Введение
На сегодняшний день развитие информационных технологий и огромная скорость интернета, сделали передачу нескольких гигабайт данных простой дешевой повседневной операцией, с которой может справиться любой пользователь персонального компьютера. Мы привыкли, что можем без особых затруднений переслать в другую часть света любую информацию, будь то текстовое сообщение или многочасовая видеозапись, которая занимает на диске десятки гигабайт. Но проблема передачи большого объема данных крайне актуальна для нефтяных компаний, а также геофизических служб, которые предоставляют им свои услуги по анализу состояния нефтяных скважин.
Как показывает практика, более быстрый интернет сначала появляется в крупных мегаполисах, а затем постепенно проводится и в остальные города. К сожалению, месторождения не всегда располагаются вблизи крупных городов с развитой инфраструктурой и широкополосным интернетом. Чаще всего они находятся вдали от цивилизации и соответственно от интернета. Вполне возможно, что до ближайшего населенного пункта с достаточно быстрым интернетом нужно будет проехать сотни километров. Если там будет работать хотя бы сотовая связь, то можно конечно воспользоваться GPRS (General Packet Radio Service) передачей данных, но назвать это быстрым интернетом сегодня уже нельзя. Передача гигабайта данных будет происходить очень медленно, да и цена за передачу такого объема данных велика.
Следует учитывать, что результаты геофизических исследований скважин могут достигать нескольких гигабайт. Эти данные необходимо, как можно скорее передать в центр обработки информации, где аналитики смогут их интерпретировать и выдать заключение о состоянии скважины заказчикам.
Удаленность полевых партий, а также сокращение сроков предоставления заключения заказчикам геофизических работ приводят к необходимости быстрой передачи промыслово-геофизической информации по каналам связи со скважины. С другой стороны если бы было возможно сжать данные в десятки раз, то их передача по медленным каналам стала бы достаточно быстрой и недорогой, а геофизическая компания, использующая такой подход, получила бы конкурентное преимущество.
Целью данной работы является разработка программного обеспечения, позволяющего преобразовать каротажные данные таким образом, чтобы их передача стала эффективной. Эффективной будем называть такую передачу данных, цена и время которой будут минимальны, а передаваемые данные достаточными для последующей интерпретации.
Критерии эффективной передачи данных:
Время. Передача данных должна длиться не более 2-х часов.
Цена. Стоимость передачи данных не должна превышать 500$.
Объем данных. На сегодняшний день составляет не более 1 ГБ.
Для достижения поставленной цели нужно решить следующие задачи:
Изучить предметную область.
Рассмотреть имеющиеся варианты решения выявленной проблемы.
Рассмотреть возможные альтернативы для ее разрешения, и обосновать оптимальность выбранного подхода.
Провести проектирование системы.
Реализовать проект в программном коде.
Оформить эксплуатационную документацию.
Анализ предметной области
Описание предметной области
Во-первых, перед тем как изучать бизнес-процессы в геофизических организациях необходимо понять, как эти организации связаны с нефтяными компаниями, которые владеют скважинами. Геофизики находятся на аутсорсонге у нефтяников, то есть они выполняют для них некоторую работу. Таким образом, получается, что все бизнес-процессы в геофизических организациях являются бизнес-процессами в нефтяных организациях. Ни для кого не секрет, что главной задачей, а значит и основным бизнес-процессом, в нефтяной сфере является «Добыча нефти». Значит все процессы, которые мы будем в дальнейшем рассматривать, по сути, будут являться частью огромного процесса под названием «Добыча нефти».
Так как в основном нас интересует работа геофизических, а не нефтяных компаний, то мы рассмотрим лишь ту часть бизнес-процессов нефтяных организаций, к которым относятся процессы выполняемые геофизиками.
Всю деятельность геофизиков можно свести к одному бизнес-процессу под названием «Геофизическое исследование скважины». Так как геофизическая организация является нанимаемым со стороны исполнителем необходимых работ, то единственно возможным вариантом сотрудничества может быть лишь заключение договора на выполнение некоторых работ. Естественно договор заключается в соответствии с законами Российской Федерации, как договор между двумя юридическими лицами: геофизической и нефтяной компаниями. Нефтяные компании обычно проводят тендеры среди геофизических предприятий, в результате которых заключается договора. Договор иногда может подразумевать многолетнее сотрудничество между двумя организациями.
