Современные тенденции информатизации и автоматизации нефтегазовой отрасли

Нефтегазовая отрасль России в современных условиях формирует значительную часть валового национального продукта. Наряду с ведущей ролью в формировании доходной части государственного бюджета в связи со значительными налоговыми отчислениями, стабильным созданием рабочих мест, развитием масштабных инфраструктурных проектов и проч. в отрасли аккумулируются и воплощаются в жизнь инновации, происходит внедрение новых технологий.

Инновационное развитие нефтегазовой отрасли обусловлено различными предпосылками, перечислим некоторые из них.

• 1.    «Привилегированное» положение отрасли в структуре экономики России . Благодаря такому имиджу предприятия отрасли способны аккумулировать, например, качественные трудовые ресурсы.

• 2.    Значительная прибыль дает возможность формирования фондов для инновационного развития . Кроме того, крупный нефтегазовый бизнес зачастую имеет первоочередную возможность воспользоваться средствами, накопленными различными резервными фондами, такими как Фонд национального благосостояния.

• 3.    Глубокие связи с нефтегазовыми транснациональными корпорациями (British Petroleum, Total, Statoil, Shell) и сервисными компаниями (Schlumberger, Halliburton, Baker Hudges).

• 4.    Развитая научная и образовательная база в России (научно-исследовательские и проектные институты как отраслевого подчинения, так и принадлежащие системе Российской академии наук; профильные институты и университеты).

Необходимо также отметить, что инновационное развитие отрасли на текущий момент претерпевает трудности, связанные с санкционным давлением целого ряда иностранных государств [1].

В ряду направлений инновационного развития отрасли одним из наиболее значительных можно назвать автоматизацию . Автоматизация как научное и практическое направление деятельности включает в себя следующие аспекты:

• •    удовлетворение современным требованиям к организации производства;

• •    снижение роли человека в управлении технологическими процессами;

• •    использование математического аппарата (теория автоматического управления, теория систем, теория анализа данных, в т. ч. с использованием интеллектуальных средств);

• •    применение современных средств контроля (сенсоры, датчики), компьютерной и микропроцессорной техники, сетевых технологий.

Основным результатом процесса автоматизации можно считать повышение производительности труда. Снижение трудоемкости основных и вспомогательных процессов в нефтегазовой отрасли позволяет рационально использовать ресурсы, вместе с тем сохраняя высокий социальный уровень занятых в отрасли сотрудников.

Представим факторы, определяющие важность разработки и внедрения средств автоматизации:

• •    усложнение производственных и технологических процессов;

• •    требования к повышению производительности труда в отрасли;

• •    сохранение отраслевого потенциала в средне- и долгосрочной перспективе;

• •    необходимость экономии ресурсов (энергетических, природных, трудовых и т. д.).

Процесс автоматизации с точки зрения вложений в него средств можно считать высокоэффективным. Критерий эффективности представляет собой получение дополнительной прибыли или сокращение издержек производства в связи с внедрением новых технологий, повышающих уровень автоматизации. Опыт внедрения средств автоматизации показывает, что срок их окупаемости редко превышает один год. Основными источниками экономического эффекта от внедрения средств автоматизации будем считать следующие:

• •    уменьшение трудоемкости технологических процессов;

• •    оптимизация технологических процессов (качественных и количественных показателей);

• •    экономия ресурсов, энергосбережение;

• •    снижение рисков вследствие уменьшения негативного влияния «человеческого фактора» на производстве.

Процесс автоматизации необходим на всех этапах технологического цикла в отрасли, начиная с разведки нефтегазовых ресурсов, оценки запасов месторождений, продолжая бурением скважин, разработкой месторождений нефти и газа и заканчивая транспортировкой и хранением добытых ресурсов, а также их переработкой и продажей конечному потребителю. Автоматизация в отрасли выражается в решении целого ряда задач, среди которых:

• •    проектирование технологического оборудования совместно со средствами автоматизации;

• •    автоматизация бизнес-процессов и эксплуатируемого технологического оборудования (модернизация);

• •    автоматизация процессов технического обслуживания и ремонта;

• •    автоматизация вспомогательных систем и процессов;

• •    разработка и внедрение средств аварийной автоматики;

• •    автоматизация обучения сотрудников.

