Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ проблем автоматизации технологического процесса добычи нефти из малодебитных скважин 9
1.1 Актуальность темы исследований 9
1.2 Технологический процесс добычи нефти и математическая модель нефтеносного пласта как источника нефтепродукта 14
1.3 Современные подходы к решению проблем автоматизации технологического процесса добычи нефти 30
1.4 Цель и задачи исследований 37
Выводы по первой главе... 40
Глава 2 Математические модели элементов систем автоматического управления добычей нефти .. 42
2.1 Системный анализ и концепция построения системы автоматического управления добычей нефти 42
2.2 Математическая модель регулируемой установки добычи нефти 49
2.3 Структура локальной системы автоматического управления добычей нефти для одной скважины 63
2.4 Математическая модель взаимодействующих скважин как многосвязный объект управления . 69
2.4 Структура модели системы управления для группы нагнетательных и добывающих скважин 86
Выводы по второй главе 90
Глава 3. Выбор алгоритмов управления 92
3.1 Управление регулируемым станком-качалкой 92
3.2 Линейные модели многосвязных систем управления добычей нефти 98
3.3 Нелинейные модели многосвязных систем управления добычей нефти. 101
Выводы по третьей главе 106
Глава 4. Оценка эффективности предложенных алгоритмов управления 107
4.1 Построение автоматизированной системы имитационного моделирования 107
4.2 Оценка устойчивости многосвязной системы автоматического управления частотным методом ... 110
4.3 Исследование эффективности предложенных алгоритмов методом математического моделирования 120
4.4 Перспективы использования данного класса систем управления... 132
Выводы по четвертой главе.. 137
Заключение 138
Литература 140
Приложение А 151
- Современные подходы к решению проблем автоматизации технологического процесса добычи нефти
- Системный анализ и концепция построения системы автоматического управления добычей нефти
- Математическая модель взаимодействующих скважин как многосвязный объект управления
- Оценка устойчивости многосвязной системы автоматического управления частотным методом
Введение к работе
Актуальность темы исследований
Нефтяная и газовая промышленность Российской Федерации является одной из наиболее важных отраслей экономики, обеспечивающей значительную долю доходов бюджета страны. Данная отрасль является стратегически важной, учитывая те сложные климатических условия, в которых проживает большая часть населения. Нефтяная, газовая и нефтеперерабатывающая промышленность обеспечивает не только энергетические потребности производства и жилищно-эксплуатационного хозяйства, но также обеспечивает потребности автотранспорта в горючесмазочных материалах. Этот факт, учитывая огромные пространства страны, также играет стратегическую роль.
Несмотря на некоторый рост добычи нефти в последние годы, перед отечественными нефтедобывающими компаниями возникает перспектива постепенного истощения нефтяных месторождений. Основная доля добываемой нефти неизбежно переместится от давно эксплуатируемых гигантских месторождений к небольшим и малым месторождениям, а обводненность продукции будет возрастать по мере истощения запасов нефти.
На старых месторождениях все большее количество скважин будет переходить в категорию малодебитных (производящих мало жидкости), в результате чего возрастает роль маломощного насосного оборудования — штанговых скважинных насосных установок (ШСНУ).
При добыче нефти из малодебитных скважин чаще всего устанавливают ШСНУ определенной производительности, однако по мере истощения месторождения и снижения дебита скважины (количество компонента смеси добываемого за определенный срок времени)
4 производительность насоса оказывается завышенной. Это приводит к росту затрат энергии и дополнительному износу оборудования.
В данный момент не существует способа плавного регулирования производительности данного типа насосов. Для регулирования производительности используется так называемая периодическая откачка, когда ШСНУ запускается только периодически. Однако это все равно приводит к установке электроприводов повышенной мощности, так как пусковые нагрузки установки многократно превышают рабочие. Из вышесказанного следует, что в технологическом процессе добычи нефти требуется применить регулируемые по производительности маломощные насосные установки. На их основе возможно построение системы автоматического управления добычей нефти для отдельной скважины и системы автоматического управления группой скважин. Это позволит перейти в перспективе к практически полному исключению участия человека в процессе добычи нефти, произвести оптимизацию технологического процесса по необходимым критериям и параметрам, значительно повысить эффективность добычи нефти, снизить заявленную мощность и износ оборудования, уменьшить количество простоев. Это значительно уменьшит себестоимость каждой добытой тонны нефти.
