Идентификация термобарометрических процессов взаимодействия с окружающей средой подземных нефтегазовых объектов

Актуальность темы

Сегодня как в России, так и во всем мире, бизнес, связанный с добычей и переработкой углеводородов, является одним из основных инвесторов наукоёмких информационных технологий. Нефтегазовые компании ищут новые способы оптимизации режимов нефтегазопромысловых объектов, производительности пластов и максимизации нефтеотдачи и общей номинальной стоимости активов. Это обуславливает необходимость исследования системных связей и закономерностей функционирования и развития системы нефтегазовый объект — окружающая среда и протекающих в ней процессов с целью повышения эффективности управления ими с использованием современных методов обработки информации.

Контроль измерений, сделанных в пласте, скважинах, трубопроводах, хранилищах и наземной сети, охватывает широкий диапазон масштабов времени (от секунд до лет), также как пространственные масштабы (от сантиметров до сотен метров). Все эти данные должны быть объединены для наиболее эффективного использования разрабатываемого месторождения так, чтобы одновременно достигнуть краткосрочных целей, связанных с добычей, и долгосрочных целей, связанных с финансами и номинальной стоимостью активов.

В современном Цифровом Предприятии (рисунок 1), по сравнению с обычным управлением работой нефтегазопромыслового комплекса, необходим более интегрированный процесс замкнутого цикла для оптимизации производительности нефтегазовых месторождений, от начальной фазы разработки месторождения до анализа различных стратегий разработки и добычи. Этот подход требует комбинации нового поколения программных и инструментальных средств моделирования, обеспечивая специалистов общедоступной моделью среды, связанной с датчиками, и размещенными в стволах скважин и наземном оборудовании. Эта модель, регулярно обновляемая в реальном времени на основе информации, получаемой в процессе разработки и начальной фазы добычи, позволит компаниям оценить различные стратегии разработки, добычи, транспорта и хранения углеводородного сырья.

НЕФТЕГАЗОВЫЕ ПОДЗЕМНЫЕ ОБЪЕКТЫ.

ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОКАЗАНИЙ.

КАНАЛЫ СВЯЗИ.

ЦИФРОВАЯ МОДЕЛЬ НЕФТЕГАЗОВЫХ ПОДЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ.

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ КОНТРОЛИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ НЕФТЕГАЗОВЫХ ОБЪЕКТОВ.

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ.

Рисунок 1 — Структура цифрового нефтегазового предприяти.

Одна из необходимых предпосылок для создания интеллектуального нефтегазопромыслового объекта — наличие скважинных и наземных датчиков (измерительной системы), собирающих в процессе строительства и на различных этапах эксплуатации пластовые и технологические параметры, необходимые для системы управления процессами в реальном масштабе времени. Интеллектуальный объект (комплекс математических моделей) и оптимизация как разработки так и эксплуатации — две ключевые предпосылки процесса управления в реальном времени на Цифровом Предприятии. Получается оптимизационный процесс с вложенным двойным циклом.

Внутренний «быстрый цикл» оптимизации добычи — достижение краткосрочных и среднесрочных целей, связанных с добычей углеводородов и движением денежной наличности. Этот быстрый цикл управляется такими высокочастотными данными контроля как давление, температура и расход многофазного флюида.

Внешний «медленный цикл» оптимизации — достижение долгосрочных целей в отношении чистого дисконтированного дохода и нефтеотдачи. Этот медленный цикл управляется редкими, задержанными во времени данными мониторинга месторождения, такими, как четырехмерный сейсмический мониторинг, комплексный геофизический каротаж, карты изобар и изотерм, кросскорреляционный анализ термои барограмм с каротажными диаграммами или другими данными глубинных измерений.

