Содержание к диссертации
Введение
1. Роль заводнения в разработке и эксплуатации нефтяных месторождений, постановка задачи модернизации систем ппд в новых условиях 14
1.1. Роль заводнения в разработке нефтяных месторождений 14
1.2. Технологические схемы систем ППД и их место в обустройстве и эксплуатации нефтяных месторождений 23
1.3. Постановка задачи модернизации систем ППД в новых условиях 31
Выводы по разделу 1 34
2. Технология дискретных закачек 36
2.1. Требования к заводнению в новых условиях, технологии закачек в системах ППД 36
2.2. Технология дискретных закачек и новые функции систем ППД.. 58
2.3. Организация цикла при ТДЗ 63
Выводы по разделу 2 74
3. Контроль и управление в системах ппд при технологии дискретных закачек 76
3.1. Структура системы контроля и управления 77
3.2. Программный комплекс сбора, обработки и представления данных 84
3.3. Оптимизация режимов работы системы ППД при ТДЗ 91
3.4. Требования к регулирующей способности КНС и выбор насосного оборудования 104
Выводы по разделу 3 111
4. Особенности проектирования систем ппд при технологии дискретных закачек 114
4.1. Особенности проектирования, непосредственно связанные с ТДЗ 114
4.2. Изменения структуры систем ППД в новых условиях и их учет при проектировании 121
4.3. Проектирование систем ППД при выполнении КНС функции потребителя-регулятора суточных графиков электропотребления 125
Выводы по разделу 1 130
Заключение 132
Список использованных источников
- Роль заводнения в разработке нефтяных месторождений
- Требования к заводнению в новых условиях, технологии закачек в системах ППД
- Структура системы контроля и управления
- Особенности проектирования, непосредственно связанные с ТДЗ
Введение к работе
Актуальность проблемы модернизации нефтедобывающих предприятий Западной Сибири определяется совокупностью природных, экономических и технологических факторов нового этапа развития нефтедобычи региона, включающей преобладание среди вновь вводимых месторождений относительно мелких со сложным строением и трудноизвлекаемыми запасами, поздние стадии разработки эксплуатируемых месторождений, переход от плановой экономики к рыночной, длительное недофинансирование производства и предельно высокий износ основных фондов [1].
В общей проблеме модернизации нефтедобычи региона одной из главных составляющих является совершенствование систем ППД по следующим основным направлениям [2]:
расширение диапазона возможностей и повышение эффективности заводнения как основного способа воздействия на эксплуатационный объект;
снижение удельных расходов энергии на закачку воды и радикальное повышение экономичности систем ППД - наиболее крупных потребителей электроэнергии в нефтедобыче;
приведение структуры систем ППД в соответствие как с новыми технологиями закачки, так и с изменениями в структуре систем сбора, транспорта и подготовки продукции скважин и обустройства месторождений в целом.
Первый аспект связан с преобладанием среди вновь вводимых объектов разработки месторождений неоднородных, сложнопостроенных с трудноизвлекаемыми запасами [3], а также с поздней стадией разработки уже эксплуатируемых месторождений со сложной картиной распределения остаточных запасов. Здесь главное направление повышения эффективности -расширение диапазона и повышение управляемости воздействий: поскважинное оперативное управление закачками, изменение давлений и
5 расходов закачки по скважинам во всем диапазоне возможностей системы, организация комплексных воздействий на пласт с участием всех нагнетательных скважин участка добычи.
Второй аспект обусловлен особо крупными и все возрастающими расходами электроэнергии на заводнение при многократном увеличении цен на нее. Удельные расходы энергии на добычу нефти в регионе превышают 100 кВт-ч на тонну добытой нефти и не менее половины из них приходится на заводнение [4].
Выполняя технологические задания разработки по закачкам, система ППД должна быть освобождена от непроизводительных затрат (потерь) энергии и работать с максимальным приближением к режимам, оптимальным по удельным расходам электроэнергии - главного потребляемого системой ресурса. Для этого необходимо уметь определять эти режимы в системе ППД -сложной гидравлический системе с непрерывно изменяющимися условиями - и обеспечивать их реализацию, для чего требуется высокий уровень управляемости системы [5].
Третий аспект, структурный, связан как с тенденциями внутреннего развития систем ППД - новые технологии, новое оборудование, повышенные требования к мобильности заводнения, так и с новыми подходами к формированию структуры систем обустройства месторождений, в первую очередь систем сбора, транспорта и подготовки нефти и все более тесно связанных с ними систем ППД. Это децентрализация систем, ранний сброс, подготовка и утилизация пластовых вод, повышение автономности и сокращение размеров участков добычи и систем ППД вплоть до рамок укрупненного куста.
