Стрекалов А.В. Математические модели гидравлических систем для управления системами поддержания пластового давления

Подождите немного. Документ загружается.

дач. Более сложные задачи, сочетающие в себе элементарные и ре-

шающие задачи TS, ES, TM, EM, SM и TE, образуют следующий, бо-

лее узкий круг сложных задач TES, TEM, SMT, SME. Фактически,

сложность самих ТГС в некотором смысле зависит от количества ре-

шаемых ими задач. Как видно из диаграммы, она имеет единственный

критерий деления:

– задача технической гидравлической системы.

Этот критерий позволяет четко отделить гидросистемы, в которых ра-

бочая среда переносится между источниками к приемникам от систем,

в которых она используется в качестве носителя энергии, передавае-

мой от одних объектов к другим (системы гидроприводов, отопления и

охлаждения). Данный критерий также отделяет системы, где основные

задачи заключаются в смеши

вании (приготовлении смесей, растворов

и т.п.) или разделении на фракции рабочей текучей среды (системы

сепарации, очистки и т.п.). Между тем, данный критерий не исключает

возможность существования гидросистем, задачи которых образуются

сочетанием элементарных – T, E, S, M. Далее мы рассмотрим примеры

таких гидравлических систем.

Для уточнения дальнейшего анализа необходимо конкретизировать

понятие рабочая те

кучая среда. Рабочая текучая среда – это жид-

кость, газ или плазма, являющиеся средой, объединяющей элементы

гидросистемы в условиях их функционирования.

Следующим важным фактором различия ТГС является характер

используемой рабочей текучей среды. Здесь можно выделить, по край-

ней мере, два типа текучей среды: однокомпонентную и многокомпо-

нентную. Так, в гидросистеме буровой установки раб

очая среда явля-

ется многокомпонентной ввиду содержания в ней твердых примесей,

которые оказывают большое влияние на ее эксплуатационные показа-

тели. В системах ППД, водоснабжения, охлаждения, гидроприводов и

т.п. рабочие среды являются практически однокомпонентными. Усло-

вия эксплуатации ТГС с однокомпонентными текучими средами явля-

ются более мягкими в сравнении с гидросистемами, и

спользующими

многокомпонентные среды. Состав текучей среды также важен для

моделирования процессов течения рабочих сред, и, следовательно,

всей гидросистемы. Многокомпонентность текучей среды существен-

но осложняет как математические модели гидравлических сетей, так и

гидравлические основы моделирования элементов ТГС.

Таким образом, имеем второй критерий деления ТГС:

– характер

используемой рабочей текучей среды.

∼ – однокомпонентная (однофазная) рабочая текучая среда;

≈ – многокомпонентная (многофазная) рабочая текучая среда.

Таблица 1.1. Гидросистемы нефтяной и газовой промышленности

Класси-

фикаци-

онный

иденти-

фикатор

Название гидросистемы и область применения

Гидросистемы нефте-, газосбора, нефте- и газотранспорта

Гидроприводные системы, гидросистемы отопления и охлаж-

дения, газлифтная установка с камерой замещения

Простые системы очистки посредством отстоя и фильтрации,

сепарационные установки

Системы приготовления растворов для кислотной и др. видов

обработки, система подготовки пропанта для ГРП

Системы транспорта нефти с попутной дегазацией, деэмульсацией

Объединенные системы нефте и газосбора, гидросистемы буровой

установки при роторном бурении скважин, Внутрискважинные

газлифтные установки, гидросистема газлифтной эксплуатации

скважин без камеры замещения

ЕM

–

Системы поддержания пластового давления

–

TES

–

TEM

Гидросистемы буровой установки при турбинном бурении

скважин

SMT

–

SME

–

Ректификационная установка для разделения нефти на

фракции, гидроциклонные очистные установки, системы

подготовки нефти и газа

Здесь может возникнуть вопрос о применимости разделения гидро-

систем с элементарными задачами «S» и «М» по критерию

. Однако,

такие системы могут иметь хотя и однокомпонентную, но двух- и

трехфазную рабочую среду, характеризующую основное состояние

вещества рабочей среды (газ, жидкость или плазма). Т.е. здесь под

компонентом подразумевается наличие в текучей среде несмешивае-

мых (т.е. не образующих единую среду) частей, имеющих существен-

но отличающиеся физические свойства.

