Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,969

ANALYSIS OF THE STATE NAFTIDNY SYSTEMS IN LIGHT OF SYNERGISTIC INFORMATION THEORY

Simonian G.S. 1
1 Yerevan State University
С помощью синергетической теории информации проведен аналтз состояниенафтидных систем. Нефть самообразуетсяв ловушке в основном из мантийного высокоэнергетического флюида, обогащенного компонентами нефти, которые создают неравновесное энергетическое состояние, инициируя ряд переходных физико-химических процессов, протекающих под управлением закона сохранения энергии и внаправлении достижения устойчивого равновесия.Показано, что в ряду: природный газ→попутный газ → нефть энтропия уменьшается, а синтропия растет. Для природного газа R = 15.2, что свидетельствует о высокой степени свободы газовой фазы. Для нефти R  функция стремится к единице, что свидетельствует о том, что структурная организация системы является равновесной.Наряду с другими геоинформационными методами и технологиями можно также использовать синергическую теорию информации для разведки и оценки зрелости нефтяных залежей.
With the help of theory of synergetic information the analysis of oil’s system was done. The oil was self-generated mainly from high-energetic fluids in the trap, enriched by the oil’s components, which have created nonequilibrium energetic states and initiated a series of transitional physical-chemical processes under the control of the law of conservation of energy and towards sustainable equilibrium. It is shown that in the order natural gass-passing gas-oil the entropy decreases and the syntropy increases. For the natural gas R=15.2 indicating the high level of freedom of gas phase. The function R tends to unity which indicates that the structural organization of systems is equilibrium. Along with other geographic information technologies and methods can also be used synergistic theory of information for the exploration and evaluation of the maturity of oil deposits .
naphthides
oil
gas
synergistic information theory
entropy
geoecological syntropy

Введение

Залежи нефти и газа – эти сложные открытые флюидодинамические системы с быстро меняющимися параметрами, что обусловлено природной флуктуацией глубинно-земных, поверхностных, космических процессов и техногенным воздействием. Характеризуя флюидодинамические залежи нефти и газа, можно отметить, что они весьма неустойчивы, так как представляют собой открытые, фрактальные системы. Фрактальная самоподобность, которая сохраняет свою структуру на разных уровнях масштабирования, характерна для множества реальных систем, в том числе для объектов нефтяных месторождений,вмещающих коллекторов и самой нефти[1].

Нефть самообразуется в ловушке в основном из мантийного высокоэнергетическогофлюида, обогащенного компонентами нефти, которые создают неравновесное энергетическое состояние, инициируя ряд переходных физико-химических процессов, протекающих под управлением закона сохранения энергии и внаправлении достижения устойчивого равновесия. Самоорганизация – процесс спонтанного увеличения порядка или организации в системе, состоящий из многих элементов, происходящий под действием внешней среды. Концепция глубинного происхождения нефти и газа основана на представлениях о том, чтообразование углеводородовпроисходит в мантийных очагах вследствие неорганическогосинтеза[2].Флюид - это водная, водно-газовая, паровая или газовая среда, состоящая из компонентов флюида в соединении с петрогенными, рудными и иными элементами, заключенная или переносимая в массе горных пород литосферы.Образовавшиеся в мантии Земли флюиды по глубинным разломам перемещаются и проникают в земнуюкору, где и образуют нефтегазовые месторождения.Нефть представляет собой смесь низко- и высокомолекулярных соединений, относящихся к различным гомологическим рядам. Низкомолекулярные соединения представляют собой, в основном, парафиновые, нафтено-парафиновые и ароматические углеводороды. Высокомолекулярная часть нефти состоит из высокомолекулярных парафиновых углеводородов, моно- и конденсированных нафтено-парафиновых, моно- и бициклических ароматических углеводородов ряда бензола и нафталина, смол и асфальтенов. Таким образом, нефть – это сложная многокомпонентная смесь, которая в зависимости от внешних условий проявляет свойства молекулярного раствора или дисперсной системы.