Решение данной задачи в рамках самого распространенного режима добычи нефти — жесткого водонапорного режима — требует для своего выполнения регулируемого в широких пределах насосного оборудования, как в системе добычи нефти (ДН), так и в системе поддержания пластового давления (1111Д).
Построение системы автоматического управления группой скважин невозможно без создания адекватной математической модели технологического процесса добычи нефти. В 1856 Дарси предложено соотношение между скоростью фильтрации и градиентом давления в каждой фазе. В работах Тихонова А.Н. и Самарского А.А. рассмотрены методы
5 решения уравнений в частных производных, в том числе и методом конечно-разностных аппроксимаций, которые могут быть приложены к физическим процессам, происходящим в нефтеносном пласте. Карслоу и Егер в 1959 году предложили «уравнение диффузии», являющееся комбинацией уравнения материального баланса и закона Дарси. Из отечественных ученых в наше время данными фильтрационными процессами успешно занимается Байков В.А. Управление распределенными объектами рассмотрено в работах Бутковского А.Г., Понтрягина Л.С., Белманна Р., Красовского Н.Н., Сиразетдинова Т.К. в 60-70 годах XX века. Мееровым М.В. в 1965 году рассмотрена возможность организации системы автоматического управления добычей нефти, Бутковским А.Г. в 1965 году кроме этого ставилась задача оптимизации добычи нефти, но дальнейшего развития их работы не получили.
Цель работы.
Разработать основы построения систем автоматического управления добычей нефти включая структуру, модели, алгоритмы и программное обеспечение на примере управления как локальной скважиной, так и группой скважин, а также оценить эффективность предложенных систем методом математического моделирования.
Задачи исследования
Для достижения поставленных целей требуется решить следующие задачи:
1. Построить локальную систему автоматического управления (САУ) для отдельной добывающей скважины. Разработать модель и алгоритм управления станком-качалкой как исполнительным механизмом локальной САУ.
Разработать на основе существующей модели физических процессов в пласте упрощенную модель нефтеносного пласта как объекта управления.
Построить многосвязную систему автоматического управления (МСАУ) группой скважин.
Выбрать структуру регуляторов и алгоритмы многосвязного управления группой скважин из условия обеспечения устойчивости функционирования системы.
Провести моделирование работы данной МСАУ группой скважин. Оценить практическую ценность полученных результатов и перспективы развития предложенных систем управления.
Методы решения
Для решения поставленных в работе задач использовались методы системного анализа, теории управления, теории имитационного моделирования, теории аппроксимации. Использовались программные средства Matlab 6.5 и Simulink 5.0.
На защиту выносится:
Структура САУ и алгоритмы управления для станка качалки нового типа (патент RU № 2160852).
Упрощенная модель нефтеносного пласта как многосвязного объекта управления.
Структура САУ и алгоритмы управления для отдельной добывающей скважины.
Структура САУ и алгоритмы управления для группы добывающих и нагнетательных скважин.
Методика анализа устойчивости САУ группой скважин.
7 Научная новизна результатов
Впервые для станка-качалки нового типа (патент RU № 2160852), который отличается пониженным потреблением энергии, разработана структура САУ и предложены алгоритмы управления.
Новизна предложенной упрощенной математической модели нефтеносного пласта заключается в том, что она получена в результате аппроксимации нелинейной распределенной математической модели пласта, а также обработки экспериментальных данных, описываемой уравнениями в частных производных, линейной многосвязной моделью с элементами чистого запаздывания, которая в дальнейшем взята за основу математической модели нефтеносного пласта как объекта управления.
Новизна предложенной структуры МСАУ определяется новизной представления нефтеносного пласта как многосвязного объекта управления с чистым запаздыванием, а также формированием подсистем автоматического управления пластовыми давлениями в точках расположения нагнетательных и добывающих скважин.
Новизна методики анализа устойчивости МСАУ группой скважин заключается в том, что впервые применен частотный метод для оценки устойчивости совместно функционирующей группы нагнетательных и добывающих скважин.
