Нефтяная или газовая залежь со скважинами и всеми коммуникациями представляет собой сложную динамическую систему, для проектирования, анализа и управления которой необходимы новые подходы, основанные на принципах и методах теории больших систем. Важное значение для системы имеет признак целостности, подразумевающий, однако, не просто сумму составляющих элементов. Решающим правилом здесь является то, что выделение или разделение на элементы возможно лишь потому, что существует целое, а не наоборот.

Структуризация системы определяется процессом расчленения целостного объекта на условно неделимые элементы при установлении их связей во времени и пространстве.

Согласно принципу фон Неймана описание простых систем следует производить на основе того, что они могут делать (т.е. их функций), а сложных систем – на основании того, как они устроены (т.е. реальной структуры).

В то же время детерминированный подход позволяет производить оценочные расчеты. Например, оценим максимальное значение безводной нефтеотдачи. Рассмотрим случай равенства вязкостей нефти и воды, что исключает вязкостную неустойчивость.

Найдем объем заполнения воды по формуле Пуазейля:

Фазовое изображение системы может представлять собой замкнутую кривую, что соответствует периодическому режиму работы пласта с собственной частотой. На такой кривой выделяются два типа участков, где дебиты воды и нефти изменяются в одном или разных направлениях. Очевидно, что регулирование отбора произойдет в том случае, если рассматриваемая точка находится на участке, где дебит нефти растет, а воды снижается. При обратном изменении дебитов целесообразно ограничивать отборы.

Системное описание процесса разработки месторождений на основе теории динамических систем требует привлечения новых понятий и характеристик, например энтропии Колмогорова, корреляционной размерности, меры Хаусдорфа и др. Обычно любой технологический процесс содержит хаотическую компоненту.

В гигантской фабрике естественных процессов принцип энтропии занимает место "директора", который предписывает вид и течение всех "сделок". Закон сохранения энергии играет лишь роль "бухгалтера", приводящего в равновесие дебет и кредит.

Надо иметь в виду следствие из закона Мерфи: "Предоставленные самим себе, события имеют тенденцию развиваться от плохого к худшему".

Закон развития состоит в том, что новое качество в сложной системе возникает через флуктуации и их разрастания в процессе самоорганизации.

Реализация системного подхода предъявляет новые требования к построению информационного массива. Окружающий нас мир имеет фрактальный характер. Фрактальным является и процесс вытеснения в пористой среде. Это вызывает необходимость определения фрактальных характеристик процессов и, в частности, меры Хаусдорфа. Поэтому необходимо развитие гидродинамических методов исследования скважин на основе фрактальных моделей фильтрации. Их использование эффективно для управления технологическими процессами. Например, по изменению меры Хаусдорфа дебита нефти можно прогнозировать обводнение скважин.

В бывшем СССР в среднем на 1 т нефти добывалось 13 т воды, так что процесс подчинялся второму закону Паркинсона – расходы стремятся сравниться с доходами.

При сборе и обработке промысловых данных согласно существующей практике отбрасываются малые эффекты. По закону больших задач Хоара "... внутри каждой большой задачи сидит маленькая, пытающаяся пробиться наружу".

Вынос песка показывает пример эффекта малых величин. Так, разрушение скелета породы и вынос песка часто происходят при депрессиях, меньших критических. Возможная причина заключается в существовании низкоамплитудных высокочастотных колебаний забойного давления, т.е. фликкера.

Повышение эффективности технологических работ в значительной степени зависит от использования накопленного опыта в формализованных видах, таких как классификационные методы. Широкое применение последних позволяет повысить эффективность воздействия на пласт на основе представления его как большой системы и учета взаимодействия подсистем. В частности, при обработке призабойной зоны нельзя оперировать единичной скважиной, необходимо планировать технологические операции и оценивать эффект с учетом того, что данная большая система – это система взаимодействующих объектов и потому улучшение характеристик одного объекта не означает улучшение работы всей системы.

