنای یافتن بهترین مقادیر برای متغیرهای تصمیم سازی است بهطوریکه به ازای این مقادیر تابع هدف بیشینه (مانند سود) و یا کمینه (مانند هزینه) میشود بهطوریکه هیچ‌یک از پیشفرض ها و محدودیتها نقض نشود.
اساساً به علت اینکه بسیاری از مسائل و مشکلاتی که توسط دانشمندان در طول تاریخ حل شده است، به نوعی میتواند به مبحث بهینه سازی مرتبط شود، در مراجع مختلف تاریخچه متفاوتی از بهینه سازی ارایه شده است. به دنبال مجموعه گردهمایی ها و هم اندیشی های جامعه مهندسین نفت (SPE) در آمریکای شمالی در جولای ۲۰۰۱ تحت عنوان «تلفیق (Reconciling) بهینه سازی تولید به هنگام با مدیریت مخزن»، یک گروه داوطلب تصمیم به ترویج و نگهداری یک جامعه علمی به‌منظور تبادل ایده ها در جهت پیشرفت RTO گرفتند. در ژوئن ۲۰۰۳، این گروه فرآیند تکمیل و ایجاد یک SPE-TIG را نهایی کرد.
این گروه به‌منظور استفاده مجازی در اینترنت تأسیس گردید. مطالب و بحث‌های مرتبط در وب‌سایت SPE قابل‌دسترس است. ثبت‌نام رایگان بوده و عضویت در انجمن مهندسان نفت SPE موردنیاز است. هر عضو قادر به ارسال مستندات و مطالب مرتبط بوده که این مطالب و مقالات توسط یک گروه و کمیته دائمی به‌منظور بررسی کیفیت و دوری از تجارتگرایی(Commercialism) مورد بازبینی قرار می‌گیرد.
* بیانیه مأموریت(Mission Statement) گروه RTO-TIG:
ترویج و ترغیب و تشویق توسعه سخت‌افزاری و نرم‌افزاری ابزار شامل استانداردهای مرتبط و فرایندهای کاری در جهت بهینه‌سازی سیستمهای تولیدی هیدروکربن.
* اهداف:
- مخابره و تبادل آموخته ها،
- طبقه‌بندی مراحل RTO،
- تصریح و شفاف‌سازی آخرین پیشرفت‌های علمی درزمینه RTO،
- شناساندن و گسترش استفاده از تکنیک های بهینه سازی به هنگام به منظور ترویج ایمنی، یکپارچگی و بهبود قابلیت تولید در صنعت اکتشاف و تولید بالادستی،
- گسترش و توسعه راه های بهتر به منظور انجام ارزیابی سناریو، برآورد ریسک فنی/تجاری و تعریف و کمی سازی مقدار بهینه‌سازی،
- طبقه بندی عملکرد ابزار نرم افزاری،
- شناسایی فرآیندهای جریان کاری(Workflow) یکپارچه،
- تشویق و ترغیب توسعه سخت‌افزاری
در این پروژه سعی میشود با استفاده از مفاهیم و تعاریف مطرح از بهینه سازی مرسوم و مخصوصاً بهینه سازی به هنگام، کاربرد و مزایای آن را در صنعت تولید نفت و گاز بررسی کرده و قدمی در جهت به کارگیری آن در میادین و مخازن هیدروکربنی ایران برداریم.
تعریف
به‌طورکلی بهینه‌سازی به هنگام (RTO) روشی است که فرآیند یافتن تنظیمات کنترلی بهینه و مناسب را آسان ساخته و به‌صورت خودکار (اتوماسیون کلی یا جزئی) انجام میدهد. این تنظیمات کنترلی بهینه به دوصورت در میدان اعمال میشوند: در حالت اول این تنظیمات به متصدی اجرا ارائه و پس از تأیید یا تغییر در میدان اجرا میشوند. در حالت دوم این تنظیمات مستقیماً در میدان اعمال میشوند که به این حالت «بهینه کردن به‌هنگام درون حلقه بسته» گفته میشود.
در مقاله‌ی ارائه‌شده توسط سپوتلی و دیگران، RTO به‌صورت زیر تعریف شده است:
«فرآیند چرخه ای و متناوب اندازه‌گیری، محاسبه و کنترل در یک بسامد و تکرار که قابلیت نگهداری شرایط عملیاتی بهینه با توجه به محدودیتهای ثابت زمانی سیستم را دارا می‌باشد».
هدف اصلی RTO، بهبود کاربرد ظرفیت یک سیستم تولیدی در جهت رسیدن به توان عملیاتی بالاتر یا NPV است. ایده اصلی، راه‌اندازی سیستم تولیدی، در هرلحظه‌ی زمانی و در نزدیک‌ترین نقطه بهینه ممکن است. به این منظور، یک مدل سیستم تولیدی ایجاد و برای رسیدن به جواب موردنظر، بهینه میشود. این مدل با اندازه‌گیری‌های مداوم از سیستم تولیدی بروز میشود تا نشان‌دهنده ی رفتار واقعی سیستمهای فرآیندی، چاهها، شبکه و مخزن باشد.