Значительная часть объектов нефтегазовой отрасли представляет собой сложные подземные сооружения, для которых механическое и тепловое взаимодействие с вмещающей средой является определяющим принципиальную возможность безаварийного строительства и эксплуатации. К ним относятся скважины, трубопроводы, резервуары подземных газонефтехранилищ, в первую очередь, сооружаемые в таких сложных условиях как многолетнемёрзлые породы, аномалии пластового давления и проявления горного давления в пластичных породах. Взаимодействие этих объектов с окружающей средой относится к пространственно-распределённым динамическим процессам, адекватное математическое описание которых строится на основе дифференциальных уравнений в частных производных относительно давления и температуры. Теоретическому и экспериментальному исследованию инженерных задач механики сплошной среды, возникающих при сооружении и эксплуатации подобных сооружений посвящено большое количество исследований. Разработан ряд математических моделей и методик расчета, в той или иной степени учитывающих общие закономерности и индивидуальные особенности среды, вмещающей конкретные объекты. Противоречие, формирующее проблему, состоит в следующем. В настоящее время образовалось значительное несоответствие между точностью решения прямых задач и точностью закладываемых в них параметров. Современные вычислительные средства позволяют решать весьма сложные задачи с высокой точностью. Проведен и проводится большой комплекс исследований по усовершенствованию различных методиканализируются все более сложные математические моделирассматриваются весьма тонкие вопросы теорииобсуждаются преимущества одних вычислительных средств перед другими и т. д. Однако в применении к практическим проблемам все это в значительной степени обесценивается низкой точностью закладываемых в проекты граничных условий, механических, фильтрационных и теплофизических параметров. Краевые задачи в конкретных условиях могут быть решены с точностью нескольких процентов, но польза от этого решения не всегда велика, так как в основу расчета закладываются параметры, определяемые подчас с заведомой погрешностью в сотни процентов, а иногда с погрешностью, которую нельзя даже оценить. Причина в том, что значения параметров среды, принимаемые по справочным источникам или в результате лабораторных исследований керна, существенно отличаются от значений, имеющих место в конкретных условиях и для данного объекта. Целесообразна идентификация их значений для конкретных объектов на основании термобарометрических измерений во время строительства и эксплуатации. Однако, в силу специфических требований к средствам измерения температуры и давления контроль этих параметров в практических условиях не всегда проводится в достаточном объёме, а в таком случае как зацементированное заколонное пространство скважин известно лишь небольшое количество экспериментальных исследований и отсутствует возможность измерений в скважинах, не оборудованных специальной аппаратурой при их строительстве.

Актуальность проблемы обусловлена постоянно повышающимися требованиями к точности проектных расчетов, необходимостью научного обоснования назначаемых режимов работы, призванных обеспечить оптимальную и надёжную эксплуатацию, а также сохранность окружающей среды. В этой связи создание наукоемких и высокоэффективных методов и средств сбора, анализа, обработки информации и идентификации процессов взаимодействия с окружающей средой во многом определяет текущие и конечные технико-экономические показатели сооружения и эксплуатации нефтегазопромысловых объектов.

Актуальность работы подтверждает выделение в 2002 и 2003 гг. экспертным советом Российского фонда фундаментальных исследований гранта на проект 02−07−90 479 «Информационно-измерительная система контроля термобарометрических процессов в подземных породах, вмещающих скважины и другие нефтегазопромысловые объекты» по конкурсу проектов создания информационных, вычислительных и коммуникационных ресурсов.

Область исследования — методы идентификации сложных систем и разработка проблемно-ориентированных систем управления, получения, анализа и обработки информации.

Объект исследования — термобарометрические процессы при взаимодействии подземных нефтегазовых сооружений с окружающей средой.

Предмет исследования —методы и средства исследования процессов термобарометрического взаимодействия нефтегазопромысловых объектов с окружающей средой.

Цель исследования. Целью является разработка общей методологии идентификации термобарометрических процессов взаимодействия с окружающей средой нефтегазовых подземных объектов (скважин, трубопроводов, хранилищ углеводородов) на основании информации от специально созданной проблемно-ориентированной измерительной системы и, в частности, применение её для изучения закономерностей процессов изменения температуры и давления в зацементированном заколонном пространстве вследствие воздействия окружающей среды и проведения различных работ в стволе скважины.

Для достижения цели поставлены следующие основные задачи исследования.

1.Обобщенное математическое описание термобарометрических процессов, распространение его на широкий класс пространственнораспределённых нефтегазовых объектов и формализация перехода от обобщённого описания к моделям частного вида для конкретных объектов. Методы параметрической идентификации моделей конкретных объектов по экспериментальной информации.

2.Разработка проблемно-ориентированной измерительной системы контроля термобарометрических процессов на базе магнитоупругих датчиков усилий, обладающих малыми габаритами, высокой прочностью, работоспособностью в широком диапазоне температур и давлений, позволяющих проводить исследования в различных средах, вмещающих подземные нефтегазопромысловые объекты, наиболее сложной из которых является зацементированное заколонное пространство скважин.

3.Разработка методов и алгоритмов решения прямых задач прогнозных расчетов теплового взаимодействия подземных нефтегазопромысловых объектов с окружающей средой с условием типа Стефана на границе промерзания и обратных задач идентификации теплофизических, фильтрационных характеристик среды и краевых условий на границе стенка объекта — окружающая среда.

4.Применение измерительной системы для исследования изменения давления и температуры в заколонном пространстве скважин, строящихся в зоне многолетнемёрзлых пород.

5.Идентификация на основании экспериментальных данных от созданной измерительной системы математических моделей нестационарных гидродинамических режимов скважин для оптимального управления при строительстве и эксплуатации. б. Экспериментальные исследования с помощью созданной аппаратуры и системный анализ процессов образования собственных напряжений в цементном кольце крепи скважины и передачи давления окружающей среды на обсадную колонну через цементную оболочку.

