Содержание к диссертации
Введение
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ КОНСТРУИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОСВОЕНИЯ СКВАЖИНЫ С ПОГРУЖНЫМ НАСОСОМ ПОСЛЕ ГЛУШЕНИЯ 9
1.1. Структура системы управления скважины сУЭЦН 9
1.2. Задачи конструирования и управления скважинной системой с УЭЦН 13
1.3. Анализ процесса принятия решения по оптимизации механизированного фонда с УЭЦН 20
1.3.1. Анализ современных методов и средств конструирования и управления скважинной системой с УЭЦН 23
1.3.2. Выявление доминирующих факторов, осложняющих процесс освоения 25
1.4. Выводы по разделу 26
2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СКВАЖИННОЙ СИСТЕМЫ 27
2.1. Агрегированная гидродинамическая модель скважины 27
2.1.1. Конструкция скважинной системы с УЭЦН 27
2.1.2 Распределение давления в скважинной системе 29
2.1.3. Физическая модель скважинной системы 31
2.1.4. Модель «очистки» призабойной зоны пласта 32
2.1.5. Модель массообменных процессов в скважинной системе35
2.1.6. Статическая модель насоса 36
2.2. Динамическая модель теплообмена в скважине с УЭЦН 40
2.2.1. Схема распределения температуры в скважине 40
2.2.2. Динамическая модель теплового баланса в скважинной системе 42
2.2.3. Статическая характеристика мощности насоса 50
2.3. Построение алгоритма численного расчета модели скважинной
системы 54
2.3.1. Построение расчетной схемы моделирования скважинной системы 55
2.3.2. Начальные условия для расчетного примера 56
2.3.3. Результаты расчета модельного примера 57
2.3.4. Анализ влияния осложняющих факторов на характеристики моделируемой скважины 60
2.4. Выводы по разделу 65
3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НАСТРОЙКИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ 66
3.1. Постановка задачи настройки модели 66
3.2. Анализ информативности протоколов освоения 67
3.3. Гидродинамический блок модели с учетом фактора поршневого вытеснения 71
3.4. Системные принципы организации технологии настройки модели
76
3.4.1. Технология интерактивной настройки 79
3.5. Пример реализации технологии интерактивной настройки 81
3.5.1. Этапы моделирования. Выбор примера 81
3.5.2. Визуально-графические средства настройки 83
3.5.3. Результаты настройки модели 85
3.6. Выводы по разделу 89
4. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ СКВАЖИННОЙ СИСТЕМОЙ 91
4.1. Формализация критерия расхода ресурса 92
4.2. Разработка детализированной функциональной схемы системы управления 94
4.3. Пример синтеза и анализа конструктивных и режимных параметров скважинной системы по критерию дополнительного расхода ресурса 100
4.3.1. Вычислительное конструирование регулятора периодической откачки 103
4.3.2. Вычислительное конструирование регулятора для режима с доливом взатрубное пространство 110
4.3.3. Сравнительный анализ режимов освоения по критерию дополнительного расхода ресурса 114
4.4. Вариант использования предложенного подхода анализа и
управления режимом и конструкцией скважинной системой 117
4.5. Выводы по разделу 119
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 120
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 121
ПРИЛОЖЕНИЕ А 133
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 135
ПРИЛОЖЕНИЕ В 138
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 139
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 140
- Структура системы управления скважины сУЭЦН
- Агрегированная гидродинамическая модель скважины
- Анализ информативности протоколов освоения
- Формализация критерия расхода ресурса
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из важнейших научно-технических задач современной разработки нефтяных месторождений является задача повышения эффективности эксплуатации механизированного фонда скважин, в частности, эксплуатируемых установками электроцентробежных насосов (УЭЦН), так как доля добычи нефти, приходящаяся на эти скважины, составляет в среднем около 70% от совокупной добычи нефти во всем западносибирском регионе.
Успешное решение этой задачи зависит от решения множества локальных задач, обусловленных сложными конструкционными, геолого-техническими условиями, взаимосвязанными и взаимовлияемыми процессами, происходящими в скважине с погружным оборудованием и призабойной зоне пласта.