Если договор на одну конкретною работу, то в нем указывается, когда и где должно быть проведено геофизическое исследование. То есть время, выделенное на выполнение исследования, а точнее сроки, в течение которых заказчик должен получить результат от проведенных работ, в виде заключения; и скважина, которую необходимо исследовать. Также в договоре указываются виды работ, которые должны быть произведены геофизиками.
Способов исследования в геофизике очень много, и со временем их становиться все больше, так как постоянно разрабатываются новые подходы для исследования нефтяных скважин. Вот некоторые из них:
Электрический каротаж. Объектом исследований являются электрические свойства горных пород. Этот способ представляет собой непрерывную запись электрических свойств, вскрываемых скважиной: отложений и содержащихся в них флюидов [2,12,13,14].
Радиоактивный каротаж. Этот вид геофизических исследований скважин связан с двумя основными методами, один из которых, известный как гамма-каротаж, измеряет природную радиоактивность пород, а другой, называемый нейтронным каротажем, измеряет эффект бомбардировки пород нейтронами, испускаемыми искусственным источником [2,12,13,14].
Акустический каротаж. При акустическом каротаже производят непрерывную запись по разрезу времени, необходимого для того, чтобы звуковая волна пересекла вскрытую скважиной толщу пород определенной мощности. Таким образом, измеряется величина, обратная скорости прохождения звука в различных осадках [2,12,13,14].
Газовый каротаж. Этот вид каротажа проводится в процессе бурения скважин, особенно поисковых и разведочных. Его главная цель обнаружение мельчайших количеств газа и нефти, выносимых буровым раствором из ствола скважины на поверхность [2,12,13,14].
Термокаротаж. Термический каротаж проводится с помощью опускаемого в скважину температурного электрода, состоящего из платиновой проволоки полуметровой длины, которая быстро воспринимает температуру заполняющих скважину флюидов [2,12,13,14].
Инклинометрия – метод определения основных параметров (угла и азимута), характеризующих искривление буровых скважин, путём контроля инклинометрами с целью построения фактических координат бурящихся скважин [2,12,13,14].
Кавернометрия. Кавернометрический разрез представляет собой непрерывную запись изменений диаметра ствола скважин [2,12,13,14].
Механический каротаж – это стандартный способ исследования, применяемый на большинстве скважин вращательного бурения, заключается в измерении времени, необходимого для увеличения глубины на единицу [2,12,13,14].
Ядерно-магнитный каротаж. Этот вид каротажа позволяет производить непосредственные измерения содержания водорода в жидкой фазе, содержащейся в пройденной скважиной толще. Поэтому данные ядерно-магнитного каротажа указывают на присутствие или отсутствие жидкостей в пористых и проницаемых частях разреза и дают возможность определять содержание в породах воды и углеводородов[12].
Обычно для каждого метода каротажного исследования применяется свой специально предназначенный прибор, а так как подобные приборы стоят миллионы, то не все они могут присутствовать у одной геофизической организации. Таким образом, нефтяным компаниям приходится заключать договора с различными геофизическими организациями в зависимости от того, какие работы они способны произвести.
После проведения геофизических исследований, полученные данные используются нефтяными компаниями. На основании этих данных производятся все остальные работы:
разрез данной скважины сопоставляется с разрезами соседних скважин;
изучается геологическое строение скважины;
выясняется форма и пространственное распространение выявленных продуктивных пластов;
намечаются интервалы перфорации;
подсчитываются запасы месторождения;
составляется проект разработки залежи;
осуществляется эксплуатация выявленных продуктивных пластов;
изучается техническое состояние скважины;
производится контроль месторождений нефти и газа;
составляется план проведения прострелочно-взрывных работ в скважинах.
Производителей геофизических приборов очень много. Каждый из них создает свой формат данных, в который записывается полученная от приборов информация. Геофизика, как наука, не стоит на месте. Появляются новые способы исследования скважин и регистрации в них данных. Соответственно появляются новые геофизические приборы и новые форматы для хранения геофизической информации.