Практическая ценность полученных результатов
1. Практическая ценность полученной упрощенной модели нефтеносного пласта, заключается в том, что расчет распределения давления по ней возможен в реальном времени даже для контроллеров группы скважин, не обладающих значительной вычислительной мощностью. Это позволит внедрить данную модель в САУ добычи нефти без значительных капитальных вложений.
Предложенные методики анализа устойчивости позволяют аналитически оценить устойчивость МСАУ добычи нефти и выбрать из этого условия режимы совместного функционирования нагнетательных и добывающих скважин.
Результаты моделирования позволяют оценить работоспособность МСАУ группы скважин, подтверждают полученные результаты и могут быть использованы при проектировании МСАУ группы нагнетательных и добывающих скважин.
Структура работы
Диссертационная работа изложена на 152 страницах машинописного текста, и включает в себя введение, четыре главы основного материала, заключение; рисунки на 34 страницах, библиографический список из 106 наименований на 10 страницах и приложение на 4 страницах.
Благодарности
Автор приносит глубокую благодарность доценту каф. ТК, кандидату технических наук К.Ф. Тагировой, доктору технических наук Е.С. Шаньгину за их высококвалифицированную помощь по исследуемой проблематике.
Современные подходы к решению проблем автоматизации технологического процесса добычи нефти
Для анализа проблем автоматизации технологического процесса добычи нефти следует рассмотреть как современную ситуацию в сфере автоматизации нефтедобывающей отрасли, так и историю процесса внедрения автоматизированных систем и механизмов.
Автоматизация процессов нефтедобычи в нашей стране и за рубежом прошла несколько этапов, начиная с внедрения отдельных средств автоматики в 50-х годах до создания автоматизированных систем управления процессами нефтедобычи с применением ЭВМ в наши дни. Пятидесятые годы XX века характеризовались модернизацией нефтепромыслов с целью применения более экономичной групповой однотрубной герметизированной нефтесборной системы. При этом на нефтяных промыслах стали широко внедряться различные типы расходомеров, средства автоматизированного измерения объемов нефти, откачиваемой потребителю, групповые автоматизированные замерные установки, релейные механические переключатели и т.д. Так, в 1954 году был разработан и внедрен комплекс систем автоматического регулирования и управления для малодебитных скважин с периодическим режимом эксплуатации АПЭ-ПА и АПЭ-Д, осуществляющие программное управление временем накопления нефти. Одновременно были введены в эксплуатацию устройства для накопления и передачи информации ДИВ-2 и ДИВ-3 [6, 79].
Этот этап длился приблизительно до начала 60-х годов и привел к сокращению удельной численности работающих на одну добывающую скважину, освобождению персонала от многих рутинных операций, снижению стоимости и повышению точности измерения технологических параметров, упорядочению оформления документов и т.п.. П этап. Следующим этапом было внедрение систем централизованного диспетчерского контроля и управления. Их технической базой являлись релейные системы телемеханики с радио и телефонными каналами связи. Системы телемеханики были созданы по единой жесткой схеме и любые изменения или расширение системы требовало больших переделок. Эти системы позволяли выполнять целый ряд операций на промысле без постоянного присутствия обслуживающего персонала, осуществлять сбор данных в реальном масштабе времени. Была разработана и внедрена релейно-комбинационная система телемеханики ЦКУ-2, осуществляющая дистанционный контроль и управление для глубинно-насосных, фонтанных и нагнетательных скважин по телефонным проводам с помощью устройства СТФ-1 [68]. НИПИ «Нефтехимавтомат» (Баку) были разработаны системы дистанционного контроля нефтяных скважин ЧТП-2 (телединамометрирование) и АГМ-2 (ГЗУ для замера дебита скважин) [6]. В эти годы дорогостоящие ЭВМ первых поколений применялись только для решения исследовательских задач и инженерного анализа, а также для ведения бухгалтерского и статистического учета [69]. Ш этап. С переходом на полупроводниковую технику и с появлением в конце 60-х - начале 70-х годов малогабаритных и сравнительно недорогих ЭВМ третьего поколения стало возможным применение их в управлении технологическими процессами нефтепромысла. Одновременно внедрение электроники в приборостроении открыло новые возможности в конструировании концевых устройств высокой степени надежности. Были созданы влагомеры, расходомеры нефти и газа с вычислительными устройствами, датчики потока и давления и т.