Одной из таких задач, затрудняющих достижение высокой эффективности эксплуатации скважин, является задача вывода скважины с УЭЦН на режим после глушения.
Проблемность ситуации в том, что в кратковременный период освоения требуемая производительность и уровень подвески погружного оборудования отличается от оптимальной конструкции системы в режиме нормальной эксплуатации. Возникающая диспропорция обуславливает риск преждевременных отказов УЭЦН и требует введения специальных режимов работы, смягчающих негативное действие факторов освоения. Хотя период освоения скважины после глушения может длиться 1-12 суток, тем не менее, по статистике предприятий, около 6 % скважин так и не удается вывести на режим в силу полного расхода ресурса погружной системы. В любом случае, даже введение регулируемых режимов освоения интенсифицирует расход эксплуатационного ресурса УЭЦН, сокращая суммарный срок службы системы.
По опубликованным работам и научно-техническим материалам
5 можно выделить отдельных авторов и школы, развивающие современные пути решения этой задачи, которые объединяются в три группы: совершенствование геолого-технических мероприятий, связанное с применением современных гелиевых жидкостей глушения и повышением качества проведения ремонтов (В.Н. Нюняйкин, Ю.В. Зейгман, С.А. Рябконь и др.); совершенствование методов, позволяющих подобрать типоразмер погружного оборудования к условиям скважины (Ш. К. Гиматудинов, В.Л. Дайчман, Ю.А. Балакирев, В.Н. Ивановский и др.); - совершенствование методов оперативного управления, - в том числе, интеллектуализация систем управления скважиной (В.В. Кульчицкий, Н.П. Запивалов, СИ. Юсифов, Б.Г. Ильясов, О.А. Чукчеев, А.В. Локтев, Р.С. Галимов и др.).
Выявлено, что большинство исследователей для снижения негативного влияния факторов освоения предлагают новые конструкции, материалы, системы - что немало важно, однако отсутствие расчетных схем, позволяющих совмещать вопросы проектирования (подбор, погружение) и управления последующим режимом, явно ощущается.
Поэтому для повышения эффективности проведения работ связанных с освоением скважин, оборудованных УЭЦН, и выводом их на номинальный режим требуется: а) совершенствование существующих методов проектирования скважинной системы; б) анализ применимости одного или нескольких способов оперативного управления, предлагаемых современными технологами. Это, в свою очередь, неразрывно связано с созданием оригинальных расчетных схем. Поэтому исследования по сформулированной многоплановой проблеме, несомненно, актуальны -как с теоретической, так и с практической точки зрения. В этой связи.
Объект исследования. Скважинная система с установкой электроцентробежного насоса в период освоения.
Предмет исследования. Динамические режимы освоения, задача и алгоритмы управления выводом скважины на режим после глушения. Инструментальные средства машинного анализа процессов освоения скважины с УЭЦН.
Цель исследования. Совершенствование методов анализа и управления процессом освоения скважиннои системы с УЭЦН после глушения и соответствующих конструкторско-эксплуатационных решений, связанных с подбором установки и расчетом режима эксплуатации на основе построения математической модели, адекватной факторам освоения.
Основные задачи исследования.
Анализ состояния вопросов освоения скважины после глушения. Определение доминирующих факторов, осложняющих вывод скважины на режим. Обоснование подходов и методов учета негативных факторов освоения.
Составление математической модели скважины с УЭЦН, отражающей влияние основных осложняющих факторов освоения.
Разработка алгоритмов освоения путем создания инструментальных вычислительных средств, предназначенных для анализа термогидравлических режимов работы скважины с УЭЦН.
Методы решения задач. Поставленные задачи решаются теоретическими методами иерархических многоуровневых систем, системного анализа, математического моделирования, теории автоматического управления и имитационного моделирования.
Научная новизна работы.
