О плюсах и минусах использования системы цифровых двойников рассказал эксперт

Трёхмерные преимущества

3D-модели промышленных объектов – это цифровые аналоги, которые создаются с помощью специализированного программного обеспечения (ПО) и могут включать в себя оборудование, здания, инфраструктурные объекты, транспорт и целые производственные комплексы.

3D-модели в бизнесе используются для симуляций различных сценариев и анализа работы предприятия через моделирование процессов и операций, позволяя решать широкий спектр бизнес-задач. Например, в процессе обучения персонала 3D-модели позволяют смоделировать и безопасно показать работу любого оборудования, в том числе на опасных производственных объектах. Они также облегчают идентификацию неисправностей при проведении технического обслуживания и ремонта оборудования.

Кроме того, интеграция 3D-моделей с другими технологиями, такими как BMS, CAD и VR, способствует лучшему управлению.

С развитием методов сбора и анализа данных эти модели эволюционировали в цифровые двойники (ЦД) – в нефтяной отрасли их используют для управления циклом добычи. Такие модели включают в себя не только комплексное 3D-отображение физических объектов, но также дополняются производственными процессами, охватывают движение ресурсов, людей и продукции. ЦД постоянно обновляются данными из реального мира для точного отображения состояния и условий эксплуатации объектов.

Нефтяная специфика и ЦД

В нефтяной отрасли 3D-модели исторически объединяли разные данные – от подсчета запасов до оценки рентабельности месторождений. Это позволяло комплексно оценивать и планировать работу предприятия, анализировать и прогнозировать процессы в нефтяных пластах на протяжении всего периода их эксплуатации.

Цифровые двойники за счёт непрерывного потока информации выводят на новый уровень точность отражения состояния реальных отраслевых объектов, а также повышают возможности прогнозирования. Их создание и эксплуатация требуют обработки огромного количества разноплановых данных, включая концептуальные и математические модели, результаты лабораторных испытаний, информацию от контрольно-измерительных приборов (КИП) в реальном времени и прочее.

С усовершенствованием цифровых технологий в профессиональный лексикон вошли понятия «цифровой двойник месторождения/системы разработки», «цифровое/умное месторождение» и «платформа».

Различия в терминологии вызывают дебаты. Дискуссии связаны с практическими аспектами применения данных инструментов. Большинство экспертов признают следующее разделение:

- При создании 3D-геологической модели исходным объектом является первоначальное состояние нефтяного пласта. Задача модели – оценка запасов и планирование бурения. Модель обновляется каждый квартал, с объектом взаимодействует пассивно, учитывая только начальное состояние залежи.

- 3D-гидродинамическая модель базируется на трёхмерной геологической модели и динамически отображает и анализирует движение флюида в пласте. Активно используется для определения объёмов добычи, планов дополнительного бурения и разработки стратегий повышения коэффициента извлечения нефти (КИН). Модель обновляется ежеквартально, что требует значительных вычислительных ресурсов, поэтому при наличии большого количества скважин – её обновляют посекторно.

- Технологические модели отражают объекты наземной инфраструктуры и трубопроводы, что позволяет анализировать технологические ограничения и оценивать возможные сценарии. В отличие от гидродинамических они обеспечивают почти мгновенный анализ и фиксацию результатов. Например, изменение потоков может снизить давление в сети сбора и увеличить дебит скважин.

- Интегрированная модель + модель ограничений объединяют гидродинамические, технологические, логистические и экономические элементы. Такой подход позволяет оценить эффективность каждого компонента и системы в целом для улучшения качества управленческих решений. Модель обновляется синхронно с изменениями в любом из её компонентов.

- И, наконец, цифровой двойник – виртуальный аналог физического объекта, процесса или системы, применяемый для моделирования, анализа и оптимизации их функционирования в реальном времени.

В современном контексте наиболее эффективным является именно формат цифрового двойника месторождения. По сути, он стал финальным на сегодня этапом эволюции интегрированной модели, хотя и существенно отличается от неё возможностью обновления данных в реальном времени.

Развитие ЦД: путь эволюции

Разработка ЦД всегда происходит поэтапно. С увеличением технологической сложности системы увеличивается и её ценность для решения поставленных задач.