Таким образом, актуальность данной работы определяется ее вкладом в исследование основных проблем совершенствования систем ППД в новых условиях нефтедобычи региона по направлениям:
расширение спектра воздействий и повышение эффективности заводнения при разработке неоднородных месторождений с трудноизвлекаемыми запасами (ТИЗ);
повышение экономичности систем ППД в части потребления электроэнергии путем устранения потерь и приближения режимов работы систем к оптимальным по критерию минимума удельных расходов электроэнергии;
приведение структуры систем ППД в соответствие с новыми тенденциями как в развитии самих систем, так и в структурах обустройства месторождений в целом.
В соответствии с указанными целями в работе поставлены следующие задачи.
По повышению эффективности заводнения:
разработать технологию заводнения, обеспечивающую оперативное поскважинное управление закачками с возможностью установления по каждой нагнетательной скважине времени, объема и режима закачки, а также организацию комплексных воздействий на пласт с участием всех нагнетательных скважин участка добычи;
обеспечить возможность изменения параметров заводнения (р, q) индивидуально по скважинам во всем диапазоне технических возможностей системы ППД и расширить этот диапазон в соответствии с потребностями разработки месторождений, существенно неоднородных с трудноизвлекаемыми запасами;
расширить набор функций, выполняемых системой ППД, как в сфере разработки - прокачки нагнетательных скважин при повышенных давлениях и расходах, элементы гидроразрыва пласта (ГРП), волновые воздействия и др., так и в сфере эксплуатации.
По повышению экономичности эксплуатации систем ППД:
устранить прямые непроизводительные потери энергии, связанные с дросселированием потоков на скважинах и на КНС в случаях несогласованности характеристик сети и КНС, а также потери при работе насосов КНС на участках характеристик с пониженными КПД и при несвоевременном обнаружении неисправностей насосного оборудования и сети водоводов;
предложить для участковых систем ГШД - сложных гидравлических систем с изменяющимися режимами работы - способ определения оптимальных по затратам энергии режимов и пути их реализации на основе повышения регулирующей способности КНС;
обеспечить возможность работы КНС в режиме потребителя-регулятора суточных графиков электропотребления без ущерба процессу заводнения и реализовать в полной мере значительные выгоды, связанные с таким режимом при двухставочном тарифе на электроэнергию.
По совершенствованию структуры систем ППД и связанных с ними систем обустройства месторождений:
разработать системный подход к выбору рациональной структуры системы ППД как составной части сбора, транспорта и подготовки нефти, газа и воды;
определить основные варианты структуры систем ППД в новых условиях.
Обобщающие задачи:
построить на основе современных средств автоматики и информационных технологий систему контроля и управления, обеспечивающую в полной мере реализацию высокого уровня управляемости и информативности систем ППД при новой технологии закачек;
разработать новый подход к проектированию систем ППД в части определения производительности и регулирующей способности насосного оборудования и пропускной способности сети напорных водоводов.
8 В качестве общей характеристики работы отмечается следующее.
1. В соответствии с уровнем сложности проблем модернизации систем
ППД на данном этапе развития нефтедобычи региона в работе использован
метод системного подхода с включением в рассмотрение основных аспектов
проблемы: требования радикального повышения эффективности заводнения
как основного способа воздействия на залежь, требования энергосбережения в
приложении к наиболее энергоемкому и имеющему наибольшие резервы в этой
части производству нефтедобычи, радикальные изменения в структуре
обустройства месторождения и в структуре систем ППД. Из внешних условий
главными являются: снижение качества запасов и повышение требований
экономичности производства, переход от плановой экономики к рыночной,
износ основных фондов действующих месторождений и связанная с этим
возможность радикальной перестройки систем обустройства, включая и
системы ППД.
Ключевым моментом этого подхода является выбор для системы ППД технологии закачек с высоким уровнем управляемости и ее реализация на базе современных средств контроля и управления. Соответственно предметная часть работы находится на стыках дисциплин: разработка, промысловые технологии и оборудование, автоматизация производственных процессов, информационные технологии.
При рассмотрении вопросов, связанных с изменениями структуры систем ППД, были использованы материалы концепции реконструкции и технического перевооружения нефтяных промыслов региона, разработанной Гипротюменнефтегазом [6]. А также учтены тенденции последнего периода в части все большего расширения области применения плунжерных насосов и повышения требований к регулирующей способности насосного оборудования в системах ППД [7].
