Настоящая область нефтегазопромысловой деятельности находится в состоянии развития, идет процесс уточнения терминологических понятий, в связи с чем необходимо более подробное их рассмотрение.
Согласно действующей нормативной документации [1], система подводной добычи (СПД) определена следующим образом: совокупность одного или нескольких ПДК, надводных и береговых сооружений, предназначенных для добычи углеводородов на морских месторождениях с использованием подводного нефтепромыслового оборудования.
Также определено понятие подводного добычного комплекса (ПДК): элемент системы подводной добычи, состоящий из подводных сооружений, оборудования, систем и устройств, установленных на поверхность морского дна или заглубленных в грунт морского дна, обеспечивающих добычу пластовой продукции с использованием скважин с подводным расположением устьев.
Как видно из определения СПД, в её состав входят береговые сооружения — это не соответствует общепринятой мировой системе и порождает ряд проблем.
Согласно первоисточнику [2], подводные системы состоят из системы скважин (включая систему заканчивания скважин и фонтанную арматуру), системы добычи (включая защитные конструкции, манифольды, темплейты, системы технического обслуживания и ремонта, подводные системы подготовки) и систему трубопроводов (в том числе подключения, шлангокабели, райзеры, нагнетательные трубопроводы и эксплуатационные трубопроводы).
Как видно, береговые сооружения в этой формулировке не входят в состав СПД. Вместе с тем отдельные их компоненты могут быть расположены вне водной среды — и, таким образом, попадают под требования действующей нормативной документации.
В целях настоящего исследования введем понятие «Архитектура системы подводной добычи углеводородов», что подразумевает пространственное расположение объектов СПД на поверхности дна, включая их заглубление, и скважин от забоя до подводного устья.
Поскольку в мировой практике реализуется подводная добыча не только углеводородов, но и других полезных ископаемых [3], в работе приняты обозначения:
СПДУ — системы подводной добычи углеводородов;
ПДКУ — подводный комплекс по добыче углеводородов.

Таким образом, в состав СПДУ в качестве основных объектов входят:

• подводное заканчивание скважин, темплейты, манифольды;
• морские подводные трубопроводы различного назначения, включая райзеры;
• шлангокабели;
• системы управления и распределения, контроля давления;
• силовые электрические кабели;
• средства подключения;
• особую группу составляет оборудование, специально разработанное и разрабатываемое для функционирования в подводных условиях (подводные компрессоры, насосные установки, подводные хранилища и др.);
• оборудование для дистанционного выполнения работ, в т.ч. телеуправляемые необитаемые подводные аппараты (ТНПА).

Подробный состав оборудования приведен в [4].


К основным факторам, влияющим на реализацию СПДУ, можно отнести:

• расположение Арктики по отношению к основным промышленным районам РФ;
• обобщенные природно-климатические условия Арктики;
• статус водных пространств;
• потенциальные запасы углеводородов;
• условия лицензионного соглашения;
• технико-технологические вызовы, в том числе способы разработки;
• инфраструктуру;
• существующую нормативную документацию;
• другое.

Более подробно факторы, влияющие на выбор и реализацию СПДУ, будут рассмотрены отдельно.

Освоение арктического месторождения с подводным обустройством, включающим объекты ПДКУ (в том числе трубопроводы и другие линейные объекты обустройства) и скважины, является крайне дорогостоящим. Поэтому построение оптимальной конфигурации системы обустройства месторождения является чрезвычайно актуальным.
В работе [5] показаны необходимость и принципиальная осуществимость использования методов оптимизации для проектирования архитектуры обустройства морских арктических месторождений углеводородов. Для этого используется 3D-модель, представляющая архитектуру обустройства месторождения, состоящая из узлов (забои скважин, сосредоточенные объекты ПДКУ) и линий (участки скважин, трубопроводов, шлангокабелей). Модель может различаться по виду в зависимости от решаемой задачи.
В данном случае решалась упрощенная задача поиска оптимального пути от одной начальной точки в пласте до одной конечной точки (выход на платформу, или плавучую установку, или берег).
Предлагаемый метод позволяет получить наиболее близкую к реальной архитектуру обустройства морского месторождения углеводородов (с учетом реально существующих или принятых исходных данных), оперативно вносить изменения в 3D-модель обустройства в процессе проектирования, получать уточненные более детализированные решения уже на ранних этапах проектирования, сократить разрывы [7] в обеспечении проектных решений.
Для дальнейшей реализации задач поиска оптимальной архитектуры подводного обустройства месторождения рассматривается цифровая 3D-модель с диагоналями типа параллелепипеда с числом узлов по осям: M — узлов по оси x; N — узлов по оси y; L — узлов по оси z, принятая как для частного, так и для общего случаев.
В общем случае (рис. 1) при рассмотрении модели поиска оптимальной конфигурации (архитектуры) обустройства месторождения от нескольких начальных до одной конечной точки в качестве начальных могут быть приняты, в частности, соответствующие забои скважин. Положение этих точек фиксировано и определяется геологами и разработчиками. Также для этого может быть использована методика, разработанная А.Н. Захаровым [6].

