В соответствии с планами ПАО «Газпром» в ближайшее десятилетие начнется комплексное освоение углеводородных месторождений, расположенных в акватории Обской и Тазовской губ, а также на материковой части. Учитывая тяжелые климатические условия региона и большое количество объектов, разработка системы транспортно-логистического обеспечения добычи газа невозможна без использования современных методов и средств имитационного и финансово-экономического моделирования.
Введение
Освоение газовых месторождений Обской и Тазовской губ и прилегающих прибрежных территорий является амбициозной и сложной с технической точки зрения задачей. В данном регионе ряд месторождений (Каменномысское-море, Северо-Каменномысское, Семаковское, Тота-Яхинское, Антипаютинское, Чугорьяхинское, Обское, Парусовое, Северо-Парусовое) будут разрабатываться взаимосвязанным технологическим комплексом с транзитом газа через существующую Ямбургскую газотранспортную систему. Специфика освоения месторождений в сложных природных условиях региона требует серьезных вложений и потому – внимательного подхода к принимаемых техническим и организационным решениям. Тем более что вследствие уникальности проекта многие из этих решений принимаются впервые.
Добыча газа будет производиться с помощью нескольких кустов скважин: основных, устья которых располагаются на ледостойких стационарных платформах (ЛСП), и сателлитных – с устьями, находящимися на автономно работающих ледостойких блоккондукторах (ЛБК). На морских участках предполагается достаточно интенсивное бурение, в том числе круглогодичное. Поэтому отдельное внимание должно быть уделено вопросам организации круглогодичной устойчивой и экономически эффективной системы снабжения ЛСП и ЛБК как в период бурения, так и в ходе эксплуатации скважин.
Система обеспечения ЛСП и ЛБК имеет достаточно сложную структуру. В ее состав входят базы обеспечения (береговые или плавучие), средства снабжения (способные работать на чистой воде и в ледовых условиях), а также базы обслуживания и бункеровки технических средств. Помимо этого, система также имеет ряд особенностей.
Ограниченные глубины в акватории Обской и Тазовской губ приводят к тому, что для отдельных ЛБК и ЛСП, расположенных на глубинах менее 6–7 метров, в летний период возможно использование водоизмещающих судов с осадками не более 4 м.
Cложная ледовая обстановка, характеризуемая толщинами льда до 1,5–2,0 м, не позволяет круглогодично использовать водоизмещающие суда с малой осадкой, поскольку их ледопроходимость не превышает 1,0 м. Поэтому для работы в ледовый период в системе должны быть предусмотрены альтернативные транспортные средства, в том числе никогда ранее не использовавшиеся для систематического снабжения в подобных условиях суда на воздушной подушке (СВП) и гусеничные двухзвенные вездеходы.
Для проекта характерна сложная структура грузопотоков, которая на протяжении всего срока работы системы значительно изменяется как по составу, так и по количеству грузов, а в ряде случаев также и по способу доставки. Система обеспечения должна обеспечивать как завоз грузов на буровые установки, так и вывоз отработанных материалов и отходов.
Ограниченность объемов и площадей хранилищ грузов снабжения на ЛСП и ЛБК не позволяет формировать буферные запасы грузов. Поэтому система снабжения должна обеспечивать своевременную доставку грузов, а логистические процессы должны быть организованы по принципу «точно вовремя», что влечет за собой необходимость оптимизационного планирования работы транспортных средств.
Исследование такой системы выполнялось с использованием комплексной динамической имитационной модели (ИМ), учитывающей особенности транспортных, технологических и природных процессов. В состав ИМ был интегрирован инструмент оперативного планирования работы транспортных средств (ТС), позволяющий адекватно описывать логику их диспетчеризации. Для оценки технико-эксплуатационных показателей различных вариантов системы применялись методы финансово-экономического анализа.