2. Существенным моментом в методическом плане является
использование в работе имитационной модели системы ППД (программный
9 комплекс для гидравлических и энергетических расчетов) как для исследования новой технологии закачек, так и для включения модели в состав предложенной системы контроля и управления, в первую очередь для определения оптимальных режимов работы системы ГШД [8].
3. Работа выполнена в русле многолетнего сотрудничества Гипротюменнефтегаза и Факультета технической кибернетики Тюменского государственного нефтегазового университета.
Далее в соответствии с требованиями к диссертации, как к квалификационной работе, сформулированы основные методические положения предпринятого исследования: актуальность выбранной темы, цель и содержание поставленных задач, объект и предмет исследования, методы исследования, теоретическая значимость и прикладная ценность полученных результатов, положения, которые выносятся на защиту.
Актуальность темы
Своевременность и значимость. В нефтедобыче региона, как и в отрасли в целом, имеет место значительное снижение качества запасов как по вновь вводимым месторождениям, в основном существенно неоднородным, сложнопостроенным, с трудноизвлекаемыми запасами (ТИЗ), так и по крупным эксплуатируемым, находящимся на поздней стадии разработки, со сложным распределением остаточных запасов.
В этих условиях традиционные методы заводнения с технологией непрерывных (объемных) закачек неэффективны и не могут обеспечить приемлемой интенсивности отборов, степени обводненности продукции скважин и уровня нефтеизвлечения. Требуется радикальное повышение маневренности заводнения, увеличение абсолютных величин, диапазонов и режимов изменения воздействий, а также привлечение новых функций, повышающих эффективность заводнения при разработке ТИЗ [9, 10].
Другой аспект проблемы, энергосбережение, обусловлен тем, что системы ППД, как наиболее крупные потребители электроэнергии в
10 нефтедобыче (до 50 и более процентов от общего потребления) и с наибольшими резервами экономии энергии, в новых условиях должны быть оптимизированы по минимуму затрат энергии при безусловном выполнении технологических заданий по закачкам.
В новых условиях также должны быть пересмотрены набор технологических операций, состав оборудования, структура систем ППД и другие аспекты повышения их эффективности [11].
Суть проблемной ситуации. Заводнение предыдущего периода в развитии нефтедобычи было ориентировано на разработку крупных высокопродуктивных месторождений с высокой проницаемостью относительно однородных продуктивных пластов, т.е. на условия, при которых главным и достаточным для целей практики показателем был объем закачки по участку добычи, а повсеместно применяемой технологией была технология непрерывных (объемных) закачек.
В системах ППД в этот период в условиях дешевой электроэнергии и главной ориентации на увеличение объемов добычи образовались и имели место крупные непроизводительные затраты электроэнергии, которые в новых условиях не могут быть приемлемы.
Таким образом, суть проблемной ситуации заключается в том, что системы ППД при существующей технологии закачек не соответствуют новым повышенным требованиям в части эффективности заводнения (маневренность, избирательность, набор и диапазон изменения воздействий), а также и в части экономичности работы самих систем. Требуется также общая модернизация систем по ряду других направлений.
Суть научной проблемы. Определить способ разрешения проблемной ситуации в ее главных аспектах - эффективность заводнения, экономичность работы системы ППД (энергосбережение) - и разработать пути его реализации. Способ - новая технология закачек, обеспечивающая высокий уровень
управляемости системы, пути реализации - современные средства автоматизации и информационные технологии.
Научное содержание работы составляют исследование динамично изменяющихся процессов в системах ППД при новой технологии закачек, разработка способов управления ими и постановка задачи по использованию новых возможностей заводнения в сфере разработки.
Краткий обзор литературы. В работе приведен обзор литературы по следующим аспектам темы:
нормативные материалы по проектированию систем ППД, где обобщающим документом является «Ведомственные нормы технологического проектирования ВНТП 3-85» [12-14];
материалы обследования состояния действующих систем ППД на ряде месторождений региона, в первую очередь отчеты Гипротюменнефтегаза [15-19];
отчеты и публикации по вопросам энергосбережения в нефтедобыче, включая системы ППД [20-24];
публикации и отчеты ФТК ТюмГНГУ по автоматизации производственных процессов и информационным технологиям в нефтедобыче, включая системы ППД [25-28];
публикации по оптимальным методам управления объектами заводнения нефтяных горизонтов [29-34];
материалы по системному подходу к построению систем обустройства нефтяных месторождений и входящих в них систем ППД [35, 6, 36].