هر سیستم RTO، به‌طور کل شامل چهار جزء زیر است:
- اعتبارسنجی داده (Data Validation)
داده‌های ورودی و خروجی موثق با استفاده از روشهای تطبیق اطلاعات و پردازش سیگنال، اعتبارسنجی میشوند (به‌عنوان نمونه میتوان به کاربرد موازنه مواد و انرژی برای اعتبارسنجی داده‌ها اشاره کرد).
- بروزرسانی مدل (Model Updating)
مدل‌های تأسیسات سطح الارضی، چاه و مخزن بروز میشوند تا بهترین تطابق بین داده‌های ورودی و خروجی دردسترس بدست آید. هدف این است که خروجی‌های حاصل از مدل با خروجی‌هایی که حسگرها اندازه گرفته‌اند، یکی شوند، مثلاً شبکه عصبی با داشتن داده‌های جدیدتر بروز شده زیرا بهینه کردن این شبکه مثلاً با روش الگوریتم ژنتیک انجام میشود.
- بهینه‌سازی بر اساس مدل (Model-Based Optimization)
یک مسئله بهینه‌سازی بر اساس مدل‌های بروز شده، تابع هدف و محدودیتها، ایجاد شده و برای رسیدن به جواب بهینه حل میشود. برای محاسبه توابع هدف ازجمله مقدار تولید نفت و آب از مدل بروز شده استفاده میشود. خاطرنشان میشود کاربرد مدلها برای پیش‌بینی مقادیر عواملی همانند تولید نفت و آب است که در چارچوب کنترل پیشگیرانه معنا می یابد.
- شایسته سازی دستور بهینه کننده (Optimizer Command Conditioning)
نتایج مرحله بالا برای بررسی اعتبار تنظیمات کنترلی محاسبه‌شده، تحلیل میشوند.
در شکل زیر ارتباط این چهار جزء را ملاحظه میکنید.
شكل ۱- اجزای کلی یک سیستم بهینه سازی به هنگام (RTO).
درحالی‌که تعریف دکتر سپوتلی، به همراه سیستمهای تولیدی نفت و گاز در ذهن نوشته شده است، این مسئله محدود به نوع خاص و یا روش خاصی از سیستمهای تولیدی نیست. این تعریف میتواند به شكل یک ارتباط داده شود.
گردش اطلاعات در بهینه‌سازی تولید
در این بخش گردش اطلاعات(Information Flow) برای بهینه کردن تولید از میادین نفتی توصیف شده است. اجزای اصلی این فرآیند عبارت‌اند از: جمع‌آوری داده، ذخیره داده، بروز کردن مدل تأسیسات سطح الارضی، بروز کردن مدل چاه، بروز کردن مدل مخزن، برنامه‌ریزی تولید، برنامه‌ریزی مخزن و برنامه‌ریزی استراتژیک.
* جمع‌آوری داده: میادین پیشرفته اغلب ابزارهای اندازه‌گیری مناسبی دارند که شامل انتقال‌دهنده‌های موجود در سطح، حسگرهای دما و فشار و همچنین انتقال‌دهنده‌های دبی تولیدی آب، گاز و نفت در خطوط تولیدی هستند.
* کنترل: سیستم تولیدی نفت و گاز تعداد زیادی حلقه‌های کنترلی بازخوردی (خودکار) برای حمایت از تولید بهینه و دستیابی به اهداف تولیدی دارد که تنظیمات کنترلی را مشخص می‌کند.
* متصدی اجرا: مسئولیت اطمینان از انجام ایمن عملیات تولید بر عهده‌ی متصدی اجراست. مسئولیت دیگر این متصدی، اجرای توصیه‌های صادره از برنامه تولید و تزریق است، به‌گونه‌ای که اهداف عملیاتی را برآورده و در ضمن، انجام عملیات را در محدوده بالایی و پایینی عواملی همچون دما – فشار و دبی رعایت کند.
* برنامه‌ریزی تولید: یک میدان نفتی بر اساس برنامه مبتنی بر طرح تولید و تزریق عملیاتی میشود. این طرح به شکل دوره‌ای بازتولید میشود. این طرح اهداف تولید نفت، گاز، آب برای هر چاه را در بازه زمانی معین مشخص می‌کند. چرخه زمانی یک طرح به سیاست شرکت عملیاتی بستگی دارد اما عموماً بین یک هفته تا یک ماه است. مدل‌های تأسیسات سطح الارضی و چاه به همراه محدودیتهای ناشی از برنامه‌ریزی مخزن، ورودی برنامه‌ریزی تولید هستند. سیاست‌های برگرفته از طرح‌ریزی استراتژیک هم در این برنامه تولید می‌توانند دخیل باشند.
* برنامه‌ریزی مخزن: برنامه بلندمدت تخلیه میدان در این قسمت ریخته میشود که شامل برنامه‌ریزی تزریق آب و گاز است. مدل بروز شده مخزن برای یافتن استراتژی تخلیه مناسب استفاده میشود. سیاست‌های برگرفته از طرح‌ریزی استراتژیک هم در این برنامه مطرح میشود.
* برنامه‌ریزی استراتژیک: طرح تولید و تزریق تا حدی مرتبط با بازار، وضعیت رقبا، محیط و ملاحظات سیاسی و برنامه‌های استراتژیک شرکت است.
