Раздел третий

МЕТОД ОБОСНОВАНИЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ОБЪЕДИНЕНИЯ НЕСКОЛЬКИХ ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ НА МНОГОПЛАСТОВЫХ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ

Глава 15. Некоторые принципы системного подхода к геологическим объектам

1. Вводные замечания

В результате различных по характеру и условиям исследований, проведенных в последнее десятилетие и связанных с изучением нефтяных и газовых залежей, всё более твердым становится пред­ставление о том, что основным фактором, порождающим большин­ство трудностей, возникающих при решении задач поисков, раз­ведки, подсчёта запасов и разработки нефтяных, газовых и газо-конденсатных месторождений, является неоднородность геологи­ческих объектов. Опыт показывает, что переход от одной, более ранней, к другой, более поздней стадии работ, характеризующий­ся увеличением детальности исследований, всегда приводит к не­обходимости внесения существенных изменений в ранее сложившиеся представления, к пересчёту запасов, к пересмотру (или существенной корректировке) запроектированной системы разра­ботки.

Правильная организация поисковых и разведочных работ, под­счёт запасов нефти и газа, выбор варианта разработки и выра­ботка мероприятий по ее регулированию, поиск путей повышения нефтеотдачи и продление срока безводной эксплуатации скважин, решение вопроса о целесообразности объединения нескольких пла­стов в один эксплуатационный объект, создание эффективных методов интерпретации результатов промыслово-геофизических и гидродинамических исследований скважин - вот далеко не пол­ный перечень вопросов, успешное решение которых существенно зависит от нашего умения достаточно адекватно описывать неод­нородные объекты и учитывать неоднородность при решении за­дач геологоразведочной и нефте-газодобывающей отраслей.

На каком же пути следует искать конструктивные способы ре­шения проблемы неоднородности? Современная философия вполне определенно связывает неоднородность ма­териальных объектов со структурной организацией материи, ее системностью. Согласно представлениям общей теории систем, все процессы, явления, предметы могут рассматриваться как системы, обладающие той или иной структурой. Структурность материи и есть выражение ее неоднородности. Следовательно, пути к раскры­тию роли неоднородности, ее влияния на решения различных за­дач, в том числе и на оптимальное выделение эксплуатационных объектов, нужно искать в системном подходе к изучению геоло­гических объектов.

Материалы первого раздела книги показывают, что иные пути, испытанные в поисках решений, успеха не принесли. Причины это­го раскрываются в начале данного раздела, где также изла­гается суть системного подхода реализуемого авторами в после­дующих главах при разработке методики оценки целесообразности объединения нескольких пластов в один эксплуатационный объект.

15.2. Основные черты научного метода в «досистемный» период

Из общей теории систем следует, что в течение двух пос­ледних веков наука стремилась главным образом отыскать в яв­лениях только простое. И в биологии, и в физике, и в химии ис­следователи руководствовались одной и той же стратегией: отыс­канием простых элементов. Суть этой стратегии составлял преимущественно анализ, целью которого было расчленение изучае­мого объекта на составляющие его части и изучение свойств этих частей. Взаимодействия между отдельными частями объектов фак­тически не рассматривались. Если же и обращалось внимание на имевшие место объединения и сочетания элементов, то они рас­сматривались как результат простого сложения. Ведь при взвеши­вании двух масс результат представляет собой простую сумму двух масс.

Смысл такого, названного аналитическим подхода к объектам исследования состоит в стремлении объяснить поведение целого исходя из поведения и свойств его частей. Такой подход характе­рен для классической небесной механики, в которой поведение сол­нечной системы в целом вытекает из поведения отдельных состав­ляющих её «материальных точек» — планет. Поэтому рассматриваемый подход называют еще механистическим.

Этот классический аналитический или механистический способ исследования пока является официальным методом и нефтяной науки. Это можно показать на массе примеров. Так, при решении задач разработки (оценке темпов обводнения, нефтеотдачи и т.п.) нефтяных залежей реальный неоднородный по проницаемости пласт заменяют моделью, представляющей собой серию прослоев различной проницаемости, не взаимодействующих между собой. На модели эти прослои разделяются непроницаемыми разделами бесконечно малой мощности. При использовании такой модели в гидродинамических расчётах дебиты нефти, например, вычис­ляются для каждого прослоя отдельно, а суммарный дебит пласта определяется как сумма дебитов прослоев. Именно такая методика в настоящее время применяется и при определении производи­тельности многопластового эксплуатационного объекта: сначала рассчитываются производительности отдельных пластов, а затем простым суммированием этих результатов — производительность объекта. Неэффективность аналитического (механистического) под­хода к решению столь важной задачи на конкретных примерах показана в разделе II. Именно в связи с существенной неэффектив­ностью методики в ряде нефтедобывающих районов пришлось прибегнуть к разукрупнению многопластовых эксплуатационных объектов.