Публикаций, имеющих непосредственное отношение к технологиям закачек и способам повышения их уровня управляемости, обнаружено не было.
Проведенный обзор литературы позволяет сделать вывод о том, что тема диссертации до ее постановки в данной работе раскрыта лишь частично, не по основным аспектам и поэтому нуждается в дальнейшей разработке.
12 Цели и задачи исследования
Ввиду несоответствия применяемой в системах ППД технологии непрерывных (объемных) закачек из-за ее низкого уровня управляемости современным требованиям к заводнению при разработке месторождений с трудноизвлекаемыми запасами (маневренность, избирательность, набор и диапазон воздействий) и к экономичности систем ППД (энергосбережение) в качестве цели данного исследования принята разработка новой технологии, обладающей высоким уровнем управляемости и обеспечивающей выполнение указанных требований как в сфере разработки, так и в сфере эксплуатации систем ППД.
В соответствии с указанной целью в диссертации поставлены и решены следующие основные задачи:
определить степень несоответствия осуществляемого в действующих системах ППД заводнения требованиям эффективности при разработке ТИЗ, а самих систем ППД - требованиям энергосбережения, разработать сводный перечень этих требований, дать постановку задачи модернизации систем ППД на новом этапе развития нефтедобычи региона;
предложить новую технологию закачек, отвечающую новым требованиям в сфере разработки и в сфере эксплуатации систем ППД, исследовать ее технологические возможности, уровень управляемости и информативности;
разработать систему контроля и управления, реализующую технологические возможности и уровень управляемости новой технологии, выбрать для нее современные технические средства, структуру и организацию функционирования, разработать алгоритмы для основных программных комплексов;
определить особенности проектирования систем ППД при новой технологии закачек и в новых условиях и разработать подходы к выбору типов, производительности и регулирующей способности насосного оборудования,
13 пропускной способности сети водоводов, определению структуры и конфигурации системы ГШД.
Методы исследования
Получение фактического материала осуществлялось путем проведения собственных обследований действующих систем ГШД, анализа и обобщения результатов обследований, выполненных Гипротюменнефтегазом и Факультетом технической кибернетики ТюмГНГУ, изучения многолетнего опыта Гипротюменнефтегаза по проектированию систем ГШД, и материалов того же института по исследованию проблем энергосбережения в нефтедобыче региона.
Методологической основой модернизации систем ГШД является их перевод на новую технологию закачек, обеспечивающую высокий уровень управляемости и информативности производственного процесса, и реализация этого уровня на базе современных средств управления и информационных технологий.
Основные методы исследования, использованные в работе:
метод системного подхода для определения набора функций, размеров и структуры системы ГШД как составной части обустройства нефтяного месторождения;
метод оптимизации при определении режимов работы систем ГШД и расчета ряда других показателей;
метод математического моделирования для адаптации имитационной модели системы ГШД к новой технологии закачек, отработка на ней различных режимов и определение их технико-экономических показателей.
Результаты опробованы на материалах проектов обустройства Биттемского и Фестивального нефтяных месторождений. Работа состоит из введения, заключения и четырех разделов, содержание которых соответствует указанным выше задачам исследования.
Роль заводнения в разработке нефтяных месторождений
Общая характеристика заводнения
Поддержание пластового давления с закачкой воды в продуктивные горизонты является основным методом воздействия при разработке нефтяных месторождений в отечественной нефтедобыче и в Западной Сибири этот метод был реализован в наиболее крупных масштабах и завершенном виде.
Заводнением охвачено более 85% разрабатываемых месторождений, более 90% нефти добывается с помощью ППД, за счет этого метода коэффициент нефтеотдачи повышается в среднем на 15%. [37-39]
Использование различных систем и способов заводнения позволяет осуществлять интенсивную разработку нефтяных месторождений с высокими темпами отборов нефти. Именно это обстоятельство наряду с открытием крупных нефтяных месторождений в Западной Сибири обеспечило быстрое развитие добычи нефти в СССР, которая за последние три десятилетия перед его распадом увеличилась почти в 20 раз. В СССР добывалось нефти больше, чем в любой нефтедобывающей стране мира.
В пик добычи в СССР (80-е годы) в продуктивные горизонты закачивалось 1,5 млрд. м3 воды в год, из них 30% - пресных вод и 70%» -сточных, куда кроме очищенных пластовых вод также входили пресные, использованные в процессе обессоливания (около 10%) от объема добытой нефти). Такие объемы производства определяли место заводнения как в сфере разработки, так и в сфере эксплуатации - капитальные затраты, энергопотребление, экономика.