* بروز کردن مدل چاه: برای اتخاذ تصمیمات مناسب، از مدلها برای توسعه طرح‌های تولیدی استفاده میشود. چاه آزمایی برای تعیین نسبت گاز به نفت، برش آب و دبی‌های تولید از هر چاه انجام میشود. مدل چاه بر اساس اندازه‌گیری‌های انجام‌شده در طول آزمایش بروز میشود.
* بروز کردن مدل تأسیسات سطح‌الارضی: مدل‌سازی تأسیسات سطح‌الارضی برای داشتن محدودیتهای ناشی از ظرفیت‌های فرازآوری آب، گاز و نفت انجام میشود. هر زمان که این ظرفیت‌ها تغییر کنند، این مدل بروز میشود.
* بروز کردن مدل مخزن: برای انجام برنامه‌ریزی مخزن از شبیه‌ساز مخزن برای ارزیابی استراتژی‌های تخلیه متفاوت استفاده میشود. این شبیه‌ساز شامل مدل دینامیکی مخزن است. بر اساس داده‌های اندازه‌گیری شده در میدان، عوامل و مدل مخزن باید بروز شوند. حجم‌های تولیدی و تزریقی اندازه‌گیری شده در میدان در فرآیند بروز کردن مهم هستند. برای اطمینان از صحت این مدل، عوامل مدل باید به‌گونه‌ای باشند که محاسبات مدل منطبق بر تاریخچه طولانی‌تری از میدان باشد.
در شکل زیر حلقه‌ی تصمیم‌گیری و گردش اطلاعات در بحث بهینه‌سازی به‌هنگام را ملاحظه می‌فرمایید.
شكل ۲- حلقه‌ی گردش اطلاعات در بهینه‌سازی به‌هنگام.
مدیریت به‌هنگام مخزن
صنایع نفت و گاز، برای افزایش و بهبود ارزش دارایی‌های خود، در پی جستجوی فرآیندهای مدیریتی و تولیدی با بازدهی بیشتر با تأکید بر مدیریت به‌هنگام مخازن هستند. مدیریت به‌هنگام مخزن، بهبود مداوم یک تابع هدف است که به مفهوم مدل حلقه بسته وابسته است. این تابع هدف میتواند کاهش هزینه‌های عملیاتی، تولید پایدار یا بیشینه کردن تولید و ارزش و دارایی باشد. همان‌گونه که در قسمت‌های قبل بیان شد، این حلقه‌های بهینه کردن، بسته به فرآیندی که باید بهینه شود، چرخه و ثابت زمانی متفاوتی دارند که با توجه به ماهیت هر یک از متغیرهای تصمیم‌گیری، ثابت زمانی مربوط به هر یک میتواند متفاوت باشد و درنتیجه مقیاس‌های زمانی برای اندازه‌گیری و اعمال در فرآیند بهینه کردن یکسان نیستند. بنابراین برای بهینه کردن تولید، ثابت‌های زمانی مختلف را باید در فرآیندها در نظر گرفت: از مخزن تا چاه، تجهیزات سرچاهی، صادرات، فروش و تجارت. ابعاد و اختلافات موجود در مقیاس ثابت‌های زمانی در فرآیندهای مختلف، چالش‌های بزرگی را در فرآیند تصمیم‌گیری یکپارچه در طول زمان ایجاد کرده‌اند. ترکیب هرچه بیشتر مسائل بهینه‌سازی با متغیرهای تصمیم‌گیری مستقل در یک مسئله بزرگ‌تر، با ثابت‌های زمانی متفاوت، نیازمند به‌کارگیری توان محاسباتی بالاتر، نیروی انسانی بیشتر و تفسیر داده‌های بیشتر است که مدیریت آنها را مشکل‌تر می‌کند. این ثابتها و چرخه‌ها که مبین فرآیند بهینه کردن به‌هنگام هستند، چهار مرحله دارند: کسب آموزش و اطلاعات (مدیریت داده و دانش)، تحلیل اطلاعات (توصیف، مدل‌سازی و شبیه‌سازی)، تصمیم‌گیری (تحلیل ریسک، توسعه و طرح‌ریزی) و اقدام (اجرا در میدان).
شكل ۳- فرآیند مدیریت به‌هنگام.
مدیریت به‌هنگام مخازن به دنبال شتاب در جریان داده‌ها نیست بلکه قابلیتی برای پایش مستمر مخزن و واکنش به‌موقع است. حلقه‌های مدیریت به‌هنگام مخازن به شکل‌های گوناگون، بسته به نقش استفاده‌کننده نهایی، متفاوت‌اند. مدیریت به‌هنگام مخازن با مدل حلقه بسته انجام میشود که در پی بهبود مداوم یک تابع هدف است. این حلقه‌های بهینه کردن بر اساس تابع هدفی که در پی بهبود آن هستیم و چرخه زمانی به دو نوع مدار سریع و مدار آرام تقسیم میشوند:
* در مدار سریع، بهینه کردن عملکرد ابزارآلات و ماشین‌ها انجام میشود که چرخه زمانی این نوع بهینه‌سازی در مرتبه زمانی ثانیه و ساعت است. به‌عنوان نمونه میتوان بهینه کردن عملکرد پمپ‌های الکتریکی درون‌چاهی (ESP) و ابزارهای مرتبط با تکنولوژی حفاری خاص را نام برد.