Теоретической и методологической основой является системный анализ процессов при взаимодействии подземных нефтегазовых сооружений с окружающей средой и системный подход к созданию технических средств, методологии и математических моделей для идентификации процессов термобарометрического взаимодействия нефтегазопромысловых объектов с окружающей средой. В ходе проведения исследований использовались труды отечественных и зарубежных учёных в области математического моделирования и оптимального управления, численных методов анализа и оптимизации, теплофизики, метрологии, сооружения и эксплуатации разработки нефтегазопромыслов, нефтегазопроводов, нефтебаз и газонефтехранилищ (Алифанов О.М., Бек Дж., БулатовА.И., Васильев Ф. П., Видовский A. JL, Галицын А. С., Георгиевский В. Б., Коздоба JT.A., Тихонов А. Н., Успенский А. Б., Шумаков Н. В., Яковлев Е. И. и др.).

Научная новизна состоит в создании методологии исследования и идентификации термобарометрических процессов взаимодействия с окружающей средой нефтегазовых подземных объектов на основании экспериментальной информации от специально разработанных измерительных средств контроля собственных напряжений в материалах в процессе структурообразования, температуры и давления твердой, жидкой или газообразной фаз среды. В рамках этого направления получены следующие научные результаты.

1. Выполнен ряд экспериментальных исследований влияния температуры, гистерезиса магнитной проницаемости, воспроизводимости и временной стабильности магнитоупругого эффекта в кольцевых ферритовых сердечниках. В результате созданы специальные датчики усилий для барометрических измерений.

2. Создана проблемно-ориентированная система контроля термобарометрических процессов включающая в себя аппаратуру и методику измерения температуры, полного давления, давления твердой и жидкой фаз окружающей среды.

3. Разработаны методы и алгоритмы решения прямых задач прогнозных расчетов теплового взаимодействия подземных нефтегазопромысловых объектов с окружающей средой с учетом возможных фазовых переходов на границе промерзания.

4. Разработаны в вариационной и интегральной постановке алгоритмы обратных задач идентификации теплофизических и фильтрационных характеристик среды и краевых условий на границе стенка объектаокружающая среда на основании данных системы контроля.

5. С помощью разработанной системы контроля получены экспериментальные данные:

— изменения давления и температуры в заколонном пространстве скважин, строящихся в зоне многолетнемёрзлых пород;

— изменения собственных напряжений в процессе структурообразования тампонажных растворов и различных твердеющих вяжущих;

— о роли жидкой и твердой фаз тампонажного раствора в создании давления на крепь скважины;

— о передаче устьевого давления по зацементированному заколонному пространству скважины;

— о гидродинамическом давлении в скважине во время спускоподъёмных операций.

6. Совокупность разработанных методологии, алгоритмов, измерительной аппаратуры и результатов экспериментальных исследований представляются (квалифицируется) как теоретическое обобщение и решение научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение для нефтегазового комплекса страны.

Практическая ценность. Входящий в разработанную методологию комплекс алгоритмов и программ позволяет производить прогнозные расчёты теплового взаимодействия подземных хранилищ сжиженных углеводородов, скважин, трубопроводов с окружающей средой, проводить периодически идентификацию граничных условий, теплофизических свойств изоляции и окружающей среды, что дает возможность повысить надежность, оптимизировать эксплуатационные расходы.

Проведение термобарометрических исследований в скважинах с помощью разработанной аппаратуры необходимо для успешного и научно обоснованного решения ряда практических проблем: -расчёт крепи нефтяных и газовых скважин;

— выбор по величине напряжения в горных породах необходимого удельного веса бурового раствора, параметров режима бурения;

— прогнозная оценка прочности горных пород при сверхглубоком бурении с учетом величины горного и гидростатического давлений на ожидаемых глубинах;

— определение допустимой прочности проницаемого тампонажного камня для фильтра в скважинах с обильным выносом песка;

— определение необходимой прочности тампонажного камня в заколонном пространстве скважины;

Разработанная аппаратура и методика позволяют проводить следующие актуальные исследования. При сооружении скважины:

— термобарометрических процессов в заколонном пространстве при различных работах в стволе скважины;

— проявления горного давления в открытом стволе скважины, в скважинах, сооружаемых в зонах залегания многолетнемёрзлых пород, слабосцементированных песчаников, мощных соляных отложений, пластичных глин, сейсмически активных зонах и аномально высоких пластовых давлениях;

— гидродинамических давлений в стволе скважины при спуске бурильных и обсадных колонн.

При эксплуатации скважины:

— изменения давления и температуры в заколонном пространстве в зоне многолетнемёрзлых пород при длительном простое скважины и при различных режимах отбора нефти и газаконтроль гидродинамических давлений для: а) непрерывного построения изобар в системе централизованного контроля за разработкой месторожденияб) установления и контроля рационального режима отбора углеводородов из скважиныв) оценки эффективности мероприятий по поддержанию пластового давленияг) оценки эффективности мероприятий по воздействию на пласт взрывчатых веществ, внутрипластового горения и др.

Одним из перспективных приложений разработанной методологии, качественно повышающим эффективность применения, является её использование в составе систем автоматической идентификации и автоматизированного синтеза систем оптимального цифрового управления пространственно распределенными динамическими объектами.

