Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время СНГ занимает первое место в мире по объему внедрения и создания разнообразных систем заводнения (законтурное, приконтурное, внутриконтурное, площадное и т.д.). Подсчитано, что увеличение конечной нефтеотдачи месторождений, разрабатываемых методами заводнения (более 80Z всей нефти добывается с помощью этого метода), только на один процент равносильно вводу в действие нескольких крупных месторождении. Поэтому управление процессами заводнения с целью повышения добычи нефти имеет важное теоретическое и актуальное практическое значение.
Обычно при прогнозировании, контроле и регулировании эксплуатации нескольких нефтяных залежей не учитывается влияние технологических режимов эксплуатации разобщенных пластов и скважин. Именно поэтому анализ фактических и прогнозируемых технологических показателей не согласуется с геолого-промысловыми данными. Это различие существенно проявляется при применении внутриконтурного заводнения, так как в этом случае интерференция скважин и пластов в единой гидродинамической системе существенно влияет на динамику продвижения водонефтяных контактов (ВНК). Для получения адекватного описания процесса необходимо разработать методику, позволяющую рассматривать пласт как единую многосвязную гидродинамическую систему управления. Интерес к этой проблеме значительно повысился в связи с появлением новых технологий и методов воздействия на пласт. Существенная роль в этой проблеме отводится автоматизации.
Наиболее сложные и актуальные задачи АСУ ТП добычи нефти связаны -с определением оптимальных режимов работы, порядком ввода в действие и оптимальным размещением скважин,прогнозированием технологических показателей эксплуатации. Указанный комплекс задач отличается в основном тем,что они функционально и информационно связаны с различными иерархическими уровнями управления, и для достижения поставленных целей их необходимо решать в приемлемые сроки.Для автоматизированного получения приемлемых оптимальных решений требуется разработать такие математические модели и программные средства, которые обеспечивали бы интерактивный интерфейс специалиста с ЭВМ в процессе поиска и построения решений на основе накопленных данных и знаний. Система контроля за технологическими процессами и реализация принятых решений должны постоянно адаптировать математические модели решения комплекса задач. Цент-
ральное место в рассматриваемой проблеме занимает вопрос автоматизации процесса прослеживания движения ВНК.
Цель работы: разработка автоматизированной системы прослеживания движения ВНК при динамически изменяющихся входных данных (схемах расстановки скважин, порядка ввода их в действие, изменение режимов работы скважин в широком диапазоне их значений, темпе и величине отбора и нагнетания и т.д.); разработка математических моделей, инвариантных относительно систем заводнения и количества разобщенных однородных и неоднородных замкнутых ограниченных и неограниченных пластов сложной конфигурации, гибко адаптирующихся в процессе эксплуатации месторождений; формулировке критериев оптимального движения ВНК, постановка и решение на их основе оптимальных задач АСУ ТП добычи нефти; разработка и внедрение в ГОСФАП и СМОФАП АСУ ТП типовых унифицированных алгоритмических (АК) и программных (ПК) комплексов, каталогов и библиотек программных средств промышленного назначения, обеспечивающих создание АСУ ТП добычи нефти /на базе наиболее современных и эффективных, с точки зрения реализации на ЭВМ, математических методов, что является ключевым вопросом создания АСУ ТП.
Методы исследований базируются на использовании системного анализа, методов подземной нефтяной гидродинамики, математического моделирования и теории динамических систем многосвязного управления, теории регулирования и оптимального управления технологическими процессами, методов теории потенциала и разностных схем, техники исследований сингулярных интегральных операторов и методов решения операторных уравнений, математического программирования и автоматизированных систем управления.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем.
Получена математическая модель однородных неограниченных пластов, инвариантная относительно технологий заводнения (законтурного, внутри-контурного, приконтурного) и наличия разобщенных месторождений и залежей, связанных единой водонапорной системой, легко и экономично адаптируемая в процессе эксплуатации месторождений (практически приемлемая точность достигается на 4 - 5 дат-замеры).
Разработана новая двухпараметрическая квадратурная формула для вычисления логарифмического потенциала двойного слоя (ЖЩС) в многосвязных областях сложной конфигурации (жордановые кривые), обладающая высокой точностью, экономичностью и эффективностью с точки зрения реализации её на ЭВМ. Она позволяет производить расчеты при дискретном
(построен дискретный оператор ЛПДС и изучены его свойства) задании контуров питания и нефтеносности, сбросов и слабопроницаемых перегородок, что существенно, так как на практике они определяются конечной системой дискретных точек. Доказана сходимость квадратурного процесса и оценена ее систематически появляющаяся погрешность.
