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

Подождите немного. Документ загружается.

модели для принятия адекватных решений.

Высокая степень централизации проектов обустройства нефтяных

месторождений обусловила формирование крупных трудно контроли-

руемых и управляемых гидросистем ППД. По мере модификации и

развития системы разработки структура ТГС постоянно изменяется,

вследствие чего изменяются гидравлические режимы всех ее элемен-

тов. Это существенным образом сказывается на эксплуатационном со-

стоянии систем.

Ра

бочее давление элементов системы варьируется в пределах

12–25 МПа. Рабочая среда ТГС представляет собой минерализованную

воду с механическим примесями и незначительным газовым фактором.

Причем, требования к наличию механических примесей в закачивае-

мой воде не более 50 мг/л зачастую не соблюдаются, и их содержание

составляет порядка 200–500 мг/л. Такие жесткие условия негативно

ск

азываются на эксплуатации всех технических устройств, сокращая

срок их службы. Износ насосных агрегатов препятствует их эффектив-

ному управлению вследствие постоянного изменения рабочей харак-

теристики, сопровождающегося снижением к.п.д. Эти условия также

сдерживают применение автоматических регуляторов расхода на «во-

дяных гребенках» для поддержания номинальной приемистости водо-

нагнетательных скважин по причине к

оррозии и прикипания рабочих

элементов запорной пары. В агрессивных условиях эксплуатации – со-

левые отложения, коррозия, облитерация и абразивный износ – приво-

дят к заклиниванию подвижных элементов затвора в корпусе регуля-

тора или в непосредственной близости от седла.

Сложности при контроле систем ППД заключаются, с одной сторо-

ны, в недостаточности охвата замерами показателей г

идравлических

режимов элементов системы, а с другой стороны, в невысоком уровне

точности датчиков «мгновенного расхода», которые зачастую при низ-

ких величинах расхода (<300 м

/сут) дают погрешность до 40%.

Одним из весомых негативных факторов эксплуатации систем ППД

является технологический аспект формирования систем заводнения.

Вследствие экономических тенденций к формированию систем пло-

щадного, очагового и рядного заводнения на одну нагнетательную

приходится не менее четырех добывающих скважин. Таким образом,

для компенсации отбора жидкости группой добывающих скважин, в

одну нагнетательную с

кважину необходимо нагнетать расход воды,

как минимум равный суммарному дебиту. Вследствие этого свойства

пласта в районе воздействия нагнетательных скважин интенсивно из-

меняются:

– происходит гидравлический разрыв пласта в районе забоев нагне-

тательных скважин, так как для обеспечения материального баланса

приходится закачивать большие объемы воды при высоком давлении

нагнетания – в среднем 35–45 МПа;

– формируются промывы продуктивных коллекторов и образова-

ние каналов высокой проводимости, вследствие чего пластовое давле-

ние в зоне действия нагнетательных скважин дестабилизируется, а об-

во

дненность продукции резко растет;

– в скважинах с высокой приемистостью зачастую наблюдаются,

так называемые, заколонные перетоки, основная причина которых

кроется опять же в высоком давлении нагнетания, которое формирует

в призабойной зоне экран давления, вследствие чего жидкость идет в

пласты с более низким давлением: выше или ниже заводняемого

пласта.

Технические г

идросистемы ППД являются самыми энергоемкими

гидросистемами. В качестве источников гидравлической энергии на

КНС и ДНС используются насосы типа ЦНС со средней потребляемой

мощностью порядка 1 МВт, а в водозаборных скважинах высокопро-

изводительные ЭЦН со средней мощностью 600 КВт. Таким образом,

система ППД среднего месторождения потребляет порядка 20 МВт

электрической мощности. Удельное электропотребление в нефтедобы-

че раст

ет во многом за счет гидросистем ППД. Их доля в электропо-

треблении НГДУ составляет не менее 60%.

Естественно, что при управлении системой разработки и эксплуа-

тации месторождений системы ППД занимают особое место и пред-

ставляют весьма значительный научный и практический интерес.