При поддержании постоянного пластового давления количество закачиваемой воды определяется из условия равенства отборов и закачек, отнесенных к пластовым условиям с учетом коэффициента утечек (от 1,1 при внутриконтурном заводнении до 1,5 при законтурном). В условиях Западной Сибири при разработке особо крупных месторождений с высокопроницаемыми продуктивными пластами общий объем закачки воды по участку был главным, а в ряде случаев единственным, показателем работы систем ППД, распределение закачки по нагнетательным скважинам не выдерживалось [40-43].
В части требований, предъявляемых к закачиваемой воде [44] -химическая совместимость и стабильность состава, отсутствие микроорганизмов, коррозионная пассивность, повышенная нефтевытесняющая способность, минимальное содержание твердых механических примесей и нефти - имели место значительные отступления от установленных значений ввиду особо высоких темпов наращивания объемов добычи. Доля капитальных вложений на создание систем ППД в общем объеме промыслового строительства выросла с 5,7% в 1965 г. до 25% в 1980 г.
Основным типом систем ППД в Западной Сибири стали крупные участковые системы с радиусом действия в 5-7 и более километров, с размещением КНС на общей площадке с ДНС (пункт сбора участка добычи), с большим количеством особо мощных насосных агрегатов, работающих в постоянном режиме [43, 45].
Заводнение и методы увеличения нефтеотдачи Основные методы увеличения нефтеотдачи либо сводятся к различным методам заводнения, либо базируются на заводнении. Так метод циклического заводнения основан на периодическом изменении режима работы залежи путем прекращения и возобновления закачки воды и отбора, что повышает степень охвата пласта заводнением и полезное использование гидродинамических и капиллярных сил.
Циклическое заводнение эффективно на месторождениях, где применяется обычное заводнение, особенно в гидрофильных коллекторах, которые удерживают воду преимущественно действием капиллярных сил. В неоднородных пластах его эффективность значительно выше, чем обычное заводнение. При циклическом заводнении реализуется также идея повышения нефтеотдачи изменением направления фильтрационных потоков [46, 47].
Метод циклического заводнения особо эффективен в системах разработки, сочетающих повышение нагнетания с периодическим снижением пластового давления ниже давления насыщения в пластах с высокой неоднородностью коллектора [48, 49]. В данной работе в первую очередь рассматривается уровень управляемости систем ППД, необходимый для реализации циклического заводнения.
Значительным вкладом в развитие заводнения и повышения его эффективности в условиях неоднородных пластов явился метод импульсного заводнения [50-52].
Из новых перспективных разработок в этой области следует отметить адаптивную систему разработки и заводнения, которая особенно эффективна в условиях дефицита информации о залежи. Она основана на оперативном учете получаемой информации и позволяет сочетать процесс разведки объектов эксплуатации с их промышленной разработкой. При этом доля неэффективных скважин сокращается не меньше, чем на 50%, а ввод нефтяного месторождения в промышленную разработку сокращается на 1-2 года [53].
Здесь же и избирательная закачка воды, которая позволяет закачивать в каждую нагнетательную скважину столько воды, сколько нефти и воды отбирают окружающие добывающие скважины, а также осуществлять сложные виды заводнения. Если при этом система ППД имеет возможность значительно повышать давление закачки, то дебиты окружающих скважин могут быть увеличены в 1,5-2 раза.
Требования к заводнению в новых условиях, технологии закачек в системах ППД
Новые условия в нефтедобыче применительно к проблеме модернизации систем ППД означают переход к разработке месторождений с трудноизвлекаемыми запасами (ТИЗ) и необходимость повышения эффективности заводнения и уровня экономичности производства.
Для того чтобы сохранить эффективность и роль основного метода разработки, в условиях ТИЗ (низкая проницаемость, высокая неоднородность, сложное построение продуктивных горизонтов) заводнение должно существенно повысить величины воздействий (давления, расходы закачек), расширить их диапазон, дифференцировать по нагнетательным скважинам и сделать их максимально маневренными: куда качать, сколько, в какое время, в каком режиме.
Технология непрерывных закачек (ТНЗ)
В предшествующий период, когда разрабатывались крупные высокопродуктивные месторождения и когда сформировались нынешние системы ППД - участковые, с участками добычи в 500-700 скважин, с весьма развитой сетью трубопроводов высокого давления и с особо мощными КНС -сложилась упрощенная технология непрерывных закачек (ТНЗ), при которой в сети поддерживается постоянное давление, определяемое наименее приемистыми скважинами, а распределение потоков по остальным скважинам осуществляется дросселированием на входе в скважины при помощи регулируемых штуцеров. Эта технология имеет ряд органических недостатков, которые в новых условиях не могут быть приемлемыми.