Философскую основу механистического мировоззрения состав­ляет концепция лапласовского детерминизма, согласно которой любое явление окружающего мира может быть объяснено, если известны все законы, управляющие поведением элементов, состав­ляющих это явление. У.Р. Эшби подчеркивает, что правило «раз­деляй на части и изучай их в отдельности» едва не превратилось в догму. Оно часто рассматривалось и, к сожалению, рассматри­вается как важнейший признак подлинно научного подхода.

Вместе с тем, существуют такие объекты материального мира, которые объективно не могут быть расчленены на простые части. Это объекты, характеризующиеся большой сложностью, которую нельзя игнорировать. Высокая сложность таких объектов является неотъемлемым, неуничтожимым и существенным свойством, кото­рое необходимо учитывать, чтобы получить правильную оценку такого объекта и его поведения. Суть стратегии изучения таких объектов состоит в их исследовании как единого целого, без предварительного расчленения на части. Одной из разновидностей та­кой стратегии является способ черного ящика. Такой подход является прямой противоположностью механистическому подходу; его назвали организмическим. При организмическом под­ходе методы механистического подхода, как правило, исключа­ются.

Простейшим примером организмического подхода в нефтяной геологии может служить рассмотрение при поисковых работах за­лежи нефти или газа как единого целого, характеризуемого поло­жением в пространстве, формой, размерами, запасами, определяе­мыми по средним значениям свойств коллекторов из результатов; наблюдений в отдельных точках.

Другой пример — подсчет запасов нефти или газа методом материального баланса, когда залежь рассматривается в виде еди­ной, не подлежащей расчленению гидрогазодинамической системы, меняющей свое состояние во времени.

Стратегия черного ящика широко применяется и при решении задач разработки, в частности — при выделении эксплуатацион­ных объектов. Здесь она проявляется в способах учёта неоднород­ности нефтегазоносных пластов. Суть этих способов состоит в том, чтобы, не расчленяя залежь на разнородные части, по наблюде­ниям в отдельных точках получить некоторую интегральную характеристику сложного внутреннего строения залежи. При проек­тировании или анализе разработки эта характеристика, получаю­щая количественное выражение, вносится в виде поправки в результаты гидродинамических расчетов с целью уменьшения рас­хождений между расчётными и фактическими показателями раз­работки.

Как механистическому, так и организмическому подходам свой­ственна существенная ограниченность: первый не учитывает, что, кроме свойств частей, существует еще структура «целого», высту­пающая как совокупность отношений, взаимосвязей, взаимодейст­вий частей, влияющая на результат функционирования «целого»; второй не учитывает, что свойства «целого» в определенной степе­ни зависят от свойств частей. Именно ограниченностью указанных подходов, нашедших широкое применение при построении теории и в практике проектирования разработки нефтяных и газовых месторождений, объясняется малая достоверность делаемых па такой основе прогнозов.

В поисках путей избавления от ограниченности обоих подходов современная наука пришла к системному подходу, который полу­чает все более широкое распространение в различных областях науки и практики и методология которого уже довольно хорошо разработана.

15.3. Основные черты системного подхода

В общем случае под системой понимается совокупность объек­тов, определенным образом связанных между собой. Объекты, образующие систему, называются или элементами системы, или подсистемами, если они в дальнейшем сами будут рассматривать­ся как системы. Главной особенностью системы как совокупности элементов является то, что она обладает по крайней мере одним таким свойством, которое отсутствует у слагающих ее элементов. Это эмерджентное или специфически системное (интегральное) свойство, которое никаким анализом не может быть выведено из свойств элементов. Раскрыть суть этого понятия можно на приме­ре такой системы, как самолет. Эмерджентным свойством этой системы является его способность летать. Как бы тщательно мы ни изучали свойства отдельных деталей самолёта (элементов си­стемы), ни одно из них не будет свидетельствовать о том, что если эти элементы собрать вместе, то они в совокупности приобретут новое свойство — способность к полету.

