Введение к работе
Актуальность проблемы.
В нефтегазодобыче одной из наиболее сложных и требующей скорейшего решения является проблема оперативного контроля производительности скважин и управления режимом их эксплуатации.
Основной объем нефтегазодобычи в России приходится на
месторождения Крайнего Севера, разработка и эксплуатация
которых производится в труднодоступных районах со сложными
климатическими и геологотехническими условиями. В таких
условиях используемые в настоящее время традиционные методы и
средства контроля производительности скважин (для нефтянных и
газоконденсатних скважин - громоздкие и металлоемкие
сепарационные установки, для газовых скважин - специальные методы газодинамических исследований с выбросом газа в атмосферу) оказываются малоэффективными. Они не удовлетворяют современным потребностям отрасли по оперативности и достоверности информации, используемой для управления режимом эксплуатации скважин, и не отвечают требованиям экологически безопасной разработки месторождений.
Из-за отсутствия необходимой информации и непринятия своевременных мер по изменению режима эксплуатации происходит преждевременный износ технологического оборудования. Это приводит к возникновению аварийных ситуаций, потере продукции, загрязнению окружающей среды, остановке и простою скважин. Коэффициент эксплуатации скважин, в целом, по месторождению существенно снижается.
Мировой опыт разработки газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений свидетельствует, что эффективность добычи может быть существенно повышена за счет внедрения методов и технических средств автоматизированного контроля и управления режимом эксплуатации скважин. Отвечающие современному уровню развития науки и техники системы автоматизации способствуют снижению издержек и оказывают решающее влияние на рентабельность добычи. В настоящее время наблюдается стремительный рост и масштабность мероприятий по автоматизации процессов добычи. Если в прошлом преобладало стремление повысить уровень автоматизации за счет внедрения мощной вычислительной техники, организации централизованного контроля и управления, то в настоящее время наблюдается тенденция к комплексному подходу решения проблем автоматизации на основе создания многоуровневых систем информационного обеспечения технологических процессов.
Особое внимание уделяется созданию и надежности работы систем информационного обеспечения нижнего уровня, т.е. на уровне скважин.
На месторождениях России в настоящее время нижний уровень информационного обеспечения и автоматизированного контроля процессов добычи газа, конденсата и нефти развит слабо. Это ограничивает возможности не трлько контроля технологических режимов, но и эффективность использования современных методов моделирования процессов разработки месторождения с целью прогнозирования, управления режимами эксплуатации и реализации технологических мероприятий, позволяющих гарантированно добывать запланированные на длительную перспективу объемы газа, нефти и газового конденсата.
Сложившееся положение в нефтегазодобыче с
информационным обеспечением приводит к тому, что скважина, как важнейший и единственный продуктосоздающий объект отрасли, выпадает из структуры нижнего уровня АСУ ТП. Это порождает принятие далеко не оптимальных, волюнтаристских управленческих решений в процессе разработки и эксплуатации месторождений.
Решение проблем информационного обеспечения, прежде всего, связывают с созданием и внедрением простых и надежных средств бессепарационного шмерения расхода жидкости и газа в потоке скважин. Эти параметры определяют технологический режим эксплуатации скважины и являются основными показателями эффективности процесса добычи.
Работы в направлении создания средств бессепарационного
измерения расхода фаз многофазных потоков скважин уже многие
годы ведутся как в нашей стране, так и за рубежом. В частности,
предложены технические решения и созданы измерительные
устройства, основанные на комплексном использовании
классических однофазных расходомеров, например, турбинных,
диафрагменных, кориолисовых, сопел Вентури и др. Это разработки,
выполненные под руководством профессора А. И. Гужова
(грозненский нефтяной институт), профессора В.Ф. Медведева
(минский политехнический институт), Н.Я. Ривкіша (московское
НПО "Нефтегазавтоматика"), В.А. Леонова
(НижиевартовскНИПИнефть), известной американской фирмы "Agar corporation" и транснациональной компании "Fisher Rosemount". Однако такие измерительные средства не получили широкого распространения, в основном, из-за низкой надежности известных однофазных расходомеров при эксплуатации в многофазных потоках нефтегазовых скважин.
Поток скважин представляет собой сложную и изменяющуюся по составу смесь газовой, жидкой (вода, нефть, конденсат) и твердой (песок и другие механические примеси) фаз и отличается многообразием структурных форм и режимов движения. Поэтому
измерение расхода фаз такого потока без предварительной сепарации представляется сложной научно-технической задачей. Особые сложности возникают при измерении высокоскоростных потоков с высоким газовым фактором , когда даже сепарационные методы малоэффективны. А именно при таких режимах эксплуатируется подавляющее большинство скважин газонефтеконденсатных месторождений северных регионов.