В сфере эксплуатации систем ППД это: крупные потери энергии на дросселирование потоков на скважинах, на дросселирование общего потока на выходе КНС в случаях, когда характеристика сети не пересекается с характеристикой КНС в пределах рабочей зоны насосов, повышенные расходы энергии из-за работы насосов на участках характеристики с низкими КПД, которых избежать при ТНЗ нельзя из-за отсутствия возможности оперативного управления нагрузками. В условиях высокой неоднородности пластов и при значительной выработанности запасов суммарные потери энергии по этим статьям составляют не менее 20-25% от общего количества энергии, потребляемой системой ППД.
В сфере разработки это: отсутствие оперативного поскважинного управления закачками (ручная перенастройка штуцеров) и невозможность организации комплексных маневренных воздействий на пласт, что особенно важно для поздней стадии разработки при сложном распределении остаточных запасов, а также низкая информативность этой технологии о состоянии пласта.
Кроме того, установленные при помощи штуцеров задания по закачкам в скважины практически невозможно выдержать, так как такое распределение потоков может сохраниться только при строго неизменном режиме и нарушается при любых изменениях давления в сети и приемистости скважин. Технологическое задание для такой системы - общий объем закачки по участку. Большая упругоемкость разрабатываемых пластов и их высокая проницаемость сглаживали неравномерности распределения закачек по скважинам и делали такую технологию приемлемой, особенно на первых этапах разработки месторождений.
Высокая эффективность разрабатываемых запасов и низкие цены на электроэнергию (0,2 коп. за кВт-ч) позволяли игнорировать указанные выше потери энергии в системах ППД, тем более, что в то время все усилия в нефтедобыче региона были направлены на наращивание добывающих мощностей и увеличение объемов добычи. Неполнота и неточность учета закачек по участкам добычи, а тем более по отдельным скважинам, делали картину распределения воздействий на пласт весьма приблизительной. Недостаточная эффективность в сфере разработки, потери и повышенные расходы энергии в сфере эксплуатации систем ППД определяются низким уровнем управляемости и информативности этой технологии.
На рисунке 2.1 дано графическое представление потерь энергии при ТНЗ по указанным ранее причинам: - распределение потоков по скважинам путем дросселирования на скважинах АРдр.скв (рисунок 2.1а), где АРдрхкв - суммарная потеря напора в сети; - согласование характеристик сети и насосов дросселированием потока на КНС в случаях, когда они пересекаются за пределами рабочей зоны насосов (рисунок 2.16); - работа насосов с пониженными значениями КПД (разница в значениях КПД для применяемых в системах ППД центробежных насосов в зависимости от расхода составляет 10-12%, рисунок 2.1 в).
Источниками потерь в сети напорных водоводов являются «узкие места», которые возникают из-за кратного увеличения приемистости и объемов закачки части скважин относительно средней расчетной, принятой при проектировании систем ППД. Это является результатом того, что существующая практика и нормы проектирования этих систем не учитывают диапазона возможных изменений приемистости скважин как из-за исходной неоднородности пласта по простиранию, так и неоднородности, приобретаемой им по мере выработки запасов.
Кроме того, в системе ППД при ТНЗ не исключаются обычные для разветвленных гидравлических систем потери энергии от избыточных напоров. Они имеют место в случаях, когда в сети поддерживается давление выше необходимого для «диктующей точки», в данном случае для низкоприемистых скважин, по которым поток не ограничивается. В этом случае вся величина избыточного напора должна быть отнесена к потерям.
Структура системы контроля и управления
Применяемая в системах ППД технология непрерывных закачек (ТНЗ) и проектируемые для нее контроль и управление (КиУ) в рамках автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) предусматривают телеизмерение расходов и давлений по скважинам и на КНС, контроль и дистанционное управление насосными агрегатами [75, 76].
Объемы и технические средства контроля и управления по указанным объектам ППД при переходе от ТНЗ к ТДЗ практически не изменяются за исключением скважин, на которых вместо регулируемых вручную штуцеров устанавливаются телеуправляемые запорные устройства - электроприводные задвижки или шаровые краны.
