Nghiên cứu và đánh giá đối tượng nghiên cứu trong môi trường thiếu thông tin: Áp dụng cho quá trình công nghệ khoan

Tạp chí KHKT Mỏ - Địa chất, số 53, 01/2016, tr.9-16 NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU TRONG MÔI TRƯỜNG THIẾU THÔNG TIN: ÁP DỤNG CHO QUÁ TRÌNH CƠNG NGHỆ KHOAN TRẦN XN ĐÀO, Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro NGUYỄN THẾ VINH, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Với đặc thù ngành cơng nghiệp dầu khí, việc nghiên cứu đánh giá đối tượng tìm kiếm, thăm dị, khai thác dầu khí thực thơng qua trang thiết bị công nghệ đại với phương pháp nghiên cứu phù hợp Song khẳng định thông tin, số liệu thu nhận phản ánh đầy đủ xác 100% đối tượng nghiên cứu đối tượng nằm lòng đất với độ sâu 3000m, môi trường địa chất, đất đá, nhiệt độ, áp suất, chất lưu, tính chất lý, hóa… phức tạp Điều dẫn đến đánh giá sai lệch không chất đối tượng Bằng việc ứng dụng lý thuyết tin lượng áp dụng cụ thể cho quy trình cơng nghệ khoan, báo trình bày phương pháp nghiên cứu đánh giá đối tượng nghiên cứu điều kiện nêu Quá trình áp dụng cho thấy phương pháp nghiên cứu trình bày báo cho phép tối ưu lượng số liệu cần thu thập xử lý mà đảm bảo tính khách quan phản ánh xác chất đối tượng nghiên cứu Năm 1865, thuật ngữ “Entropi” áp Mở đầu Trong nghiên cứu khoa học, quy hoạch hóa dụng vào q trình nhiệt động học R thực nghiệm ln giữ vai trị quan trọng Đặc Clauzius “Entropi” đặc thù cho độ đo mức độ biệt, ngành cơng nghiệp dầu khí, hỗn loạn hệ thống nghiên cứu Sự hỗn thực nghiệm ngồi trường ln gặp khó loạn hệ thống nghiên cứu tăng khăn, phức tạp Việc tính tốn, xác định khối hiểu biết trạng thái hệ thống giảm lượng, số lượng thực nghiệm phải vừa đủ Kết khái niệm “Entropi” giữ vai trò đảm bảo thực nghiên cứu phân tích sở vật lý thống kê [3, 5] mà đưa kết đáng tin cậy L Bolsman khám phá chất khái Đồng thời, hạn chế tối đa chi phí khơng cần niệm “Entropi” nhiệt động học giá trị thiết thu thập số liệu thực thực đo mức độ bất định trạng thái khí [1, 2, 4] nghiệm Vậy vấn đề đặt là: cần thực Lý thuyết tin lượng rằng, thực nghiệm, cần thu thập trường hợp này, “Entropi” biến x bằng: số liệu ban đầu đủ; tin lượng nào, H ( x)  log N , (1) đánh giá tính bão hịa tin lượng chúng hay N số lượng biến cố (trạng thái) có khơng từ đánh giá mức độ phức tạp thể có x q trình cần nghiên cứu hay khơng? Cơng thức (1) cơng thức R Để làm sáng tỏ vấn đề trên, trước tiên Hartley Nếu cho giá trị x = a, giá trị entropi phải xem xét số kiến thức lý thuyết tin lượng, xác định đưa thơng tin: sau thực số tính tốn cần thiết J  log N (2) Tính bão hòa tin lượng giá trị biểu thị tin Định nghĩa Shannon entropi liên quan tới lượng thông số đối tượng nghiên cứu đối tượng ngẫu nhiên ξ = (x, ∑, p) bao gồm 2.1 Tính bão hồ tin lượng đối tượng số hữu hạn biến cố Entropi đối nghiên cứu C Shannon đề xuất sở lý thuyết tượng ngẫu nhiên theo Shannon giá trị: tin lượng sử dụng thuật ngữ “Entropi” để đặc H ( x)   Pi log , (3) Pi trưng cho nguồn gốc thông tin [5] Pi- xác suất hệ thống rơi vào trạng thái i, có nghĩa số lượng thơng tin cần thiết để xác định vị trí hệ thống trạng thái i* Entropi đặc trưng quan trọng chuyển động hỗn loạn không gian pha có thứ nguyên Trong trường hợp, số lượng biến cố N tất chúng có xác suất nhau, có H ( x)  log N tức công thức R Hartley Giá trị log N lý thuyết thông tin gọi Entropi “quá trình khơng ngẫu nhiên”, bao gồm N biến cố V M Chikhơmirov cơng trình nghiên cứu “ε- Entropi ε- Sức chứa” trước Shannon có nhiều cố gắng đưa giá trị có nội hàm tương tự Ví dụ R Hartley lý thuyết thơng tin…, Shannon người liên kết khái niệm đưa kết toán học đáng ý, mà chúng đặt móng cho hướng nghiên cứu mới, thuyết tin lượng [6] Trong lĩnh vực điều khiển học kỹ thuật, hệ thống phức tạp so sánh theo giá trị tiêu chuẩn, tiêu chuẩn Sennon đề xuất Rz: H ( x) Rz   , (4) H max ( x) đây: H(x) Entropi hệ thống; Hmax(x) Entropi cực đại, tất trạng thái hệ thống có xác suất Độ phức tạp Rz thay đổi khoảng từ đến Giá trị tương ứng với đối tượng nghiên cứu có độ bão hịa tin lượng hồn tồn xác định, giá trị tương ứng với độ bão hòa tin lượng hồn tồn khơng xác định 2.2 Giá trị biểu thị tin lượng thông số đối tượng nghiên cứu Trong quy trình vận hành đó, tồn tương quan nhân Như tác nhân đóng góp vai trị mức độ khác lên hệ quy trình nghiên cứu Vậy yếu tố hay nhân tố có mức độ ảnh hưởng lớn đến quy trình đó? Để đánh giá xác ảnh hưởng khác 10 tác nhân (yếu tố) hệ thống nghiên cứu, cần thiết phải xem xét thêm tính chất lý thuyết tin lượng Vậy để đánh giá mức độ quan trọng hay mức độ ảnh hưởng yếu tố công nghệ lên hệ thống nghiên cứu cần phải xác định giá trị tin lượng chúng Có thể hiểu giá trị tin lượng giá trị xác định mức độ quan trọng hay mức độ ảnh hưởng yếu tố công nghệ hay yếu tố công nghệ lên đối tượng nghiên cứu Cụ thể, giá trị tin lượng yếu tố cơng nghệ 0, tức yếu tố không phản ánh hay nói lên điều ảnh hưởng lên quy trình xem xét Nếu yếu tố cơng nghệ có giá trị tin lượng khác 0, tức thân yếu tố công nghệ có ảnh hưởng hay vai trị quan trọng định quy trình xem xét Như vậy, thông qua giá trị tin lượng cho phép đánh giá xác mức độ ảnh hưởng hay vai trị quan trọng yếu tố cơng nghệ khác lên quy trình hay đối tượng nghiên cứu [8] Áp dụng cho quy trình cơng nghệ khoan mỏ Bạch Hổ 3.1 Xác định tính bão hoà tin lượng tốc độ học thông số chế độ khoan Khi đề cập đến quy trình cơng nghệ khoan, đối tượng cần nghiên cứu với thông số chế độ công nghệ khoan thay đổi theo thời gian Chỉ số kết quy trình tốc độ học Vch, tốc độ hiệp Vh… thông số chế độ công nghệ khoan gồm G- tải trọng choòng, nvòng quay cần khoan, Q- lưu lượng bơm dung dịch… có giá trị xác định khoảng thời gian hay chiều sâu [8] Như vậy, đề cập đến lĩnh vực công nghệ khoan giếng khai thác dầu khí, việc phân tích mức độ bão hịa tin lượng để làm sở việc tính tốn thiết kế q trình cơng nghệ khoan thơng qua số liệu thực tế thu nhận tốc độ học (Vch) giếng khoan vùng mỏ Bạch Hổ Cụ thể trường hợp này, tính tốn mức độ bão hòa tin lượng theo số liệu thực tế khoan giếng số 426 giàn BK-5 mỏ Bạch Hổ, việc tính tốn thực theo khoảng chiều sâu tương ứng với địa tầng Mioxen (110 - 3190 m), Oligoxen (3190 - 3590 m) tầng móng (3590 - 4480m) Để thực tính tốn trình bày, cách sử dụng số liệu tốc độ khoan theo 10m, sau tăng thêm vào liệu thông tin ban đầu cách phân chia theo 5m đến 2m Những tính toán tương tự thực theo số liệu tải choòng, lưu lượng bơm dung dịch tốc độ quay cần khoan Trong bảng kết tính tốn giá trị tham số H(x) Rz cho tốc độ học khoan theo công thức (3), (4) hình 1, kết tính tốn thể dạng đồ thị Từ hình vẽ 1, thấy cách rõ ràng: số lượng liệu tăng gần đến 100 gia giá trị tin lượng gần đạt mức bão hòa Do vậy, trường hợp có tăng thêm số lượng liệu