* در مدار آرام بهینه کردن عملیات بهره‌برداری و مخزن انجام میشود که چرخه زمانی این کار روز، ماه و سال است. به‌عنوان نمونه میتوان بهینه کردن چاه، مدل‌سازی و شبیه‌سازی را نام برد.
به‌طورکلی در مدار سریع، بهینه کردن بخشی از دارایی‌ها و در مدار آرام، بهینه کردن تمام دارایی‌ها انجام میشود. با توسعه تکنولوژی هوشمند کردن و بهبود فرآیندها و توان تخصصی و کارشناسی، زمان این چرخه‌های بهینه کردن، کمتر میشود.
شكل ۴- نتایج مدیریت مخزن به‌هنگام در کاهش زمان بستن حلقه‌های بهینه‌سازی.
هر مدار آرام از چندین مدار سریع درون آن تشکیل شده است. بهینه کردن هرکدام از این مدارهای سریع آسان است اما مسئله اصلی یکپارچه کردن این مدارهای سریع به‌گونه‌ای است که به بهینه شدن کل دارایی‌ها منجر شود. به‌عبارت‌دیگر موفقیت مدیریت به‌هنگام مخازن تا حد زیادی به توانایی هماهنگی فعالیت‌ها برای انجام عملیات و یکپارچه کردن این حلقه‌ها برای بهبود ارزش کلی دارایی‌ها بستگی دارد.
فقدان دانش در مورد عواقب و نتایج ثابت‌های زمانی متفاوت برای اجزای مختلف سیستم تولیدی، حتی باوجود یک استراتژی بهینه‌سازی منجر به نتیجه‌گیری غیرمنطقی در اجرای متدهای بهینه‌سازی در صنایع بالادستی نفت و گاز میشود. وجود ثابت‌های زمانی مختلف به معنی این است که ما می‌توانیم به‌درستی در بخش‌های مختلف سیستم به روشهای مختلف نظارت کرده بهطوریکه حتی باوجود فهم مقدماتی و پایه از این مفهوم، قادر به کمک در حل تناقضات و ناهمگونی‌ها بین این بخشها باشیم.
به‌عنوان‌مثال، بهینه‌سازی ذخایر هیدروکربنی (بیشینه کردن استخراج هیدروکربن مخزن در طول عمر میدان) با استفاده از متدهای شبیه‌سازی مخزن و ابزار با دقت و جزئیات زیاد و به کار بردن مدل‌سازی مرتبه‌ی دوم (Second Order Modeling) برای شبکه تولید و تجهیزات انجام میشود. از سوی دیگر، بهینه‌سازی تولید (بیشینه کردن مقدار تولید روزانه از سیالات مخزن) با استفاده از متدهای شبیه‌سازی/ بهینه‌سازی تولید و ابزار مرتبط و به کار بردن مدل‌سازی با رزولوشن پایین‌تر از رفتار مخزن ممکن است انجام شود و نتیجه مطلوبی داشته باشد.
بنابراین ما چشم‌اندازهای متفاوتی که به‌طور مستقیم با ثابت‌های زمانی فرآیندهای مختلف مرتبط است، خواهیم داشت که به‌طور مشخص میتوان به ثابت زمانی بر مبنای مخزن (Reservoir-Based) و ثابت زمانی بر مبنای تولید (Production-Based) اشاره کرد.
طبقه‌بندی و ارزیابی بهینه‌سازی به هنگام
گروه بهره‌برداری فنی (TIG) بهینه‌سازی به‌هنگام، تلاش کرده تا ارزش پروژههای بهینه‌سازی به هنگام را روشن سازد. پروژههای بهینه‌سازی به‌هنگام (RTO) شامل سه جزء مهم هستند: نیروی انسانی، فرآیند و تکنولوژی. فهم این اجزاء به ایجاد یک چارچوب برای تعیین ارزش پروژههای RTO کمک خواهد کرد. در شکل زیر این فاکتورها را ملاحظه میکنید
شكل ۵- سه بخش مهم پروژههای RTO.
کادر متخصص باید در زمینه‌های مختلف مانند فرهنگ کار گروهی (Corporate Culture)، ساختار سازمانی (Organizational Structure) و آموزش (Training) تربیت شوند. هسته اصلی میدان هوشمند از ترکیب تکنولوژیهای چاه هوشمند، جمع‌آوری به‌هنگام داده‌ها، مدل کردن یکپارچه، سامانه کنترلی مناسب و مهارت‌های لازم ایجاد و به بهینه کردن بهتر، صرفه‌جویی در هزینه و بهبود بازیافت نهایی منجر میشود.
