Содержание к диссертации
7 Введение
Глава 1
ОБЗОР МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ
1.1. Общность проблем контроля и регулирования j3
сложных гидросистем
Контроль сложных систем
Контроль технических гидравлических систем
Проблемы регулирования сложных систем
1.2. Моделирование как универсальный метод контроля и 18
регулирования технических гидравлических систем
О теории гидравлических цепей как научно-технической дисциплине
Обзор известных в теории гидравлических цепей методов 25 моделирования гидросистем
Графические и аналитические методы моделирования
О применении математических методов и ЭВМ для расчета 35 гидросистем
1.3. Краткий обзор технических гидравлических систем 40
поддержания пластового давления
Системы поддержания пластового давления и их место в
эксплуатации нефтяных месторождений
Установление режима закачки воды по нагнетательным
скважинам
1.4. Цели и задачи моделирования гидросистем поддержания 44
пластового давления
Факторы выбора типа модели технических гидросистем
Выбор типа модели гидросистем поддержания пластового 50 давления
Глава 2
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ ГИДРОСИСТЕМ
2.1.Системный подход к анализу различного рода систем 54
2.2. Новый подход к анализу гидросистем с позиции теории
систем и системного анализа 56
Классификации объектов, представляющих некоторые элементы
гидросистем 77
Глава 3
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПОДДЕРЖАНИЯ ПЛАСТОВОГО ДАВЛЕНИЯ
З.І.Задачи, решаемые при построении модели 90
3.2. Структура гидросистем поддержания пластового давления 91
3.3.Алгебра и топология гидравлических систем 95
Математическое описание потокораспределения в матричной
форме 104
3.4. Гидравлическое моделирование объектов гидросистем
поддержания пластового давления 107
Гидравлическое моделирование посредством явного задания
замыкающих отношений 18
3.5. Численные методы решения предлагаемой модели 164
Алгоритм итерационного процесса модели гидросистем с
сосредоточенными параметрами 166
Глава 4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ, РЕГУЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМ ПОДДЕРЖАНИЯ ПЛАСТОВОГО ДАВЛЕНИЯ
4.1.Моделирование аварийных ситуаций 172
4.2.Вариации изменения структуры гидросистем поддержания
пластового давления 177
4,З.Оптимизация гидросистем поддержания пластового давления 181
Предлагаемый метод оптимизации систем поддержания
пластового давления с помощью моделирования 184
Поиск оптимального набора параметра do для групп штуцеров 198
Заключение 205
Литература 207
Приложение 1. Алгоритмы систематизации и обработки исходных и
выходных данных 217
Приложение 2. Пример использование предлагаемой модели для контроля системы поддержания пластового давления Лазаревского месторождения
Расшифровка некоторых сокращений АЛ - аппараты поглощения энергии текучей среды АПГ - аппараты поглощения гидравлической энергии текучей среды АПТ - аппараты поглощения тепловой энергии текучей среды АС - аппараты сообщения энергии текучей среде АСГ - аппараты сообщения гидравлической энергии текучей среде АСДУ - автоматизированные системы диспетчерского управления АСП - аппараты сообщения и поглощения энергии текучей среды АСПР - автоматизированные системы плановых расчетов ACT - аппараты сообщения тепловой энергии текучей среде БСЭ - большая советская энциклопедия ВС - водоснабжение ВСС - водоснабжающие системы г.ц. - гидравлическая цепь ГДИ - гидродинамические исследования ГНТС - герметичные накопители текучей среды ДЗП - дренируемая или заводняемая зона пласта ДНС - дожимная насосная станция ЗА - запорная арматура КВД - кривая восстановления давления КИД - кривая изменения давления КМС - коэффициент местного сопротивления КНС - кустовая насосная станция КПД - коэффициент полезного действия КС - каналы связи
МТГС - модель технической гидравлической системы ННТС - негерметичные накопители текучей среды НС - насосная станция НТС - накопители текучей среды ПЗП - призабойная зона скважины ГШД - поддержание пластового давления
ПР- приборы для регистрации параметров потока текучей среды РД - регуляторы давления РР - регуляторы расхода
САПР - системы автоматизированного проектирования и расчетов СЛАУ - система линейных алгебраических уравнений СР - среда разработчика СЭИ - Сибирский энергетический институт ТА - трубопроводная арматура ТГС - технические гидравлические системы ТГЦ - теория гидравлических цепей ТПП - территориальное производственное предприятие ТПС - трубопроводная система
ТС - технические системы/текучая среда (в зависимости от контекста) ТССА - теория систем и системного анализа УД - участок добычи
УН - устройства по изменению направления потока текучей среды УП - устройства по изменению параметров потока текучей среды УУ - устройства по управлению потоком текучей среды ЦНС - центробежный насос секционный ШСНУ - штанговая скважинная насосная установка ЭЦН - электроцентробежный насос
Введение к работе
На данном этапе развития фундаментальной и прикладных наук моделирование как метод познания является наиболее гибким с точки зрения внедрения и дальнейшего практического использования. Разработка современных моделей является средством апробации новых теорий, а анализ результатов моделирования позволяет создавать их более адекватными физическим реалиям.
