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

641

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты исследований, отраженных в данной работе, позволяют

сделать следующие важные выводы.

Текущее состояние в методах контроля и управления системами

ППД потребовалого создания математико-численной универсальной

модели, вычислительные эксперименты над которой, а также решение

смежных задач управления с ее помощью, позволят существенным

образом повысить качество контроля и управления этими системами, а

та

кже повысить эффективность внедрения систем разработки, исполь-

зующих в качестве воздействия на месторождение систему заводне-

ния.

Используя некоторые результаты исследований и наработки в об-

ласти моделирования подобных системам ППД технических гидросис-

тем водоснабжения, газосбора, нефтесбора и т.п., автором создана

наиболее универсальная модель технических гидросистем, отражаю-

щая системный подход в к

лассификационном анализе и математиче-

ском описании наиболее весомых физических процессов: процессов

установившегося и неустановившегося изотермического и неизотер-

мического течения сжимаемой жидкости в гидросистемах, произволь-

ных по структуре и свойствам элементов. Основными преимущества-

ми созданной модели являются учет аварийных ситуаций, перемерза-

ния участков системы, теплопередачи, изменения свойств жидкости в

зависимости от гидравлических реж

имов, эксплуатационных динами-

ческих показателей автоматических гидравлических регуляторов,

скважин, заводняющих более одного пласта, негерметичностей ко-

лонн, водозаборных скважин с детальным отражением их эксплуата-

ционных характеристик.

Основной целью созданной модели является имитация произволь-

ных гидросистем ППД в зависимости от распределения технических

(для устройств наземной части и оборудования скважин) и природных

свойств (дл

я зон воздействия скважин) элементов.

В процессе развития модели создана модель гидросистемы продук-

тивных пластов, отличающаяся от аналогов математическим описани-

ем процессов деформации пласта, факторов трещинообразования и

материального баланса. Модель учитывает изменение фильтрационно-

емкостных свойств пластов системы от давления и возможного обра-

зования трещин. Недостатком модели является отсутствие явного уче-

та вл

ияния газа на фильтрационные процессы. Модель отличается от

аналогов также тем, что не ограничивает количество элементов, на

642

которые разделяются пласты динамической памятью ЭВМ, так как

используется иная схема сведения материального баланса.

Созданные модели технической гидросистемы и системы продук-

тивных пластов объединены в единую модель систем ППД, отражаю-

щую гидросистему – «наземная часть – нагнетательные скважины –

пласты – добывающие скважины».

Для адаптации созданных моделей предложен ряд методов интер-

поляции для геологических мод

елей, анализа фактических режимов

работы нагнетательных скважин и оценки состояния трубопроводов и

насосных агрегатов.

В ходе исследований, основывающихся на вычислительных экспе-

риментах над моделями, выявлен ряд особенностей эксплуатации сис-

тем ППД, из которых наиболее интересными являются факторы

управляемости и техногенного воздействия систем ППД на гидросис-

тему продуктивных пластов. В частности, выявлено, чт

о системы ППД

хорошо управляемы посредством дросселирования штуцерами и гид-

равлическими регуляторами, а также посредством корректирования

гидравлических характеристик насосных агрегатов на кустовых насос-

ных станциях, что позволяет оптимизировать системы ППД посредст-

вом подбора штуцеров и характеристик КНС исходя из максимизации

к.п.д. системы и минимизации отклонений текущих приемистостей

нагнетательных ск

важин от требуемых по технологии заводнения. Для

решения данной задачи предложены три метода достижения опти-

мального состояния систем ППД, которые применимы в зависимости

от характера требуемой оптимизации и возможностей ЭВМ.