Процессы автоматизации, совершенствование средств и технологий автоматизации регламентированы множеством отраслевых и корпоративных стандартов и программных документов. В качестве примера приведем выдержки из Генеральной схемы развития газовой отрасли на период до 2030 года [2], которая предусматривает «создание и внедрение средств и систем автоматизации, метрологического обеспечения и связи», в том числе «нового поколения средств автоматизации и интегрированных систем управления, обеспечивающих согласованное, надежное и высокоэффективное управление производственно-технологическими объектами и процессами на всех уровнях управления; новых методов измерения, организации технологического учета газа, повышение достоверности измерения количественных и качественных показателей газа и жидких углеводородов; систем технологической связи, обеспечивающих надежную и безопасную транспортную среду для передачи всех видов данных и информации (управленческой, производственной, технологической)».

Наравне с автоматизацией отрасли происходит и ее информатизация, под которой понимают направленный процесс системной интеграции компьютерных средств, информационных и коммуникационных технологий с целью более эффективной организации продуктивной деятельности.

Процесс информатизации в отрасли приводит к созданию и внедрению автоматизированных информационных систем (АИС). Автоматизированная информационная система – это совокупность различных программно-аппаратных средств, которые предназначены для автоматизации какой-либо деятельности, связанной с передачей, хранением и обработкой различной информации. АИС нефтегазовой отрасли включает в себя как средства автоматизации, так и средства компьютеризации, а также подразумевает использование ресурсов других информационных систем, входящих в состав корпоративных информационных систем (КИС) предприятий отрасли.

Этот процесс слияния различных систем автоматизации и компьютеризации происходит повсеместно на предприятиях любой отраслевой принадлежности, но больше всего он важен для предприятий нефтегазовой отрасли ввиду особенностей осуществления деятельности: значительных глубин залегания углеводородов, большой протяженности нефте- и газопроводов, проходящих через сложные участки местности, геоклиматических условий и т. п.

Перечислим несколько основных направлений создания автоматизированных информационных систем, классифицируя их по назначению и применяемым технологиям.

Геоинформационные системы (ГИС) предназначены для сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных данных и связанной с ними информации о представленных в ГИС объектах. ГИС как программный продукт позволяет пользователям искать, анализировать и редактировать цифровые карты [3]. Все без исключения крупные нефтяные и газовые компании во всем мире, в частности и в России, используют ГИС-технологии на всех этапах производственного цикла: от разведки месторождений до бурения и добычи; от транспортировки и переработки до строительства и управления автозаправочными станциями.

Среди заказчиков систем ГИС в России нефтегазовым компаниям принадлежит доля в 25 % (более крупный заказчик – государственный сектор с 30 % всего рынка). Ведущими компаниями в области разработки и продажи программного обеспечения ГИС в России являются ESRI, MapInfo, Autodesk, Leica Geosystems, Bentley Systems и Intergraph. Российские разработчики, такие как группа компаний «СКАНЭКС» [4], Яндекс.Карты [5] занимают незначительную долю корпоративного рынка в нефтегазовой сфере в России.

Системы геологического и гидродинамического моделирования предназначены для оптимизации процессов поиска, разведки и добычи, достижения максимального коэффициента извлечения нефти (Roxar IRAP RMS, Schlumberger Petrel). Создание таких моделей и их практическое применение – сейчас обязательное требование к недропользователям при создании проектной документации и анализе разработки.

В качестве примера удачного и распространенного в России продукта для гидродинамического моделирования приведем семейство симуляторов Schlumberger Eclipse [6] – инструмент численного моделирования динамического поведения всех типов коллекторов, флюидов, степеней структурной и геологической сложности и систем разработки. Eclipse покрывает полный спектр задач моделирования пласта, включая конечно-разностные модели для черной нефти, сухого газа, композиционного состава газоконденсата, термодинамические модели тяжелой нефти и модели линий тока.

Компания ОАО «НК «Роснефть», реализуя политику импортозамещения, финансирует проекты по разработке программных систем геологического и гидродинамического моделирования нефтегазоносного пласта. Разрабатываемое программное обеспечение начали внедрять в работу научно-исследовательских и проектных институтов системы «Роснефть». Однако успешная конкуренция с продуктами Roxar и Schlumberger на данном этапе развития представляет собой непростую проблему.