При исследовании системы с использованием ИМ-технологии применялся сценарный подход, в рамках которого были сформированы 6 основных сценариев расположения и конфигурации баз обеспечения:
• два береговых сценария, в которых варьировалось размещение основной береговой базы обеспечения (ББО) и причалов (одна ББО располагается в пос. Ямбург или в районе мыса Парусный, а вторая – в районе Тота-Яхинского месторождения). В качестве примера на рис. 1 показана схема снабжения месторождений с ББО на мысе Парусный;
• два морских сценария в вариантах с двумя (ледовый класс Arc7) или четырьмя (класс Arc7 и Arc4) плавучими базами обеспечения (ПБО) при условии снабжения второй очереди Семаковского месторождения;
• два морских сценария в вариантах с двумя или четырьмя ПБО без учета снабжения Семаковского месторождения.
В рамках сценарного подхода были рассмотрены следующие варианты ТС. Водоизмещающие суда представлены снабженцами типа «Мангыстау», «Арктикаборг», «Буми», а также перспективным судном снабжения проекта 22430. Суда имеют разную ледопроходимость и вместимость, что позволяет проанализировать влияние этих факторов на параметры системы снабжения. Характеристики СВП были определены в ходе предпроектных проработок на основе специально созданной параметрической модели. Рассматривались СВП грузоподъемностью 60, 30 и 10 т. В качестве СВП грузоподъемностью 10 т рассматривалось судно типа «Хаска-10», а в роли вездеходов рассмотрены гусеничные двухзвенные машины типа «Витязь», способные брать до 30 т груза. Полагалось, что вездеходы оборудованы универсальным прицепом, способным перевозить все тарные грузы (контейнеры, связки труб и другие). Основные характеристики всех указанных ТС представлены в табл. 1.
Для сокращения количества вариантов конфигурирования транспортных средств были рассмотрены два принципиальных варианта: «суда + СВП» и «суда + вездеходы + СВП». Вариант «суда + вездеходы» не рассматривался из-за высокого риска нарушения поставок в период межсезонья, когда суда обеспечения уже не могут работать, а выход вездеходов на лед еще не разрешен.
Варианты тяжести ледовых условий были приняты на основе исторических данных в соответствии с традиционной разбивкой на легкие, средние и тяжелые условия. Пиковое значение толщины припайного льда, приходящееся на май–июнь, в тяжелых ледовых условиях составляет порядка 1,85 м, в средних – 1,65 м, а в легких – 1,40 м.
Основные особенности реализации имитационной модели
Базовая логика построения имитационной модели соответствует принципам междисциплинарного подхода [1], при котором транспортные средства представляются как отдельные динамические элементы (агенты), функционирующие в геоинформационной среде под управлением блоков планирования. Транспортные средства перемещаются по предопределенному графу, в узлах которого располагаются буровые установки, базы обеспечения или береговые объекты.
Имитационная модель объединяет несколько параллельных и взаимодействующих между собой вычислительных процессов, основными среди которых являются: а) генерация параметров погодных условий в регионе и определение возможности работы ТС, б) выполнение операций грузообработки ТС, в) моделирование движения ТС в изменяющихся природных условиях, г) моделирование динамики наполнения/опустошения хранилищ на ЛСП и ЛБК в соответствии с заданными грузопотоками, д) формирование плана перевозок. Контур информационного обеспечения имитационной модели, который объединяет подмодели указанных процессов и различные базы данных, представлен на рис. 2. Головное окно имитационного эксперимента с обозначением основных элементов интерфейса показано на рис. 3.
Стохастический генератор погодных условий рассматриваемого региона (рис. 3) создан на основе подходов, изложенных в [2], и позволяет учитывать как авто-, так и кросскорреляционные свойства природных параметров, что обеспечивает реалистичность получаемой динамики природных показателей. Идентификация параметров генератора была выполнена на основе временных рядов изменения интересующих величин, собранных в базе данных погодных и ледовых условий. В стохастическом генераторе моделируются: температура воздуха; вектор скорости ветра; дальность горизонтальной видимости; толщина припайного льда; высота снежного покрова; даты наступления ледостава и ледохода; расположение торосистых образований. Пространственная изменчивость этих параметров моделируется путем линейной интерполяции между точками, расположенными в разных концах региона интереса, причем учитывается корреляция значений в различных точках. На основе генерируемых природных параметров определяются временные периоды допустимости («окна погоды») осуществления погрузочно-разгрузочных операций в узловых точках логистической сети. Кроме того, текущие природные параметры определяют принципиальную возможность движения ТС разного типа и их скорости хода.