Внедрение. Разработанные алгоритмы включены в государственный фонд алгоритмов и программ и отраслевой фонд Газпрома, внедрены ПО «Оренбурггазпром». Применены в учебном процессе по дисциплине «Обработка экспериментальных данных на ЭВМ».

Информационно-измерительная система контроля термобарометрических процессов, включающая измерительные средства и комплекс алгоритмов принята ОАО НК «Роснефть-Термнефть» для исследования скважин НГДУ «Черноморнефть».

Канчуринской станцией подземного хранения газа ООО «Баштрансгаз» ОАО «Газпром» принята в 2004 г в опытно-промышленную эксплуатацию система контроля термобарометрических процессов, включающая специальные приборы для измерения температуры и давления среды (полного давления и отдельно давления твёрдой и жидкой или газообразной фазы), устройство для передачи информации из памяти прибора в ЭВМ, методы и алгоритмы первичной обработки и визуализации результатов измерений и решения обратных задач идентификации теплофизических, фильтрационных характеристик и граничных условий в математических моделях процессов взаимодействия с окружающей средой нефтегазовых объектов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на III Московской научно-технической конференции «Проблемы поиска, разведки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений» (МИНХ и ГП им. И. М. Губкина, Москва, 1978 г.) — Всесоюзном семинаре «Промышленная теплоизоляция. Технология, расчет, проектирование, эксплуатация.» (ВНИПИТеплопроект, Москва, 1978 г.) — Всесоюзном семинара «Новые достижения в гидравлике промывочных растворов и тампонажных систем» (Ивано-Франковск, Москва, 20 — 22 апреля 1982 г.) — Республиканской научно-технической конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация подземных хранилищ для нефтепродуктов и сжиженных газов» (Ивано-Франковск, 20−21 сентября 1984 г.) — Всесоюзной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири. Проблемы добычи, транспортировки.(Тюмень, 16 — 18 ноября 1985 г.) — Республиканской научно-технической конференции.

Повышение эффективности систем нефтепродуктообеспечения на основе технического перевооружения". (Кировоград, 21−23 сентября 1988 г.) — YIII Республиканская научно-техническая конференция. (Уфа, 28 — 30 ноября 1988 г.). Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы создания, опыт разработки, внедрения АСУ в нефтяной, газовой, нефтехимической промышленности и объектов нефтеснабжения» (Сумгаит, 1990 г.) — 3-й научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния развития нефтегазового комплекса России», посвященной 70-летию РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина (Москва, 27 — 29 января 1999 г.) — Межвузовская региональная научная конференция «Электромеханические преобразователи энергии» (Краснодар, 25 — 26 марта 2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 печатных работ, в том числе 3 монографии в центральных издательствах, 1 научно-технический обзор, 1 авторское свидетельство.

В первой главе показано, что для таких объектов нефтегазовой отрасли как скважины, трубопроводы, резервуары подземных газонефтехранилищ не смотря на их конструктивное и функциональное различие актуально решение общих проблем термобарометрического взаимодействия с окружающей средой, свойственно единство математических моделей этих процессов и применение одних и тех же математических методов и измерительных средств для их исследования.

В системах автоматического управления обычно используется подход, основанный на строгой ориентации при построении математических моделей объектов, алгоритмов идентификации и управления на конкретные технологические процессы и объекты. Однако не всегда учитывается, что физические явления, происходящие в исследуемом объекте, могут иметь широкое распространение в объектах другой природы и назначения. Иной подход, выбранный в работе, основан на первоначальном обобщённом математическом описании физических явлений, построении достаточно обобщённых алгоритмов идентификации и управления этими явлениями с последующей привязкой разработанных алгоритмов к конкретным объектам с учётом их специфических особенностей и сведением алгоритмов идентификации и управления общего вида к конкретным частным случаям. Такой подход обусловливает более широкую область применения и распространения получаемых разработок, позволяет перейти к автоматизированному синтезу алгоритмов идентификации и управления широким классом объектов. Рассмотрено обобщённое математическое описание термобарометрических процессов в виде дифференциальных уравнений параболического и гиперболического типов и показано, что оно распространяется на взаимодействие с окружающей средой широкого класса нефтегазопромысловых объектов.

Используя методологию системного подхода к исследованию сложных и не полностью формализованных систем, выделены границы области исследований и сформулированы задачи.

По принятой классификации при расчетах термобарометрических режимов возникают следующие задачи: прямые задачи — определение полей переменных состояния при заданных интенсивности потока и характеристиках окружающей среды и теплоизоляцииобратные задачи — определение значений потоков и коэффициентов граничных условий по известным характеристикам и переменным состояния средыинверсные задачи — уточнение расчетных значений характеристик среды по экспериментальным данным о нестационарных режимах, являющихся исходными данными, обусловливающими точность решения первых двух типов задач.

Выполнен анализ известных исследований и возможных методов решения сформулированных прямых и обратных задач, выбраны эффективные численные методы и алгоритмы идентификации в вариационной и интегральной постановках.

