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

Подождите немного. Документ загружается.

541

Для предложенной модели ГПП важным фактором возможности и

точности расчета является выбор оптимального соотношения между

приращением времени Δ

t, минимальным объемом ячейки V

min

и мак-

симальной приемистостью

max

. В результате проведения ряда вы-

числительных экспериментов автором получена следующая зависи-

мость, определяющая приращение времени Δ

t от перечисленных па-

раметров:

max

min

t =Δ

где

min

– минимальный объем ячейки в модели ГПП, м

;

max

– максимальная приемистость нагнетательной скважины,

/сут;

– параметр точности, находящийся в пределах [10

-4

, 10

–2

который должен быть тем меньше, чем больше требуемая

точность.

В авторском ПРК Hydra’Sym предусмотрена возможность автома-

тической коррекции приращения времени исходя из соблюдения ма-

териального баланса: массы компонентов в ячейке должны всегда

быть больше нуля. В том числе, при достаточно больших величинах

t расчетное давление в ячейке, согласно деформации породы и на-

сыщающих ее компонентов, может оказаться меньше нуля, что долж-

но корректироваться приращением Δ

t в меньшую сторону с запасом в

делителе приращения, равным 10 –

старое

новое

=Δ

. Величина Δt

варьируется в широких пределах: от 0.00001 до 5 сут и зависит от

требуемой точности и детализации моделируемых процессов.

Размеры ячеек должны выбираться исходя из необходимости дета-

лизации фильтрационных и деформационных процессов. В частности,

при учете фактора трещинообразования коэффициенты

, А

, D

)(S

должны выбираться исходя из размеров ячеек. В данной работе

не рассматривается вопрос теоретического определения данных ко-

эффициентов, однако, в ходе дальнейших исследований и возможных

подтверждений предложенной здесь гипотезы о формировании тре-

щин такие расчеты будут разработаны.

542

ГЛАВА 6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛИ ГИДРОСИСТЕМ ДЛЯ

УПРАВЛЕНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМ ПОДДЕРЖАНИЯ

ПЛАСТОВОГО ДАВЛЕНИЯ

В процессе эксплуатации гидросистем ППД возникает ряд эксплуа-

тационных задач, решение которых без системного подхода к анализу

состояния гидросистемы не может быть адекватным требованиям эф-

фективного управления. Описанная модель ТГС имитирует поведение

реальных гидросистем с произвольной структурой и те

хническими по-

казателями составляющих их элементов. Данная модель и реализую-

щий ее программный комплекс ориентированы на расчет гидравличе-

ских параметров потока в гидросистемах ППД и относятся к моделям

гидросистем неизотермического течения сжимаемой однофазной теку-

чей среды в условиях ее установившегося течения в наземной сети и

неустановившегося изотермического течения двухфазной текучей сре-

ды в ГПП.

Ка

к уже упоминалось в четвертой и пятой главах, модель ТГС воз-

можно использовать совместно или раздельно с моделью ГПП в зави-

симости от характера решаемых задач: для оптимального управления

наземным оборудованием гидросистемы модель ТГС можно использо-

вать отдельно, а для оптимального управления системой заводнения

лучше использовать совместно с мод

елью ГПП. Для начала рассмот-

рим использование модели ТГС отдельно от модели ГПП с целью опи-

сания основных свойств и возможностей МТГС.

6.1. Использование модели технических гидросистем

Суть имитации систем ППД, включающей наземное и подземное

оборудование, а также ЗВС состоит в определении расходов, давлений,

температур, вязкостей и плотностей воды в звеньях и узлах модели,

при этом дополнительно определяется, во-первых, множество детали-

зующих процесс параметров, которые характеризуют эксплуатацион-

ные свойства элементов, а во-вторых, обще-энергетические свойства

всей г

идросистемы. Такое моделирование позволяет полномерно

контролировать параметры потока жидкости в реальной гидросистеме.

Помимо контроля над параметрами потока жидкости, данная модель

позволяет модифицировать группы или отдельные показатели элемен-

тов, структуру системы локально или в целом, а в результате расчета

(комплексного потокораспределения) определять прогнозные расходы,

давления, температуры и свойства жидкости во всей уж

е измененной

системе. Т.е. модель позволяет прогнозировать изменение распределе-

543

ния параметров текучей среды в ТГС при изменении тех-показателей

ее элементов посредством вычислительного эксперимента. Таким об-

разом, данная модель является универсальным инструментом не толь-

ко для контроля, но и для управления такими гидросистемами. Опи-

шем основные свойства и возможности МТГС. Модель ТГС позволяет:

1. Проводить сетевое гидравлическое проектирование новых гид-

роси

стем ППД.