فرآیندهای کاری نشان‌دهنده‌ی چگونگی انجام کارها هستند. هنگامی‌که یک تکنولوژی جدید معرفی میشود، تغییرات در گردش و جریان کاری بسیار موردنیاز است. RTO تغییرات و وظایف فرآیند بهینه‌سازی عملکرد میدان را به‌صورت خودکار و اتوماسیون درمی‌آورد. برای مثال، فرآیندهای دستی فکس، تایپ و ایمیل کردن اطلاعات و بدست آوردن دستورالعمل‌ها برای تغییرات عملیاتی به‌وسیله تلفن، دیگر جزئی از فرآیندهای کاری اولیه، ممکن است نباشند. فرآیندهای جدید میتواند بررسی کیفی اطلاعات و مشاهده نتایج آنالیز خودکار را مادامی‌که اطلاعات بدست میآید، ممکن کند. نتایج آنالیز و اطلاعات و داده‌ها در میان همه گروه‌های مرتبط در همه‌ی زمان‌ها پخش میشود. این محیط و فضای جدید اساساً اینکه چگونه کار انجام شود را تغییر میدهد.
تکنولوژی‌هایی که استفاده از RTO را ممکن می‌کنند، به‌سرعت در حال رشد (ازنظر توانایی) هستند و بالطبع هزینه‌ی اجرای آنها نیز کاهش خواهد یافت. به دلیل اینکه تکنولوژی RTO رشته‌ها و بخش‌های مختلفی را دربرمیگیرد، TIG در جهت تعیین تکنولوژیهای مرتبط وارد عمل شده و آنها را به هفت قسمت طبقه‌بندی کرد:
- اندازه‌گیری (حسگرها (Sensors)):
تمام اندازه‌گیری‌های مستقیم و غیرمستقیم عوامل فیزیکی مانند فشار، دما، جریان و … به کمک حسگرهای دائمی در سطح میدان و درون چاهها.
- سنجش از راه دور (Telemetry):
به ابزارهایی برای ارسال داده‌های اندازه‌گیری شده به نقاط دوردست، برقراری ارتباط میان تعداد زیادی حسگر و دریافت دستورها برای اعمال اطلاق میشود. این بخش شامل واحد پایانه راه دور (RTU یا Remote Terminal Unit)، سیستم کنترل، نظارت و جمع‌آوری داده (SCADA)، ارتباطات باسیم و بی‌سیم و پروتکل‌های ارتباطی مربوطه است.
- نگهداری داده‌ها و دسترسی به آنها (Data Handling and Access):
دریافت، فیلتر کردن، مدیریت، ارزیابی و ارسال داده‌هایی که به‌صورت به‌هنگام خودکار یا دستی جمع‌آوری‌شده‌اند.
- تحلیل (Analysis):
نرم‌افزارهای تخصصی یا عمومی برای مدل‌سازی، محاسبات عددی، شبیه‌سازی و پیش‌بینی سناریوهای مختلف رفتار مخزن.
- تصویرسازی (Visualization):
در این قسمت داده‌های چندبعدی در محیط گرافیکی نمایش داده میشوند. کاربر میتواند این محیط را هدایت و مجموعه داده‌های مختلف را برای نمایش انتخاب کند که میتواند نمایش ساده داده‌ها، اطلاعات یا دانش در سه بعد و تصویرسازی متحرک داده‌های تحلیل‌شده باشد.
- کنترل خودکار (Automatic Control):
هدف این بخش نگه‌داشتن خودکار ارزش فرآیند در سطحی مشخص است. کنترل معمولاً با عملکرد خودکار، به‌هنگام و راه دور یک شیر، یک سوییچ و یا یک موتور مرتبط انجام میشود و این تا حد زیادی به ثابت زمانی فرآیندها مربوط است.
- یکپارچه کردن و اتوماسیون (Integration and Automation):
توانایی یکپارچه و خودکار کردن فرآیند جریان برای رسیدن به عملیات بهینه.
طبقه‌بندی سطوح مختلف
اساساً طبقه‌بندی سطوح به‌منظور فراهم کردن یک معیار و محک و به‌نوعی نشانگر ارزیابی عملکرد عملیات موجود و پروژههای RTO جدید خواهد بود. این تقسیم‌بندی می‌بایست ساده، قابل‌اندازه‌گیری و مفید باشد. در این قسمت فقط به طبقه‌بندی سطوح تکنولوژی (Technology-Level Classification) اشاره میشود. در قسمت قبل هفت بخش تکنولوژی توضیح داده شد.
به‌منظور ساده کردن سطوح در مقاله آقای سپوتلی و دیگران این تعداد به سه سطح تنزل داده شد، به عبارتی در هرکدام از دسته‌بندی‌ها میتوان سه سطح را برای تکنولوژی در نظر گرفت:
سطح ۱: عملکرد واحد (Ad hoc)(دستی یا سیستم گسسته (Manual or Disjointed System))
سطح۲: عملکرد چندگانه (Multifunctional)
سطح ۳: یکپارچه (Integrated)
در جدول (A-1) در مرجع زیر، این سطوح در هر طبقه تکنولوژی به‌اختصار بیان شده‌اند.
Mochizuki, S. Saputelli, LA. Kabir, CS. Cramer, R. Lochmann, MJ. Reese, RD. Harms, LK. Sisk, CD. Hite, JR. Escorcia, A.; “Real-Time Optimization: Classification and Assessment”, SPE 90213, Sep. 2004.