Текущие скорости движения ТС различных типов и их расходы топлива определяются на каждом шаге работы ИМ (по умолчанию 1 час) с помощью специальных расчетных моделей. Алгоритмы расчета параметров движения были реализованы отдельно для водоизмещающих судов, СВП и вездеходов. При определении принципиальной возможности движения ТС в заданных условиях были приняты следующие допущения. Полагалось, что водоизмещающие суда могут работать в безледовый период, частично захватывая межсезонье, пока толщина ровного льда не превышает 80 % от их номинальной ледопроходимости, что обеспечивает скорость хода не менее 4 узлов. СВП различной грузоподъемности способны работать круглогодично в соответствии с эксплуатационными ограничениями, т.е. за исключением случаев сильного ветра и предельно низкой видимости. Возможность работы вездеходов при различной толщине льда и температуре воздуха определяется в соответствии с существующей нормативной базой.
Для каждого типа ТС было создано специальное информационное описание, которое используется как при моделировании движения, так и в ходе планирования рейсов. В состав информационной модели ТС входят: основные проектные характеристики; грузовые пространства; состояния загрузки (для судов); группы винтов (для судов и СВП). Грузовые пространства водоизмещающих судов (танки, балки и грузовые палубы) позволяют перевозить наливные, порошковые и палубные грузы, а СВП и вездеходы имеют только грузовую палубу (табл. 1). Каждое грузовое пространство ТС описывается по отдельности.
Еще одним составляющим элементом имитационной модели является описание грузопотоков, а модельная реализация процесса наполнения и опорожнения хранилищ выполнена в отдельном модуле. Расчетные значения грузопотоков снабжения ЛСП и ЛБК были получены для всего периода работы системы на основе утвержденного графика бурения и проектной документации по скважинам. На рис. 5 показан принципиальный график выполнения буровых работ и суммарная длина пробуриваемых скважин. Как видно, процесс бурения характеризуется значительной неравномерностью во времени, что накладывает существенный отпечаток на систему снабжения.
Типы грузов снабжения и их количество по каждой скважине были определены на основе проектных документов. Всего было выделено 12 типов грузов, из которых 7 имеют направление «на платформы», а оставшиеся 5 – «с платформ». На буровые установки завозятся: конструкционные трубы (включают обсадные и насосно-компрессорные трубы, дополнительные долота и элементы нижней части бурильной колонны); бурильные трубы; химические реагенты (включая порошковые грузы и различные реагенты для строительства скважин и других операций); пустые шламовые контейнеры; дизельное топливо; продукты питания; пустые контейнеры для твердых бытовых отходов (ТБО). В обратном направлении вывозятся: пустая тара (тара из-под химреагентов и продуктов питания); сточные воды; буровой шлам (заполненные шламовые контейнеры); контейнеры ТБО; отработавшие бурильные трубы.
Принималось, что дизельное топливо завозится на каждую ЛСП только в период бурения на ней первых двух скважин, а на ЛБК – при выполнении всех буровых работ. ЛСП необходимо также снабжать, когда бурение уже окончено (количество грузов, однако, при этом существенно снижается), а грузопотоки ЛБК после завершения бурения принимаются равными нулю. Отметим также, что количество обратной тары существенно зависит от способа доставки дизельного топлива на платформу и при использовании вездеходов и СВП может значительно возрастать.
Для удобства последующего анализа и представления результатов все моделируемые грузы отображались по четырем группам: 1) палубные грузы на платформу (трубы конструкционные и бурильные, химреагенты, шламовые контейнеры, продукты, контейнеры ТБО); 2) палубные грузы с платформы (пустые контейнеры, сточные воды в таре, буровой шлам, ТБО, бурильные трубы); 3) дизельное топливо на платформы; 4) сточные воды с платформ. По умолчанию дизельное топливо и сточные воды являются жидкими грузами, однако при перевозке на СВП и вездеходах они относятся к палубным. Полученные таким образом статические данные о суточных объемах потребления и производства различных грузов на каждой буровой установке были записаны в базу данных интенсивностей грузопотоков. В качестве характерного примера на рис. 5 приведены расчетные укрупненные интенсивности грузопотоков снабжения для ЛСП А и ЛБК С на месторождении Каменномысское-море.
