Введение к работе
Актуальность проблемы. Астраханское газоконденсатное месторождение (ГКМ) занимает лидирующее положение среди подобных месторождений как по степени присутствия в добываемой пластовой смеси особо опасной компоненты – сероводорода, объем которого превышает 25%, так и по уровню автоматизации функции контроля и управления промысловыми объектами.
Основные особенности технологического процесса добычи из промысловых скважин Астраханского ГКМ и транспортировки на переработку пластового флюида состоят в следующем:
сверхглубокое залегание продуктивных пластов;
многокомпонентный состав пластовой смеси (газ, вода, конденсат) с аномально высоким содержанием сероводорода;
высокая температура гидратообразования пластовой смеси:+280С.
Несмотря на высокую степень автоматизации промысла в действующей системе отсутствует реально действующая функция глобального автоматического регулирования температурного режима газотранспортной сети.
Систематический недогрев газа может привести к гидратообразованию на входе завода, что вызовет его полный аварийный останов. С другой стороны существенное завышение температуры газа на промысле приведет к нарушениям режимов его переработки на газоперерабатывающем заводе и одновременно к гигантским экономическим потерям из-за непроизводительных затрат топливного газа на избыточный подогрев пластового флюида на площадках скважин.
В связи с изложенным, создание экономичной и безопасной информационно-измерительной управляющей системы (ИИУС) автоматического управления температурным режимом газотранспортной сети, повышающей степень автоматизации до уровня системы автоматического управления (САУ), способной в условиях безлюдной технологии неограниченно долгое время с высокой эффективностью в энергосберегающем безгидратном режиме транспортировки пластового флюида от промысловых скважин до установок переработки обеспечивать систематическое и четкое высокоточное соответствие температурного режима транспортировки установленному номиналу – актуальная задача.
Проблема исследования. Промысловая ситуация в части температурного режима трубопроводной сети характеризуется двумя разнонаправленными процессами: 1) экономия топливно-энергетических ресурсов на необходимый подогрев пластового флюида в начальных пунктах транспортировки – площадках скважин; 2) обеспечение технологического процесса транспортировки пластового флюида при весьма высокой температуре, выше температуры гидратообразования, равной 28оС.
Диспетчерский режим регулирования температуры пластового флюида в газотранспортной сети не обеспечивает точного соблюдения необходимого температурного режима каждой скважины, что приводит к повышенным затратам очищенного газа на подогрев пластового флюида.
Автоматизация позволит решить проблему поставки пластовой смеси на переработку в безгидратном низкотемпературном экономичном режиме.
Цели и задачи работы. Целью работы является разработка ИИУС, предназначенной для автоматического выравнивания и высокоточного поддержания заданного температурного режима транспортировки пластового флюида по газотранспортной сети от промысловых скважин до установок сепарации газа в энергосберегающем безопасном режиме.
Сформулированные и решенные в процессе выполнения диссертационного исследования задачи включают:
-
Исследование промысловой зоны в качестве объекта автоматизации и определение целевых функций управления.
-
Разработка и исследование математических моделей оптимизации температурных режимов газотранспортной сети промысла с минимизацией энергетических затрат на подогрев пластового флюида на площадках скважин и повышенными мерами безопасности поставки пластовой смеси на переработку.
-
Разработка структуры базы данных, содержащей температурные зависимости для участков прокачки газа (шлейфы скважин, магистральные трубопроводы).
-
Разработка методик автоматического регулирования температурных режимов газотранспортной сети, динамической паспортизации температурных зависимостей для подогревателей газа и трубопроводной системы.
-
Разработка алгоритмов управления и комплекса программ, обеспечивающих реализацию функций оптимизации температурного режима газотранспортной сети промысла в автоматическом режиме в виде специализированной ИИУС.
-
Проверка адекватности математических моделей и эффективности работы ИИУС.
Научная новизна работы:
-
Сформулированы комплексные требования к ИИУС на основе исследования существующей системы контроля и управления Астраханским газовым промыслом и разработаны базовые принципы, обеспечивающие энергосберегающий режим работы рассматриваемой ИИУС.
-
Разработана методика формирования и спроектирована специализированная база данных для динамической паспортизации температурных режимов скважин и участков магистральных трубопроводов с оригинальными элементами экстраполяции, обеспечивающими результативный переход в смежные, ранее не применявшиеся температурные зоны эксплуатации подогревателей на площадках скважин.
-
На основе комплексных требований и базовых принципов разработан комплекс математических моделей и методик оптимизации температурного режима трубопроводной системы газового промысла, расширяющий функции действующей системы контроля и управления промыслом и повышающий уровень автоматизации режимов глобального температурного регулирования до уровня систем автоматического управления.