1. Разработан и системно обоснован оригинальный подход к управлению процессом освоения скважины с УЭЦН после глушения, заключающийся в том, что: - задача оптимального освоения поставлена как экстремальная по минимизации функционала, отражающего дополнительные расходы ресурса погружной системы в период освоения; - факторное поле параметров минимизации сочетает одновременный выбор конструктивных характеристик скважиннои системы и временных режимов условий эксплуатации при освоении.
2. Разработана и программно реализована технология визуально-вычислительного анализа гидротермодинамических процессов в скважине с УЭЦН, позволяющая осуществлять подбор оптимальных конструктивно-режимных решений, учитывающих осложняющие факторы освоения.
На защиту выносятся.
1. Конструктивно-функциональная (физическая) схема и соответствующая ей вычислительная модель гидротермодинамических процессов в скважине с УЭЦН, отражающая основные закономерности процессов освоения после глушения и учитывающая: - динамику восстановления коэффициента продуктивности вследствие «очистки» ПЗП фильтрационным потоком жидкости; - динамику замещения внутриполостной жидкости пластовым флюидом с учетом долива в затрубное пространство; - особенности теплопередачи и нагрева ПЭД на уровне подвески насоса.
Вид критерииальной оценки, отражающий дополнительный расход ресурса погружной системы в период освоения скважины.
Комплексная структура системы управления процессом освоения скважины с УЭЦН после глушения и вычислительная технология целенаправленного подбора режимных параметров алгоритма освоения при помощи методов периодической откачки и долива в затрубное пространство.
Практическая ценность работы. Предложенные принципы, учета дополнительного расхода ресурса и алгоритмы принятия решения по выбору конструктивных и режимных параметров скважиннои системы с УЭЦН в период освоения, позволяют: а) более качественно подходить к
8 вопросам проектирования механизированного фонда; б) количественно оценивать альтернативные конструкции и возможные режимы, возникающие при освоении скважины; в) прогнозировать достижения определенных оптимальных состояний системы.
Вычислительная технология и модель освоения скважинной системы с УЭЦН после глушения в условиях действующих осложняющих факторов эксплуатации создают основу для реализации функций проектного и оперативного управления процессами освоения в рамках действующих корпоративных информационных систем нефтепромыслов.
Апробация работы. Основные положения докладывались и обсуждались на международных конференциях: «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2004), «Научное студенческое сообщество и современность» (Турция, 2004), «Современные техника и технологии -2005 (СТТ2005)» (Томск, 2005), «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании» (Тюмень, 2006), региональная научно-практическая конференция «Информационные технологии в образовании» (Тюмень, 2004).
Публикации, По теме диссертации опубликовано десять печатных работ, в числе которых четыре статьи и шесть тезисов докладов на научно-технических конференциях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников, включающего 140 наименований и 5 приложений. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков и 10 таблиц.
Структура системы управления скважины сУЭЦН
Для того, чтобы построить систему управления [35, 94], необходимо создать модель объекта управления - Р, указать цель управления - /, и дать правило (алгоритм - Ф) достижения этой цели на объекте Р. На основе теории иерархических многоуровневых систем сформулированных в [76] и разработанных принципах в [9, 95] проведем детализированный синтез элементов названной тройки на языке структурно-функциональных схем.
Структура скважины с УЭЦН приведена на рисунке 1.1, где выделены основные функциональные и конструктивные звенья скважины:
1) призабойная зона скважины;
2) эксплуатационная (обсадная) колонна;
3) центробежный насос;
4) насосно-компрессорная труба;
5) устьевое оборудование (штуцер);
6) погружной электродвигатель (ПЭД).
Гидравлические звенья скважины 1-5 устанавливают соотношение между входо-выходными перепадами давлений и расходом газожидкостной смеси (ГЖС) через них. Причем звенья 1,2,4,5 являются пассивными элементами системы, на которых осуществляется падение давлений от среднепластового Рпл,- ДО линейного Рд в нефтесборном коллекторе.
Насос 3 является активным элементом гидравлической системы. На нем реализуется положительный перепад давлений.