برای استفاده از این طبقه‌بندی در مقاله‌ی آقای سپوتلی و دیگران یک نمودار عنکبوتی (Spider Diagram) به‌منظور کمک در تسریع تصویرسازی و مشاهده و همچنین ارتباط بین سطوح طبقه‌بندی معرفی گردید که یک نمونه از آن را در شکل زیر مشاهده میکنید.
شكل ۶- یک مثال از یک نمودار عنکبوتی یک پروژه.
همان‌گونه که در این شکل ملاحظه میکنید، بعد از اجرای یک پروژه RTO گروه‌های تکنولوژی از حالت اولیه (خطوط نقطه‌چین) با مراحل و سطوح پایین‌تر به سطوح بالاتر در برخی گروه‌ها جابه‌جاشده‌اند (خطوط ممتد). سطوح به‌وسیله محورهای با اعداد ۰ و ۱ و ۲ و ۳ نشان داده‌شده‌اند. در این مثال تصویرسازی در سطح ۲ باقی مانده است درحالی‌که اندازه‌گیری از سطح یک به سطح ۳ حرکت کرده و پیشرفت داشته است. لازم به ذکر است که سطح بالاتر ضرورتاً نشانگر سود اقتصادی بیشتر و مستقیم نیست.
محک پروژههای RTO
همانند هر پروژه‌ای، پروژههای RTO نیز در حال رقابت با دیگر پروژه‌ها هستند، که این مستلزم یک فرآیند محک‌زنی (Benchmarking)، توجیه‌کردن سطح بالا و سازماندهی شده است. تاکنون چند روش طبقه‌بندی پیچیدگی پروژههای RTO ارائه شده است که در قسمت قبل یکی از این روشها بیان شد. همچنین اشاره شد که نمودارهای عنکبوتی ضرورتاً مرتبط با ارزش پروژه اقتصادی نیستند.
شکل زیر بیان‌گر یک روش جدید در مرتبط‌سازی پیچیدگی نسبی (Relative Complexity)(محور y)، سازماندهی نسبی یا اتخاذ و قبول سرمایه‌گذاری (Relative Organization or Enterprise Adoption)(محورx) و ایجاد ارزش نسبی (Relative Value Certain)(سایز حباب (Bubble Size)) محاسبه‌شده در یک‌زمان مشخص از اجرا و یا تکرار (Iteration) می‌باشد.
شكل ۷- نمونه‌هایی از محک پروژههای تکنولوژی که در مراحل فازبندی شده توسعه پیدا کرده‌اند.
شعاع دایره‌ها نشانگر اجرای تکمیلی و بیشتر مقدار و ارزش پیش‌بینی‌شده، و پیکان‌ها نشانگر جهت پروژه در زمان است. در مثال‌های ارائه‌شده در شکل فوق، پروژههای RTO فرضی متفاوت، در شرایط عملیاتی مختلف محک زده شده‌اند. در جدول یک مرجع شماره ۵ پروژههای نشان داده‌شده در شکل ۷ توضیح داده شده است. پروژه‌ها در طول زمان تکمیل‌تر شده و بنابراین در گراف، حرکت آنها نشان داده شده است. عموماً هنگامی‌که پروژه‌ها به سمت راست گراف حرکت می‌کنند، افراد بیشتری در سازمان از اجرای پروژه تحت تأثیر قرار خواهند گرفت. مراحل متفاوت یک پروژه مثلاً پروژه یک با ۱، ‘۱، “۱ نشان داده شده است.
گراف فوق با استفاده از مراحل محک و ارزیابی پروژههای RTO که در زیر آمده است، ایجاد میشود:
۱-تخمین پیچیدگی پروژه (Project Complexity) با سنجش و کمی‌سازی مناطق تصرف شدهی پروژه‌ی اجرایی (بعد از بهینه‌سازی) با استفاده از نمودار عنکبوتی.
۲-در نظر گرفتن احتمال پیشامد (Probability of Occurrence) مثلا ۵۰ درصد (P50) به‌عنوان احتمال میانگین در تابع توزیع NPV یا NPV Distribution Function ، همانند مثال ارایه شده در نمودار شکل زیر:
شكل ۸- تابع توزیع NPV در یک مثال فرضی.
۳-مقدار به‌دست آمده در مرحله یک را ضربدر میزان و حجم مقدار مورد نظر در پروژه (مثلا تعداد چاهها) کرده، یک شاخص پیچیدگی نسبی (Relative Complexity Index) یافته و در محور y نمودار (همانند شکل ۷) قرار میدهیم.
۴-ایجاد و محاسبه شاخص بهبود و پیشرفت اتخاذ پروژه (Project Adoption Progress Index). این شاخص به این معنی است که یک پروژه تا چه حد در سازماندهی یا اقدام و عمل شرکت نفوذ کرده است. بسته به اهداف شرکت، این یک اندازه‌گیری کمی یا کیفی است.
۵-رسم شاخص پیچیدگی نسبی در مقابل اختیار و اتخاذ پروژه (Project Adoption) و استفاده از یک بعد سوم (سایز حباب) به‌عنوان NPV نسبی پروژه (که از مرحله دو بدست میآید).
۶-به‌عنوان بعد چهارم، تصویرسازی تکامل پروژه از مرحله ابتدایی تا مراحل پیشرفت نهایی پروژه نیز امکانپذیر است (مثلا ۱، ‘۱ و “۱ در شکل ۷).