Далее гидравлические системы можно классифицировать по фор-

мальным критериям (размеры, рабочие давления, структуры, и т.п.),

поэтому характер рабочей среды в предлагаемой классификации явля-

ется последним критерием деления, определяющим виды гидросистем.

Рассмотрим некоторые примеры гидравлических систем, отра-

жающие их критериальное разделение в соответствии с данной клас-

сификацией. В табл. 1.1 отражены гидросистемы не

фтяной и газовой

отрасли, входящие в различные технологические схемы добычи, сбора,

подготовки и переработки нефти и газа.

Гидросистемам с единственной задачей – «E» свойственно практи-

чески замкнутое перемещение рабочей среды. Наиболее показатель-

ными примерами таких систем являются системы нагрева, охлажде-

ния, гидроусилителей, гидроприводов. Гидравлические системы с за-

дачей «T» не имеют замкнутых циклов пе

ремещения текучей среды: в

таких системах присутствует четкий вход (от источников) текучей

среды в систему и выход (в приемники) из нее. Однако внутренние

свойства системы определяют текущее состояние группы приемников

и источников, т.е. в зависимости от технических свойств элементов

таких гидросистем источники на данный момент могут быть приемни-

ками и н

аоборот.

В главах 4 и 6 подробно рассматриваются факторы, определяющие

текущее состояние таких систем. Гидросистемам с задачей «T» также

свойственен относительно стабильный режим течения рабочей среды,

что в принципе позволяет прогнозировать их состояние безотноси-

тельно к фактору времени с достаточной точностью в течение срока

стабилизации режимов. Из вышеперечисленных категорий особенно

важно отметить сочетающие в себе бо

лее одного признака по первому

критерию. Одними из представителей ТГС с совмещенными задачами

являются системы ППД, горячего водоснабжения, роторного и тур-

бинного бурения, создания глубоких депрессий и «задавливания»

скважин. Причем наиболее полный спектр задач содержит ТГС тур-

бинного бурения, так как включает в себя транспортировку многофаз-

ной многокомпонентной среды, пе

редачу гидравлической энергии

(турбобуру) и смешивание сред.

Здесь следует оговориться, что гидросистемы, рабочая среда кото-

рых является носителем и передатчиком энергии, могут использовать

как гидравлическую энергию потока, так и тепловую. В данной клас-

сификации такие ТГС не подразделены, так как, прежде всего, пресле-

довалась цель сформировать только основные категории ТГС. Од

нако

ТГС теплообмена имеют ряд отличий от гидроприводных систем и, в

принципе, на следующем каскаде деления должны быть разделены по

собственным критериям.

Благодаря приведенной на рис. 1.1 диаграмме можно четко опреде-

лить задачи систем ППД – транспортировка жидкости и передача гид-

равлической энергии пластовой системе – ТГС

ТЕ

. Такие задачи также

свойственны, например, ТГС горячего водоснабжения, однако, в них

идет передача тепловой, а не гидравлической энергии. Также здесь

важно отметить, что рабочая жидкость гидросистем ППД, как и в сис-

темах водоснабжения, является однофазной и практически одноком-

понентной, что существенно упрощает эксплуатационные условия (в

сравнении, например, с ТГС бурения) и ус

ловия формирования их мо-

делей.

1.3. Общность проблем контроля и управления сложными

гидросистемами

Основной целью контроля работы гидросистем является регистра-

ция основных показателей их функционирования. Причем регистри-

руемые показатели в идеале должны отражать работу всех элементов

системы. Фактически контроль систем является исходной информаци-

ей для принятия решений при управлении системами.

Основной целью управления техногенными системами является

выбор управляющих показателей элементов таким образом, чтобы

достигался не

кий глобальный оптимум, отражающий эффективность

работы системы: соответствовал требуемым условиям целевых пара-

метров и минимизации потребляемых системой ресурсов. Рассмотрим

более подробно основные проблемы контроля и управления гидросис-

темами.

Контроль сложных систем

Понятие комплексного контроля некоторой системы подразу-

мевает измерение всего объема физических параметров, характери-

зующих работу ее отдельных элементов и си

стемы в целом.