Целью данной работы является с помощью синергетической теории информации оценить состояния нафтидных систем.

Для нефти и газа используется также обобщающий термин «нафтиды», включающийуглеводороды в газовом, жидком, полутвердом и твердом состояниях или в виде смеси этихфаз.

Энтропийно-синергический подход к геоэкологическим системам

В геоэкологических системах нафтидов могут идти пpоцессы как с возpастанием, так и уменьшением энтpопии. Понятие энтропии(S) имеет множество трактовок в самых разнообразных областях человеческих знаний. Впервые понятие энтропии было введено Р.Клаузиусом как мера необратимого рассеяния энергии. Л. Больцман дал физическую трактовку энтропии, исходя из понятий статистической физики. Энтропия является мерой молекулярного хаоса, а закон возрастания ее отражает возрастающую дезорганизацию системы. Энтропия каждого макроскопического состояния связана с вероятностью реализации этого состояния. Одно и то же макроскопическоесостояние реализуется огромным числом микросостояний. Это число микросостояний называетсятермодинамической вероятностью.

Качественно, чем выше энтропия, тем в большем числе существенно различных микросостояний может находиться объект при данном макросостоянии. Наряду с энтропией Клаузиуса появилась статическая, информационная, математическая, лингвистическая, интеллектуальная и другие энтропии. Энтропия стала базисным понятием теории информации и стала выступать как мера неопределенности некоторой ситуации. В каком-то смысле она – мера рассеяния, и в этом смысле она подобна дисперсии.Открытые системы могут обмениваться с окружающими телами, энергией, веществом и, что не менее важно, информацией. Макроскопические открытые системы состоят из многих объектов, принимаемых за элементы структуры. Эти элементы могут быть микроскопическими, например, атомы или молекулы в физических и химических системах. Они, однако, могут быть малыми, но все же макроскопическими. Это, например, макромолекулы в полимерах, клетки в биологических структурах. В откpытых системах, к котоpым относятся и экологические, могут идти пpоцессы как с возpастанием, так и с уменьшением энтpопии. При этом в экосистеме вещество распределяется таким образом, что в одних местах энтропия  возрастает, а в других резко снижается. В целом же, система не теряет своей организованности или высокой упорядоченности. Система – совокупность элементов со связями между ними, подчиняющимся соответствующим законам композиции. Система взаимодействует с внешним миром как единое целое. Каждый элемент системы внутри себя считается неделимым. Элементный состав может содержать однотипные (гомогенные системы) и разнотипные (гетерогенные системы) элементы. Элементы могут быть вещественные, энергетические и информационные. Информационное описание системы дает представление об организации системы. При этом сам термин “информация” имеет несколько значений. В биологии – совокупность биохимически закодированных сигналов, передающихся от одного живого объекта к другому (от родителей к потомкам) или от одних клеток другим в процессе развития особи. В математике, кибернетике – количественная мера устранения энтропии (неопределенности) или мера организации системы. Если трактовать информацию как меру упорядоченности системы, то ее количество будет соответствовать синтропии, выражающей потенциальную меру предсказуемости будущего системы (или оценку возможности экстраполяции ее состояния). Чтобы экосистема действовала и взаимодействовала со средой, она должна потреблять информацию из среды и сообщать информацию среде. Этот процесс называется информационным метаболизмом, который совместно с вещественным и материальным метаболизмом образует полный метаболизм. Системы бывают изолированные (закрытые), которые могут только деградировать, и открытые, способные к прогрессивному развитию, условно. Все реальные системы сначала зарождаются и прогрессируют, а затем деградируют. Система открыта для энергии, массы, информации до заполнения соответствующих емкостей, после чего закрывается (как сосуд в водоеме). Переток субстанций из внешней среды и прогресс открытой системы так же естественны, как износ и рассеяние закрытой. В этом смысле все природные системы самоорганизующиеся.