Активная мощность, сообщаемая насосу NIH генерируется электродвигателем, который в свою очередь питается подводимой мощностью электросети N№
Для того чтобы определить структуру алгоритма управления, необходимо выявить средства управления данной скважиной и цели управления.
В отличие от залежи, скважина проектируется и создается. В этом смысле она является "искусственным" объектом управления, а это значит, что управляемыми становятся не только режимы, но и конструктивные параметры скважины. Для обоснования уровней управления определим краткую характеристику задачам проектирования скважины. Существуют несколько подходов к проектированию, которые в той или иной мере учитывают следующие показатели:
1) КПД газожидкостного подъемника, то есть расход по жидкости с наиболее экономным использованием энергии пласта и попутного газа;
2) максимально возможный расход по жидкости, связанный с фильтрационными свойствами, строением и устойчивостью призабойной зоны;
3) режим истечений с минимальными уровнями коррозии, гидратообразований и т.д.;
4) металлоемкость конструкции и затраты материалов;
5) уровень потребления энергии;
6) номинальные (комфортные) условия эксплуатации оборудования.
Агрегированная гидродинамическая модель скважины
На рисунке 2.1-а изображена конструкция скважины и обозначены основные переменные состояния, характеризующие ее работу. На рисунке 2.1-6 приведен график распределения давления вдоль вертикали остановленной 1, 2 и работающей 3 скважины в условиях пренебрежения газлифтным эффектом вертикальной скважине
Основные геометрические параметры: Hz - глубина забоя скважины (м); Нн- глубина подвески насоса (м) - один из главных расчетных
параметров проектирования скважины;
hCT- статический уровень жидкости в затрубном пространстве
остановленной скважины (м);
hd{i)- динамический уровень работающей скважины скважины (м);
S- площадь сечения обсадной колонны (ОК) (м2);
S0 площадь кольцевого сечения между обсадной колонной (ОК) и
насосно-компрессорной трубой (НКТ) (м );
Vmn- объем (м3) призабойной зоны пласта (ПЗП) радиуса - Кпзп є [4, 10]
Гидравлические параметры и переменные состояния скважинной системы (СС):
Рт- среднепластовое давление в районе (в окрестности) скважины (за пределами ПЗП) (Па); P2(t)- среднее давление в ПЗП (Па); (0_ давление в забое скважины (Па);
Рвх(0 Рвых(1) входное и выходное давление на приеме и выкиде насоса (Па);
Рзт =РЯ- давление в затрубном пространстве, выровненное с давлением в линейном нефтесборном коллекторе (Па); Py(t) давление на устье скважины (Па);
q{t)- объемный расход газожидкостной смеси (ГЖС) на выкиде насоса, равный расходу добываемой продукции (м3/с), с удельным весом y{t) (кг/м3);
qx{t)- приток ГЖС из забоя (м3/с); qB{t)- приток ГЖС из верхней части колонны (в переходном режиме)
(м3/с);
qR{t)- объемный расход доливаемой в затрубное пространство жидкости
(м3/с), с удельным весом yR{t) (кг/м3);
Анализ информативности протоколов освоения
В предыдущем разделе, получена комплексная математическая модель на основе фундаментальных законов гидродинамики и теплообмена с оригинальными модельными интерпретациями доминирующих факторов действующих в исследуемом периоде. Данные факторы, для полезного использования модели и решения следующих задач настоящего исследования, подлежат численному установлению, а именно параметрической идентификации.
Вопросы параметрической идентификации являются частными задачами в общей теории идентификации. Методы, которой развиваются в рамках современной теории автоматического управления, и библиография, которой насчитывает тысячи наименований. По основам теории и практическому применению общих методических принципов посвящены работы известных и признанных советских и зарубежных авторов таких, как: Л.А. Растригина, Д. Гроп [29, 94, 95].