В системе трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов также существует острая необходимость внедрения эффективных систем моделирования гидродинамических процессов совместно с модельным описанием средств регулирования. Программные продукты зарубежного производства здесь конкурируют с системами российской разработки: симулятором Cassandra , разрабатываемым в ООО «Энергоавтоматика» [7] и OilSmartControl , разработку и поддержку которого осуществляет ООО «АТИС» [8].

Системы, обеспечивающие высокую производительность вычислений . Создание информационных систем в отрасли требует применения мощной вычислительной техники: так, для начала разработки одного месторождения нефти или газа компания должна обработать информацию объемом не менее 100 ТБ. Выделяют следующие разновидности высокопроизводительных вычислительных систем:

• •    вычислительные кластеры (суперкомпьютеры, НРС – High Performance Computing);

• •    виртуальные вычислительные системы (облачные вычислительные среды, Cloud Computing).

Облачные вычисления – наиболее перспективная и обусловленная развитием технологий модель предоставления возможности повсеместного и удобного сетевого доступа по требованию к пулу разделяемых конфигурируемых вычислительных ресурсов (например, сетям, серверам, средствам хранения, приложениям и сервисам), которые могут оперативно предоставляться и освобождаться при минимальном усилии управления или при взаимодействии с провайдером (поставщиком). Поставщики услуг – облачные дата-центры (Cloud Data Center) или сети взаимосвязанных облачных дата-центров [9].

Объем российского рынка облачных сервисов на протяжении нескольких лет демонстрирует экспоненциальный рост, что говорит о востребованности этой технологии.

Мобильные системы автоматизации незаменимы для специалистов нефтегазовой отрасли при проведении полевых работ. Мобильные устройства (планшеты, смартфоны) позволяют через систему мобильных приложений и быстрого подключения к корпоративным сетям получать доступ к облачным информационным ресурсам нефтегазовых компаний.

При выборе компьютерных устройств для полевых работ российские нефтегазовые компании руководствуются пятью основными критериями, в числе которых: долгая работа устройства от аккумулятора, доступ в Интернет, низкий уровень отказов и операционных расходов, защита от воздействий – вода, пыль, химические вещества, удары, вибрации – и возможность работы устройства в экстремально низких/высоких температурах [10].

Системы промышленной автоматизации представляют собой иерархию средств, включающую следующие составляющие (в порядке роста уровня):

• 1.    Нижний уровень автоматизации – технологическое оборудование, контрольноизмерительные системы, датчики и исполнительные устройства.

• 2.    PLC (Programmable Logic Controllers), SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) – уровень промышленных контроллеров и диспетчерских систем, другими словами, уровень автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). Уровень PLC представлен устройствами промышленной автоматизации, работающими в режиме реального времени, которые осуществляют сбор и обработку информации с датчиков, реализуют управляющие воздействия. SCADA – программно-аппаратные комплексы, обеспечивающие человеко-машинный интерфейс систем автоматизации. В системах АСУТП в настоящее время активно применяются сетевые технологии, в том числе беспроводные.

• 3.    MES (Manufacturing Execution Systems) – уровень систем управления производственными процессами [11]. Его представляют специализированные программные комплексы, которые предназначены для решения задач оперативного планирования и управления производством. Системы данного класса призваны решать задачи синхронизации, координировать, анализировать и оптимизировать выпуск продукции в рамках определенного производства. Использование MES как специального промышленного ПО позволяет значительно повысить фондоотдачу технологического оборудования и в результате увеличить прибыль предприятия даже в условиях отсутствия дополнительных вложений в производство.

• 4.    ERP (Enterprise Resource Planning Systems) – системы планирования ресурсов предприятия, интегрированные системы для управления внутренними и внешними ресурсами предприятия [12]. Внедрение и совершенствование ERP-систем – одно из наиболее перспективных направлений в информатизации отрасли. Наиболее известные представители семейства таких систем – SAP ERP, Oracle ERP.

В качестве примера разрабатываемой системы промышленной автоматизации можно привести автоматизированную систему управления нефтебазой, позволяющей свести к минимуму человеческий фактор, снизить потери, «персонифицировать» учет каждой партии нефтепродуктов, проходящих через нефтебазу. Разработки проводятся ООО «Метрологическая лаборатория» в г. Красноярске [13] с активным участием сотрудников Института нефти и газа Сибирского федерального университета.