Вот некоторые из форматов представления геофизических данных:
LAS.
LIS.
DLIS.
DLIS2;
Express4.
Кедр.
WinLog.
ГИС-АКЦ.
Геофит.
ЭМДСТ-МП.
МИД-К.
Некоторые производители приборов даже создают уникальные форматы данных для каждого прибора. Такие форматы обычно называют диалектами. Так, например, существует огромное количество диалектов МИД-К.
Наличие в предметной области множества стандартов представления данных усложняет создание любого программного обеспечения, предназначенного для работы с геофизическими данными. Форматы представления данных настолько различаются, что невозможно создать единый подход к их чтению.
Рисунок 1.1. Объем регистрируемых данных на 1 км записи
При регистрации обычных каротажных кривых объем данных составляет до 1Мб на 1 км записи при шаге по глубине 10 см. Совсем иначе обстоят дела с «многомерными» данными, например, волнового акустического каротажа, скважинного акустического телевизора, магнито-импульсной дефектоскопии. Объем регистрируемых данных может варьироваться от нескольких десятков до сотен мегабайт на 1 км записи (см. рис. 1.1.), а для больших интервалов записи регистрация комплексом геофизических методов может достигать нескольких гигабайт. Причем с увеличением разрешающей способности методов, переходом на сканирующие приборы объемы исходной геофизической информации будут неизменно увеличиваться.
Результаты геофизических исследований скважин могут достигать нескольких гигабайт. Эти данные необходимо как можно скорее передать в центр обработки информации, где аналитики смогут их интерпретировать и выдать заключение о состоянии скважины заказчикам.
На сегодняшний передача нескольких гигабайт данных для большинства людей является простой повседневной операцией. Однако месторождения нефти находятся далеко от населенных пунктов, что создает дополнительные сложности для передачи геофизической информации. Рассмотрим более детально способы передачи данных применимые в данной предметной области.
Анализ способов передачи данных
Исходя из описания предметной области, можно выделить основные потоки информации, которые в ней имеются. В первую очередь следует заметить, что исходные данные получаются непосредственно на нефтяной скважине. Этим занимаются полевые партии. В их задачи входит работа с дорогостоящим геофизическим оборудованием, которое они спускают в скважину для регистрации некоторых ее характеристик. Существует множество различных приборов, которые могут быть для этого использованы [2].
После получения исходных данных их необходимо проанализировать. Для этого данные должны быть доставлены в центр обработки информации. Обычно геофизические организации имеют один такой центр. При этом скважины, на которых они работают, могут находиться в любом месте, как на территории России, так и за ее пределами. Получается, что информация с множества скважин стекается в одно место. Как уже было замечено ранее на это уходит достаточно много времени. Полевым партиям требуется иногда несколько недель для того, чтобы вернуться с данными.
После того, как данные поступят к интерпретаторам, они смогут их проанализировать с помощью специального программного обеспечения и выдать заключение. Далее эта информация отправляется заказчику геофизических работ. То, что делают нефтяные компании с этой информацией, в данной работе рассматриваться не будет, так как это не относится к бизнес-процессам геофизических организаций.
Путей для решения проблемы быстрой передачи промыслово-геофизической информации по каналам связи со скважины не так уж много. Далее мы проанализируем основные из них, и выявим, как плюсы, так и минусы каждого подхода. Это поможет нам не только сравнить их, но выбрать самый оптимальный подход к разрешению возникшей проблемы.
Воспользоваться интернетом в ближайшем городе.
Во-первых, самый разумный и сразу приходящий на ум вариант – это отправиться в ближайший населенный пункт, где имеется возможность быстрой передачи данных.
Скорее всего, есть месторождения, на которых так и делают. Более того, это может быть действительно наилучшим способом для выхода из сложившейся ситуации, но только в тех случаях, когда расстояние до ближайшего города с быстрым, возможно даже широкополосным, интернетом не слишком велико. Если это расстояние можно преодолеть на машине за пару часов, то проблема решена. Но, к сожалению, в большинстве случаев это не так. Как показывает практика, месторождения нефти и газа, располагаются очень далеко от крупных городов. Более того до ближайшей деревни, в которой еще не скоро появиться интернет придется очень долго добираться.