Необходимость в постоянном контроле и управлении системами

ППД обусловлена по

стоянным изменением распределения пластового

давления, коэффициентов приемистости, к.п.д. насосов и т.п. Проявле-

ние этих факторов заставляет инженеров нефтегазодобывающих

управлений (НГДУ) осуществлять управление посредством изменения

структуры системы и технических свойств ее элементов. Сети трубо-

проводов большой протяженности имеют сложную ветвящуюся или

кольцевую структуру, что делает реализацию комплексных систем

контроля д

орогостоящей и затрудняет процесс управления. Например,

на смену одного штуцера с учетом административных факторов ухо-

дит от одного до трех суток. Основной задачей регулирования систем

ППД остается установка определенных технологией разработки уров-

ней закачки в нагнетательный фонд и снижение непроизводственных

затрат на перерасход электроэнергии в насосных агрегатах. Естествен-

но, трудно назвать эффективным процесс управления системой по-

средством последовательного подбора трубопроводов, насосов, шту-

церов путем их реальной замены. Поэтому на данном этапе развития

отрасли проблема глобальной оптимизации систем ППД только начи-

нает формироваться. Оптимизация и эффективное управление систе-

мами ППД требуется также и на вновь вводимых в разработку место-

рождениях, особ

енно с трудноизвлекаемыми запасами и высокой сте-

пенью неоднородности продуктивных пластов.

В системах ППД сформировались все условия для энергосбереже-

ния: относительно простая технология и оборудование, большие мощ-

ности насосных агрегатов и отсутствие способов адекватного плани-

рования мероприятий по регулированию процессов закачки.

Из технических причин такого состояния главными являются:

− низкая ос

нащенность контрольно-измерительными приборами и

недостаток информации о технологических и энергетических

режимах;

− низкий уровень контроля за гидродинамическими

характеристиками отдельных элементов;

− низкий уровень контроля за функционированием системы в це-

лом;

− количественная непредсказуемость поведения системы при из-

менении ее структуры или свойств отдельных элементов.

В соответствии с указанным, основными резервами эн

ергосбереже-

ния в действующих гидросистемах ППД являются:

− периодическое снятие рабочих характеристик и осуществление

своевременного ремонта насосных агрегатов;

− приведение структуры и свойств элементов системы в опти-

мальное состояние, соответствующее заданному технологией

заводнения режиму;

− своевременное отключение/включение резервных насосных аг-

регатов, а также устранение излишнего гидравлического сопро-

тивления в эл

ементах – гидродросселях;

− подбор структуры кустовых и дожимных насосных станций, а

также технических показателей насосов исходя из максимиза-

ции к.п.д. системы.

В данной работе рассматриваются возможности повышения уровня

контроля и управления системами ППД посредством создания универ-

сальной модели, с помощью которой стало бы возможно контролиро-

вать систему ППД и п

редсказывать ее поведение при внесении каких-

либо изменений. Использование этой модели, прежде всего, позволило

бы увеличить энергосбережение систем и точность соответствия тех-

нологическим режимам заводнения за счет комплексной оптимизации.

Основной предпосылкой для возможности выполнения этих задач

является высокая потенциальная управляемость систем ППД, которая

может быть использована системой тотального автоматизированного

контроля и управления или соответствующей моделью системы.

Ест

ественно, последнее более предпочтительно, так как не требует

существенных капитальных затрат и несет в себе отработанную десят-

ками лет научную базу для подобных ТГС водоснабжения.

Технические гидросистемы ППД являются частью систем

заводнения, что во многом делает эти понятия близкими по

содержанию. Однако, здесь стоит отметить важное отличие в этих

понятиях: когда речь ид

ет о системе заводнения, то прежде всего

имеется в виду процесс вытеснения нефти водой, что подразумевает

естественную гидросистему пласта (ГПП), а обеспечение этого

процесса возлагается на технические гидросистемы ППД.

Управление режимами закачки воды в нагнетательных

скважинах, как средство оптимизации процесса

нефтеизвлечения

Одной из важнейших задач при управлении системами заводне-

ния является установление режимов нагнетания в заводняемых гео-

логических объектах. В каждый из вскрытых скважиной пластов

должен закачиваться заданный условиями разработки залежи объем

воды. Для обеспечения закачки этого количества воды требуется со-

ответствующее давление нагнетания. Величина давления нагнетания

зависит как от ФЭС пласта, так и от структуры и свойств элементов

ТГС. Однако, на данном этапе развития нефтедобывающей отрасли

давление нагнетания и расход закачиваемой воды выбираются, толь-

ко исходя из материального баланса при компенсации извлечения

флюидов, причем зачастую даже без учета распределения пластовых

давлений, фильтрационных и прочностных свойств пласта, что для

неоднородных пластов зачастую является решающим при выборе

режима нагнетания.