2. Определять распределенные гидравлические и тепловые пара-

метры потоков жидкости в существующих системах ППД.

3. Прогнозировать изменение гидравлических и тепловых парамет-

ров жидкости в существующих системах ППД:

а) при изменении группы или отдельных тех-показателей (тепло-

передачи, температуры окружающей среды, смена труб, задви-

жек, штуцеров, насосов, устьевого оборудования; изменение ко-

эффи

циентов приемистостей, индикаторных линий; подключение

новых пластов; появление утечек и т.п.);

б) при изменении структуры системы (установка дополнитель-

ных насосов, КНС, байпасов, лупингов, клапанов, задвижек, от-

резков труб; подключение новых скважин, НТС и т.п.).

4. Подбирать параметры отдельных объектов системы, исходя из

минимума энергетических затрат и соответствия режимов в др

угих

объектах номинальным значениям.

При этом модель учитывает:

1. Пространственное положение узлов и соответственно звеньев

модели гидросистемы;

а) геометрию стволов скважин;

б) гидростатические перепады;

в) пространственную схематику систем ППД.

2. Характеристики объектов в полном спектре расходов:

а) наличие нерабочих режимов в обратимых АСГ

;

б) возможность перетоков жидкости из скважин с повышенным

пластовым давлением в скважины с более низким давлением

при снижении производительности КНС или порывах.

3. Наличие трех основных режимов течения жидкости в трубах,

стволах скважин и в некоторых устройствах по управлению потоком.

4. Возможность одновременной или выборочной закачки воды по

кольцевому пространству и НКТ в н

агнетательных скважинах.

5. Возможность возникновения аварийных ситуаций:

а) обратное вращение ротора ЦНС при отключении электропи-

тания;

544

б) существенное превышение производительности одного АСГ

над другим, в результате чего в другом возникает поток, обрат-

ный его ориентации или превышающий максимальный расход;

в) отключение группы скважин или части системы;

г) порыв трубопроводов.

6. Многопластовое заводнение, когда одной скважиной вскрыто

более одного пласта с различными гидродинамическими показателя-

ми.

7. Неполное пе

рекрытие потока запорными устройствами.

8. Использование обратных клапанов, причем, адекватно их физи-

ческому воздействию на поток жидкости.

9. Использование регуляторов давления и расхода.

10. Неравномерное распределение температур окружающей среды.

11. Переход гидравлической энергии в тепловую.

12. Сжимаемость текучей среды в пределах от 0–100 МПа.

13. Изменение физических свойств текучей среды от давления и

температуры.

14. П

еремерзание участков ТГС с учетом изменения потокораспре-

деления после перемерзания.

При этом гидравлические модели отдельных элементов: «сква-

жин», «запорной арматуры», «устройств по изменению параметров по-

тока» и других учитывают множество дополнительных факторов, свя-

занных с изменениями в их технических показателях с течением вре-

мени эксплуатации. Как видно, при таких широких возможностях мо-

дель по

зволяет посредством вычислительных экспериментов «проиг-

рывать» (тестировать) различного рода ситуации на виртуальной ко-

пии реальной системы, тем самым сводя к минимуму затраты на ре-

альные эксперименты над ней. Разберем некоторые примеры, демон-

стрирующие работу модели в различных эксплуатационных условиях.

Контроль режимов работы элементов гидросистемы

На рис. 6.1 показана схема мод

ели ТГС, представленная тремя на-

гнетательными скважинами, сетью трубопроводов и КНС. Геометри-

ческое положение звеньев и узлов задано так, чтобы была возмож-

ность просмотра схемы в целом, однако, тех-показатель звеньев –

Length (длина) указан в разумных пределах: для труб КНС – 1.5 м, БГ –

0.5 м, а для остальных трубопроводов от 700–1500 м. У ка

ждого узла

подписан его структурный номер и текущее рассчитанное абсолютное

давление в МПа. Стрелками показаны направления потоков воды. У

некоторых звеньев подписан средний объемный расход по звену. На

545

рис. 6.1 – б показана карта распределения расходов, а на рис. 6.1 – в

карта распределения давлений. Как видно из рис. 6.1 – б распределе-

ние расходов соответствует материальному балансу: расход на линии

подачи равен расходу в линии от КНС до БГ.