Способность системы снижать неупорядоченность внутри себя иногда интерпретируют как способность накапливать отрицательную энтропию –синтропия(I). Впервые понятие «отрицательной энтропии» предложил австрийский физик  Эрвин Шредингер . Он объясняет, как живая система экспортирует энтропию, чтобы поддержать свою собственную энтропию нанизком уровне. Позже американский физик Леон Бриллюэн в своей работе «Научная неопределенность и информация»сократил это выражение до слова негэнтропия и ввел его в таком виде в  теорию информации . Учитывая вышесказанное, можно записать своеобразный закон сохранения энтропии — информации. Он, как и другие законы сохранения, абсолютно точно выполняется только в идеализированных (закрытых) системах: S + I = const. 

В литературе о самоорганизующихся системах для описания этого процесса также используются термины  экстропия  и  эктропия . Альберт Сент-Дьёрди< предложил заменить термин негэнтропия на синтропию[3], термин, впервые предложенный итальянским математиком  Луиджи Фантаппие [4], который пытался в своей теории объединить биологический и физический мир. Надо отметить, что термин синтропия в медицине используется давно, при анализе сочетания двух болезней. В 1921 годунемецкие медики М.Пфаундлер и Л.Зехт впервые использовали термин синтропия [5].Синтропия - это наличие двух или более связанных между собой и закономерноразвивающихсязаболеваний.

Илья Пригожин ввел термин «диссипативные структуры»[6]. Это чрезвычайно емкое и точное название объединяет все виды структур. Чтобы подчеркнуть роль коллектива, роль кооперации при образовании диссипативных структур, Герман Хакен ввел термин синергетика, что означает совместное действие [7]. Синергетика - не самостоятельная научная дисциплина, но новое междисциплинарное научное направление; цель синергетики — выявление общих идей, общих методов и обших закономерностей в самых разных областях естествознания, более того, в рамках синергетики происходит кооперирование различных специальных дисциплин. Синергетика родилась на базе термодинамики и статистической физики. Основным предметом исследований для синергетики выступают процессы самоорганизации в сложных, открытых, неравновесных объектах-системах. Ее в первую очередь интересуют два типа трансформаций, через которые проходят сложные системы, включая социальные:

- Переходы от хаоса к порядку, то есть процессы возникновения новых форм, динамика самоорганизации в новообразуюшихся системах.

-Переходы от порядка к хаосу, то есть деструктивные процессы распада систем.

В рамках синергетического подхода удается характеризовать общие качественные закономерности, которые можно конструктивно использовать при анализе процессов эволюции сложных систем различной природы. Достаточно удачно такого рода закономерности описаны в работе В. Эбелинга[8]. В принципе структуры могут возникать в природе во всех тех случаях, когда выполняются следующие четыре необходимых условия:

–Система является термодинамически открытой, т. е. может обмениваться веществом и энергией со средой.

–Динамические уравнения системы нелинейны.

– Отклонение от равновесия превышает критическое значение.

–Микроскопические процессы происходят кооперативно.

В целом же, система не теряет своей организованности или высокой упорядоченности. Способность системы снижать неупорядоченность внутри себя иногда интерпретируют как способность накапливать синтропию. Система - это совокупность элементов со связями между ними, подчиняющиеся соответствующим законам композиции. Каждый элемент системы внутри себя считается неделимым. В понимании структурной организации и закономерностей развития природных систем неоценимую помощь может оказать синергетическая теория информации, в рамках которой установлен информационный закон отражения системных объектов. Для оценки структурной организации системы Вяткиным введено понятие R-функции, которая характеризует структурную организацию дискретных систем со стороны соотношения порядка и хаоса, мерами которых являются геоэкологическая синтропия -I∑ и энтропия отражения S, соответственноR= I∑/ S [9]. Значения R-функции говорят о том, что и в какой мере преобладает в структуре системы: хаос или порядок. Так, если R > 1, то в структуре системы преобладает порядок, в противном случае, когда R < 1 – хаос. При R = 1 хаос и порядок уравновешивают друг друга, и структурная организация системы является равновесной.Следует отметить, что с помощью синергетической теории информации проведена оценка хаоса и порядка в структуре таких систем,как электронные системы атомов, паутины пауков, поэтические произведения [9], гидроэкологические системы [10], рудные объекты [11],белковые молекулы[9, 12] и РНК [12].