Научных разработок по вопросу взаимосвязи давления нагнета-

ния и приемистости немного, и все они зачастую имеют некоторую

общность в том, что поиск их устремлен на зависимость приемисто-

сти от давления нагнетания и от коллекторских свойств заводняемых

пластов [98, 99, 100, 101]. Причем вопрос влияния распределенного

пластового давления залежи на взаимосвязь приемистости с давлени-

ем нагнетания отдельных скважин остается открытым. В данных ра-

ботах нет четкого указания на степень влияния распределения

пластового давления на величину давления нагнетания и приемисто-

сти скважины. Такая ситуация кажется довольно странной, особенно,

если учесть явную взаимосвязь между способностью скважины при-

нимать воду и пластовым давлением. Так, если в качестве примитив-

ного примера взять скважину с аномально высоким пластовым дав-

лением – около 45 МПа (месторождение «Нефтяные камни») при

сравнительно небольшой глубине забоя – порядка 3200 м, то стано-

вится ясным, что при определенных условиях (недостаточной произ-

водительности насосной станции) мы не получим положительной

приемистости даже при нулевом сопротивлении в зоне пласта между

забоем и контуром нагнетания.

Множество исследований направлены на изучение профилей

приемистости в неоднородных по толщине пластах и их зависимости

от давления нагнетания. В этих работах [98, 99] в качестве основных

причин неравномерности распределения расходов воды по толщинам

пластов приводятся различия в фильтрационных свойствах

пропластков и совершенно не уделяется внимание влиянию верти-

кального распределения пластового давления, которое оказывает ог-

ромное влияние на распределение потоков закачиваемой воды по

толщине пласта с изолированными и неизолированными пропласт-

ками. Причем, изначальное различие фильтрационных свойств по

толщине пласта предопределяет дальнейшую динамику распределе-

ния пластового давления, которое в свою очередь будет изменять ха-

рактер распределения потоков закачиваемой воды между пропласт-

ками.

Этот вопрос с позиции теоретического системного подхода также

рассмотрен в данной работе, причем, с позиции моделирования гид-

росистем ППД (см. главу 4).

При проектировании наземной части систем ППД давление на-

гнетания должно выбираться исходя из энергетического состояния

заводняемых пластов, а также их гидродинамических характеристик.

Однако, как отмечалось выше, давление нагнетания формируется в

результате взаимодействия наземной и подземной частей гидро-

системы и поэтому не может быть просто «назначено». В данной ра-

боте предлагается моделировать наземную часть гидросистем ППД

совместно со скважинами и зонами их гидродинамического воздей-

ствия на пласт. Этот подход является более универсальным, так как

дает возможность создания «эксплуатационной» и адекватной «про-

ектной» имитационной модели, что позволяет по-новому взглянуть

на проблему управления системами ППД.

Уточняя вышесказанное, следует конкретизировать основные це-

ли управления системами ППД.

1. Обеспечение такого комплексного режима работы, при котором

расход воды в каждую нагнетательную скважину соответствовал бы

установленному технологией заводнения уровню.

2. Подбор оптимальной структуры, при которой совместно с вы-

полнением п. 1 выполнялось бы условие минимальных энергетических

затрат на эксплуатацию системы.

3. Обеспечение давлений на забоях нагнетательных скважин, не

ревышающих критические величины, для предотвращения непредви-

денных гидроразрывов заводняемых пластов с последующими проры-

вами воды в добывающие скважины.

В процессе достижения этих целей зачастую приходится решать

следующие задачи.

Управление режимами нагнетания воды:

а) включение/отключение одной или группы;

б) установка/смена штуцера для каждой нагнетательной сква-

жины на блоках гребенок;

в) ус

тановка регуляторов расхода.

Регулировка режимов работы насосных агрегатов:

а) включение и отключение насосных агрегатов;

б) замена насосных агрегатов;

в) неполное открытие пусковых и других задвижек.

Изменение структуры ТГС:

а) установка «лупингов», «байпасов»;

б) подключение новых ДНС/КНС;

в) прокладка новых трубопроводов;

г) ввод новых скважин.

Решение поставленных задач составляет о

пределенные трудности,

связанные с особенностью поведения сложных систем, описанных

выше. Приведем несколько фактических задач, постоянно возникаю-

щих при регулировании гидросистем ППД.

В процессе эксплуатации Мортымья-Тетеревского месторождения

возникла необходимость снижения расхода воды в нагнетательной

скважине 6841 в 2.1 раза. Для этого было принято решение заменить

штуцер с 18 мм до 10 мм. В результате приемистость дан

ной скважи-

ны упала не в 2.1, а в 1.6 раза, а приемистость соседней (по блоку гре-

бенки) с ней скважины 6970 выросла в 1.33 раза. Вполне понятно, что

новое значение диаметра штуцера выбиралось, строго говоря, априор-

но или интуитивно.