thực tế khơng làm tăng thêm hiểu biết đối tượng nghiên cứu thiết kế q trình cơng nghệ khoan, mà làm tăng thêm tính bất định Ngồi ra, kết tính tốn thể hình 3, cho thấy số lượng liệu thực tế tăng khoảng cách Hmax giá trị entropi tốc độ học khoan H(x) tách biệt Điều cho phép khẳng định chắn đối tượng nghiên cứu phức tạp khơng đầy đủ thơng tin, tính bất định đối tượng lớn [8] 0.8 Độ bảo hòa tin lượng (Rz) 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 50 100 150 Số lượng liệu 200 250 Hình Tương quan độ bão hòa tin lượng Rz với số lượng liệu khoảng khoan 3190 - 3590 m (tầng Oligoxen) 0.8 Độ bảo hòa tin lượng (Rz) 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 100 200 300 Số lượng liệu 400 500 Hình Tương quan độ bão hòa tin lượng Rz với số lượng liệu khoảng khoan 3590 - 4480 m (tầng Móng) 11 Bảng Kết tính tốn mức độ bão hịa tin lượng theo số liệu thực tế khoan giếng số 426 giàn BK-5 mỏ Bạch Hổ Khoảng khoan (m) 110 - 710 710 - 1460 1460 - 2290 2290 - 3190 3190 - 3590 3590 - 4480 Thứ tự lấy số liệu Số lượng thông tin Hmax(x) H(x) Rz Theo 10m 61 5,93 2,42 0,59 Theo 5m 121 6,92 2,51 0,64 Theo 2m 300 8,23 2,28 0,72 Theo 10m 75 6,23 2,49 0,60 Theo 5m 150 7,23 2,6 0,64 Theo 2m 375 8,55 2,89 0,66 Theo 10m 83 6,38 2,74 0,57 Theo 5m 166 7,38 2,68 0,64 Theo 2m 415 8,7 2,68 0,69 Theo 10m 90 6,49 2,54 0,61 Theo 5m 180 7,49 2,48 0,67 Theo 2m 450 8,81 2,32 0,74 Theo 10m 40 5,32 2,45 0,55 Theo 5m 80 6,32 2,45 0,61 Theo 2m 200 7,64 2,16 0,72 Theo 10m 89 6,48 2,25 0,65 Theo 5m 178 7,48 2,49 0,67 Theo 2m 445 8,8 2,21 0,75 Giá trị Entropi; Rz 0 50 Hmax.(x) 100 150 Số lượng liệu H(x) 200 Rz Hình Tương quan Entropi Vch, Rz với số lượng liệu khoảng khoan 3190 - 3590 m (tầng Oligoxen) 12 250 10 Giá trị Entropi; Rz 0 100 200 300 Số lượng liệu Hmax.(x) 400 H(x) 500 Rz Hình Tương quan Entropi Vch Rz với số lượng liệu khoảng khoan 3590 - 4480 m (tầng Móng) 14 12 Entropi 10 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Số lượng liệu Hmax.(x) Vận tốc quay choòng Tải trọng choòng Lưu lượng bơm Hình Sự biến thiên giá trị entropi thông số chế độ khoan so với Hmax số lượng liệu Với kết tính tốn trình bày bảng 1, cho thấy định vấn đề công nghệ thực điều kiện bất định, tức môi trường thiếu thông tin Điều cho thấy thực định đối tượng mà lượng thơng tin khơng đủ để phản ánh hết chất hay tượng đối tượng cần phải áp dụng phương pháp làm sở cho định xác lý thuyết tập mờ, nguyên lý tự tổ chức, học phi tuyến, lý thuyết fractal… Tương tự cách tính tốn trên, cơng thức (3) để tính tốn giá trị tham số H(x) độ bão hịa tin lượng Rz cho thơng số chế độ khoan tải trọng choòng, tốc độ quay cần khoan lưu lượng bơm dung dịch Kết tính tốn thể bảng 13 Bảng Giá trị tính tốn Entropi bão hịa tin lượng thông số chế độ công nghệ khoan Số lượng liệu n ∑n 200 200 200 400 200 600 200 800 200 1000 200 1200 200 1400 200 1600 200 1800 200 2000 200 2200 200 2400 200 2600 200 2800 200 3000 200 3200 Hmax(x) n, s-1 Q, m3/s 0,99 0,82 1,03 1,27 1,46 1,49 1,48 1,45 1,63 1,78 1,96 2,1 2,23 2,27 2,28 2,23 1,04 1,04 1,00 0,98 1,74 1,99 2,17 2,20 2,18 2,09 2,02 2,16 2,26 2,19 2,18 2,21 Entropi 7,6 8,6 9,2 9,6 10 10,2 10,5 10,6 10,8 11 11,1 11,2 11,3 11,5 11,6 11,6 Hình thể mối tương quan giá trị Hmax entropi thông số chế độ khoan với số lượng liệu Từ kết này, cho thấy đối tượng địa chất mỏ Bạch Hổ với điều kiện bất định cao, thế, đối