Показана необходимость создания аппаратуры для термобарометрических измерений, способной функционировать в наиболее сложных условиях зацементированного заколонного пространства. Это позволит использовать её для исследования других подземных нефтегазопромысловых объёктов и выполнить перечисленное выше в разделе «Основные задачи исследования» и в разделе «Практическая ценность».

Вторая и третья главы посвящены созданию проблемно-ориентированной системы контроля термобарометрических процессов включающей в себя аппаратуру и методику измерения температуры, полного давления, давления твердой и жидкой фаз окружающей среды.

Во второй главе обобщены результаты выполнявшихся в течении ряда лет исследований магнитоупругих свойств ферритовых кольцевых сердечников для разработанных конструкций датчиков усилия с ферритовым чувствительным элементом.

Разработаны модификации измерительных приборов как автономные так и с электрическим каналом связи, в которых давление и температура в виде электрических сигналов передаются к наземной регистрирующей аппаратуре по каротажному геофизическому кабелю. На базе ЭВМ создана система автоматизированного сбора и обработки информации от ряда скважинных снарядов. Разработанная проблемно-ориентированная измерительная система в различной конфигурации применялась для исследований пространственно-распределённых динамических процессов в скважине и заколонном пространстве. В частности для термобарометрических исследований при строительстве скважин в условиях многолетнемерзлых пород.

В четвёртой главе выполнена привязка рассмотренных в первой главе общих моделей и алгоритмов к конкретным объектам с учётом их специфических особенностей и сведением алгоритмов идентификации и управления общего вида к конкретным частным случаям.

На основании работ по исследованию теплового взаимодействия подземных изотермических объектов с окружающей средой показано, что в общем случае независимо от типа объёкта возникает необходимость решений нелинейной нестационарной задачи теплопроводности с условием Стефана на границе раздела мерзлой и талой зон. Проведен сравнительный анализ существующих методов решения задач данного типа и сделан вывод о целесообразности применения численного метода, основанного на введении функции теплосодержания со сглаживанием разрывных коэффициентов в области фазового перехода.

Разработан алгоритм численного решения прямой задачи теплового взаимодействия подземных нефтегазовых объектов с окружающей средой и приведены результаты его применения для расчета теплового взаимодействия с окружающей средой подземного изотермического хранилища жидких углеводородов, стенки которого выполнены из предварительно напряженного железобетона.

Рассмотрена обратная инверсная задача определения теплофизических характеристик окружающей среды по экспериментальным данным нестационарных тепловых режимов.

Показано практическое применение разработанных в первой главе интегральных методов решения обратных задач для оценки температуропроводности среды окружающей подземное хранилище сжиженных углеводородов.

Решена обратная граничная задача идентификации тепловых потоков и коэффициентов теплопередачи на границе окружающая среда — подземный нефтегазопромысловый объект как задача оптимального управления.

В пятой главе приведены некоторые результаты промысловых исследований, дающих представление о возможностях применения измерительной системы для длительного мониторинга термобарометрических процессов в заколонном пространстве скважин в зоне многолетнемёрзлых пород, оперативного контроля гидродинамических процессов в стволе скважины во время технологических операций, а также для идентификации параметров, характеризующих состояние пласта в призабойной зоне. В частности, приведены результаты измерений гидродинамических давлений при спуско-подъёмных операциях, полученные впервые в промысловых условиях при кольцевом зазоре всего 3,5 мм.

В шестой главе разработана методология идентификации барометрических процессов взаимодействия скважин с окружающей средой и дано её применение для исследования процессов в цементном кольце крепи скважины. Практика применения цементного камня в различных областях техники показывает, что при отсутствии силовых и внешних температурных воздействий в нем возникает напряженное состояние. Напряжения в камне должны уравновешиваться реакциями связей, т. е. реакциями обсадной колонны и стенок скважины, и вызывать давления на связи. Знание этих давлений необходимо при расчете обсадных колонн, а также для уяснения физической сущности процессов, происходящих в зацементированной части заколонного пространства скважины на различных этапах ее строительства и эксплуатации.

Несмотря на многолетнюю мировую практику крепления скважин тампонажными цементами, роль цементной оболочки в заколонном пространстве скважины во многих аспектах не выяснена или слабо изучена. Это объясняется, в первую очередь, недоступностью прямого визуального или приборного исследования изучаемого объекта в полном объеме.

Разработанные специальные технические средства измерения и метод определения собственных напряжений в твердеющих в условиях ограниченной деформации вяжущих позволили провести лабораторные исследования роли собственных напряжений цементного камня в обеспечении качественного цементирования скважин, роли жидкой и твердой фаз тампонажного раствора в создании давления на ограничивающие связи в процессе твердения.

Проведенные эксперименты по исследованию кинетики собственных напряжений и изложенные выше выводы позволяют уточнить и дополнить, а в некоторых случаях пересмотреть, существующие представления о природе причин, вызывающих собственные напряжения в твердеющих минеральных вяжущих, и об их проявлениях в конструкциях из цементного камня.