Приведенные в работе примеры вычислительных экспериментов

над моделью гидросистем продуктивных пластов показывают, что

наиболее негативным фактором техногенного влияния систем ППД на

си

стему продуктивных пластов является образование трещин в зонах

нагнетания и последующее их развитие в область отбора, способст-

вующее быстрому обводнению добывающих скважин. Так выявлено,

что возникновение трещин в околозабойных зонах нагнетательных

скважин практически неизбежно при соблюдении баланса отбора и

закачки, когда на одну нагнетательную скважину приходится более 1–

2 добывающих. Однако, это являе

тся допустимым и не приводит к

прорыву трещин и воды в добывающие скважины при своевременном

запуске нагнетательных. На примерах показано, что наиболее благо-

приятным условием развития трещин является пуск нагнетательных

скважин к моменту формирования зон низкого пластового давления на

расстоянии менее 300–350 м от забоя нагнетательной скважины. Фор-

643

мирование зон низкого пластового давления в достаточной для разви-

тия трещин близости от намеченного забоя нагнетательной скважины

происходит при работе добывающих скважин на расстоянии менее 800

м с толщиной пласта менее 20 м и дебитом 200–400 т/сут в течение

порядка 1–1.5 лет. После пуска нагнетательной скважины через 1–1.5

лет развитие трещин происходит в три фазы:

1 – образование трещин

в зоне воздействия нагнетательной скважины на расстояние порядка

200 м в течение 10–100 сут; 2 – резкий рост трещин в направлении зон

с низким давлением через 200–300 сут после пуска; 3 – прорыв трещин

в добывающую(ие) скважины через 350–500 сут, сопровождающийся

дестабилизацией дебитов и забойных давлений в течение 50 – 70 сут с

одновременным резким ростом обводненности.

В раб

оте большая часть отводится математическому описанию за-

дач, а также методам их решения. Подытожим основные аспекты уни-

версального моделирования гидросистем.

В работе предложен новый комплексный подход к моделированию

технических гидросистем со сложной структурой, который включает:

− адекватный системный анализ структур гидросистем, основан-

ный на выделении составляющих их устройств на элементы, ко-

орый позволяет отражать реальные физические структуры гид-

равлических систем «так, как они есть» без фиктивного зацик-

ливания, которое в существующей на данный момент теории

отражает зачастую фиктивный процесс круговорота текучих

сред;

− вследствие нового анализа структур изменяется понятие «кон-

тура», которое в незацикленных схемах отражает пути течения

среды от одного на

копителя текучей среды к другому;

− математическое свойство активности узла, отражающее в соот-

ветствии с физической сущностью модели объектов-узлов – ак-

тивный узел, из которого (или в который) может осуществ-

ляться приток в систему, причем с заранее неизвестным расхо-

дом;

− система уравнений, отражающая потокораспределение, изменя-

ется: баланс потоков в уз

лах не включает в себя фиктивных рас-

ходов; энергетический баланс записывается не для замкнутого

контура по правилу Кирхгофа, а для пути;

− универсальный подход к гидравлическому моделированию эле-

ментов гидросистем, отражающий полномерный характер воз-

действия их на систему, т.е. использование полных гидравличе-

644

ских характеристик, являющихся отражением воздействия эле-

мента на систему во всем спектре расходов и давлений;

− теоретическое обоснование моделей скважин с различными

структурами, способами эксплуатации и возможными осложне-

ниями;

− теоретическое обоснование модели скважины, эксплуатирую-

щей одновременно несколько пластов;

− понятие «обобщенных индикаторных линий», отражающих со-

вместное заводнение нескольких пластов в одн

ой скважине;

− гидравлические модели элементов, ранее адекватно не модели-

руемые в теории гидравлических цепей: обратные клапаны,

гидравлические регуляторы;

− учет теплопередачи между жидкостью системы и внешней сре-

дой, которая может быть описана функциональным или табули-

рованным распределением температуры внешней среды по дли-

не элементов;

− учет термогидравлического перехода, обусловленного соп

ро-

тивлением трубопроводов, штуцеров, запорной арматуры и ра-

ботой насосных агрегатов;

− учет перемерзания участков гидросистемы и соответствующего

ему потокораспределения;

− учет изменения свойств жидкости в гидросистеме от давления и

температуры, обусловленного рассчитываемым потокораспре-

делением и заданным распределением температуры внешней

среды;

Таким образом, созданная модель систем ППД позволяет:

− имитировать лю

бые технические гидравлические системы ППД;

− предопределять потокораспределение гидросистем ППД с про-

извольной структурой и свойствами элементов;

− имитировать практически любые производственно-эксплу-

атационные ситуации, отражаемые в распределении гидравли-

ческих и тепловых параметров потока в элементах системы;

− оптимизировать структуру систем ППД посредством анализа

результатов вычислительных экспериментов;

− оптимизировать технические характеристики эл

ементов, исходя

из соблюдения технологических и эксплуатационных условий;

− отражать динамическое распределение фильтрационно-

емкостных свойств пластовой и технической гидросистемы;

− планировать мероприятия по реконструкции систем ППД в про-

645

цессе развития системы разработки и соответствующей ей сис-

темы заводнения.