Доказано существование и единственность дискретных значений нормальных скоростей движения ВНК. Показана сходимость и оценена погрешность их приближенного нахождения (математически обоснован метод квадратур для приближенного решения граничного интегрального уравнения Фредгольма II рода с дискретным оператором ЛЩС) для любых кривых из рассматриваемого класса (жордановых кривых).
Автоматизирован процесс прослеживания движения ВНК с учетом их автоматического смыкания и размыкания, образования застойных зон нефти и водоплавающих нефтяных целиков в процессе эксплуатации месторождений при различных входных данных (произвольности схем расстановки скважин, изменения режимов работы скважин в широком диапазоне их значений, сложности конфигураций ВНК, темпах и величинах отбора и нагнетания, различных видах промыслового оборудования и т.д.)
Автоматизирован расчет прогнозирования технологических показателей разработки нескольких нефтяных залежей, образованных вследствие размыкания и смыкания ВНК, с использованием аппарата сплайнов.
Предложен новый подход к автоматизации построения карт в нефтепромысловой практике, основанный на применимости фундаментальной теоремы Пуанкаре " О возвращаемости " замкнутой физической системы. Построены карты изобар с учетом возможности использования различных видов картируемой функции.
Сформулированы критерии оптимального движения ВНК, на основе которых поставлены и решены оптимальные задачи АСУ ТП добычи нефти при различных технологиях заводнения однородных неограниченных пластов (определение оптимальных режимов работы добывающих и нагнетательных скважин, порядок ввода их в действие и оптимальное размещение с учетом совокупности планово-экономических, производственно-технологических и фазовых ограничивающих условий). Решение поставленных задач производится по принципу обратной связи через автоматизированную систему прослеживания движения ВНК (например, при найденных оптимальных деби-тах скважин на каждом временном шаге определяются истинные положения ВНК).
Разработаны инвариантные математические модели и автоматизирован-
ная система прослеживания движения ВНК для двух классов задач: эксплуатации нефтяных месторождении при наличии сбросов, непроницаемых стенок (макронеоднородные пласты) и активного водонапорного режима; разработки залежей типа линзы при наличии сбросов или слабопроницаемых перегородок.
Исследована многокритериальность оптимальных задач АСУ ТП добычи нефти и предложен новый подход для получения множества Парето - решений, основанный на применимости теоремы Пуанкаре. Определяются оптимальные дебиты скважин в макронеоднородных замкнутых ограниченных (наличие сбросов и активного водонапорного режима) пластах на основе регулирования ВНК при минимальных энергетических потерях. Решение задач производится по принципу обратной связи.
Разработаны инвариантные математические модели, автоматизированная система прослеживания движения ВНК и эффективные алгоритмы решения оптимальных задач АСУ ТП добычи нефти при различных технологиях заводнения (вода, загущенная различными реагентами) и различных способах воздействия на замкнутые ограниченные и неограниченные однородные и неоднородные пласты (применение различных "валовых нагревателей: "горячая", "холодная" нефть и вода).
Практическая ценность работы. Разработанные АК и ПК (свыше 20) внедрены в ГОСФАП (г. Москва) и СМОФАП АСУ ТП (г. Киев). Включены в состав отраслевых и межотраслевых каталогов и библиотек алгоритмических и программных средств АСУ ТП промышленного назначения, что сделало их доступными для использования в различных отраслях промышленности (акты и протоколы междуведомственных испытаний и сдачи АК и ПК в фонды прилагаются).
Использовались при создании Базовой АСУ ТП и производством в добыче нефти в НГДУ "Азизбековнефть" производственного объединения "Аз-нефть", сданной в промышленную эксплуатацию. Предусматривается использование разработанной методики как типовой при выявлении оптимальных режимов работы скважин в других НГДУ. Акты внедрений прилагаются.
Концепция развития АСУ ТП добычи нефти на базе объектно-ориентированных АРМ в локальных сетях управления, АК и ПК использовались Азерб.НПО "Нефтегазавтомат" при выполнении темы 1776 235460 " Разработка АСУ ТП "Нефть" " (верхний уровень) и при внедрении АРМ диспетчера НГДУ, АРМ геологического отдела, АРМ производственного отдела по добыче нефти в системе ЛВС Уренгойского ПО "Уренгойгазпром", а также внедряются в ПО "Татнефть", Государственной нефтяной компании Азербайджана
(акты внедрений прилагаются).
Используются ЦНИИКА (г. Москва), ВНИИКАНЕФТЕГАЗ (г. Москва), КПКБ АСУ (г. Киев), Нефтихимавтоматика (г. Казань), НИШнефтехимавтомат (г. Сумгаит), Институт проблем глубинных нефтегазовых месторождений АН АР (г. Баку), АзНИПИ по комплексной автоматизации в нефтяной промышленности (г. Баку) при проектировании и модернизации математического и программного обеспечения АСУ ТП добычи нефти.