Одним из многочисленных назначений цементной оболочки в заколонном пространстве скважин является надежное разобщение пластов, пройденных скважиной, т. е. изолирование продуктивных горизонтов. Последнее возможно, если цементная оболочка газоводонепроницаема, заполняет весь кольцевой зазор между стенками скважины и обсадной колонной, обеспечивая напряженный контакт с их поверхностями, и если в цементной оболочке отсутствуют трещины и каналы, являющиеся путями перетока газа и жидкости.

Разработанная система автоматизированного контроля участвовала в крупномасштабных экспериментах для исследований процесса передачи устьевого давления по зацементированному заколонному пространству. Полученные результаты позволили экспериментально идентифицировать модель процесса передачи давления пластового флюида на обсадную колонну через цементную оболочку и пересмотреть ряд принятых ранее, а priori положений этой модели.

ВЫВОДЫ.

Разработана методология исследования и идентификации термобарометрических процессов взаимодействия с окружающей средой нефтегазовых подземных объектов на основании экспериментальной информации от специально разработанных измерительных средств контроля собственных напряжений в материалах в процессе структурообразования, температуры и давления твердой, жидкой или газообразной фаз среды. В рамках этого направления получены следующие научные результаты.

1. На основании выполненных новых экспериментальных исследований магнитоупругого эффекта в кольцевых ферритовых сердечниках созданы оригинальные датчики усилий для барометрических измерений и на их основе скважинные приборы как с каротажным кабелем в качестве канала связи, так и автономные с встроенным микропроцессором и памятью.

2. Создана проблемно-ориентированная система контроля термобарометрических процессов включающая в себя:

— аппаратуру и методику измерения температуры, полного давления, давления твердой и жидкой фаз окружающей среды;

— методы и алгоритмы решения прямых задач прогнозных расчетов теплового взаимодействия подземных нефтегазопромысловых объектов с окружающей средой с учетом фазовых переходов на границе промерзания;

— алгоритмы обратных задач идентификации теплофизических, фильтрационных, механических характеристик среды и краевых условий на границе стенка объекта — окружающая среда на основании данных системы контроля.

3. В процессе опытной эксплуатации разработанной системы получены экспериментальные данные динамики давления в кольцевом пространстве время спускоподъёмных операций, в частности замеры изменения давления в кольцевом зазоре строящейся скважины при спуске обсадной колонны при кольцевом зазоре в 3,5 мм.

4. С помощью системы контроля получены экспериментальные данные-изменения давления и температуры в заколонном пространстве скважин, строящихся в зоне многолетнемёрзлых пород.

5. Разработана методика идентификации собственных напряжений в процессе структурообразования тампонажных растворов и различных твердеющих вяжущих. Исследовано влияние на величину и кинетику собственных напряжений температуры, внешнего давления, масштабного фактора и деформации связей. Определено распределение собственных напряжений по цементному кольцу для усадочных и расширяющихся тампонажных растворов. Эксперименты по разработанной методики позволили уточнить и дополнить, а в некоторых случаях пересмотреть существующие представления о природе причин, вызывающих собственные напряжения, и об их проявлениях в конструкциях из цементного камня.

6. Экспериментально исследована роль жидкой и твердой фаз тампонажного раствора в создании давления на крепь скважины. Проведённые опыты позволили уточнить представление о механизме работы цементного кольца в интервале напорных горизонтов. Равномерное гидростатическое давление полностью действует на обсадную колонну вследствии проницаемости цементного камня, а не его деформации.

7. Методология и система контроля термобарометрических процессов применена в крупномасштабном эксперименте по исследованию в промысловых условиях передачи устьевого давления по зацементированному заколонному пространству скважины.

В диссертации обобщён опыт разработки и применения методологии исследования и идентификации термобарометрических процессов взаимодействия с окружающей средой нефтегазовых подземных объектов. Методология и измерительная система рекомендуются для использования в составе систем автоматической идентификации и автоматизированного синтеза систем оптимального цифрового управления пространственно распределенными динамическими объектами.

ИНТЕРПРЕТАЦИОННАЯ СИСТЕМА ГИС-КОНТРОПЯ С ПОСТРОЕНИЕМ ПЛАНШЕТОВ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ ЗАКЛЮЧЕНИЕМ.

СИСТЕМЫ ОБРАБОТКА ПЕТРОФИЗИЧЕС-КИХ ДАННЫХ И РЕЗУЛЬТАТОВ ГИС-БУРЕНИЯ К.

ОБРАБОТКА ДАННЫХ ПРОМЫСЛОВОГО КОНТРОЛЯ N1.

СТРУКТУРА ХРАНЕНИЯ ИСХОДНЫХДАННЫХ И РЕЗУЛЬТАТОВ КОМПЛЕКСНОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ГИС-КОНТРОЛЯ.