Рис. 6.1. Пример модели небольшой ТГС: а – обычный вид; б – карта рас-

пределения расходов, самый темный – 3676.6 м

/сут, самый светлый –

521.4 м

/сут; в – карта распределения давлений: самый темный – 37.1 МПа,

самый светлый – 0.91 МПа

Из рис. 6.1 – в видно, что давление жидкости растет от приема до

выкида первого насоса, затем, вследствие сопротивлений в трубопро-

в)

б)

а)

546

воде, несколько падает. Далее давление вновь наращивается в насосах

КНС, после чего несколько падает к устью скважин и растет вследст-

вие гидростатического перепада, доходя до забоя скважин. Окружно-

стями вокруг скважин обозначены контуры ЗВС. Узел конца звеньев

скважин обозначает буровой забой скважины.

Так как гидравлическая характеристика верхнего насоса КНС вы-

брана с учетом износа на 10%, то наибольший разогрев жидкости про-

исходит именно в нем в соответствии с его к.п.д. (см. рис. 6.2). На рис.

6.3 показана схема потокораспределения в средней скважине, завод-

няющей два пласта. Приемистость скважины 1535 м

/сут разделяется

по пластам в соответствии с давлением на контурах ЗВС, эффектив-

ными толщинами и проницаемостями каждого пласта. В дополнение к

перечисленным параметрам также имеют место различные массовые

расходы, плотности и вязкости жидкости по звеньям и узлам.

На рис. 6.1–6.3 показано расчетное потокораспределение, соответ-

ствующее нормальной работе системы. В частности, для данной си

с-

темы к.п.д. АСГ на кустовой насосной станции равны 9.7, 29.3, 28.8%

(по схеме сверху-вниз), а комплексные показатели приведены

в табл. 6.1.

Рис. 6.2. Карт

распределения

температур: са-

мый темный

–

85.69

С, самый

светлый

–

59.62

547

Рис. 6.3. Схема распределения потоков в скважине между пластами

548

Одним из интересных

моментов моделирования

ТГС является моделирова-

ние нестандартных – ава-

рийных ситуаций. Модели-

рование таких условий ра-

боты ТГС позволит плани-

ровать мероприятия по ре-

конструкции системы и

подбору оборудования,

препятствующие аварий-

ным ситуациям или ниве-

лирующие негативные по-

следствия от возможных

аварий и наличия внерабо-

чих режимов работы гид-

роси

стемы.

Аварийные ситуации

Обратное вращение

ротора ЦНС. Так называе-

мое «обратное вращение»

возникает по двум причи-

нам: с одной стороны, из-за

отключения электропита-

ния насоса, а с другой сто-

роны, из-за несрабатывания

обратного клапана, уста-

навливаемого на выкидной

или приемной линии на-

сосного агрегата. Рассмот-

рим моделирование да

нной ситуации на примере схемы на рис. 6.1 – а

(давления приводятся в МПа, а расходы в м

/сут, эллипсами очерчены

зоны с постоянным пластовым давлением, условные обозначения

звеньев приводятся в главе 5). Как видно из рисунка, данная система

представлена множеством – сетью трубопроводов, тремя скважинами,

одним насосом первого водоподъема, тремя насосами ЦНС–240–1422

и тремя штуцерами. Данная ТГС взята произвольно, т.е. параметры

элементов заданы условно для подчеркивания универсальности моде-

Таблица 6.

1. Комплексные показа-

тели гидросистемы (см. рис. 6.1)

Величина Ед.изм. Значение

кВт 980.44

ц0

кВт 285.84

кВт 2973.26

кВт 752.22

г.н

. кВт 683.64

вх

кВт 42.86

вых

кВт 795.07

гео

кВт 691.45

вх0

кВт 42.86

вых0

кВт 100.48

кВт 329

% 69.15

д.е. 1.16

гс

% 56.07

% 21.44

фг

% 21.2

% 148.7

эфф

д.е. 0.14

∑

тыс.м

/сут 3.67

549

ли. Рассмотрим фрагмент этой схемы в районе установки насосных аг-

регатов сначала на нормальном режиме (см. рис. 6.1– а).