В качестве аппаратной платформы для реализации функций контроля и управления предлагается использовать программируемые логические контроллеры (ПЛК), в функции которых входит локальный сбор, первичная обработка аналоговых, дискретных и др. типов сигналов от датчиков, выработка аварийных и управляющих воздействий на исполнительные механизмы, связь с другими уровнями системы автоматизации. ПЛК выполняются для работы в жестких условиях окружающей среды (по температуре, влажности, вибрации, загрязненности и т.д.) и отвечают повышенным требованиям по надежности как в аппаратной части, так и по программному обеспечению. В системе АСУ ППД ПЛК устанавливаются на кустах скважин, на КНС. Связь между уровнем управления и информационным осуществляется по радиоканалу [77].
Главные различия между используемым в настоящее время уровнем автоматизации и предлагаемым для реализации технологии ТДЗ состоит в алгоритмах и программах контроля и управления на ДП.
В качестве примера рассмотрим процесс управления КНС при ТДЗ при работе двух центробежных насосов (рисунок 3.1). Пусть для графика P(Q) (рисунок 3.1а), где I, II - характеристики одного и двух насосов, III -характеристика сети, 1,2 — рабочие точки с максимальными значениями КПД Лтах 1 - рабочая точка одного насоса с Pmax , требуется построить процесс управления на предстоящий цикл. Это осуществляется по следующим этапам: - выбор режима (алгоритма управления) закачки; - формирование графика нагрузки Q(t); - составление набора операций по управлению скважинами из состава регулирующей группы и насосными агрегатами КНС для реализации графика нагрузки. Технологическое задание разработки (ТЗР): У зад — заді? tp — 1ц, где \узаді - задания по закачкам в скважины на данный цикл, Тц -продолжительность цикла (сутки).
Алгоритм управления находится из условий согласования характеристик сети и КНС и работы насосных агрегатов на участках характеристики с r)max : смещение рабочей точки системы в т.2 - работа в т.2 и ее окрестности до закачки объема W2 - скачок рабочей точки в т.2 , лежащую на характеристике сети, проходящей через т.1 и отключение одного насоса - работа в т.1 и ее окрестности до закачки объема Wj - скачок рабочей точки в т. Г и работа в ней до закачки Wi .
График нагрузки (рисунок 3.16) формируется из условий t2 + ti + ti = Тц, W2 + Wi + Wi = W3aa, где Wi - объем закачки в заключительной части цикла, который определяется заранее из условия выполнения заданий по «трудным» скважинам wTpi, работающим непрерывно. Если особых требований в части wTp.i нет, то цикл заканчивается в т.1, график нагрузки будет состоять из двух частей, а затраты энергии уменьшаются за счет исключения из графика т.Г, где
Лтіп Составление набора операций по управлению скважинами заключается в отборе скважин из состава регулирующей группы (скважины, у которых время выполнения задания меньше Тц), отключение которых достаточно для обеспечения смещения рабочей точки в т.2 и ее скачков 2-2 , 1-Г, а также в установлении времени отключения одного из насосов.
Этот же подход к управлению системой сохраняется и при большем числе рабочих насосов, а также при плунжерных насосах (ПН). В последнем случае процесс управления значительно упрощается, так как при ПН отпадает потребность в согласовании характеристик сети и КНС, в смещении рабочей точки в зону характеристики с r]max и ее скачках типа 2-2 , 1-Г, т.е. отпадает потребность в управлении скважинами с целью регулирования нагрузки.
График нагрузки и набор управляющих операций вводятся в управляющую программу (УП), при появлении значимых отклонений процесса от контрольных значений параметров подаются сигналы диспетчеру.
Информационное обеспечение процесса управления осуществляет программный комплекс сбора, обработки и представления данных (ПК СОПД). Его структура соответствует набору объектов обслуживания: скважины, сеть водоводов, насосные агрегаты и КНС в целом, общесистемные показатели.
Операции контроля и управление по нагнетательным скважинам: - введение в УП индивидуальных заданий по закачкам в скважины \узад.ь - формирование группы регулирующих скважин (для ЦБН) с установлением последовательности их использования; - включение скважин в начале цикла и отключение по выполнении w3W.i; - включение-отключение скважин регулирующей группы для согласования характеристик сети и КНС (для ЦБН); - контроль процесса закачки: фиксация qb рІ5 вычисление и фиксация объемов закачки Wj и затрат энергии общих Э и удельных ЗУД.І; - построение характеристик скважин pi(qi); - составление сводных технологических и статистических данных.
Контроль исправности сети водоводов - разрывы, утечки, отложения шламов, замерзания - осуществляется по расходам q{ на скважинах и расходам Q на выходе КНС по направлениям, а также по давлениям на скважинах и в точках ветвления сети
Особенности проектирования, непосредственно связанные с ТДЗ
Необходимость нового подхода к проектированию систем ППД обусловлена как общими изменениями условий нефтедобычи в регионе, определившими радикальное повышение требований к заводнению, так и, особенно, переводом системы на новую технологию дискретных закачек.