При расширении структуры системы ППД того же Мортымья-

Тетеревского месторождения постепенно подключались группы нагне-

тательных скважин, и, естественно, режим работы ТГС нарушался: ве-

личины приемистостей старых скважин падали, что требовало ус

та-

новки дополнительных насосов на КНС. Мощности вводимых в струк-

туру ТГС насосов выбирались довольно грубо (с большим запасом), и,

как следствие, для наиболее близких к КНС скважин возникла необхо-

димость в установке гребеночных штуцеров меньшего сечения. Далее

при вводе новых групп нагнетательных скважин диаметры старых

штуцеров не изменялись. В р

езультате постепенно назревала ситуация

чрезмерного дросселирования потока, а следовательно, и снижения

к.п.д. системы в целом.

Коэффициенты приемистости нагнетательных скважин обычно из-

меняются с течением времени, что также ведет к постоянному измене-

нию параметров системы и требует соответствующего вмешательства.

Помимо этого существует необходимость в изменении структуры на-

земной части посредством прок

ладки дополнительных трубопроводов,

что также приводит к серьезным изменениям гидравлических пара-

метров системы.

Все это указывает на необходимость решения задач планирования

мероприятий по управлению гидросистемами ППД посредством изме-

нения структуры и технических свойств элементов в системном кон-

тексте. Это возможно только при условии использования созданной

модели, которая при изменении исходных п

араметров гидросистемы

позволяла бы прогнозировать комплексный режим ее работы.

Для адекватной постановки основной цели и задач моделирования

гидросистем ППД необходимо, во-первых, оценить научные разработ-

ки в области моделирования гидросистем, во-вторых, провести под-

робный системный анализ существующих ТГС, включающий выявле-

ние закономерностей их построения, характеристики элементов, из

которых они состоят, а также свойства конкретных устройств, пред-

ставляющих эти элементы. Последнее рассматривается в третьей гла-

ве, посвященной системному и объектному анализу ТГС.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК МЕТОД ПРИНЯТИЯ

РЕШЕНИЙ ПРИ УПРАВЛЕНИИ ГИДРОСИСТЕМАМИ

Вначале остановимся на некоторых философских аспектах форми-

рования и применения моделей. В связи с интенсивным развитием

межотраслевых подходов к анализу различного рода процессов все

большее количество публикаций посвящено вопросам, выходящим за

рамки той или иной науки, развитием которой занимаются авторы. Так

уч

еные физики, математики, техники и технологи отмечают факторы

подобия систем и отражают предметы своих исследований в общей

модели строения и развития Вселенной. Такое явление связано с тем,

что в «матери наук» – философии наблюдается серьезный вакуум ис-

следований, отражающих комплексные понятия и принципы строения

Вселенной и методов ее познания.

На данном этапе р

азвития науки необходимо формирование четкой

концепции, которая позволит анализировать природные и техногенные

системы единой методологией. В настоящее время эти цели нашли от-

ражение в таких научных направлениях, как синергетика, симметро-

логия, биниология. Большинство из основ данных научных направле-

ний являются результатами развития философии, математики и физи-

ки.

Так биниология и си

мметрология фактически являются результа-

тами развития и «перерождения» множества восточных и европейских

эзотерических и философских учений (в частности, диалектики), но

не смотря на очевидную наследственность в идейных основах, данные

научные направления существенно уточняют старые учения. Действи-

тельно, строгий логический взгляд на широкий спектр систем дает су-

щественно больше ответов, чем многочисленные фи

лософские учения,

идеи которых зачастую ведут к неопределенностям в картине ком-

плексного мировоззрения, вследствие большой концентрации на дета-

лях во множестве однотипных идеологий и, в большинстве случаев, на

описании различных культур в историко-социологическом контексте.

Автором данной работы была сделана попытка формирования прин-

ципов развития техногенных систем в статье [131].

Рассмотрение пр

иродных и техногенных систем в едином методо-

логическом контексте должно дать уникальный инструмент для по-

строения моделей произвольных систем и, тем самым, способствовать

интеграции всех научных исследований в комплексной гармоничной

картине строения, развития и познания природы.