В рамках проведенного системного анализа сделано следующее:

− установлено положение систем ППД в общей массе техниче-

ских гидросистем: предложена искусственная классификация,

разделяющая гидросистемы по критерию назначения на 11 ос-

новных категорий;

− усовершенствованы естественные классификации аппаратов по

сообщению гидравлической энергии и устройств по упр

авлению

потоком текучей среды;

− предложены классификации накопителей текучей среды и кана-

лов связи;

− предложена классификация элементов, составляющих все гид-

росистемы.

В ходе алгоритмизации модели ТГС реализован программный рас-

четный комплекс:

− предложены алгоритмы систематизации и обработки исходных

и выходных данных модели;

− предложены методы решения систем нелинейных у

равнений

для наиболее жестких условий – «негладкости», возможной не-

определимости на всей числовой оси, несимметричности (не-

четности) функций замыкающих отношений и их производных;

− предложены алгоритмы и методы решения задачи комплексного

потоко- и термораспределения в произвольных технических

гидросистемах с установившимся течением;

− предложен алгоритм поиска системы путей, исходя из адекват-

ности результирующей м

атрицы путей – В;

− предложены методы решения задач автоматической оптимиза-

ции: выбора диаметров штуцеров и характеристик КНС соглас-

но номинальным приемистостям скважин и максимизации к.п.д.

системы;

− предложен порядок расчета комплексных энергетических пока-

зателей технических гидросистем: к.п.д. сети, к.п.д. гидросис-

темы и полный к.п.д. гидросистемы;

− разраб

отан новый метод решения систем нелинейных уравне-

ний, который позволяет решить задачу потокораспределения в

постановках методов «путевой» и «узловой» увязки при любых

граничных условиях и замыкающих отношениях.

646

Учитывая решающую значимость точности рабочих характеристик

насосных агрегатов для модели технических гидросистем, предложен

косвенный метод снятия рабочих характеристик, основанный на зако-

нах подобия: пересчета модельных характеристик в натурные с обос-

нованием коэффициентов, устанавливающих соотношения к.п.д. мо-

дельного и натурного насосов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ И АББРЕВИАТУР