Принимая во внимание вышеизложенное, проблема разработки новых нетрадиционных методов измерения рпехода многофазной продукции скважин и создания на их основе информационно-вычислительных систем нового поколения, стала весьма актуальной для нефтегазодобывающей отрасли народного хозяйства.
Наши многолетние исследования в области расходометрин и полученные обнадеживающие результаты позволили наметить пути решения этой проблемы. Это теоретическая и практическая разработка нового спектрометрического метода измерения производительности скважин, эффективного в условиях высокоскоростных потоков с высоким газовым фактором. Этот метод базируется на использовании в качестве источника информации о расходе фаз в потоке - спектральных характеристик флуктуационного процесса (флуктуации давления) в трубопроводной системе сбора продукции. Такой путь решения проблемы стал возможным, весьма эффективным и перспективным благодаря ориентации на современные достижения в области микроэлектроники и микропроцессорной техники обработки случайных сигналов.
Цель работы: На основе фундаментальных исследований информационных свойств флуктуационных процессов в многофазных потоках разработать и научно обосновать новый спектрометрический метод измерения расхода фаз, создать и внедрить на газопефтеконденсатных месторождениях России гамму гибких информационно-вычислительных систем оперативного контроля режима эксплуатации скважин и, тем самым, подготовить научно-техническую базу для построения систем информационного обеспечения нижнего уровня АСУ ТП нефтегазодобычи.
При реализации этой цели были поставлены и решены следующие важнейшие задачи, определяющие научно-техническую основу спектрометрического метода:
- аналитико-статистические исследования флуктуационного
процесса и его спектра в многофазном потоке;
- физическое обоснование и разработка технических решений
по унификации структурных форм многофазного потока и
возбуждению флуктуационного процесса с заданными
информационными свойствами частотного спектра мощности;
- создание экспериментальной базы и методологических основ
планирования, проведения и анализа многофакторных активных
экспериментов по установлению функциональных связей
спектральных характеристик флуктуашюнного процесса с
расходными параметрами многофазного потока;
разработка обобщенной информационной модели флуктуационного процесса в газожидкостном потоке и информационных моделей расхода фаз;
- экспериментальные исследования информационных моделей и
анализ погрешностей спектрометрического метода измерения
расхода фаз продукции нефтегазовых скважин;
разработка, создание и внедрение информационно-вычислительных систем контроля режима эксплуатации нефтегазовых скважин;
исследования научно-практических аспектов
спектрометрического метода и оценка перспектив его применения для других технологических кзмереіЇІІЙ.
Методы исследования.
Спектрометрический метод измерения расхода фаз в потоке
смеси разработан на основе планирования, проведения и анализа
результатов многочисленных экспериментальных исследований.
Исследования выполнены на специально разработанных и созданных
метрологическом водонефтегазовом испытательном полигоне и на
промысловых установках, позволяющих проводить активные
многофакторные эксперименты. В работе использованы приемы
теории размерностей, аппарат математической статистики,
современные методы спектрального анализа случайных процессов,
методы теории планирования и анализа факторных экспериментов.
Предложенные технические решения и созданные информационно-
вычислительные системы контроля режима эксплуатации скважин
испытаны в промысловых условиях, а их эффективность
подтверждается результатами длительной промысловой
эксплуатации на Уренгойском газонефтеконденсатном
месторождении (ГНКМ).
Научная новизна.
1. Предложено, обосновано и развито новое направление в
расходометрии многофазных потоков - методы измерения,
основанные на спектральном анализе естественных флуктуационных
процессов в гидродинамической системе.
2. Разработаны теоретические основы спектрометрического
метода измерения расхода фаз в многофазном потоке (газ + жидкость
+ твердые включения):
предложена и обоснована идея принудительного формирования потока универсальной структуры, сопровождаемого
флуктуационным процессом с заданными информационными свойствами частотного спектра мощности;
- обоснованы и исследованы аналитико-статистические связи
спектральной мощности с основными гидродинамическими
параметрами потока;
разработана обобщенная информационная модель флуктуационного процесса в многофазном потоке;
- разработаны и исследованы информационные модели расхода
жидкости и газа в многофазном потоке.
3.Разработан и обоснован измерительный преобразователь расхода фаз многофазного потока.
4. Установлено, что в условиях высокоскоростных потоков
нефтегазовых скважин при неизменном расходе фаз в смеси
флуктуации давления в трубопроводе со специальным сужением
(формирователем потока) представляют случайный стационарный
процесс.
5. На основе представительных результатов активных
многофакторньгх экспериментов, проведенных на специально
созданных для этих целей установках и полигонах, подтверждена
адекватность информационных моделей и эффективность
спектрометрического метода.
-
Исследованы и проанализированы погрешности измерения расхода фаз спектрометрическим методом. Получены соотношения для оценки динамических диапазонов измерений расхода газа и жидкости в смеси с учетом различных гидродинамических условий потока.