Эмерджентные свойства есть проявление целостности системы, которая обусловливается тем, что все её элементы объединены в неразрывное целое определенными связями и отношениями. Сово­купность связей и отношений между элементами называется струк­турой системы. Именно влияние структуры есть причина появления эмерджентных свойств системы. И именно существование у систем эмерджентных свойств является причиной современного широкого внедрения системного подхода практически во все области науки и практики.

Любой объект может рассматриваться как система, которая, в свою очередь, может иметь несколько представлений, т.е. выступать в нескольких видах. Выделяя элементы, мы рассмат­риваем систему как некоторое множество объектов, составляющих систему. В данном случае мы имеем дело с множественным пред­ставлением.

Весьма важным является иерархическое представление, при ко­тором система выступает как иерархическая упорядоченность. Это представление основано на понятии подсистемы, которое следует отличать от понятия элемент. Элемент — это часть системы, рас­сматриваемая как абсолютно неделимый объект, как символ неде­лимости. В общем случае элемент неделим лишь относительно, однако для конкретной системы он является абсолютно неделимым. Элементы могут существовать только в связанном виде. Там, где выделяются элементы, обязательно устанавливаются и реальные связи.

Подсистема есть часть системы, занимающая в ней промежу­точное положение: она меньше системы, так как является ее ча­стью, но больше элемента, поскольку объединяет в себе некоторое множество элементов. Важным понятием в рамках иерархическо­го представления системы является понятие компоненты, пред­ставляющей собой крупную подсистему, могущую включать в себя ряд более мелких подсистем и характеризующуюся некоторой спе­цификой. Совокупность подсистем или элементов, принадлежащих одному горизонтальному ряду системной иерархии, называется иерархическим уровнем.

При иерархическом представлении системы выделение элемен­тов (самый нижний иерархический уровень), подсистем и компо­нент (более высокие этажи иерархии) осуществляется в соответ­ствии с конкретными задачами исследования. При изменении зада­чи объекты, которые раньше рассматривались как элементы или подсистемы некоторой системы, могут рассматриваться в качест­ве системы меньшего масштаба со своей внутренней иерархией или, наоборот, система в новом исследовании может рассматри­ваться как элемент некоторой более крупной системы.

Рассмотрение системы в качестве элемента, для которого ха­рактерна неделимость (в конкретном исследовании), означает целостное представление системы. При целостном представлении важным является понятие системного окружения. Ни одна система не должна рассматриваться вне системного окружения. Деление материального мира на две части — систему и системное окруже­ние — позволяет охарактеризовать систему некоторым множест­вом внешних связей (её внешней структурой), а также и функ­ционально — совокупностью внешних функциональных отношений.

На каждом иерархическом уровне (вплоть до целостного пред­ставления) элементы структуры характеризуются определенным (например, с точки зрения разработки залежи) списком свойств. Свойства элементов всех уровней иерархии можно разделить на три группы: свойства I порядка — те, благодаря которым элемент способствует достижению системой своей цели, свойства II поряд­ка — нежелательные, вредные свойства, привносимые элементом в систему; свойства III порядка — нейтральные по отношению к основной цели системы; они могут быть, например, использованы для определения свойств I и II порядков через различные кор­реляции.

Специфическое проявление свойств элементов в их внутренних и внешних взаимосвязях в процессе достижения системой своей цели называется функцией. Когда свойства элементов проявля­ются таким образом, мы говорим о функционировании системы. Рассмотрение системы как совокупности функций для достижения определенной цели означает её функциональное представление.

И, наконец, существует еще одно представление системы — процессуальное, которое предполагает понимание системы как последовательности состояний во времени. Здесь важным является понятие периода жизни системы, т.е. такого интервала времени, в течение которого система существует. Период жизни разбивается на ряд состояний — элементов, между которыми существуют свя­зи перехода. Самой низкой подсистемой системы при процессуаль­ном представлении является совокупность двух состояний, объе­диненных связями перехода. Анализируя состояния системы в от­дельные моменты времени (настоящий и прошедшие), мы можем выделить в структуре системы при ее таком представлении ряд инвариантов, на основе которых можно строить прогноз о будущих состояниях системы.

Рассмотренные возможные представления системы, взятые в совокупности, позволяют судить о механизмах существования си­стемы и её развития. Последнее неразрывно связано с информа­ционными процессами. Поэтому всякая модель системы должна включать в себя еще блок, моделирующий информационную систе­му, связанную с исследуемой или проектируемой; без информаци­онной системы ни познание, ни создание каких-либо систем не­возможно.