Особенный интерес для разработок в области моделирования представляют сложные системы, т.е. системы, имеющие развитую структуру и состоящие из множества однотипных объектов - элементов.
Эти системы обычно трудно предсказуемы, т.е. целевые параметры их функционирования'постоянно изменяются при малейшем изменении входных параметров даже одного объекта.
Технические системы, осуществляющие снабжение потребителей какими-либо текучими средами, представлены широким спектром гидросистем. К ним относятся глобальные системы, такие как магистральные системы водоканалов, газоснабжения, нефте- и газопроводы, локальные системы водоснабжения, а также гидравлические системы для осуществления каких-либо технологических процессов. Одними из множества представителей таких систем являются технические гидравлические системы (ТГС) бурения скважин, нефте-, газосбора, поддержания пластового давления (ППД) и т.п.
Цель любой технической системы - это обеспечение какого-либо технологического процесса.
Задача регулирования технологического процесса неразрешима без контроля обеспечивающей этот процесс технической системы. Рассматриваемым в данной работе примером такого процесса является процесс заводнения нефтяных месторождений, а обеспечивающей его технической системы является гидросистема ППД, которая включает в себя объекты водозабора, системы очистки, кустовые насосные станции, сети трубопроводов, множество гребенок, задвижек, штуцеров, оборудования устья нагнетательных скважин, эксплуатационных колонн, насосно-компрессорных труб, оборудования забоев скважин, дренируемых и заводняемых зон пласта и других технических средств.
Основной технологической целью систем заводнения является обеспечение равномерного продвилсения контура вытеснения и компенсация потерь пластового давления в гидравлической системе продуктивных пластов. Для достюкения данной цели необходимо устанавливать определенные уровни закачки воды в нагнетательных скважинах, вскрывших рассматриваемый технологический объект(ы). Задача обеспечения установленных приемистостей для фонда нагнетательных скважин возлагается на гидросистему ППД.
Конструкция гидросистем ППД разрабатывается проектными институтами, и даже на самых первых стадиях ввода в эксплуатацию возникают технические задачи, решение которых вносит в изначальную структуру системы изменения, в конечном счете сказывающиеся на проектных величинах приемистостей.
В процессе разработки месторождений идет расширение охвата объектов заводнением, что также влечет за собой изменение структуры ТГС ППД.
Кроме изменения структуры, влияние на систему также оказывает варьирование параметров объектов: снижение или рост коэффициентов приемистости, изменение пластового давления, смена труб, штуцеров и т.д.
Ввиду всех этих причин в ходе эксплуатации постоянно возникает необходимость в контроле и регулировании ТГС ППД, прежде всего для обеспечения назначенных уровней закачки в нагнетательный фонд с целью повышения эффективности заводнения, т.е. нефтеотдачи и номинальных уровней расхода в насосах кустовых насосных станций с целью максимизации их к.п.д.
В общей проблеме контроля и регулирования процесса заводнения одной из главных составляющих является совершенствование методов контроля и регулирования гидросистем ППД по следующим основным направлениям: решение проблемы тотального контроля всех объектов системы (величины расходов и давлений); разработка методов регулирования параметров объектов и структуры системы.
В идеале при решении первой -задачи необходимо создание системы комплексного контроля гидравлических параметров всех объектов гидросистемы (расходы и давления в системе), однако этот подход является дорогостоящим и экономически неоправданным. Здесь более выгодным было бы создание модели, которая позволила бы на основании исходных данных -структуры и параметров объектов ТГС - определять гидравлические параметры системы в целом, оставив при этом приборы для контроля гидравлических параметров на ключевых объектах с целью адаптации модели к текущему состоянию системы.
Решение второй задачи сейчас происходит на основании априорного анализа текущих технико-эксплуатационных показателей системы, а также на основании номограмм, имеющих узкую область применения и не отражающих системный характер задачи. Естественно, что в процессе регулирования необходимо так или иначе предсказывать характер реагирования системы, а точнее изменение ее целевых параметров (расходов, давлений и т.п.) на какое-либо вмешательство извне: изменение параметров системы (смена штуцеров, насосов, перекрытие задвижек, подключение новых скважин, изменение коэффициентов приемистости и т.п.), а это невозможно без использования моделирования.
Как видно, наиболее практичные пути решения поставленных задач на данном этапе развития нефтедобывающей отрасли видятся в моделировании гидросистем ППД таким образом, чтобы появилась возможность на основании структуры и свойств объектов системы находить ее гидравлические параметры.
Актуальность темы. Для повышения эффективности разработки и сокращения непроизводственных затрат требуются постоянный контроль и регулирование, обеспечивающих процесс разработки технических систем. В последние годы в качестве метода контроля и регулирования технологических процессов нефтеизвлечения все чаще используется математическое моделирование. Контроль и регулирование сложных гидравлических систем посредством моделирования наиболее важны, особенно в нефтедобывающей промышленности, где непроизводственные затраты достигают 40-50%. Одной из таких систем является техническая гидравлическая система (ТГС) поддержания пластового давления (ППД), решение задач контроля и регулирования которой на данном этапе не удовлетворяет условию достаточной определенности, а следовательно, регулируемости и комплексной оптимизации.