СТРУКТУРЫ ХРАНЕНИЯ ДРУГИХ ТИПОВ ДАННЫХ.

ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННАЯ ИЕРАРХИЧЕСКАЯ БАЗА ДАННЫХ.

1 К.

ГЕОМОДЕЛИРОВАНИЕ.

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ (ЗАПАСЫ, РАЗРЕЗЫ. КАРТЫ, КОНТАКТЫ, ДРУГИЕ ПАРАМЕТРЫ ПЛАСТОВ).

ГАЗОГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ (Г ИД РО ПРОВОДИ ОСТИ ХАРАКТЕР НАСЫЩЕННОСТИ. ПР }.

МОДЕЛЬ РАЗРАБОТКИ (ПО ИНТЕГРАЛЬНЫМ И ПО СКВАЖИННЫМ ПОКАЗАТЕЛЯМ).

Рисунок 1.1 -Схема накопления и оптимального использования информации при проведении I НС-контроля на месторождениях.

Недостаток аналитических решений в абстрагировании от реальных условий и схематизации натурных процессов. Применяемые на практике измерительные средства недостаточно точно и подробно фиксируют динамику давления в переходных процессах.

Таким образом, из приведенного краткого анализа состояния исследований следует, что многие весьма важные вопросы, несмотря на имеющиеся серьезные экспериментальные и теоретические разработки, требуют дальнейших исследований. К наиболее важным задачам исследования относится определение притока к объекту на основе экспериментально или теоретически полученной картины поля функции состоянияUt (t, z) среды, так как все основные показатели эксплуатации и взаимодействия с окружающей средой в конечном счете, являются функциями потока через поверхность.

1.2 ЕДИНСТВО МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И ЗАДАЧ ИДЕНТИФИКАЦИИ ТЕРМОБАРОМЕТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ СКВАЖИН, ТРУБОПРОВОДОВ, РЕЗЕРВУАРОВ.

Анализ исследований показывает, что для таких объектов нефтегазовой отрасли как скважины, трубопроводы, резервуары подземных газонефтехранилищ несмотря на их конструктивное и функциональное различие актуально решение общих проблем термобарометрического взаимодействия с окружающей средой, свойственно единство математических моделей этих процессов и применение одних и тех же математических методов и измерительных средств для их исследования.

В системах автоматического управления обычно используется подход, основанный на строгой ориентации при построении математических моделей объектов, алгоритмов идентификации и управления на конкретные технологические процессы и объекты. Однако не всегда учитывается, что физические явления, происходящие в исследуемом объекте, могут иметь широкое распространение в объектах другой природы и назначения. Иной подход, выбранный в работе, основан на первоначальном обобщённом математическом описании физических явлений, построении достаточно обобщённых алгоритмов идентификации и управления этими явлениями с последующей привязкой разработанных алгоритмов к конкретным объектам с учётом их специфических особенностей и сведением алгоритмов идентификации и управления общего вида к конкретным частным случаям. Такой подход обусловливает более широкую область применения и распространения получаемых разработок, позволяет перейти к автоматизированному синтезу алгоритмов идентификации и управления широким классом объектов. Рассмотрено обобщённое математическое описание термобарометрических процессов в виде дифференциальных уравнений параболического и гиперболического типов и показано, что оно распространяется на взаимодействие с окружающей средой широкого класса нефтегазопромысловых объектов. Анализируя математические модели перечисленных объектов для использования в качестве обобщенного математического описания этого класса можно предложить следующую систему квазилинейных дифференциальных уравнений в частных производных параболического и гиперболического типов.

UI (О' ^) — (z\/i =[,., К.

1.2) и граничных условий второго или третьего рода.

1.3).

VzedQV/ = 1,., K либо типа Дирихле.

1.4).

VzedQV/ = 1,., K где — непрерывные функции состояния, зависящие от временной е (0,tk) и пространственных 2 = (2,22,., 2М) координат (z изменяется в открытом множестве Q с с гладкой границей dQ, RMk — евклидово пространство действительных чисел размерности Мк);

Ut{t, z) — функции состояния определяются решением системы (1.1) — (1.4), которое по предположению существует и является единственным;

G,(r, z) — / = 1,., АГ* — функции распределенного управления, принадлежащие гильбертову пространству GJm) на RMk .

Переменные управления Gt (t, z) и переменные состояния ?/(r, z) определены в открытых гильбертовых пространствах с границами соответственно Dj, Du, /i = ,., K', К. Дифференциальный оператор At (t, z, U) является параболическим оператором второго порядка, где dt д (иг rTл д Л.

A,(t, z, u)= X — ai{Ul,., UK, t, z}-—.

I У. I' ' Д' ' J ы, ы OZR ^ OZt J.

1.5).

Vi = l, VR = [,., MKl V/ = ,., МК ai{Ul,., UK, t, z} —неотрицательные нелинейные функции величин.

UX,., U K, t, z. Оператор — = Z?((r, 2, t/) является гиперболическим первого dt порядка. Здесь.