д. Для замера дебита при групповом сборе нефти использовались системы телемеханики АГМ-2 и АГМ-3, в кустовых насосных станциях -СРП-3, водозаборных скважин - СТ-ЗКВ. Информация передавалась по проводным линиям связи: радиальной структуры — ПКС-1, челночной структуры - САТ-2 и древовидной структуры - ЧТ-2К, ЧТ-3, ГЧФ. Замер дебита осуществлялся групповыми замерными установками «Спутник В» и «Спутник ВР» [5]. В то же время нефтедобывающая промышленность по сравнению с другими отраслями оказалась довольно консервативной в части применения ЭВМ и автоматизированных систем. Широкое внедрение АСУ в эту отрасль началось лишь в 70-х годах XX века. Впервые в нефтедобывающей промышленности автоматизированная система управления была внедрена фирмой "Континентал ойл" (США) в 1962 году. Вначале системой было охвачено 39 скважин, через год - 252 [6]. IV этап, начавшийся в 1972-1975 годах, характеризуется появлением автоматизированных систем, обеспечивающих решение широкого комплекса организационно-хозяйственных и производственно-технических задач управления нефтяными промыслами. Наиболее важное свойство систем этого этапа - возможность выбора ими квазиоптимальных оперативных и долгосрочных решений в результате анализа соответствующей информации. Информационная часть системы позволяет обслуживающему персоналу контролировать нефтеотдачу пластов, параметры закачки, продвижение фронта закачиваемой воды, эффективность вытеснения нефти, распределение давления и отборов [16].
Системный анализ и концепция построения системы автоматического управления добычей нефти
С помощью имеющихся технических средств создаются базы данных текущего состояния производства по технологическим режимам скважин, замерам дебитов, состоянию основных объектов нефтедобычи, объемам закачки воды, добычи и реализации нефти, по транспортным, энергетическим затратам, по авариям и т. д. [14, 16]. Эта оперативно получаемая информация, накапливаемая за длительное время, анализируется и используется в режиме off-line, например, для долгосрочного планирования и управления.
На нижнем (технологическом) уровне имеются успешные попытки построить информационную измерительную систему, которая наряду с измерением обеспечивает необходимое информационное обслуживание контролируемого объекта (скважины, куста, месторождения), включающее автоматический сбор, представление, передачу, запоминание, регистрацию и обработку информации [69].
Существующие системы, построенные по иерархическому принципу, представляют собой распределенный информационно-измерительный комплекс с соответствующими аппаратно-программными средствами на каждом уровне, с возможностью сквозного обмена информацией. На низовом производственном уровне комплекс состоит из сервера телемеханики и унифицированных контроллеров, соединенных каналами связи различных видов. Автоматизация собственно управленческих процессов, анализ и стратегическое планирование на верхнем уровне реализуется с помощью объединенных в сеть компьютеров, осуществляющих ведение баз данных объектов и предприятия, расчеты, прогнозирование, визуализацию данных [14, 16, 69].
На среднем уровне диспетчерско-технологического управления при принятии тактических решений, направленных на поддержание стабильности производственного процесса, широко применяются системы оперативного (диспетчерского) управления технологическими процессами (SCADA). SCADA - система или подсистема визуализации технологического процесса - служит для обработки, хранения и отображения информации, поступающей с контролируемых объектов, а также передачи управляющей информации с диспетчерского пункта на контролируемые объекты. SCADA-системы предназначены, прежде всего, для диспетчерского контроля и ручного дистанционного управления. Достигнутый на сегодняшний день уровень управления технологическим процессом — это дистанционное включение — выключение насосных агрегатов, работающих в режиме периодической откачки и закачки [4, 32].
При существующем подходе к созданию систем управления процессом нефтедобычи не выполняются некоторые системные принципы: управляемости - в настоящее время скважина и насосное оборудование являются неуправляемыми (кроме включения-выключения при периодической откачке/закачке); контролируемости (состояние и режимы работы технологического оборудования не могут контролироваться в реальном масштабе времени); реализуемости (не внедрены технические средства, позволяющие регулировать производительность насосного оборудования); обратной связи (принятие решений осуществляется по накопленной базе данных, а не по текущему состоянию) [93].