Некоторые партии, которые отправляют работать на скважину, добираются до пункта назначения не одну неделю. Исходя из всего выше сказанного, можно сделать вывод, что такой подход, хоть и имеет право на существование, но крайне редко может быть применим. Лишь незначительное количество месторождений находятся вблизи крупного населенного пункта, где можно воспользоваться современными быстрыми средствами связи для передачи данных. Так как для большинства месторождений данный подход не позволяет достаточно быстро передать необходимую информацию, то далее его больше рассматривать не будем.
Провести интернет на скважину.
Второй подход, который мы рассмотрим это проведение широкополосного интернета прямо на скважину. Если на месторождении будет проведен современный интернет, причем его скорость не будет уступать той, которая сейчас имеется практически у каждого жителя крупного города, то, тогда передача каротажных данных в центры интерпретации, станет такой же простой задачей, как отправка электронного письма другу.
Конечно, проведение интернета не дешевое удовольствие. Особенно, когда речь идет об отдаленных от цивилизации местах. Многие сочтут, что нефтяной бизнес достаточно прибыльное дело, чтобы организовать высокоскоростной доступ в мировую сеть на каждом месторождении.
Однако, для того, чтобы провести интернет, необходимы колоссальные средства. Речь идет о затратах в десятки миллионов, а иногда и миллиардах рублей только для того, чтобы провести интернет в одно место. Естественно никто не собирается тратить такие суммы на интернет в каждом отдельно взятом месторождении.
Обычно, геофизические работы выносятся нефтяными компаниями на аутсорсинг, то есть нефтяники нанимают геофизические службы для выполнения необходимых работ на скважине. После чего требуют, чтобы им предоставили заключение о проделанной работе в максимально короткий срок. Получается данная проблема ложиться не на нефтяные компании, а на плечи геофизиков, которые должны сами найти решение из сложившейся ситуации. Так или иначе, ни те, ни другие не заинтересованы в столь высоких издержках. Следовательно, никто не будет решать данную проблему таким образом.
Воспользоваться GPRS передачей данных.
Если нет достаточно быстрых средств связи, то можно попробовать использовать более медленные каналы передачи данных. Наиболее распространенным из таких на сегодняшний день является пакетная передача данных через сети сотовых операторов [1].
К таким способам связи можно отнести GPRS и EDGE, которые называют вторым поколением беспроводных телефонных технологий, то есть 2G. Максимальная скорость при передаче через GPRS должна составлять около 115 кбит/с, но в реальности она составляет около 48 Кбит/сек.
«EDGE основаны на новой модуляционной схеме, допускающей гораздо более высокие скорости передачи данных через воздушный интерфейс» [5]. Для EDGE цифры, характеризующие скорость передачи данных, не намного, превосходят GPRS.
Учитывая, что требуется передать информацию объемом от 1 ГБ, то несложно подсчитать, что понадобиться около 13 часов для передачи по EDGE. А для GPRS необходимое время для передачи вообще становиться фантастическим, достигая 50 часов для всего лишь одного гигабайта данных.
Хотя и считается, что сети сотовых операторов, без которых невозможна передача информации по GPRS, обладают большой зоной покрытия, и встречаются повсеместно вдоль основных магистральных дорог и, практически, в каждом населенном пункте [7]. На самом деле их покрытие не так уж и велико.
Если посмотреть на карту зоны покрытия 2G оператора Билайн на 21 апреля 2014 (см. рис. 1.2.) [11], то можно заметить, что оно в основном присутствует в европейской части России, и практически не возможно встретить в Сибири и на Дальнем Востоке, которые в свою очередь, известны своими запасами нефти на весь мир.
Рисунок .2. Зона покрытия 2G оператора Билайн
Покрытие других операторов не сильно отличается от представленного на данной карте. То есть с уверенностью можно заявить, что данный способ также не всегда сможет помочь в передаче данных со скважины. Однако во многих случаях он будет крайне полезен, так как в европейской части России тоже немало месторождений нефти, на которых проводятся геофизические работы.
Воспользоваться 3G интернетом.