مروری بر تاریخچه موارد انجام‌شده بهینه‌سازی به‌هنگام (RTO)
یکی از تلاش‌های TIG در بهینه‌سازی به‌هنگام، گردآوری پروژه‌ها و موارد انجام‌شده به‌وسیله این بهینه‌سازی است که منجر به ایجاد یک راهنمای کاملاً کاربردی شده و همچنین میتواند در متقاعد کردن تصمیم‌گیرندگان (Decision Maker) به استفاده از RTO به‌عنوان یک پتانسیل فوق‌العاده در رسیدن به اهداف تجاری مؤثر باشد.
در مقاله‌ی آقای سپوتلی و دیگران چندین مورد بیان شده که در اینجا به‌طور خلاصه یکی از این پروژه‌ها را بررسی خواهیم کرد. مواردی که بیان میشود برحسب نوع پروژه به دسته‌های بهینه‌سازی در سطح چاه (Well-Level-Optimization)، بهینه‌سازی در سطح مخزن و میدان (Reservoir-and Field-Level-Optimization) و بهینه‌سازی در سطح سرمایه و دارایی (Asset-Level-Optimization) تقسیم‌بندی شده‌اند.
- بهینه‌سازی در سطح چاه:
این بهینه‌سازی رایج‌ترین و درعین‌حال اساسی‌ترین تلاشی است که در زمینه بهینه‌سازی انجام‌شده است.
* یکی از بهترین مثال‌های RTO در سطح چاه در چاههای قدیمی با سیستم پمپ میله مکشی (Rod Pump) مشاهده شده است. در این میدان بالغ، میزان درصد آب تولیدی (Water Cut) حدود ۹۵ درصد است. باوجود سیستم SCADA، سطح تحلیل و آنالیز این میدان بسیار پایین بود. به‌منظور بهینه‌سازی، کنترلرهای پمپ برای پمپ‌های میله‌ای، کنترلرهای پایانه (Terminal Controllers) برای پمپ‌های الکتریکی شناور (ESP)، کنترلرهای تزریق برای اینجکتورها، کنترل‌های با منطق برنامه‌ریزی (PLC) برای تجهیزات چاه‌آزمایی و اتصالات رادیویی توسط اپراتورها نصب و مورداستفاده قرار گرفت. نرم‌افزار تحلیل نیز به‌منظور متعادل کردن و توازن فرکانس پمپ میله‌ای بر مبنای سطح مایع بدست آمده در چاهها نصب گردید. با انجام این کارها مصرف انرژی و خطاهای مکانیکی کاهش یافت و چاههای مشکل‌دار سریعاً مشخص شدند و مشکلاتشان برطرف شد.
مزایای این پروژه:
– کاهش هزینه تعمیر و نگهداری از ۵۲۰ هزار دلار به ۲۷۰ هزار دلار در هرسال. بعد از اجرای بهینه‌سازی حدود ۱۰۰ هزار دلار برای ۱۵۰ چاه سرمایه‌گذاری شد.
– کاهش مشکلات چاه، کاهش زمان تعمیر و نگهداری و همچنین مصرف برق.
– استفاده بهتر و مؤثرتر از افراد و کارکنان.
– مدیریت بهتر بر رفتار و تزریق مواد شیمیایی.
نمودار عنکبوتی مبحث تکنولوژی این پروژه را در زیر ملاحظه میکنید.
شكل ۹- نمودار عنکبوتی مربوط به پروژه RTO در میدان با چاههای ESP.
مزایای استفاده از RTO
هر تکنولوژی یا روشی که به کار می‌بریم، می‌بایست مزایای تجاری ما را تأمین نماید. به‌عنوان‌مثال می‌توانیم به این موارد اشاره کنیم:
- بهبود عملکرد مالی (NPV،EVA ،IRR و ROI)،
- کاهش ریسک،
- افزایش ذخایر،
- افزایش حجم تولید (Production-Volume Increase)،
- کیفیت تصمیم بالاتر (Higher Decision Quality)،
- بهبود سلامت، ایمنی و محیط‌زیست (HSE)،
- کاهش مخارج عملیاتی (OPEX)،
- بهبود قابلیت مدیریت،
- بهبود یکپارچگی فنی (هشدارها و اخطارهای اولیه مخزن، چاه و مسائل فرآیندی).