Таким образом, известные системы — телеметрические, радиотелеметрические, работающие в реальном масштабе времени и т.д. -представляют собой информационно-измерительные системы (ИИС), а не системы управления технологическим процессом, так как в них отсутствует воздействие на объект управления.
Управленческие решения, принятые на верхнем уровне и направленные на выявление издержек и снижение затрат, не могут быть оперативно реализованы в производственном цикле, т.к. основной объект автоматизации - скважина и насосное оборудование — не входят в эту систему и остаются малоуправляемыми. Отсюда следует, что известные системы управления ТП нефтедобычи - это системы с нарушенными системными принципами, вследствие чего не достигаются рациональные соотношения между затратами на создание системы управления и ее функциями и не обеспечивается необходимая эффективность управления.
Математическая модель взаимодействующих скважин как многосвязный объект управления
Возмущения влияют на пласт и способствуют изменению его параметров в частности пластового давления и проницаемости. Это происходит как в результате внешних воздействий, так и из-за применения вторичных методов повышения нефтеотдачи. Эти методы можно разделить на две группы: 1. Закачка в пласт смешивающихся с нефтью реагентов-растворителей нефти. 2. Проведение гидроразрыва пласта. 3. Термическое воздействие на нефтеносный пласт и призабойную зону. Комбинированное использование вторичных методов добычи нефти позволяет извлечь до 80-90% оставшейся в месторождении нефти, но их использование является значительным возмущающим воздействиям на пласт и последствия их применения трудно предсказать. В результате проведения таких мероприятий внутрипластовая структура может значительно измениться, что вызовет изменение коэффициентов в многосвязном объекте управления.
Такие изменения могут вызвать необходимость в подстройке коэффициентов модели и изменения параметров регуляторов. Поэтому представляется важным обеспечить большие запасы устойчивости в данной системе управления как по модулю, так и по фазе, чтобы при изменении параметров объекта система оставалось устойчивой. Подробно данный вопрос рассмотрен в Главе 4.
Коэффициенты в уравнениях, описывающих объект управления, предлагается получать посредством использования сложных математических моделей, описывающих физические процессы, происходящие в пласте, и проведения на них модельных экспериментов позволяющих определить взаимное влияние скважин. Также представляется возможным использование для той же цели истории разработки месторождения и даже проведение натурных экспериментов. Построение детальной модели удобно производить в специализированном математическом пакете для решения дифференциальных уравнений в частных производных Comsol Femlab [94]. Среди нефтяников популярен специализированный пакет Finder.
После получения графиков зависимостей давления у скважины от давления и дебита соседних скважин можно подобрать коэффициенты в уравнениях (2.54), которые позволят приближенно (но с достаточной для практических применений точностью) составить уравнения (2.54) и использовать их для организации автоматического управления группой скважин.
Предложенный подход позволяет организовать комплексную единую систему автоматического управления как процессами добычи нефти, так и процессами поддержания пластового давления при закачке в качестве рабочего агента чистой воды. В рамках данной работы будут рассмотрены двухканальная МСАУ для одной добывающей и одной нагнетательной скважины, и четырехканальная МСАУ для одной добывающей и трех нагнетательных скважин.
Таким образом, в данном разделе предлагается структура многосвязной системы автоматического управления добычей нефти с использованием в качестве управляющих воздействий производительности насосов добывающих и нагнетательных скважин. Выводы по второй главе
1. В результате системного анализа технологического процесса добычи нефти была выявлена трехуровневая иерархия управления на современном нефтедобывающем предприятии. I — уровень управления предприятием - отражает стратегическое управление процессом добычи нефти, планирование, принятие решений о разработке новых месторождений и т.п. II — уровень управления производством — отражает управление производством на текущем месторождении. III — уровень управления технологическими режимами отражает непосредственное управление технологическими механизмами. Элементы системы управления в общепринятом в теории управления смысле присутствуют лишь на верхних управленческих уровнях иерархии (нефтегазодобывающее управление, объединение), образуя информационную систему управления, но отсутствуют на нижнем, технологическом уровне.
2. В результате математического моделирования определены пределы регулирования станка-качалки нового типа, раскрыта зависимость производительности насоса от частоты качаний, проведена оценка энергосбережения нового станка-качалки по сравнению с обычным устройством. Предложена упрощенная модель станка-качалки как исполнительного механизма системы управления в виде апериодического звена первого порядка.