Для относительно простых систем (с точки зрения сложности

структур), таких, как ТГС обеспечения процесса бурения, извлечения

нефти в одной скважине, транспортировки жидкости по одной нити

трубопровода и т.п., процесс контроля значительно упрощен, так как

требует регистрации не более десятка параметров. Например, для слу-

чая ТГС добычи жидкости из од

ной скважины при фонтанировании на

участке забой–устье достаточно замерять забойное и устьевое давле-

ние, а также расход добываемой жидкости и ее состав. Такие парамет-

ры постоянно измеряются и, естественно, особых затруднений в кон-

троле таких ТГС не возникает. Аналогичная ситуация при контроле за

функционированием ТГС буровой установки и нити трубопровода.

Проблемы контроля зачастую возникают в системах со сложной,

«ветвящейся» и развитой структурой, в которой необходимо фиксиро-

вать несколько тысяч параметров. Причем с ростом количества эл

е-

ментов системы количество измеряемых параметров резко возрастает.

Данная проблема становится все более актуальной и для постоянно

расширяющихся систем электро-, газо-, водоснабжения и систем ППД.

На данном этапе развития процесса контроля сложных систем его

качество от одной системы к другой значительно изменяется. Напри-

мер, в системе железнодорожного транспорта контроль локальных

технологических ве

личин ведется постоянно, что дает возможность

эффективно управлять данной системой. В системе энергоснабжения

контроль также достаточно развит, хотя и требует более детального

(поэлементного) контроля.

По причине низкой обеспеченности приборами в сложных ТГС

контроль в основном ограничивается измерением лишь некоторых фи-

зических параметров в отдельных элементах (расход и давление в от-

де

льных участках системы). Примером недостаточного контроля мо-

жет служить любая система городского водоснабжения, содержащая

десятки тысяч элементов, при этом контролируемыми остаются пока

только водонапорные станции, узловые подстанции и большие группы

потребителей. В системах нефте- и газосбора наблюдается аналогич-

ная ситуация: замеры давлений и расходов жидкости проводятся толь-

ко в ключевых у

частках систем – скважинах и дожимных насосных

станциях. Это также ведет к серьезному вакууму контроля таких сис-

тем. И это вполне понятно, так как нет возможности обеспечить каж-

дый элемент ТГС необходимыми измерительными приборами и сред-

ствами автоматических систем замеров и управления (АСУ) для нако-

пления и анализа регистрируемых величин в единой и

нформационной

среде.

Ввиду постоянного расширения охвата заводнением нефтяных ме-

сторождений и соответственно гидросистем поддержания пластового

давления проблема их контроля встает так же остро, как и в системах

водоснабжения, но уже в нефтепромышленном комплексе.

Естественно, оснащение систем ППД множеством приборов и тем

более, системами тотальной телеметрии является задачей будущего, а

в н

астоящий момент контролю этих систем уделяется недостаточно

внимания (даже по сравнению с системами нефтесбора), по-видимому,

из-за кажущейся отдаленности их от процесса нефтеизвлечения.

Ситуация с недостаточностью контроля систем ППД объясняется

прежде всего их относительной «молодостью», а с позиций моделиро-

вания – их малой изученностью. Для ясности дальнейшего изложения

конкретизируем сущность контроля подобных гидросистемам ППД

систем водо-, тепло-, газосн

абжения и т.п.

Контроль технических гидравлических систем

Как отмечалось выше, суть контроля есть регистрация параметров

работы системы в целом, и по каждому элементу в отдельности. Для

каждой системы есть определенный «набор типов» таких параметров.

Например, ими могут быть давление, скорость потока, температура,

фазовое состояние, массовый или объемный расход текучей среды и

т.п. Та

ким образом, контроль любой ТГС, прежде всего, должен сво-

диться к регистрации:

– структурных изменений системы;

– параметров течения рабочей жидкости:

a) давлений во всех узлах;

в) расходов рабочей среды во всех элементах системы;

г) скоростей потока в элементах системы;

д) составов и свойств рабочей среды в элементах системы;

е) т

емператур в элементах системы;

ж) перепадов давления между узлами подключения элементов;

з) потребляемых и вырабатываемых мощностей насосных агре-

гатов.