tượng khơng đủ thơng tin cần thiết nên việc tính tốn thiết kế quy trình cơng nghệ khoan khơng thể đơn thực với đối tượng nghiên cứu có độ bão hịa tin lượng hồn tồn xác định [8] Những nghiên cứu cho phép khẳng định địa tầng mỏ Bạch Hổ đối tượng nghiên cứu phức tạp với độ bão hòa tin lượng thấp 3.2 Xác định giá trị tiên lượng thơng số chế độ khoan Trong q trình xây dựng giếng khoan, mà cụ thể q trình cơng nghệ khoan giếng dầu khí, q trình vận hành hệ thống khép kín “Giếng-Vỉa”, thông số chế độ công nghệ dung dịch khoan thông qua hệ thống thiết bị khoan để truyền tải lượng cần thiết cho choòng khoan đáy 14 G, kN 1,79 1,5 1,75 1,79 1,97 1,95 1,94 1,93 1,91 1,87 1,85 2,03 2,22 2,31 2,37 2,32 giếng với mục đích phá hủy đất đá tạo thành lỗ khoan Có thể thấy tín hiệu thu nhận bề mặt q trình phá hủy đất đá thơng qua giá trị tốc độ học choòng khoan Vậy choòng khoan làm việc đáy giếng trạng thái nào, trình phá hủy đất đá xẩy nào, môi trường địa tầng đất đá ảnh hưởng sao, mức độ tác động ảnh hưởng hệ thống trang thiết bị công nghệ lên trình nào, chế độ cơng nghệ ảnh hưởng v.v Vấn đề cần thiết phải xem xét mức độ tin lượng thông số công nghệ để xác định yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp lên tốc độ học choòng khoan mức độ quan trọng chúng lên trình xem xét Để xác định giá trị tin lượng cần lập bảng theo thứ tự sau: Phân chia tốc độ học Vmax làm nhóm cho số lượng thông số chế độ công nghệ phân bố hai nhóm tốc độ học khoan, từ xác định giá trị xác suất tần suất lặp lại thông số công nghệ [8] Bảng Bảng kết tính tốn giá trị tin lượng cụ thể cho thông số tốc độ quay cần khoan khoan phương pháp rơto tầng móng mỏ Bạch Hổ Giá trị Trung bình Tin Tần suất Số Nhóm xác suất phẳng Tỷ lệ Hệ số lượng nhóm số liệu Ya/Yb DK tính A B A, % B, % A, % B, % toán 10 11 -1 0,4 0,0 1,5 0,2 60 - 64 76 4,2 0,4 4,2 0,4 9,74 10 0,186 64 - 68 117 10 6,4 0,8 7,1 1,0 8,21 0,278 68 - 72 222 12,2 0,8 9,9 1,5 7,25 0,359 72 - 76 221 47 12,1 4,0 10,4 4,4 3,97 0,179 76 - 80 159 27 8,7 2,3 9,0 7,1 2,25 0,034 80 - 84 125 251 6,9 21,1 9,1 13,1 1,16 0,013 84 - 88 96 131 5,3 11,0 9,9 12,4 0,86 -1 0,008 88 - 92 434 188 23,8 15,8 13,2 11,6 0,87 -1 0,005 92 - 96 134 40 7,4 3,4 10,0 9,9 0,97 0 10 96 -100 82 35 4,5 2,9 7,4 10,9 0,94 0 11 >100 156 446 8,6 37,5 5,1 15,9 0,61 -2 0,117 Tổng 1822 1189 100 100 98,1 99,8 1,184 Cụ thể tính tốn giá trị tin lượng thông số tốc độ quay cần khoan khoan phương pháp Rôto lên tốc độ học choòng khoan theo bước sau: Các giá trị cột thứ 2: Số liệu chia theo nhóm liên tiếp, trường hợp tốc độ quay cần khoan n có giá trị từ đến 100 vịng/phút, số lượng nhóm xác định theo công thức sau: k   3,32log(n) Để thuận tiện q trình tính tốn, số liệu thường chia thành đến 12 nhóm Trong trường hợp số nhóm lựa chọn 11 Như vậy, biên độ dao động số liệu là: ω = Xmax – Xmin Mức độ chênh lệch nhóm là:  X  X x   max k k Trong trường hợp ví dụ, giá trị ∆x = Cột thứ 4: Xác định số lượng số liệu nhóm (tần suất) Cột thứ 6: Xác định xác suất số liệu nhóm Cột thứ 8: Xác định giá trị trung bình phẳng theo cơng thức: y  y2  y3  y4  y5 y3  10 Cột thứ 9: Đối với dòng 3, giá trị Ya = y-1 + y0 + y1, giá trị Yb tính tốn tương tự, cịn dịng tính tốn cách bình thường Cột thứ 10: Giá trị DK xác định công thức: Y DK  10 log a Yb Cột thứ 11: Giá trị tin lượng xác định theo công thức Kullback [7] sau:   xij   xij   i i   