Для нафтидов элементами системыможет быть химический компонентный состав.

Для рассчета значений I∑,  Sи R , пользуемся следующим вычислительным алгоритмом:

1) Определяется процентное содержание каждого компонента: m

2) Оценивается общийпроцент: M=∑m

3) Вычисляется произведение: mlog2m

4) Определяется сумма: ∑ mlog2m

5) Рассчитывается аддитивная синтропия: I∑

6) Рассчитывается энтропия отражения: S = log2М - I∑

7) Определяется R-функция: R= I∑/ S.

В соответствии с целью работы и постановки задачи производены рассчеты функции природного газа, попутных газов нефтяных месторождений, газовой фазы, включенной в минералы, и нефтяных фракций.

Соответствующие рассчеты функций хаоса и порядка для природного газа приведены в таблице 1.

Таблица 1

Рассчет значенийинформационно-синергетических функций
хаоса и порядка природного газа

Вещество

m,(мол. %)

mlog2m

СН4

94.0

615.8

С2Н6

3.0

4.75

С3Н8

0.4

0

N2

2

2

СО2

0.6

0

Μ= 100 Σmlog2m= 625

ΙΣ = Σmlog2m / Μ = 623 : 100 = 6.23 Σ = log2100 − 6.23 =6.64−6.23=0,41

R =6.23 :0.41 = 15.2

В таблицах 2, 3 приведены рассчеты функций хаоса и порядка попутных газов нефтяных месторождений и нефтяных фракций.

Таблица 2

Химический состав (мол. %) и значения I∑, S, R попутного газа нефтяных месторождений

Месторождение

Самотлорское

Узеньское

Ромашкинское

СН4

53.4

50.2

38.4

С2Н6

7.2

20.2

19.1

С3Н8

15.1

16.8

17.8

С4Н10

8.3

7.7

8.0

С5Н12

6.3

3.0

6.8

N2

9.6

2.3

8.0

СО2

0.1

0

1.5

I∑

4.60

4.69

4.28

S

2.04

1.59

2.36

R

2.23

2.40

1.81

Таблица 3

Значения I∑, S, R для фракций ряда нефтей

Фракция нефти

I∑

S

R

Перваяфракция нефти Кумколь

3.85

2.79

1.38

Втораяфракция нефти Кумколь

3.45

3.19

1.10

Бензиноваяфракция нефти Каражанбас

3.18

3.46

0.91

Керосиноваяфракция  нефти Каражанбас 

3.28

3.36

0.976

Бензиноваяфракция нефти Акшабулак

3.72

2.92

1.27

Из таблиц следует, что в ряду: природный газ→попутный газ → нефтьэнтропия уменьшается, а синтропия растет.Для природного газа R = 15.2, что свидетельствует о высокой степени свободы газовой фазы.Рассчеты функции хаоса и порядка газовой фазы, включенной в минералы по данным почти 6 тысяч образцов [13], показывают, что I∑=5.15, S=1.45 а R= 3.45.

Для нефти R функция стремится к единице, что свидетельствует о том, чтопри образованиив ловушке нефти в основном из мантийного высокоэнергетического флюида структурная организация нефтяной залежи является равновесной.

Таким образом,можно констатировать:

-Синергическая теория информации применима также и к нафтидным системам.

-Наряду с другими геоинформационными методами и технологиями можно рекомендовать использовать синергическую теорию информации для разведки и оценки зрелости нефтяных залежей.