Другой пример – совершенствование технологий переработки нефтей севера Красноярского края на малых нефтеперерабатывающих заводах [12]. Наряду с выбором технологической схемы, оборудования, изучения физико-химических процессов нефтепереработки ключевую роль играют средства автоматизации технологического процесса.

Создание и развитие систем промышленной автоматизации неразрывно связано с развитием всех перечисленных уровней. Зачастую несовершенство систем автоматизации обусловлено недостатками контрольно-измерительных систем на нижнем уровне. Проблемы комплекса измерений технологических параметров могут заключаться, например, в сложности синхронизации измерений технологических параметров, целостности и однородности измеренных данных:

• •    протяженность (распределенность) объектов нефтегазовой отрасли – причина различных по величине задержек поступающих данных измерений;

• •    различная дискретность измерений;

• •    принадлежность измеренных данных различным по назначению системам;

• •    сложность обслуживания измерительных систем зачастую приводит к задержкам в ремонте или замене неисправных датчиков давления;

• •    разнотипность используемых датчиков.

С подобным комплексом проблем авторы статьи столкнулись в процессе обследования систем трубопроводного транспорта нефти. Решение проблем осуществляется в рамках программ развития предприятий отрасли, например Программы модернизации «ВСТО-2» в ОАО «АК «Транснефть» [14].

Подводя итог обзору разновидностей отраслевых автоматизированных информационных систем, можно отметить, что сложность и многообразие задач, решаемых АИС в отрасли, подразумевает необходимость привлечения на предприятия нефтегазовой отрасли не только узких специалистов-нефтяников и специалистов по информационным технологиям, но особенно специалистов-универсалов, которые могут быстро осваивать и использовать в своей работе постоянно обновляемую компьютерную, коммуникационную и управляющую технику, включая мобильные устройства, новое программное обеспечение и технологии.

С точки зрения подготовки таких специалистов в профильных учебных заведениях требуется придерживаться одновременно двух приоритетов: широкое внедрение в образовательный процесс изучения специальных дисциплин элементов ИТ-технологий, требование обязательного применения их при подготовке выпускных квалификационных работ всех ступеней образовательного процесса, а также подготовка специалистов в области автоматизации нефтегазовой отрасли. Решить эту задачу может Институт нефти и газа [15] Сибирского федерального университета в условиях тесной кооперации с предприятиями нефтегазовой отрасли, имеющими партнерские связи с СФУ.

В заключение можно отметить, что анализ состояния автоматизации нефтегазовой отрасли позволил выделить следующие проблемы, затрудняющие модернизацию и внедрение средств автоматизации:

• 1.    Недостаток элементной базы для электроники российского производства.

• 2.    Деградация инженерной школы в области электронного машиностроения и автоматизации, утрата преемственности и опыта.

• 3.    Неблагоприятные условия для развития малых и средних предприятий, выпускающих высокотехнологичное оборудование (пример – томская компания «ЭлеСи» [16], производитель промышленных микроконтроллеров, в т.ч. для нужд компании «Транснефть»).

• 4.    Нехватка финансовых ресурсов на программы технического перевооружения нефтегазовых компаний в области автоматизации в условиях глобального экономического кризиса.

• 5.    Недостаток специалистов, владеющих знаниями и опытом разработки и эксплуатации современных отраслевых технологий автоматизации.

В качестве путей преодоления перечисленных проблем можно предложить:

• •    создание современных предприятий по производству средств автоматизации на территории России;

• •    подготовку специалистов в области автоматизации и информатизации непосредственно для нефтегазовой отрасли;

• •    принятие долгосрочных программ развития в области автоматизации;

• •    создание отраслевого центра по вопросам автоматизации;

• •    интенсификацию взаимодействия нефтегазовых компаний с ведущими вузами и научно-исследовательскими институтами.

Как представители сферы образования и науки авторы работы могли бы предложить активное участие Сибирского федерального университета и его структурного подразделения Института нефти и газа в решении научных, технологических и кадровых проблем отрасли в вопросах автоматизации за счет обеспечения подготовки специалистов с базовыми знаниями в области технологий добычи, переработки и транспорта нефти и газа, способных при этом решать задачи проектирования и обслуживания информационных систем и комплексов крупнейших компаний отрасли. Одновременно с этим можно было бы решать задачу переподготовки кадров компаний-партнеров института в договорном порядке на базе специализированной кафедры.