3. Предлагается два варианта структуры САУ одиночной скважины: 1) для скважины, находящейся на раннем этапе эксплуатации и не отличающейся высокой обводненностью 2) для скважины на позднем этапе эксплуатации и отличающейся высокой степенью обводненности. Для второго варианта предложена новая модель нефтеизвлечения, которая позволяет наиболее полно использовать запасы нефти и при этом исключить оборот воды.
Оценка устойчивости многосвязной системы автоматического управления частотным методом
В данной главе будет рассмотрена работоспособность предложенных в Главе 3 алгоритмов управления посредством математического моделирования. Для моделирования будет использоваться математический пакет Simulink входящий в состав математического пакета Matlab. MATLAB - язык высокого уровня для научно-технических вычислений. Он объединяет в себе численные расчеты, визуализацию и программирование. Решение прикладных задач в среде MATLAB осуществляется довольно легко, по сравнению с классическими языками программирования [31, 34]. Среди областей применения: Математические расчеты Разработка алгоритмов Моделирование Анализ данных и визуализация Научная и инженерная графика Разработка приложений, включая графический интерфейс пользователя Simulink - это интерактивная среда для моделирования и анализа широкого класса динамических систем. Simulink предоставляет пользователю графический интерфейс для конструирования моделей из стандартных блоков при помощи технологии «drag-and-drop» («перетащи и брось»). Обширная библиотека блоков позволяет моделировать системы очень быстро - без написания единой строчки кода [36, 38, 59]. Simulink отличают следующие достоинства, имеющие значение для моделирования и анализа: Обширная библиотека блоков для создания линейных и нелинейных, дискретных и непрерывных, гибридных, одномерных и многомерных моделей. Иерархическая структура моделей с неограниченной вложенностью. Скалярные и векторные связи. Средство для создания пользовательских блоков и библиотек. Интерактивное моделирование с «живым» отображением на экране. Семь методов интегрирования с фиксированным и переменным шагом. Линеаризация. Определение точек равновесия. Различные способы вывода на экран и библиотека входных сигналов. В Simulink входит большая библиотека блоков, позволяющая легко создавать модели. Нужно просто перенести компоненты из библиотеки в новую модель и соединить их с помощью мыши. Группируя блоки в подсистемы, можно создать иерархические модели. Число блоков и связей в модели не ограничено [61, 62].
Блок-диаграммы Simulink обеспечивают интерактивную среду для нелинейного моделирования. Можно выполнять моделирование с помощью меню или из командной строки. Результаты моделирования отображаются в процессе работы. С помощью Simulink возможно изменять параметры модели даже в тот момент, когда выполняется моделирование. Simulink обладает открытой архитектурой и позволяет обогащать среду моделирования: Создавать собственные блоки и библиотеки блоков с доступом из программ на MATLAB, Fortran или С Связывать блоки с разработанными ранее программами на Fortran и С, содержащими уже проверенные модели.
Поскольку Simulink обеспечивает непосредственный доступ к математическим, графическим и программным средствам MATLAB, возможно анализировать данные и оптимизировать параметры моделей прямо из Simulink. Возможности дополнительных пакетов также могут быть использованы в ходе моделирования [73].
Библиотека блоков Simulink может быть дополнена специализированными библиотеками. Например, библиотека DSP Blockset используется для разработки алгоритмов цифровой обработки сигналов, библиотека Fixed-Point Blockset расширяет возможности Simulink для моделирования систем управления и цифровой фильтрации.
С помощью Realime Workshop можно генерировать С код моделей Simulink, что позволит в дальнейшем использовать полученные модели при создании программного обеспечения для контроллеров и промышленных ЭВМ, так как С код обладает повышенной переносимостью между платформами [102, 105]. Это позволит перенести существующие алгоритмы и модели в контроллеры, поддерживающие язык программирования С.
В рамках данной работы в Simulink создан набор моделей, описывающий модели систем многосвязного автоматического управления, рассмотренных в Главе 3. В сочетании с программами на языке MatLAB этот набор моделей представляет собой программный продукт, позволяющий производить моделирование и оценку устойчивости многосвязных систем автоматического управления добычей нефти.