АП – аппараты поглощения эн

ергии текучей среды

АПГ – аппараты поглощения гидравлической энергии потока

АПТ – аппараты поглощения тепловой энергии текучей среды

АС – аппараты сообщения энергии текучей среде

АСГ – аппараты сообщения гидравлической энергии потоку

АСДУ – автоматизированные системы диспетчерского управления

АСП – аппараты сообщения и поглощения энергии текучей среды

АСПР – автоматизированные системы плановых расчетов

АСТ – аппараты сообщения тепловой энергии те

кучей среде

БСЭ – большая советская энциклопедия

ВС – водоснабжение

ВСС – водоснабжающие системы

г.ц. – гидравлическая цепь

ГДИ – гидродинамические исследования

ГИС – геофизические исследования

ГПП – гидросистема продуктивных пластов

ГТ – гидротермический переход

ГНТС – герметичные накопители текучей среды

ДЗП – дренируемая зона пласта

ДНС – дожимная насосная станция

ЗА – запорная арматура

ЗВС – зона воздействия скважины на пласт

ЗНП – зон

а нагнетания пласта

ЗОМС – замыкающее отношение многопластовой скважины

ЗЭЗ – задвижка с эластичным запирающим элементом

КВД – кривая восстановления давления

КОП – клапан обратный поворотный

КПР – комплексное потокораспределение

КИД – кривая изменения давления

КМС – коэффициент местного сопротивления

КНС – кустовая насосная станция

КОЭЗ – клапан с эластичным запирающим элементом

647

к.п.д. – коэффициент полезного действия

КПД – кривая падения давления

КС – каналы связи

МТГС – модель технической гидравлической системы

МГС – модель гидравлической системы

ННТС – негерметичные накопители текучей среды

НС – насосная станция

НТС – накопители текучей среды

ОИЛ – обобщенная индикаторная линия

ПИЛ – полная индикаторная линия

ПЗП – призабойная зона скважины

ППД – поддержание пластового давления

ПР – пр

иборы для регистрации параметров потока текучей среды

ПРК – программный расчетный комплекс

РД – регуляторы давления

РР – регуляторы расхода

САПР – системы автоматизированного проектирования и расчетов

СЛАУ – система линейных алгебраических уравнений

СО – сепаратор-отстойник

СР – среда разработчика

СС – сеноманские скважины

СЭИ – Сибирский энергетический институт

ТА – трубопроводная арматура

ТГС – технические гидравлические системы

ТГЦ – теория ги

дравлических цепей

ТПП – территориальное производственное предприятие

ТПС – трубопроводная система

ТС – технические системы/текучая среда (в зависимости от контекста)

ТСС – теплоснабжающие системы

ТССА – теория систем и системного анализа

УД – участок добычи

УН – устройства по изменению направления потока текучей среды

УП – устройства по изменению параметров потока текучей среды

УУ – устройства по управлению потоком те

кучей среды

ЦНС – центробежный насос секционный

ШСНУ – штанговая скважинная насосная установка

ЭВМ – электронно-вычислительная машина

ЭЦН – электроцентробежный насос (обычно погружной)

ЦБПО – центральная база производственного обслуживания

ЦНС – центробежный насос секционный

648

Классификация АСГ:

АСГ

– насосы вытеснения (силового действия);

АСГ

– скоростные насосы (кинетического действия);

АСГ

ВТ,

АСГ

СТ,

– насосы вытеснения/скоростные с твердым актив-

ным элементом;

АСГ

ВФ,

АСГ

СФ,

– насосы вытеснения/скоростные с активным эле-

ментом в виде текучей среды;

АСГ

СЭ

– скоростные насосы с активным элементом в виде электро-

магнитного поля (плазменные и для перекачки расплавленных метал-

лов);

АСГ

СТО

– скоростные насосы с твердым активным элементом с осе-

вым движением перекачиваемой текучей среды (осевые, пропеллерные

насосы и компрессоры);

АСГ

СТР

– скоростные насосы с твердым активным элементом с ра-

диальным движением перекачиваемой текучей среды (центробежные

насосы и компрессоры);

АСГ

СТС

– скоростные насосы с твердым активным элементом со

сложным движением перекачиваемой текучей среды (диагональные,

вихревые насосы);

АСГ

СФИ,

АСГ

СФЭ,

– насосы скоростные с активным элементом в виде

текучей среды: инжекторы и эжекторы (струйные насосы, газлифтные

установки);

АСГ

СФИЖ,

АСГ

СФИГ,

– насосы скоростные с активным элементом в

виде текучей среды – инжекторы для перекачки жидкости и газа, соот-

ветственно;

АСГ

СФЭЖ,

АСГ

СФЭГ,

– насосы скоростные с активным элементом в

виде текучей среды – эжекторы для перекачки жидкости и газа, соот-

ветственно;

АСГ

ВТР,

АСГ

ВФР

– насосы вытеснения с твердым и текучим актив-

ным элементом с разобщающимися приемной и выкидной частями

(поршневые, шестеренные, винтовые насосы);

АСГ

ВТН,

АСГ

ВФН

– насосы вытеснения с твердым и текучим актив-

ным элементом с неразобщающимися приемной и выкидной частями

(шламовый насос, насос Монжю);

АСГ

ВТРК,

АСГ

ВФРК

– насосы вытеснения с твердым и текучим ак-

тивным элементом с разобщающимися приемной и выкидной частями

с клапанным механизмом (поршневые и плунжерные насосы, буровой

насос Стрекалова В.Е.);

649

АСГ

ВТРБ,

АСГ

ВФРБ

– насосы вытеснения с твердым и текучим ак-

тивным элементом с неразобщающимися приемной и выкидной частя-

ми без клапанного механизма (шестеренные, винтовые, аксиально-

поршенковые насосы).