При нормальной совмест-

ной работе трех насосов с

различными производитель-

ностями и «мягкими рабочи-

ми характеристиками» рас-

ход жидкости через них не-

одинаков. Так, в нашем слу-

чае средний и нижний насос

имеют бо

льшую производи-

тельность, поэтому «зажи-

мают» верхний. Давление,

сформированное на выкиде

насосов, практически одина-

ково и равно 15.5 МПа, рас-

ход верхнего насоса состав-

ляет 522.4 м

/сут, среднего –

1595.8 м

/сут, а нижнего –

1567.1 м

/сут. Теперь выклю-

чим электропитание нижнего

насоса (рис. 6.4 – а). Как

видно из схемы, давление на

выкиде насосов снизилось до

15.21 МПа, расход через

верхний насос вырос до

1213.0 м

/сут, а через сред-

ний до 2434.8 м

/сут, т.е.

верхний и средний насосы

освободились от влияния

нижнего. Расход через ниж-

ний насос и прилегающие к

нему звенья (выделены чер-

ным) снизился до 0.0 м

/сут,

т.е. обратный клапан срабо-

тал. Данная ситуация возни-

кает довольно часто в систе-

мах ППД и хотя является

аварийной, но не критична,

так как не приводит к обратному вращению. Рассмотрим случай, когда

а)

б)

Рис. 6.4. Фрагмент схемы ТГС ППД: а

–

аварийный режим (отключение нижнего

насоса, полное срабатывание обратного

клапана); б – аварийный режим (отклю-

чение нижнего насоса, частичное сраба-

тывание обратного клапана «обратное

вращение»)

550

обратный клапан «не срабатывает» (частично перекрывает поток с ко-

эффициентом местного сопротивления –

=10

), что часто происхо-

дит при перекашивании или износе затвора клапана типа КОП, приме-

няемого в системах ППД (см. рис. 6.4 – б).

Как видно из результатов моделирования, направления потоков

резко изменяются: теперь поток верхнего и среднего насосов частично

устремляется в направлении скважин и к нижнему насосу, откуда сно-

ва в приемный коллектор. Таким об

разом, расход через верхний и

средний насосы возрастает, давление в выкидном коллекторе падает до

15.16 МПа, а давление во всасывающем коллекторе незначительно по-

вышается до 0.97 МПа. Т.е. верхний и средний насосы начинают рабо-

тать частично вхолостую, а вал нижнего насоса вследствие обратимо-

сти ЦНС раскручивается в обратную нормальному вращению сторону.

Из эт

ого простого примера видно, что результаты моделирования со-

ответствуют физической сущности рассматриваемого процесса.

Перетоки между скважинами в случае отсечения КНС

Возьмем прежний пример модели ТГС (см. рис. 6.1 – а). При нор-

мальной работе данной системы направление потоков воды со-

ответствует движению от устья к забою скважин, что просто объясня-

ется п

ревышением манометрического давления на устьях над пласто-

выми давлениями, приведенными к поверхности Земли. Как видно из

нанесенных на схеме величин давления и расхода, нагнетательные

скважины работают с относительно высокими расходами при давле-

нии нагнетания около 11.9 МПа. Проследим, что произойдет с систе-

мой, если с помощью задвижки перекрыть выкидной коллектор КНС.

Результаты м

оделирования этой ситуации показаны на рис. 6.5. Как

видно, в данной гидросистеме ППД произошло перераспределение по-

токов жидкости: давление со стороны КНС (на гребенке) снизилось до

3.24 МПа, а на приеме КНС выросло до 2.53 МПа. Расход жидкости в

системе до распределения по скважинам равен нулю, а следовательно,

это давление сформировано под действием по

токов жидкости между

скважинами. Действительно, устьевое давление в нагнетательных

скважинах при отключении АСГ в большинстве случаев будет больше

нуля, что объясняется повышенным пластовым давлением в заводняе-

мых пластах при длительно работающих нагнетательных скважинах

(см. рис. 6.6). В рассматриваемой схеме доминирующим устьевым

давлением является давление в нижней скважине, поэтому поток в ней

из

меняет свое направление на противоположное (т.е. жидкость истека-

ет из скважины) и устремляется в верхнюю и среднюю скважины.