در هرکدام از بخش‌های فوق، بهینه‌سازی به‌هنگام (RTO) قادر به تأمین مزایای موردنظر ماست که مطالعات موردی (Case Studies) بسیاری نشان‌دهنده‌ی این واقعیت است. بهانه‌ها و معذوریت‌های بسیاری در طول سالیان دراز (ازلحاظ قانونی و …) برای اجرا نکردن روشهای بهینه‌سازی بیان‌شده است، به‌عنوان‌مثال:
- عدم وجود اطلاعات صحیح: اطلاعات موجود دارای کیفیت پایین یا کمیت ناکافی هستند و یا به‌طور نامطلوب و به مقدار کم وجود دارند. به‌عکس در برخی موارد این ادعا مطرح میشود که اطلاعات بسیار زیادی موجود هست و سیستمهای مناسبی برای بررسی این اطلاعات در اختیار نداریم،
- عدم وجود ابزار و نرم‌افزارهای یکپارچه برای مدل کردن صحیح یک سیستم مشخص به شکلی که موردنظر ماست: ما معمولاً منتظر داده‌ها با استانداردهای معمول و یا یک سیستم یکپارچه مستقل هستیم. مدل‌های موجود نیز به‌طور مناسب با فیزیک مسئله مطابقت پیدا نمی‌کنند،
- هزینه زیاد اجرای این روشها،
- عدم توانایی در مدیریت تغییرات به میزان کافی (و بنابراین سیستم به‌زودی از رده خارج میشود)،
- فقدان آموزش رسمی تحت عنوان مهندسی بهینه‌سازی نفت و لایه‌های ارتباطی ضعیف مابین رشته‌های دخیل،
- فقدان منابع (زمانی و مالی) برای تمرکز کردن بر بهینه‌سازی به‌هنگام.
طبق نظر سپوتلی و دیگران سه دلیل عمده‌ی شکست خوردن و قصور صنعت در اجرای RTO میتواند شامل موارد ذیل باشد:
- چیزی که امروزه میتواند انجام شود وجود دارد و اینکه تکنولوژی به اثبات رسیده فعلی به‌خوبی درک نشده است،
- درک ضعیف اینکه چگونه تکنولوژیهای نوظهور و پدیدار شده با توسعه‌های موجود میدان، متناسب و تعدیل میشوند،
- ناتوانی اداره یک مورد تجاری الزام‌آور و اجباری،
بهبود دو آیتم اول در ایجاد و ساخت موارد تجاری بهتر (که مهم‌ترین نکته است)، به ما کمک خواهد کرد.
نتیجه‌گیری
بهینه‌سازی بلادرنگ یا به‌هنگام روشی بسیار موثر و مفید است که بسیار نزدیک به مفهوم میدان هوشمند است. میتوان گفت بهینه‌سازی به‌هنگام تنها یک روش نیست، یک سیستم جامع و یکپارچه است که قابلیت برخورداری از مزایای دیگر روشها و الگوریتمها را به‌خوبی دارا می‌باشد. کارآیی این روش در موارد و پروژههای مختلف اثبات شده است که به برخی موارد آن در این پژوهش اشاره شد.
اعمالکردن روشهای بهینه‌سازی مخصوصا بهینه‌سازی به‌هنگام اگر از آغاز مطالعات توسعه میدان در تمامی بخشها انجام شود، نتایج موثر و قابل قبولتری نسبت به حالتی که این روشها در میانه یا انتهای پروژه اعمال شوند خواهد داشت. در یک پروژه اگر این روشها از ابتدا اعمال نشوند، طبیعتا آن پروژه دارای قیدها و محدودیتهای بیشتری خواهد بود. به‌عنوان نمونه ظرفیت فرآیندی تجهیزات و تاسیسات فرآیندی یکی از رایج‌ترین مشکلات و محدودیتهای سیستمهای تولیدی در میادین هستند. ظرفیت غالب این تجهیزات به‌علت کمبود امکانات و عدم مطالعات دقیق و کافی، کمتر از حد مورد نیاز در نظر گرفته شده‌اند که طبیعتا منجر به کاهش تولید و بهره‌وری کمتر اقتصادی میشوند.
دو تابع هدف اصلی در پروژههای بهینه‌سازی به‌هنگام (RTO) اجرایی در میادین نفتی، بیشینه کردن تولید و کاهش هزینه است و شواهد و قراین اجرایی پروژههای RTO نشانگر موفقیت این روش در رسیدن به این اهداف است. اجرای پروژههای RTOنیازمند سرمایه‌گذاری کلان اولیه است و بیشتر شرکتها به همین دلیل از اجرای آن سرباز میزنند ولی تجربه به‌کارگیری آن نشان دهنده سود کلان شرکتها از اجرای RTO بوده که هزینه اولیه اجرای آن را به‌خوبی جبران کرده است.
اجرای بهینه‌سازی به‌هنگام در تمامی بخشها با ثابتها و افقهای زمانی مختلف، موثر و مفید است ولی به علل مختلف از جمله بحث اقتصادی، به‌کارگیری آن در پروژههای کلان و بلند مدت صرفه اقتصادی و زیستمحیطی بیشتری خواهد داشت.
با توجه به مباحث مطرح شده در مورد بهینه‌سازی تولید و مخصوصا بهینه‌سازی به‌هنگام در تولید هیدروکربن، لزوم به‌کارگیری این روش در میادین هیدروکربنی و صنعت نفت ایران بر هیچکس پوشیده نیست. با سرمایه‌گذاری کلان در این زمینه و به‌کارگیری ادوات و تجهیزات بروز و استفاده از متخصصان و مهندسان خبره و با تجربه و استفاده از تجارب شرکتهای بزرگ و معتبر نفتی دنیا در این زمینه بدون شک بهره‌وری اقتصادی، تجاری و سیاسی بسیاری عاید ایران خواهد شد.
برگرفته از پایان نامه کارشناسی ارشد محمد محمدی (ادمین سایت)
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