Контроль в таком, наиболее полном виде, зачастую необязателен

ввиду некоторых допущений, например, постоянства структуры ТГС,

практической несжимаемости рабочей среды, постоянства компонент-

ного и фазового состава потока, и изотермического течения.

Как от

мечалось ранее на примере систем водоснабжения, на дан-

ном этапе развития контроля ТГС, он сводится к фиксации параметров

давления и расхода только в отдельных элементах системы, что имеет

большое значение, но зачастую недостаточно. Применяемая в систе-

мах ППД технология и проектируемые для нее системы контроля пре-

дусматривают телеизмерение расходов и давлений по н

агнетательным

скважинам и на кустовых насосных станциях (КНС), контроль исправ-

ности сети водоводов по давлениям, телеуправление насосными агре-

гатами.

Эта информация необходима, но не позволяет сделать вывод о ре-

жимах работы гидросистемы в целом, а именно, остаются неизвестны-

ми величины расходов во всех ветках трубопроводов, давлений на их

входах и выходах, нет возможности оценить текущий режим и к.п.д.

каждого из насосных агрегатов системы, а также невозможно оценить

последствия а

варийных ситуаций (например, изменение направления

течения потоков). И, наконец, все перечисленные и многие другие ас-

пекты не дают возможности оценить к.п.д. всей гидросистемы, что яв-

ляется основным показателем, на основании которого можно судить об

эффективности эксплуатации системы.

Такое положение ведет к необходимости создания некой модели,

позволяющей, на основании в

нутренних (исходных) данных некоторой

ТГС, определять параметры течения среды во всех элементах системы.

Контроль гидросистемы продуктивных пластов

В отличие от ТГС, естественные гидросистемы еще более трудно

контролируемы. Как отмечалось, наиболее емкие ТГС нефтяных и га-

зовых промыслов (системы нефте- и газосбора, ППД) гидравлически

связаны с гидросистемой продуктивных пластов. В связи с те

м, что

ТГС взаимодействует с гидросистемой продуктивных пластов (ГПП)

гидравлические режимы этих систем взаимосвязаны, и регистрация

показателей работы ГПП имеет не менее, а даже более важное значе-

ние для комплексного контроля.

На данный момент единственным средством для контроля за со-

стоянием ГПП является регистрация режимов работы добывающих и

нагнетательных скважин, а та

кже проведение специальных геофизиче-

ских и гидродинамических исследований (см. главу 5). Естественно,

даже при условии постоянного контроля показателей работы скважин,

невозможно регистрировать показатели процессов фильтрации и вы-

теснения пластовых флюидов в зонах между скважинами. Если в ТГС

теоретически возможна регистрация практически всех необходимых

параметров элементов системы, то в ГПП, даже теоретически, рег

ист-

рация показателей всех элементов системы невозможна. В связи с

этим, здесь также необходимо создание некой модели ГПП, которая

отражала показатели всех ее элементов, причем с учетом взаимосвязи

с ТГС, которые оказывают на нее воздействие.

Проблемы управления сложными гидросистемами

Как отмечалось ранее, основной целью управления гидросистема-

ми является подбор изменяемых свой

ств элементов таким образом,

чтобы достичь некоторого оптимального состояния системы.

Основными задачами управления гидравлическими системами яв-

ляются:

− предотвращение аварийных ситуаций;

− недопущение нарушения технологических режимов внешних сис-

тем;

− адекватное регулирование внутренних (эксплуатационных) пара-

метров;

− установление комплексного оптимума функционирования систе-

мы, исходя из минимизации энергетических затрат в условиях

обеспечения целевых параметров.

Основной п

роблемой при управлении сложными системами явля-

ется их природное свойство реагировать изменением всех контроли-

руемых (технологических) параметров на изменение состояния какого-

либо элемента системы. На простом примере ТГС водоснабжения это

выглядит как изменение всех величин давления и расхода воды, вы-

званное перекрытием задвижки в любом месте ТГС. Аналогичная си-

туация возникает и в с

истеме ППД при смене штуцера в любом ее мес-

те, изменении коэффициента приемистости какой-либо нагнетательной

скважины и т.п. В ГПП, например, изменение свойств проводимости

пласта в какой-либо зоне влечет изменение распределения давлений,

насыщенностей и других фильтрационно-емкостных свойств (ФЭС).