В нефтегазодобыче действует закон Дрейздена: "Время улучшения ситуации обратно пропорционально времени ее ухудшения" (на склеивание вазы уходит больше времени, чем на то, чтобы ее разбить).

Одним из перспективных направлений повышения эффективности технологических процессов добычи нефти является новая область прикладной нефтегазовой науки – реотехнология, которая занимается организацией технологии добычи путем целенаправленного использования реологических свойств систем нефтей и физических полей с учетом их взаимодействия на основе синергетических эффектов.

С реологической точки зрения выделяются два класса систем: равновесные и неравновесные. Представителями первого являются, например, вязкопластичные и вязкосыпучие системы, второго – вязкоупругие, нестабильные микрозародышевые системы. Разнообразие реофизических свойств делает возможным реализацию различных технических и технологических решении. Например, вязкосыпучие системы обладают способностью упрочнения структуры при повышении давления, что позволяет эффективно использовать их для гидроразрыва пласта. Другая область применения – гидравлический пакер. Вязкосыпучие системы обладают эффектом "зонтика" – для сдвига ее в вертикальной наклонной трубе вверх требуется меньшее усилие, чем вниз.

Неравновесные микрозародышевые системы благодаря своей внутренней структуре по-разному ведут себя при различной проницаемости во время фильтрации. Это повышает устойчивость вытеснения при использовании их в качестве вытесняющей жидкости.

За счет обработки реотехнологических систем физическими полями реализуются различные синергетические эффекты. Например, при совместном использовании магнитного поля и поля давления для обработки воды можно существенно снизить набухаемость глин. При этом важное значение имеет последовательность обработок. Кроме того, появляется возможность кратного снижения объема потребления химических реагентов, что важно и с экологической точки зрения. Используя полученные результаты, можно создавать композитные системы для различных технологических целей: обработки призабойной зоны, очистки ствола скважины и трубопроводов, герметизации и др.

Оправдал себя и эффект Челомея: "Чтобы система была устойчивой, ее надо часто трясти".

Изучение реологических свойств нефтей дает возможность не только количественно определять их параметры, но и исследовать, и уточнять новые особенности, что может привести к новым технологиям и нетривиальным решениям. Воздействие физических полей на нефть позволяет регулировать ее свойства, например интенсивность процессов отложения парафинов, выделения газа, гидравлического сопротивления. Уместно отметить распространенное заблуждение, что энергии используемого поля, например магнитного, недостаточно для реализации таких эффектов.

При объяснении механизма физических явлений надо иметь в виду теорию Эддингтона: "Число гипотез, объясняющих данное явление, обратно пропорционально объему знаний о нем".

Рассмотренные в статье направления исследований, перспективные с точки зрения авторов, естественно, не охватывают всех проблем нефтегазодобычи. Выбор этих направлений определяется их новизной и потенциальной эффективностью.

Проблема оценки нефтеотдачи залежей и влияния на нее технологических показателей на ранней стадии разработки и проектирования приобретает все большую актуальность, в частности, в связи с необходимостью освоения залежей с трудноизвлекаемыми запасами, причем число таких залежей постоянно возрастает. Обычно такие оценки получают на основе составления различных вариантов проекта разработки залежи или использования различных регрессионных зависимостей. Несмотря на определенную успешность этих традиционных методов, они обладают существенными недостатками, значительно снижающими эффективность их применения. Так, при расчетах вариантов разработки на основе детерминированных моделей используются крайне ограниченные и к тому же достаточно приближенные сведения о залежах. В результате надежность получаемых данных невысока, о чем свидетельствует и традиционная практика пересмотра проектов разработки.

Более перспективным оказывается подход к прогнозной оценке нефтеотдачи и влияния на нее различных технологических параметров, таких как темп отбора жидкости или нефти, плотность сетки скважин и др., на основе классификационных методов. Суть его заключается в том, что анализ данных производится раздельно по классам, которые выделяются из всего массива данных с помощью комплекса формальных методов распознавания образов и опыта разработки месторождений.