P  x j  DK x j  P   B    A             đó: DK x ij  hệ số DK nhóm thứ i   xij    - giá trị xác xuất trung khoảng j; P   A    15 bình phẳng nhóm A thứ i khoảng thứ j,  x ij   - giá trị xác xuất trung bình phẳng P  B    nhóm B thứ i khoảng thứ j Tổng giá trị cột 11 giá trị tin lượng thơng số tính tốn Tương tự cách tính trình bày trên, cho phép tính tốn xác định giá trị tin lượng thông số chế độ công nghệ khác tải trọng dọc trục lên choòng G, lưu lượng bơm dung dịch Trên sở giá trị tính tốn tin lượng cụ thể thơng số chế độ công nghệ khoan xác định thông số cơng nghệ có giá trị tin lượng lớn mức độ tác động trực tiếp mang tính định đến đối tượng nghiên cứu lớn Qua cho phép định hướng cần phải điều chỉnh thông số cơng nghệ mức độ nhằm hồn thiện tối ưu giá trị công nghệ đối tượng nghiên cứu Kết luận Thông qua khái niệm tin lượng bão hòa tin lượng, cho phép thực kế hoạch hoá thực nghiệm cách xác nhằm tối ưu lượng số liệu cần thu thập xử lý mà đảm bảo tính khách quan đưa sách nghiên cứu đánh giá đối tượng nghiên cứu Giá trị tin lượng tính tốn thơng số cơng nghệ phản ánh mức độ ảnh hưởng   chúng lên trình vận hành đối tượng nghiên cứu để làm sở cho việc lựa chọn thông số công nghệ để nghiên cứu tối ưu chúng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Jaynes E T., 1980, The minimum entropy production principle, Ann, Rev, Phys, Chem, 31, 579-601 [2] Jaynes E T., 1982, On the rationale of maximum entropy methods, Proc, IEEE 70, 939–952 [3] Clausius, R,, 1865 The mechanical theory of heat - with its applications to the steam engine and to physical properties of bodies, John van Voorst, London [4] Ellis R S., 1985, Entropy, large deviations and statistical mechanics, Springer, Berlin [5] Shannon C., 1948, A mathematical theory of communication, Bell System Tech J 27, 379423 [6] V M Tikhomirov, 1993,: ε- Entropy and εCapacity, in Selected Works of A N Kolmogorov [7] Solomon Kullback, 2012, Information Theory and Statistics, Dover publications, INC [8] Дао Ч С., Руденко А В., 1995, Информационная насыщенность технологического процесса бурения скважин, г Баку, Азербайджанское нефтяное хозяйство №5-1999г ABSTRACT Studying and Evaluating Researched objects In Lack of information enviroment: Applying for Drilling technology process Tran Xuan Dao, Vietsovpetro Nguyen The Vinh, Hanoi University of Mining and Geology With the characteristic of the oil and gas industry, the study and evaluation of exploration and production objects is performed with high technology facilities and appropriate research methods However, it cannot be confirmed that the information and data acquired were 100% accurate and fully reflected the researched subjects because researched objects usually lay deeper than 3000m underground, in the environment that has very complex properties of geological, rock, temperature, pressure, fluid, mechanical physic, mechanical chemistry This can result in reflecting inaccurately the nature of researched objects Base on communication theory and applying for drilling technology process, the article presents a study and evaluation method of researched objects in above environment Applying process shows that this study method allows optimal amount of data need to be collected and processed while maintaining objectivity and accurately reflects the nature of the researched objects 16