При технологии непрерывных закачек исходной основой для проектирования системы ППД является максимальная проектная закачка -обычно закачка восьмого-десятого года разработки месторождения. Пропускная способность сети водоводов определяется по средней величине расхода, получаемой при равномерном распределении максимального проектного объема закачки по скважинам в расчете на их непрерывную работу. Расчетное давление закачки находится по среднему расходу и среднему значению коэффициента приемистости скважин Кпрср. Производительность насосного оборудования КНС выбирается по расчетному объему закачки с коэффициентом запаса 1,15, регулирующая способность КНС не рассчитывается и характеризуется числом однотипных рабочих агрегатов [12, 81,43].
Неучет возможного диапазона изменений приемистости нагнетательных скважин как исходных по простиранию продуктивного пласта, так и приобретаемых в процессе разработки, приводит к значительной перегрузке отдельных участков сети водоводов вплоть до образования «узких мест». Но основные изменения в подходах к проектированию систем ППД связаны с новой технологией закачек, требующей от КНС высокой регулирующей способности для отработки переменных графиков нагрузки в цикле как для
развития традиционных функций заводнения, так и для реализации целого ряда новых.
Таким образом, основные особенности новой технологии закачек (ТДЗ), которые существенно изменяют параметры систем ППД и требуют новых подходов при их проектировании, могут быть представлены следующим перечнем:
- максимальное расширение набора и диапазона возможных воздействий на пласт: развитие традиционных функций (выполнение общего задания по закачкам и его распределения по скважинам), введение ряда новых функций, таких как дожим трудных скважин, периодические прокачки скважин при повышенных давлениях и расходах, элементы ГРП, выполнение КНС функции РГЭП и др., т.е. при ТДЗ система ППД должна обеспечить оперативное поскважинное управление закачками с изменением параметров закачки (р, q) во всем диапазоне технических возможностей системы, а сами эти возможности целесообразно повысить;
- возможность радикального решения проблемы энергосбережения в системах ППД, главных потребителях энергии в нефтедобыче, как путем исключения потерь энергии, имеющих место при ТНЗ (дросселирование на скважинах, дросселирование на КНС, работа насосов с низкими КПД), так и путем определения оптимального по расходу энергии графика нагрузки на цикл и организации его покрытия с достаточным для целей практики приближением к оптимуму;
- необходимость повышения производительности и регулирующей способности КНС, а также пропускной способности сети водоводов, для обеспечения указанных выше воздействий и диапазона их изменений [78, 79].
Новый подход при проектировании систем ППД должен включать:
- определение совместно с разработчиками набора новых функций для данных конкретных условий разработки и выбор нового расширенного диапазона технических возможностей системы ППД (Р, Q);
- расширение возможностей системы контроля и управления с включением в нее определения оптимального графика нагрузки в цикле и организации его покрытия;
- повышение регулирующей способности КНС и пропускной способности водоводов до уровня, обеспечивающего удовлетворительную отработку оптимальных графиков нагрузки в цикле.
Способы обеспечения требуемой регулирующей способности КНС:
- организация расширенного набора комбинаций включения насосных агрегатов, дающих различные Q и Р. Для ЦБН это разные типоразмеры насосов, разные количества колес, разные схемы включения (параллельное или последовательное), при ПН достаточная регулирующая способность обеспечивается при обычном количестве рабочих агрегатов (4-6);
- использование обычного набора комбинаций включения агрегатов, плюс установка регулируемого привода (РП) на одном из них, предпочтительно из числа дополнительных с относительно небольшой мощностью.
Применяемый в настоящее время вариант с однотипными ЦБН, с числом рабочих насосов 2 и более имеет ограниченную регулирующую способность, которая определяется числом рабочих агрегатов и может быть несколько повышена путем изменения числа колес у части насосов.
Рассмотрим наиболее вероятные наборы насосного оборудования КНС и их регулирующие способности: - при двух одинаковых ПН и двух ЦБН с разными наборами колес, число комбинаций возрастает до 8; - при двух одинаковых ПН и трех различных по числу колес ЦБН число комбинаций увеличивается до 18; - при трех основных ЦБН и двух ЦБН дополнительных (малые Q, высокие Р), если все насосы с разными числами колес - число комбинаций 24; - представляет интерес вариант с подпорным ЦБН и двумя основными ЦБН с разными колесами - число комбинаций равно 6;