Общими требованиями для параметрической настройки являются два компонента: это входная информация и правило оценки адекватности приближения параметров модели к исследуемому процессу. В качестве входной информации могут быть использованы следующие информационные источники: протоколы наблюдений за входо-выходными характеристиками исследуемого объекта, системы или данные испытательных экспериментов, а так же наличие возможности получения точного решения на основе более сложных моделей. В качестве правила оценки близости параметров настраиваемой модели, может быть выбрано среднеквадратическое отклонение каждой точки измерения. Задачам планирования эксперимента посвящены работы В.Н. Тихомирова [108].
Задачам обработки измерений, теории погрешностей, посвящены работы Л.А. Зографа [82].
Из-за сложностей связанных со специфическими особенностями рассматриваемых режимных объектов, и значительных материальных затрат влекущими проведение целенаправленных натурных экспериментов на скважинах, в рамках данного исследования, предлагается разработать вычислительную технологию (адаптированную для реализации на ЭВМ) настройки модели по ретроспективным данным, отраженных в типовых протоколах освоения и вывода скважины на режим, которые заполняются бригадами освоения.
Для детальности разрабатываемой технологии требуется решить следующие задачи:
- провести анализ современных типовых протоколов на предмет полноты
и качества зафиксированных данных измерения основных характеристик
процесса освоения после глушения;
- проанализировать разработанные модели на предмет выявления
параметров подлежащих настройки;
- разработать функциональную схему параметрической настройки модели;
- разработать алгоритмы интерактивного и автоматического режима настойки;
- провести вычислительные эксперименты на базе предложенных алгоритмов по реальным протоколам освоения скважин с приведением численной оценки близости настройки параметров для каждого примера.
Формализация критерия расхода ресурса
Вследствие этого, оптимальное регулирование процесса освоения скважины с погружным насосом после глушения можно связать с критерием минимального дополнительного расхода ресурса системы с введением функционала где х - вектор настраиваемых конструктивно-эксплуатационных характеристик из области допустимых значений X.
Обоснование оптимальных решений требует более строгой формализации критерия (4.1) и полнофакторного описания гидротермической модели скважинной системы. Основываясь на публикациях В.Н. Филиппова, И.Г. Соловьева [102, 115], факторных моделях В.В. Сушкова, И.В. Генералова и др. [23, 24], дополнительные затраты ресурса погружной системы при освоении предлагается оценивать по упрощенному выражению:
под динамический уровень нормального режима эксплуатации -//„0 = А[)0 + ДЯГ, где АНГ - интервал погружения по газовому фактору [1, 33, 34, 131], hd0 - динамический уровень нормального режима эксплуатации, относительное смещение рабочей точки Aha УЭЦН по напору от номинальной - Дй0 по паспорту. Данные компоненты были введены в критерий на основе анализа литературных источников [7, 22, 26, 37, 48, 52, 55, 89, 112, 126], в результате приведем основные причины, способствовавшие осуществленному выбору.
Так, пусковые режимы создают экстремальные пусковые температурные возмущения из-за кратных превышений пусковых токов в энерго-системе [100].
Дополнительные интервалы погружения только ужесточают температурный режим работы двигателя [87, 97], но также обуславливает риск механического повреждения изоляции при проталкивании УЭЦН в наклонно-направленных скважинах.
Смещение рабочей точки по напору от оптимального значения по максимуму КПД также приводит к повышенным тепловым потерям в системе [97].
Поглощение устьевым штуцером избыточного напора насоса интенсифицирует механический износ системы, повышая риск «полета» (расчлененения) УЭЦН.
Разработка детализированной функциональной схемы системы управления
В целях систематизации рассматриваемых вопросов разработаем функциональную схему, которая должна содержать главные функциональные блоки системы управления скважиной и отражать основные связи между управляемыми и измеряемыми переменными состояниями регулируемого объекта.
В результате полнофункциональная схема системы управления процессом вывода скважины на режим имеет следующий вид, приведенный на рисунке 4,1., которая составлена с учетом конструктивной схемы скважины с УЭЦН (см. рис. 2.1.), поясняющей смысл объявляемых входа-выходных переменных состояния и варьируемых параметров доминирующих осложняющих факторов.