Разработанные АК и ПК успешно применялись при разработке математического обеспечения АСУ ТП транспортировки нефти и нефтепродуктов в магистральных нефтепродуктопроводах; при математическом моделировании и автоматизированном управлении высокотемпературной плазмой в установках с внешними магнитными источниками типа токамак - реактор ИНТОР и в других компьютерно-управляемых системах.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на V (г. Тбилиси, октябрь 1984), VI (г. Суздаль, март 1990) Всесоюзных совещаниях "Управление мно^освязными системами"; Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы создания и опыт внедрения АСУ в нефтяной, газовой промышленности и развитие геофизического приборостроения" (г. Сумгаит, сентябрь 1985); 2 (г.-Киев, декабрь 1986) Республиканской научно-технической конференции "Интегральные уравнения в прикладном моделировании"; Научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава АТУ им. С.М.Кирова совместно с представителями производственных организаций (г. Баку, февраль 1986 ); ВДНХ СССР (г. Москва, май 1988) "Опыт применения СУБД в АСУ"; Всесоюзной (г.Свердловск, март 1989) научно-технической конференции "Пути совершенствования разработки программных средств и автоматизированных систем"; семинаре (г. Киев, ВДНХ УССР, октябрь 1989) "Технология применения алгоритмических и программных модулей на стадиях проектирования программного обеспечения АСУ ТП"; Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы создания, опыт разработки, внедрения АСУ" (г. Сумгаит, октябрь 1990); 1 (г.Самарканд, октябрь 1990) Всесоюзной школе - семинаре "Современное состояние теории и разработки программного обеспечения систем управления с ЭВМ"; 5 (г. Ленинград, апрель 1991) Ленинградском симпозиуме по теории адаптивных систем "Адаптивные и экспертные системы в управлении ТАС'91"; Всесоюзной (г. Ташкент, апрель 1991) научно-практической конференции "Ученые и специалисты в решении социально-экономических проблем"; 1 (г. Баку, апрель 1991) Республиканской научно-технической конференции по проблемам управления и информатики;
- a -
IX (г. Уфа, март 1991) Республиканской научно-технической конференции "Сбор, подготовка и транспорт нефти и нефтепродуктов"; 7 (г. Казань, май 1991) Всесоюзной конференции "Математические методы в химии -ММХ-7"; 1 (г. Москва, октябрь-ноябрь 1991), 2 (г. Москва, январь 1994) Международных научно-технических конференциях - CPFS International "Актуальные проблемы фундаментальных наук "; The First National Congress on the Development in Collaborations Between Industries and Educational/Research Centres. - July, 1993.-Faculty of Engineering Tabris University, Iran; International Conference of Algebra and analysis in Honour of N.G. CHEBOTAREV (1894-1947), June, 1994, Kazan. - Organized by: Kazan State Univ., Steklov Mathem.Inst., Moscow State Univ.; IFAC/IFIP/IFORS Workshop (2 nd) Intelligent manufacturing systems (IMS'94), June, 1994, Vienna, Austria; в ЦНИИКА (г. Москва), МИЮ "Нефтегазавтоматика" (г. Москва); Институте проблем управления (ИЛУ г. Москва); на факультете ВМ и К МГУ им. М.В. Ломоносова; АзерС.НПО "Неф-тегазавтомат"; Институте проблем глубинных нефтегазовых месторождений АН Азербайджана; АзНИПИ по комплексной автоматизации в нефтяной промышленности; Институте прикладной математике им. И.Н. Векуа ТГУ (г. Тбилиси); БГУ им. М.Э. Расул-заде; Азербайджанской государственной нефтяной академии; Киевском ПКБ АСУ; Институте кибернетики АН Азербайджана; Институте систем управления АН Грузии (ИСУ, г. Тбилиси).
Публикации. По результатам работы опубликовано 58 печатных работ.
Структура и обьем диссертации. Работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий обьем диссертации составляет 381 страниц, в том числе: 206 страниц основного машинописного текста, 44 рисунка, 14 таблиц, список литературы из 238 наименований и 89 страниц приложений.
Разработка математических моделей, АК и ПК проводилась в рамках научно-исследовательских работ по проблеме ГКНТ 0.80.05 задание 19.01 "Разработать и внедрить через ГФАП библиотеки программных модулей сбора и обработки информации, моделирования и управления технологическими процессами в отраслях промышленности", целевой комплексной программы 0.Ц.026 ГКНТ "Разработка отраслевых комплексов алгоритмических и программных модулей 2-ой очереди и библиотеки программных модулей общепромышленного назначения", "Разработать функциональное (прикладное) математическое и программное обеспечение АСУ ТП добычи, транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов" (гос. per. N01812004596), где соискатель являлся научным руководителем работ (задание 03.02.06).