-
Определены научно-технические перспективы применения спектрометрического метода для анализа состояния сложных геотехнических систем пласт - скважина.
-
Разработаны принципы построения информационно-вычислительных систем контроля режима эксплуатации скважин на основе спектрометрического метода измерения расхода многофазных потоков.
-
Разработаны и обоснованы структуры основных функциональных устройств информационно-вычислительных систем контроля режима эксплуатации скважин.
Практическая ценность и реализация результатов работы в промышленности.
1. Разработанный новый спектрометрический метод измерения
расхода фаз в потоке смеси позволяет решить ряд важнейших
проблем в нефтегазодобыче за счет создания и внедрения простых и
надежных технических средств оперативного контроля режима
эксплуатации скважин.
2. Создана целая гамма гибких информационно-
вычислительных систем (ИВС) контроля режима эксплуатации
скважин серии "Поток", построенных на основе специально разработанных универсальных функциональных модулей.
3. ИВС серии "Поток" включены проектными организациями РАО "ГАЗПРОМ" в технологические схемы обустройства ряда новых месторождений в составе АСУ ТП нижнего уровня добычи.
В настоящее время измерительные системы серии "Поток"
эксплуатируются более чем на 200 скважинах (газовых,
газоконденсатпых и нефтяных). Опыт массовой промысловой
эксплуатации этих систем с 1994 года на газоконденсатпых к
нефтяных скважинах крупнейшего Уренгойского
газонефтеконденсатного месторождения (ГНКМ) свидетельствует об лх высокой эффективности. Так, наряду с другими техническими мероприятиями, они способствовали существенному повышению коэффициента эксплуатации скважин Уренгойского месторождения. По фонду газоконденсатных скважин этот показатель за 1994-1997 годы возрос на 7,6%, а по нефтяным - на 7,7%.
Дополнительная добыча углеводородного сырья составила:
пластового газа 3,4 млрд. \0;
нестабильного конденсата 520 тыс. тонн;
нефти 70 тыс. тонн.
На защиту выносятся следующие основные положения.
-
Результаты анализа проблем информационного обеспечения разработки и эксплуатации газонефтеконденсатных месторождений, контроля режима эксплуатации нефтегазовых скважин, а также результаты оценки информативности современных методов и технических средств измерения расхода.
-
Разработанный измерительный преобразователь расхода фаз многофазного потока.
3. Результаты исследования основных информационных
свойств флуктуационного процесса в многофазном потоке.
-
Результаты исследования связи спектральной мощности с расходом фаз в потоке смеси.
-
Разработанные информационные модели флуктуационного процесса в многофазном потоке, информационные модели расхода фаз, результаты их исследований и оптимизации.
6. Принципы построения и структуры основных
функциональных устройств ИВС контроля режима эксплуатации
скважин.
7. Модели ИВС контроля режима эксплуатации скважин серии
"Поток", результаты исследования их метрологических
характеристик и промысловых испытаний.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались:
- на научно-технических конференциях "Актуальные проблемы
состояния и развития нефтегазового комплекса России (г.Москва,
1997 г. и г.Москва, 1994 г.);
на международной научно-технической конференции "Совершенствование учета нефти при добыче и товарно-транспортных операциях - задача общегосударственного значения" (г. Санкт-Петербург, 1995 г.);
на XI научно-технической конференции "Проблемы эффективности производства на северных нефтегазодобывающих предприятиях" (г. Новый Уренгой, 1994 г.);
- на Xюбилейной научно-технической конференции "Проблемы
освоения нефтегазовых месторождений Западной Сибири" (г. Новый
Уренгой, 1993 г.);
на меясдународном конгрессе по информатизации "Технологии и системы сбора, обработки и представления информации" (г. Рязань, 1993 г.);
на VII Всесоюзном сгезде по теоретической и прикладной механике (г. Москва, 1991 г.);
на VII региональной научно-технической конференции "Особенности разработки и эксплуатации сеноманских и неокоиских залежей Уренгойского, Ен-Яхинского, Песцового, Северо-Уренгойского газоконденсатних месторождений" (г. Новый Уренгой, 1990 г.);
на Всесоюзных конференциях по измерительным информационным системам "ИИС-83" (г. Куйбышев, 1983 г.) и "ИИС-8Г (г. Львов, 1981 г.);
на научном семинаре рязанской государственной радиотехнической академии (январь, 1998 г.);
- на крупных технических совещаниях в РАО "ГАЗПРОМ" по
проблемам автоматизации в отрасли (в период 1994-98 г.г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 33 работы, включая один патент РФ, одно авторское свидетельство СССР, положительные решения по трем заявкам о выдаче патентов РФ на изобретения.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит:
основной текст (189 с), иллюстрации (67 рис.), таблицы (30 табл.), перечень литературы (178 наим.), приложение.