Моделирование существенно повысит уровень предсказуемости ТГС ППД, а значит, расширит возможности ее регулирования: позволит определять изменение гидравлических параметров в зависимости от изменения параметров объектов и структуры системы, что даст возможность устанавливать ее наиболее оптимальное состояние, не прибегая к реальным экспериментам, требующим капитальных вложений. Моделирование также позволит автоматизировать процесс оптимизации ТГС ППД, что приведет в четкое соответствие приемистости скважин установленным технологией заводнения режимам и даст реальную экономию денежных затрат на электроэнергию.
На данном этапе основной проблемой при регулировании ТГС ППД является сложность определения зависимости гидравлических параметров системы от параметров отдельных объектов (характеристик насосов, труб, штуцеров, гидродинамических параметров пластов и т.д.) без реального изменения их показателей. То есть для планирования модификации параметров отдельных объектов или структуры системы необходимо оценить результаты этого изменения, а это невозможно без использования модели.
Целью работы является разработка метода контроля, регулирования и оптимизации систем ППД посредством создания модели гидросистем с произвольной структурой и параметрами объектов.
Задачи работы. В соответствии с указанной целью в работе поставлены следующие задачи.
Классифицировать множество объектов, составляющих гидравлические системы, и сформулировать новый подход к анализу технических гидросистем.
На основании существующих научных разработок в моделировании гидравлических систем предложить новые аспекты моделирования систем ППД, соответствующие теории систем и системного анализа.
Разработать адекватные гидравлические модели объектов систем ППД, в том числе насосов кустовых насосных станций и нагнетательных скважин в условиях эксплуатации одного и более заводняемых пластов и возможных повреждений эксплуатационной колонны.
Реализовать программный расчетный комплекс по контролю, регулированию и оптимизации гидросистем ППД.
Научная новизна.
Разработана модель систем ППД, позволяющая моделировать гидросистемы с произвольной структурой и параметрами объектов.
Предложен новый подход к анализу гидросистем, соответствующий теории систем и заключающийся в естественной классификации множества объектов гидросистем по характеру их воздействия на текучую среду и систему в целом.
Предложен новый подход в гидравлическом моделировании объектов гидросистем ППД, заключающийся во введении понятия «полной гидравлической характеристики» для всех объектов гидросистем, что позволяет их моделировать во всем спектре расходов жидкости и дает возможность рассчитывать множество ситуаций при эксплуатации систем ППД.
Предложены методы регулирования и оптимизации гидросистем ППД, основанные на использовании разработанной модели для поиска оптимизационных зависимостей гидравлических параметров одних объектов (расходов, давлений) от технических параметров других (диаметры штуцеров, характеристики насосов и т.п.).
Защищаемые положения.
Новый подход к решению проблемы контроля, регулирования и оптимизации гидросистем ППД, основанный на разработанной модели.
Новый методологический подход к анализу технических гидравлических систем, основанный на естественной классификации и описании свойств множества составляющих их объектов.
Новый подход к моделированию гидравлических характеристик объектов гидросистем ППД.
Практическая ценность полученных результатов заключается в применении разработанного метода контроля и регулирования гидросистем ППД для планирования мероприятий по их оптимизации с целью экономии энергозатрат и повышения эффективности разработки месторождений за счет точного соответствия приемистостей нагнетательных скважин режимам, установленным технологией заводнения.
Компьютерное моделирование, как основа предлагаемого метода, позволяет имитировать реакцию гидравлических параметров гидросистем ППД на планируемое вмешательство, что повышает экономичность процесса управления за счет отсутствия необходимости в реальных экспериментах над гидросистемой.
Реализация работы.
Результаты научно-исследовательской работы реализованы в виде программного расчетного комплекса (ПРК): «Комплекс универсального моделирования технических гидравлических систем поддержания пластового давления (Hydra'Sym)». Свидетельство Роспатента об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2002611864 (31 октября 2002 г.).
Апробация работы. Основные положения докладывались и обсуждались на международной конференции «Биниология, симметрология и синергетика в естественных науках» (Тюмень, 2001 г.), на всероссийской научно-технической конференции на Третьей Всероссийской научно-технической конференции «Моделирование технологических процессов бурения, добычи и транспортировки нефти и газа на основе современных информационных технологий», посвященной 40-летию Тюменского государственного нефтегазового университета (Тюмень, 2002 г.), на семинарах ТПП «Урайнефтегаз» (г. Урай, 2001 г.), НИИ «СибГеоТех» (г. Нижневартовск, 2001
Внедрение результатов работы. Предлагаемый программный внедрен в ТПП «Урайнефтегаз» и НИИ «СибГеоТех». Результаты внедрения прилагаются в виде отзывов.
Публикации. По материалам исследований опубликовано 12 работ.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, основных зыводов, четырех глав, где изложены основные теоретические аспекты, и приложений, содержит 120 рисунков, список литературы из 130 наименований.