В рамках информационной системы можно выделить три важ­ных блока (подсистемы): осведомляющий, обобщающий и прогно­зирующий.

Осведомляющий блок представляет собой систему сбора ин­формации, выступающую в виде специальных служб, систем точек наблюдения, технических средств и методов получения конкретной информации об изучаемой системе. Роль обобщающего блока со­стоит в переработке информации, в её свертывании, приведении к виду, удобному для хранения и дальнейшего использования, а также в построении моделей, отображающих все описанные выше представления системы. Роль прогнозирующего блока состоит в получении принципиально новой информации о будущих состоя­ниях исследуемой или проектируемой системы.

Все сказанное выше о возможных представлениях систем и о структуре информационной системы можно рассматривать как не­которую обобщенную концептуальную (понятийную) модель лю­бой изучаемой или проектируемой системы (см. схему 2).

Как отмечает один из основоположников современного системного направления в науке Л. Берталанфи, «не следует недооцени­вать значение чисто качественных моделей. По отношению к слож­ным явлениям «объяснение в принципе» при помощи качествен­ных моделей предпочтительнее отсутствия объяснения вообще».

Таким образом, при системном подходе любой объект предста­ёт перед нами как система большой сложности с точки зрения и числа слагающих ее элементов и подсистем, и числа характеризующих их свойств, и числа уровней и сторон, с которых эту систему можно рассматривать. При этом все аспекты системы тес­но взаимосвязаны, взаимодействуют и сложным образом влияют на конечные результаты функционирования системы.

Системный подход означает переориентацию науки, перенос ее внимания с вещества, с субстрата различных объектов на их ор­ганизацию, на взаимодействие частей, которые могут быть выде­лены при анализе строения объектов. Именно в этом суть преодо­ления ограниченности механистического и организмического под­ходов, в рамках которых многие свойства реальных объектов ос­тавались необъясненными, особенно такие, которые могут быть отнесены к классу эмерджентных.

Как утверждают специалисты, системный подход означает пе­реход в методологии от предметного уровня исследования к систем­ному, от однозначного — к многозначному, от линейного — к не­линейному, от одномерного — к многомерному, от преимущест­венного изучения явлений координации - к изучению суборди­нации и других сложных форм взаимодействия. Это позволяет глубже исследовать внутренние стороны сложных объектов, выяв­лять присущие им специфические, отражающие их сложность за­кономерности, которые не могут быть выявлены при изучении только элементов. Системный подход означает также широкое внедрение математических методов и ЭВМ в технологию исследо­ваний и в практику управления.

Особенно рельефно роль системного подхода выступает при построении прогнозов и проектировании, когда возникает необ­ходимость конструирования определенных систем, отвечающих за­данной цели, или когда требуется предсказать поведение некото­рого объекта в течение более или менее длительного отрезка бу­дущего.

Системный подход даёт возможность комплексно учитывать и естественные, и технические, и экономические характеристики си­стем, разрабатывать и учитывать различные количественные кри­терии качества конструкции и функционирования систем.

К числу таких критериев относятся, например, живучесть сис­темы, ее надежность, устойчивость, эффективность и другие. Живучесть — одно из важнейших свойств, которым должны ха­рактеризоваться все сложные системы для того, чтобы сущест­вовать и функционировать. Живучесть связана с надежностью и устойчивостью. Надежность — свойство системы выполнять за­данные функции, сохраняя во времени значения эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих задан­ным режимам и условиям работы, а устойчивость характеризует способность системы противостоять неблагоприятным воздейст­виям.

Эффективность системы в общем случае характеризует степень ее соответствия, приспособленность к выполнению поставленной перед системой задачи. При этом необходимо учитывать, что эффективность бывает разная: эффективность экономическая — это степень выгодности затрат на создание и эксплуатацию сис­темы; эффективность техническая — это степень приспособленнос­ти системы к выполнению тех функций, ради которых она создана, обусловленная техническими и технологическими характеристика­ми системы; эффективность оперативная — это приспособленность системы к противодействию неблагоприятных факторов, т.е. к обеспечению устойчивости.

Таковы некоторые представления, связанные с системным под­ходом и использованные при разработке идей, составляющих содержание второй части настоящей монографии. Системному анализу привычных для нефтяника субъектов и понятий посвя­щен следующий раздел настоящей главы, могущий служить ил­люстрацией практического приложения концепций системного подхода.