Классификация каналов связи (КС):

КС

Классификация устройств по управлению потоком (УУ):

О – открытые каналы связи; З – закрытые каналы связи

Д – деформируемые; Н – недеформируемые

Е – естественная изолирующая система; И – искусственная

изолирующая система

650

1. Абрамов Н.Н. Графические методы расчета водопроводных систем. – М.: Нарком-

хоз РСФСР, 1946. 136 с.

2. Алихашкин Я. И., Юшкин А.Р. Применение ЭВМ для гидравлических расчетов

водопроводных сетей. – Городское хозяйство Москвы, 1960, № 11, с. 17–18.

3. Вишневский К. П. Механизация расчета кольцевых водопроводных сетей. – Во-

доснабжение и санитарная техника, 1961, № 4, с. 20–24.

4. Скрипник В.Ф., Такайшвили М. К., Толмачева Н.И. Типовые программы для рас-

четов сложных гидравлических цепей. – В кн.: Методы мат. моделирования и использо-

вания ЭВМ в энергетике: Тез. докл. науч. сессии. – Иркутск: Иркут. кн. изд-во, 1963, с.

101–104.

5. Толмачева Н.И., Хасилев В.Я. Программа расчета многокольцевых гид-

равлических сетей увязочным методом. – М. ГИПРОТИС Госстроя СССР, 1965, вып. 1–

4. 21 с.

6. Хасилев В.Я., Светлов К.С., Такайшвили М.К. Метод контурных расходов для

расчета гидравлических цепей. – Иркутск, Москва: СЭИ СО – ВИНИТИ АН СССР,

1968, № 339-68 деп. 110 с.

7. Койда Н.У. Гидравлический расчет кольцевых трубопроводов методом сечений. –

Теплоэнергетика, 1962, №9, с. 66–68.

8. Минский ЕМ., Максимов Ю.И. Основы расчета сложных газосборных сетей на

ЭВМ. – Газовая промышленность, 1962, № 10, с. 9–12.

9. Минский Е.М., Максимов Ю.И. Универсальная программа для расчета работы

систем «пласт–скважины–газосборная сеть». – Газовая промышленность, 1964, № 10,

с.5–7.

10. Васильченко М.П. Расчет кольцевых водопроводных сетей путем нахождения

полных поправочных расходов. – Изв. вузов. Строительство и архитектура, 1964, № 6,

с.80–90.

11. Блан А. Е. Универсальный метод гидравлического увязочного расчета кольцевых

водопроводных сетей. – Изв. вузов. Строительство и архитектура, 1964, №4, с. 69–73.

12. Меренков А.П., Хасилев В.Я. «Теория гидравлических цепей». – Н.,1985, 276 с.

13. Абрамов Н.Н. Теория и методика расчета систем подачи и распределения воды. –

М.: Стройиздат, 1972. 288 с.

14. Гончуков В.З., Крумм Л.А., Руденко Ю.Н. и др.; под ред. Совалова С.А. Автома-

тизация управления энергообъединениями. – М.: Энергия, 1979, 43–71 с.

15. Сумароков С.В. Математическое моделирование систем водоснабжения. – Ново-

сибирск: Наука, 1983.

16. Меренков А.П., Сумароков С.В., Мурашкин Г.Н., Чупин B.Г. Математическое

описание систем многопрофильных каналов и методы их оптимизации. – Гидротехниче-

ское строительство, 1983, № 4, с. 33–35.

17. Сумароков С.В., Чупин В.Р. О применении методов теории гидравлических цепей

для оптимального проектирования каналов переброски вод. – В кн.: Системы энергетики

– тенденции развития и методы управления. – Иркутск: СЭИ СО АН СССР, 1980, т. 1.

с. 216–223.

18. Чупин В.Р. Методы схемно-структурной оптимизации систем многопрофильных

каналов. – В кн.: Численные методы оптимизации и их приложения. – Иркутск: СЭИ СО

АН СССР, 1981, с. 160–174.

19. Светлов К.С. Расчет воздухообмена в многоэтажных зданиях с использованием

ЭВМ. – Водоснабжение и сан. техника, 1966, № 11, с. 28–31.

20. Светлов К.С. О применении ЭЦВМ для расчета воздухообмена и аэрации зданий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

Подождите немного. Документ загружается.