-
Разработаны алгоритмы автоматического регулирования температурных параметров газотранспортной сети, применение которых в системе управления промыслом повышает экономическую эффективность и безопасность технологического процесса, создан комплекс программ по обеспечению оптимальных температурных режимов работы скважин и газотранспортных сетей.
Практическая ценность работы:
-
Разработана специализированная ИИУС, базирующаяся на приведенных математических моделях, которая внедрена в эксплуатацию в составе действующей SCADA системы контроля и управления Астраханским газовым промыслом.
-
Сформированы и постоянно динамически актуализируются температурные паспорта скважин и участков магистральных трубопроводов, используемые ИИУС для точного расчета и выдачи на исполнительные механизмы в реальном масштабе времени температурных поправок, обеспечивающих требуемый температурный режим.
Применение ИИУС в управлении Астраханским газовым промыслом показало работоспособность и высокую эффективность созданных моделей и методов, реализованных в разработке, подтвержденную расчетами экономического эффекта. Годовой экономический эффект от применения ИИУС в собственном производстве ООО «Газпром добыча Астрахань» в соответствии с расчетом составляет 23 млн. руб.
Разработка носит инновационный характер, защищена авторским патентом на полезную модель №.97544 «Информационно – измерительная управляющая система автоматического управления температурными параметрами объектов газового промысла».
На защиту выносятся следующие положения:
-
Требования к ИИУС, обеспечивающие целостную концепцию безопасного энергосберегающего управления температурными параметрами газотранспортной сети в режиме автоматического регулирования под контролем, но без участия человека.
-
Базовые принципы энергосберегающего режима работы системы предварительной подготовки (подогрева) добываемой пластовой смеси на основе зонированного подхода к управлению температурными режимами.
-
Методика формирования и актуализации в реальном масштабе времени специализированной базы данных в режиме автоматической динамической паспортизации температурных профилей скважин и участков газотранспортной сети (шлейфов, магистральных трубопроводов) на основе сбора и обработки данных от промысловых датчиков.
-
Комплекс математических моделей и методик, обеспечивающих автоматическое поддержание температурных градиентов газотранспортной сети промысла в стабильном низкоэнергоемком безгидратном режиме поставки пластовой смеси на переработку.
-
Алгоритмы эффективного и безопасного автоматического регулирования работы подогревателей промысловых скважин, определяющие качественный температурный режим газотранспортной сети от скважин до установок переработки сырья, и комплекс программ, реализующих алгоритмы управления газотранспортной системы Астраханского промысла.
Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных результатов на основе использования методик компьютерного моделирования, системного анализа, экспериментальных данных подтверждена данными эксплуатации ИИУС в составе штатной системы АСУТП Астраханского ГКМ. В результате системного анализа выявлена иерархичность ИИУС, зонированная структура управления промысловыми скважинами на основе примененного матричного метода формирования температурных зависимостей для газотранспортной сети. ИИУС используется на Астраханском газовом промысле в течение 2009–2011гг.:
в режиме автоматической паспортизации температурных зависимостей для подогревателей газа и участков газотранспортной сети (декабрь 2009г.- сентябрь 2010г.);
в режиме пробной тестовой эксплуатации (октябрь 2010г.- февраль 2011г.);
в режиме автоматического управления температурными параметрами подогревателей газа и газотранспортной сети промысла в целом – с марта 2011г.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на четырех международных конференциях и корпоративном конкурсе ОАО «Газпром»: III международная научно-техническая конференция «Компьютерные технологии поддержки принятия решений в диспетчерском управлении газотранспортными и газодобывающими системами» - «ДИСКОМ-2007»; международная научная конференция «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «Астинтех-2008»; XII международная отраслевая научно-практическая конференция «Россия периода реформ», 2008 год; IV международная научно-техническая конференция «Компьютерные технологии поддержки принятия решений в диспетчерском управлении газотранспортными и газодобывающими системами» - «ДИСКОМ-2009»; конкурс ОАО «Газпром» по компьютерному проектированию и информационным технологиям в Санкт–Петербурге в 2010 году (1 место в номинации «Лучший проект в области информационных технологий»). Получена Национальная технологическая премия 2008 года в области науки и техники (1 место в высшей номинации - за выдающийся вклад в развитие новых технологий).
Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 12 опубликованных научных работах, в том числе в 6 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования основных научных результатов диссертации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографии, состоящей из 100 наименований, и 11 приложений, общий объем 102 страницы основного текста, 17 рисунков.