Основным процессом ИМ является исполнение оперативного плана транспортными средствами. Задача оперативного планирования состоит в получении расписания рейсов всех ТС снабжения на период моделируемого цикла работы (например, сутки). План должен содержать загрузку ТС в каждом рейсе и рационально удовлетворять ограничениям, в роли которых выступают требования обеспечения интегральных объемов перевозок и доставки грузов к срокам, обусловленным технологическими процессами на платформе [3]. Сформированный оперативный план рейсов выступает в качестве входных данных для ИМ. При планировании загрузки ТС снабжения учитывается как прямой поток грузов на ЛСП и ЛБК, так и обратный, включая, в том числе, и грузопоток порожней тары.
Составление расписаний работы ТС производилось путем обращения к внешнему движку комбинаторной оптимизации – библиотеке OptaPlanner, который содержит большой набор встроенных инструментов как для формирования корректного исходного приближения («первый подходящий» и «сильнейший подходящий»), так и алгоритмы локального поиска («поиск с запретами», «имитация отжига», «поиск восхождением к вершине» и др.). В ходе процедуры направленного поиска лучшего решения модуль оптимизации перебирает возможные комбинации узлов транспортной сети, транспортных средств и перевозимых грузов. Результатом работы модуля планирования является формальное описание заданий на перевозку грузов транспортными средствами. Полученный план директивно исполняется в ИМ до момента следующего вызова процедуры перепланирования, после чего все незавершившиеся и вновь поступившие заявки на рейсы осуществляются в соответствии с актуализированным планом. Фрагмент текущего оперативного (суточного) плана перевозок показан на рис. 6.
Выполнение численных экспериментов
В рамках исследования рассматриваемой системы должно производиться варьирование вариантов расположения баз снабжения, типов судов и СВП, а также тяжести ледовых условий. Очевидно, что полный перебор в данном случае практически неосуществим, поэтому был создан специальный план численных экспериментов. Он состоял из нескольких этапов. В начале на основе базовой конфигурации ТС (суда пр. 22430, СВП 10 т и вездеходы «Витязь») сопоставлялись все шесть сценариев работы системы. Далее каждый из сценариев был рассмотрен при использовании других вариантов судов снабжения, при этом тип СВП и вездеходов не изменялся. На следующем этапе для наиболее рациональных конфигураций системы были проанализированы случаи, когда в составе флота имеются только водоизмещающие суда и СВП различных типов. На последней стадии расчетов выбранные предпочтительные конфигурации системы анализировались при различном типе тяжести ледовых условий. В общей сложности было проанализировано 44 конфигурации системы снабжения на горизонте до 2049 года.
В ходе каждого имитационного эксперимента производилась запись основных параметров рейсов всех ТС. Полный лог рейсов, получаемый после каждого прогона имитационной модели на горизонте до сентября 2049 года, содержит порядка 50–90 тысяч записей. Дальнейшее агрегирование данных позволяет получать практически любые обобщенные показатели и сводные результаты по заданным временным интервалам. В частности, на месячной основе для ТС каждого типа определялось: число активных ТС; суммарные длительности переходов, грузовых операций и ожиданий; общая дистанция и число переходов; расходы топлива; количество перевезенных грузов каждого типа. Эти данные, сформированные для каждой конфигурации системы, далее передавались в блок экономических расчетов.
Модель для расчета экономических показателей
Для выбора наилучшей схемы транспортно-логистического обеспечения была разработана аналитическая модель, позволяющая оценить сводные экономические показатели работы транспортной системы для каждого из принятых сценариев. Модель была реализована в виде отдельного программного модуля. Финансово-экономический анализ каждого сценария включает в себя расчет капитальных и эксплуатационных расходов по всем основным объектам системы [4, 5] (табл. 2).