Первый этап – мониторинг. Он осуществим даже для объектов с низким уровнем технологической зрелости. Основными задачами здесь становятся настройка системы и управление поступающими, в том числе в режиме реального времени, данными. Обработка объёмных данных сложна и требует много времени, необходимо обеспечить подготовку данных для извлечения информации, ценной для эффективного принятия решений.

Следующий этап – диагностика. На основе накопленных кондиционных данных проводится статистический анализ. Задача здесь – выявить причины отклонений и дать оценку эффективности предпринятых мер. Это помогает принимать более обоснованные решения с меньшей степенью неопределенности.

На стадии предсказания ЦД оснащается инструментами предиктивной аналитики и прогностических расчетов. С их помощью происходит планирование действий в средне- и долгосрочной перспективе с учетом изменяющихся факторов.

Этап оптимизации характеризуется интеграцией ЦД с геолого-техническими моделями и автоматизацией процесса обновления данных. Применение искусственного интеллекта на данном этапе позволяет тестировать разнообразные сценарии для поисков оптимального решения.

С течением времени каждый ЦД приобретает уникальные характеристики, соответствующие потребностям конкретного предприятия. Начиная с общих функций, со временем двойники развиваются по индивидуальным траекториям и адаптируются к специфике объекта.

Плюсы и минусы

Цифровые двойники приносят следующие выгоды в рамках отраслевой специфики «нефтянки»:
- сокращают время реагирования на проблемы с оборудованием и ускоряют принятие решений, что снижает потери и риск аварий;
- устраняют барьеры между отделами, улучшают качество принятия решений за счёт непрерывного потока данных и снижения влияния человеческого фактора;
- при разработке ЦД формируется эффективное управление данными, что положительно сказывается на связанных процессах;
- цифровые двойники в нефтедобыче способствуют выявлению аномалий и помогают контролировать отклонения добычи от запланированных показателей, предотвращать избыточное использование ресурсов, например, бурового раствора или метанола.

ЦД также заранее предупреждают о возможных осложнениях, таких как формирование парафина или газогидратов. Кроме того, их можно использовать для обучения персонала: тренажеры на базе цифровых двойников дают возможность обучать людей, как действовать в нештатных ситуациях, и в целом повышать уровень квалификации на максимально приближенных к реальности процессах. При этом полностью устранен риск для самого оборудования и производства.

Тем не менее у ЦД есть и свои ограничения:
- нестандартизированность. Компании могут использовать различные подходы к созданию ЦД, что затрудняет их интеграцию и совместимость;
- зависимость от качества данных. ЦД опираются на информацию с реальных систем и процессов. Неточные, неполные или устаревшие данные могут ввести в заблуждение и сформировать неверное представление о системе;
- сложность и затратность. Разработка и поддержка ЦД требуют значительных усилий и знаний в таких областях, как Big Data, моделирование и программная инженерия, что делает их сложными и дорогостоящими инструментами;
- ограниченная применимость. ЦД могут быть неэффективны в системах с ограниченным доступом к данным или с предсказуемым поведением, где их функционал окажется избыточным.

Будущее – за ЦД

И все же перспектива развития нефтяной отрасли в digital-парадигме наиболее тесным образом связана с внедрением концепции цифрового двойника активов. ЦД обеспечивают комплексное включение всех необходимых функций, специфичных для каждого предприятия.

С помощью цифрового двойника месторождения можно управлять производственными показателями, а цифровой двойник актива позволяет проводить анализ финансовых параметров, таких как денежные потоки, чистая приведенная стоимость (NPV), индекс доходности (PI) и другими критическими метриками.

Цифровой двойник актива значительно расширяет горизонты анализа, позволяя выходить за рамки технологических аспектов и учитывать экономические измерения проекта. Это даёт возможность оценить влияние перемен в рабочих процессах или технологических улучшений на финансовые результаты.

Следует отметить, что применение цифровых двойников в нефтедобыче постоянно совершенствуется благодаря технологическому прогрессу и накопленному опыту работы с этими системами. Уже сейчас цифровые двойники являются надежным инструментом в нефтегазовой отрасли, а их потенциал обеспечения дополнительных практических преимуществ в будущем будет только увеличиваться.

Автор: директор по развитию компании Axellect Мирас Касымов