Хотя данный стандарт передачи данных и обладает хорошими характеристиками в плане скорости, но зона его покрытия еще меньше, чем у сетей второго поколения (см. рис. 1.3) [11].
Рисунок 1.3. Зона покрытия 3G оператора Билайн
Воспользоваться спутниковым интернетом.
С точки зрения покрытия и доступности наиболее подходящим способом передачи информации является спутниковый интернет. На сегодняшний день в зону его покрытия попадает практически вся Россия. Таким образом получается, что где бы не находилась скважина, оттуда можно будет передать промыслово-геофизическую информацию через спутник.
На сегодняшний день существует несколько компаний, предлагающих спутниковую передачу данных, но лишь INMARSAT специализируется на передаче геофизической информации.
Широкополосная сеть Инмарсат (Inmarsat) BGAN - это новая мобильная спутниковая система, обеспечивающая высокоскоростную передачу данных (на скоростях до 492 кбит/с), высококачественную телефонную связь, а также прием/передачу факсимильных сообщений. Она работает в самой удаленной точке Земли, где нет ни стандартных телефонных сетей общего пользования, ни сотовой связи, тем самым стирая понятие "границы наземной связи" и делая коммуникации (доступ в интернет, телефонию, VPN-сети и др.) действительно глобальными (см. рис. 1.4.).
Рисунок 1.4. Зона покрытия спутникового интернета Inmarsat
Стойкие к внешним воздействиям, компактные (размером с половину ноутбука см. рис. 1.5.) спутниковые терминалы BGAN обеспечивают высококачественную и надежную связь из любой точки зоны действия системы. Их можно легко и быстро подключить к персональному компьютеру. Работа с ними не требует специальных знаний [10]. Вес оборудования всего 1,4 кг. Размеры: 21,8х21,7х5,2 см.
Рисунок 1.5. Спутниковый терминал BGAN
Главным минусом передачи данных через спутник является ее стоимость. Передача 1 МБ стоит 7$. Несложно подсчитать, что передача 1 ГБ без сжатия обойдется в 7000$. Естественно подобные издержки неприемлемы для геофизических компаний.
Характеристики всех основных каналов связи, а также проверка их на эффективность представлены в виде таблицы (см. таблицу 1.1.)
Таблица 1.. Анализ способов передачи данных
|
GPRS
|
EDGL
|
3G
|
Inmarsat
|
Зона покрытия
|
++
|
++
|
+
|
+++
|
Максимальная скорость
|
171 кбит/c
|
384 кбит/c
|
3,6 МБ/с
|
492 кбит/c
|
Средняя скорость
|
40 кбит/с
|
130 кбит/с
|
3 Мбит/с
|
250 кбит/c
|
Время на передачу 1 ГБ
|
50 ч
|
17 ч
|
менее 1 ч
|
10 ч
|
Стоимость 1 ГБ
|
до 300 $
|
до 300 $
|
1000$
|
7 000$
|
- не соответствует критериям эффективности
- соответствует критериям эффективности
+ очень маленькое покрытие
++ присутствует практически во всех крупных населенных пунктах и вдоль основных магистральных дорог
+++ покрывает всю территорию России
Из таблицы видно, что ни один способ передачи не удовлетворяет полностью заданным критериям эффективности.
Результаты анализа предметной области
Исходя из проведенного анализа предметной области, можно сделать вывод, что имеется проблема быстрой передачи данных ГИС (геофизического исследования скважины). Передача должна быть не просто быстрой, но и не дорогой.
Критерии эффективной передачи данных:
Время. Передача данных должна длиться не более 2-х часов;
Цена. Стоимость передачи данных не должна превышать 500$;
Объем данных. На сегодняшний день составляет не более 1 ГБ.
Однако на сегодняшний день нет предложений со стороны операторов связи, которые бы удовлетворяли этим требованиям. С другой стороны, если бы было возможно сжать данные в десятки раз, то их передача по имеющимся каналам связи стала бы приемлемой с точки зрения заданных критериев эффективности.
Таким образом, мы приходим к необходимости создания специального программного обеспечения для сжатия каротажных данных.
Проектирование и разработка ПО
Постановка задачи на проектирование ПО
|