Данное обстоятельство не позволяет принимать решения даже на

сновании данных полного контроля, так как эти данные соответству-

ют текущему состоянию системы, а любое вмешательство устанавли-

вает новые значения контролируемых параметров.

1.4. Особенности гидравлических систем поддержания пластового

давления

В качестве основного примера использования результатов исследо-

ваний, отраженных в данной работе, выбраны системы поддержания

пластового давления посредством закачки подтоварной, пресной и

других вод в нагнетательные скважины.

Гидросистемы ППД можно разделить на две основных части:

1. техническая гидросистема, включающая наземную сеть трубо-

проводов, КНС, ДНС, системы подготовки воды, трубопровод-

ную арматуру, н

агнетательные и водозаборные скважины;

2. природная гидросистема продуктивных пластов, включающая

все заводняемые пласты.

Рис. 1.2. Лучевая структура

Рис. 1.3. Кольцевая структура

Вначале рассмотрим основные особенности строения и эксплуата-

ции технической части систем ППД.

Системы поддержания пластового давления и их место в

системе добычи нефтяных месторождений

Поддержание пластового давления посредством заводнения экс-

плуатационных и водонасыщенных пластов является наиболее силь-

ным методом воздействия на месторождение. Поэтому качество про-

ектирования и эксплуатации таких систем по бо

льшей части обуслав-

ливает качество нефтеизвлечения.

Для осуществления закачки

воды на месторождении конс-

труируется ТГС с развитой

сетью трубопроводов, насосных

агрегатов и других технических

элементов. В нефтедобы-

вающем регионе Западной

Сибири с начала его освоения

были сформированы системы

ППД, рассчитанные, как на

заводнение больших

высокопродуктивных

месторождений, так и на заводнения малых мест

орождений с трудно-

извлекаемыми запасами.

Структуры технических

гидросистем ППД весьма мно-

гообразны и зависят от распо-

ложения устьев нагнета-

тельных скважин, и источников

водоснабжения. Так, при

больших объемах закачки, где

в качестве источников воды

используются открытые водо-

емы, при площадной или

блочной системе заводнения

наиболее удобной структурой является «лучевая» (рис. 1.2), а пр

и за-

контурной или внутриконтурной системе заводнения крупных место-

рождений – «кольцевая» (рис. 1.3) структура.

На малых месторождениях, где подвод пресной воды из удаленных

водоемов нецелесообразен, в качестве источников водоснабжения ис-

Рис. 1.4. Локально разобщенная

структура

пользуют водонасыщенные пласты. В этом случае структура системы

может быть более локализованной и представляет собой множество

отдельных систем, функционирующих независимо друг от друга (см.

рис. 1.4). Вследствие негативных факторов, смешивание пресной и

минеральных пластовых вод из

водозаборных скважин обычно

не допускается, однако встре-

чаются и такие системы ППД с

комбинированием источников

воды (см. ри

с. 1.5). Такие

системы часто образуются в

результате экстренной рекон-

струкции систем ППД для

устранения последствий под-

ключения новых скважин и

недостаточной производи-

тельности основных КНС на этих скважинах.

При комбинировании источников закачиваемой воды зачастую в

качестве насосных агрегатов используются погружные насосы типа

ЭЦН, производительность которых достаточна для подъема воды на

оверхность с давлением, близким к давлению основной КНС:

12–16 МПа.

В отношении проблем

при эксплуатации систем

ППД следует отметить

следующие факторы:

– достаточно динами-

ческое изменение струк-

туры системы;

– осложненные усло-

вия эксплуатации трубо-

проводов, запорной арма-

туры и насосных агрега-

тов, обусловленные абразивно-коррозионной активностью перекачи-

ваемой воды с высокими да

влениями и расходами;

– сложности комплексного контроля гидравлических режимов и

состояния элементов системы;

– динамические изменения ФЭС призабойных зон пласта в нагне-

тательных скважинах;

– проблемы оптимального управления, связанные с отсутствием

Рис. 1.5. Комбинирование источников воды в

структуре систем ППД