Обозначим их как точки Н_i с координатами х_Нi, y_Нi, z_Нi. Начальные точки совпадают с ближайшими из узлов сети.
Верхняя поверхность 3D-модели будет рассматриваться как поверхность дна, и конечная точка должна совпадать с одним из узлов.
Конечная точка К с координатами х_К, y_К, z_К может являться горизонтальной проекцией на дно моря платформы, плавучей системы добычи, хранения и отгрузки или может являться точкой выхода на берег (рис. 2).

Отрезки между смежными узлами 3D-модели определяют количественное значение для выбранного критерия оптимальности (далее условно будем называть их стоимостями С
как наиболее часто используемый критерий).
При решении задачи оптимизации архитектуры обустройства месторождения могут учитываться следующие наиболее важные критерии:

• затраты в рамках жизненного цикла проекта;
• временной показатель;
• риски, включая безопасность;

другие.

Принятый критерий при необходимости рассматривается с учетом ограничений по другим критериям.
Для каждого отрезка модели между двумя смежными узлами устанавливается числовая величина критерия (стоимость) для линейных объектов (трубопровод/шлангокабель/другое), а также сосредоточенные затраты (например, подводное заканчивание скважины, манифольд, подводное хранилище и так далее).
Принципиально важным для общего случая является необходимость оценить участки модели между узлами, величиной пропускной способности и предусмотреть дифференциацию стоимостей в зависимости от производительности, а также в соответствии с параметрами, соответствующими нормативным документам (например, диаметр трубопровода, скважины и так далее).
Стоимость пробного пути дифференцируется в зависимости от применяемой системы разработки месторождения [8].
Сформированная таким образом 3D-модель дает возможность осуществить динамический процесс поиска с помощью так называемых пробных путей.
Пробный путь формируется при переходе к смежному узлу (узлам) 3D-модели и добавлении соответствующего значения стоимости.
Процесс оптимизации реализуется в виде двух списков «Список 1» и «Список 2»
с последующим восстановлением найденного пути аналогично [5]. В списке 1 находятся перспективные на соответствующих шагах поиска пробные пути. В списке 2 находятся все надстроенные на соответствующих шагах пути с большей стоимостью, чем выбранный перспективный. Пробный путь — это любой построенный к настоящему моменту путь.
Для оптимизации ПДКУ, располагаемого в арктической области или области близкой к ней по характеристикам, затраты вычисляются с учетом факторов их определяющих (географическое положение, природно-климатические условия, инфраструктура и другое).
Таким образом, задача состоит в отыскании на предложенной 3D-модели кратчайшего стоимостного пути между начальными и конечной точками. То есть необходимо найти множество точек Wопт, принадлежащее множеству точек W 3D-модели, удовлетворяющее условию:

где j — количество узлов по пробному пути между начальными и конечной точками; i — количество узлов по оптимальному пути.
При этом Cwj+1,w = f (∑qi), если имеет место пересечение пробных путей, где qi —расход продукта в начальной точке Нi.

Стоимость оптимального пути не является аддитивным критерием и зависит от условий его прохождения. Поэтому обычные методы оптимизации применены здесь быть не могут. Стоимость может изменяться скачкообразно и более того, путь может переходить от 3D модели к 2D сети. Например, скважина на поверхности имеет резкий скачок критерия оптимальности, обусловленный подводным заканчиванием скважины. При этом также меняются характеристики пробного пути, в частности, по двухмерной сети с другими значениями критерия. Кроме того, оптимальный путь может характеризоваться и другими параметрами, например, количеством ниток трубопроводов.
Некоторые общие принципы подхода показаны ниже. Начальные и конечная точки совмещаются с узлами 3D модели. Далее производится поиск оптимального варианта архитектуры обустройства в соответствии с принятым критерием.
Фрагменты блок-схемы процесса поиска для случая «Несколько начальных и одна конечная точки» представлены на рисунках 3 и 4.

Принципиальным отличием от ранее рассмотренной задачи является возможность пересечения надстраиваемого пути, идущего от одной начальной точки с другим пробным путем, пришедшим в этот узел от другой начальной точки. Если пересечения нет — процесс продолжается, если есть, то изменяется расход продукта и соответственно происходит изменение стоимости единичной длины для надстраиваемых далее отрезков и продолжается лишь один путь.
При достижении пробным путем поверхности дна имеет место скачок стоимости, обозначим Сс. Он определяется затратами на оборудование в этой точке (донная плита, фонтанная арматура, защитное устройство и так далее).

где С_p — стоимость критерия для наиболее коротких отрезков, не принадлежащих поверхности дна; С_д — стоимость критерия для наиболее коротких отрезков, принадлежащих поверхности дна; С_e — стоимость оборудования; С_s — стоимость доставки; С_con — стоимость монтажа; Сa — другие затраты.
Расчеты выполняются по тем же принципам, что и в [5], но являются более громоздкими, в связи с чем здесь не приводятся.