2.1. Общие понятия систем и их моделей

За последние 50 лет понятия модели и моделирования становятся

все чаще употребляемыми, в результате чего создается впечатление

новизны в анализе различного рода процессов. Однако, моделирование

не является новым методом познания, а изначально заложено в созна-

нии любого исследователя и, по большей части любого живого суще-

ства. Рассмотрим основные понятия и принципы формирования мод

е-

лей.

Для начала дадим определения понятию система. Известно, что все

объекты Вселенной взаимосвязаны, однако, при исследовании той или

иной системы необходимо четкое выделение ее из общей массы объек-

тов. В связи с этим необходим некий критерий, по которому можно

выделить систему из общей массы систем. Такой критерий будем на-

зыват

ь признаком системы.

Признак системы – это наличие комплекса свойств элементов, оп-

ределяющих их наблюдаемую взаимосвязь. Таким образом, если ка-

кие-либо свойства каждого объекта во множестве зависят от свойств

остальных объектов этого множества, то эти объекты принадлежат

одной системе и являются ее элементами. Естественно, в объектах мо-

гут и не наблюдаться ил

и не рассматриваться свойства, связывающие

их с множеством других объектов, которые принадлежат другой сис-

теме.

В качестве примера можно выделить в гидросистемах свойства по-

тока текучей среды: расход, давление, температура, обуславливающие

взаимосвязь между элементами системы.

После выделения признака системы можно дать более четкое опре-

деление самой системы. Система – некоторое множество эл

ементов

(объектов), свойства которых связаны признаком системы.

Порядок и схема взаимосвязи свойств элементов системы опреде-

ляется структурой системы. Определение структуры позже раскроем

более подробно. Итак, перейдем к понятиям модели и моделирования.

Известный и весьма «затасканный» термин «моделирование» за-

частую имеет двоякий смысл: во-первых, это формирование моделей, а

во-вторых, ис

пользование этих моделей. Это зачастую вызывает не-

правомерное приравнивание этих понятий. Например, когда в научных

работах (чаще в диссертациях) упоминается о создании моделей, на

поверку оказывается, что авторами использовались и были лишь адап-

тированы (т.е. внесены исходные данные) известные модели.

Основной целью построения модели является отражение какой-

либо системы по комплексу наблюдаемых показателей, которые отно-

сятся к свойствам, связанным признаком системы. Наблюдаемыми по-

казателями могут быть, как физические величины, описывающие про-

цессы, протекающие в системе, так и ощущения, вызванные в резуль-

тате взаимодействия центральной нервной системы с наблюдаемой

системой.

Фактически, на

чалом мотиваций к построению моделей является

подражание, вызванное стремлением живых существ к адаптации, т.е.

выживанию. Далее у человека это выросло в тенденции к живописи и

любым видам творчества. Моделирование есть процесс, сопутствую-

щий жизненному циклу всего существующего во Вселенной, и являет-

ся основным инструментом ее развития.

С целью адаптации к внеш

ним факторам природы живые существа

(возможно, и так называемые неживые) в течение жизни накапливают

и формализуют знания с целью выживания. Знания эти формализуют-

ся в сознании в виде представлений об окружающих объектах и их по-

ведении, интегрируясь в мировоззрение.

Наиболее базовыми элементами мировоззрения являются языковые

элементы. Например, подумав или сказав ка

кое-либо существительное,

вы представляете соответствующий ему объект, внешний облик (фор-

му) и его типовые действия. Углубляясь в цепочку мыслей о данном

объекте, вы вспоминаете все больше деталей его строения. Таким об-

разом, языковой элемент – существительное – есть модель реального

объективного объекта. То же самое касается глаголов – моделей дей-

ствий. Комплекс язык

овых объектов складывается из трех основных

элементов: существительное, глагол и прилагательное. Этих элементов

достаточно для полноценной передачи информации и формирования

субъективных или объективных моделей. Если говорить о конкретном

языке, т.е. не о языке, как об инструменте передачи информации и

формализации знания, а об агрегоре культуры народа, то следует отме-

тить, чт

о язык является комплексом стереотипов, т.е. базовых знаний.

Итак, язык это система элементов – символов, каждый из которых

является моделью объектов, систем, событий или ощущений. Каждый

символ языка определяется группой других символов таким образом,

что если попытаться дать четкое определение каждому из них, то

можно потеряться в цепочках требуемых определений.

Дл

я построения комплексных наиболее универсальных моделей и

научных теорий необходимо добиваться максимально точных опреде-

лений, используя наиболее фундаментальные символы (термины, ко-