Biuz^Jtj-ibXU^U^Uz}) (1.6).

1Ы OZR где — — неотрицательные нелинейные функции U{,., UK, t, z- = Ai (t, z, u)+ Bt (t, z, u) — оператор представляет собой комбинацию dt д dt операторов (этим и объясняется определение типа системы уравнений (1.1);

Су ^ гиперболического — =Bl (t, z, if) и параболического —= Ai (t, z, U).

C/H'— непрерывные линейные функции;

F,, UK (t, z)} — нелинейные функции, характеризующие влияние внешних возмущающих воздействий (случайных или детерминированных);

Et (t, z), V/ = 1,., AT—заданные функции на границе области SQ, которые могут выступать в качестве граничных управляющих воздействий.

В каждое из уравнений обобщенной системы (1.1) входит пять членов: dU, if — нестационарныйAl{t, z, uyjl{t, z') — диффузионныйdt конвективный (член, характеризующий влияние переноса) — С, {}Ut (t, z)+dt {*}(7((t, z) — источниковыйFt {•} — возмущающий.

Переменные состояния z) и управления G ((f, z), i = ,., K могут обозначать различные физические величины, например, такие, как температура, давление, напор, расход вещества и другие, или отклонения этих величин от соответствующих стационарных значений. При этом функциям Bt (t, z,(j), С, {•}, </,{•}, Ft{} следует придать соответствующий каждой из этих переменных смысл.

Дифференциальная задача (1.1)—(1.4) может описывать детерминированные и стохастические пространственно распределённые процессы.

Для детерминированного случая f>z,?/,(f, z), C/2(f, z),., UK{t, z)}, i=,., K— заданные нелинейные непрерывные функции. Для стохастического i=,., K—случайные величины.

Переменные состояния ?/,(f, z) могут не поддаваться прямому наблюдению. Вместо можно получить только некоторые величины, являющиеся предварительно определёнными функциями от Ut{t, z).

Назовем измеряемые величины выходными переменными системы и обозначим уj = 1,2,., k < К.

Выходные переменные можно разделить на четыре группы в зависимости от природы преобразования состояний U t{t, z) в выходные переменные у .

1. Выходные переменные, зависящие от временной и пространственных координат:

У] (iг, z) = hj [t, z, Ux (t, z),., UK (t, z), Sx (/, z),., SK (t, z)]- (1.7) где /*,[•], j = 1,2,.,< К— известные линейные функции;

8,(t, z), i = ,., K— шумы измерений, обусловленные наличием погрешностей измерительных приборов.

Для линейного случая преобразование (1.7) имеет вид:

У.М) = tkШ. М) + 8, Ш = 1.2—^ <К (1.8) где dtj{z), g, j (z) — заданные функции, описывающие измерительную систему.

2. Выходные переменные, зависящие только от временной координаты: у, (f, z) = J, h) [t, z, С/, (if, z),., U K (/, z), (/, z),., ^ (/, z (1.9) Q j = kt+,., k2ZK.

3. Выходные переменные, зависящие только от пространственных координат: и у- (/, z) = h, [t, z, С/, (r, z),., UK (/, z), (/, z),., SK (/, z) it (1.10) о = к2+,., к><�к.

4.Выходные переменные, не зависящие от пространственных и временной координат: у, (t, z) =J J/*, (t, z., UK {t, zSx {t, z., SK {t, z) izdt (1.11) о (1 j = k,+ {,.,< К.

Предполагается, что возмущающие воздействия стохастического характера и шумы измерений Sj (t, z) не коррелированны между собой и с достаточной точностью могут быть представлены с помощью белого гауссова шума.

При описании конкретного объекта, принадлежащего рассматриваемому классу, система (1.1)—(1−4) сводится к системе дифференциальных уравнений с конкретными параметрами — функциями.

Л-} > М-Ь </,{.}, f[u (t, z) E,(t, z),.

При описании динамических термобарометрических процессов, происходящих в неподвижных (однородных или неоднородных) средах Bl (t, z, u)=0, а система (1.1) является параболической.

При описании пространственно-распределенных процессов, происходящих при взаимодействии движущихся сред, дифференциальный оператор Bt{t, z, u)^ 0, а система (1.1) в этом случае является гиперболической или параболическо-гиперболической.

Используя методологию системного подхода к исследованию сложных и не полностью формализованных систем, выдделим границы области исследований и сформулируем следующие задачи:

— прямые задачи — определение полей переменных состояния U,{t, z) при заданных интенсивности потока и характеристиках.

K, t, z)окружающей среды и теплоизоляции;

— обратные задачи — определение значений потоков Q (t) по известным характеристикам и переменным состояния среды U;

— инверсные задачи — уточнение расчетных значений характеристик al{U]i.iUKitiz) среды и коэффициентов граничных условий по экспериментальным данным о нестационарных режимах, являющихся исходными данными, обусловливающими точность решения первых двух типов задач.

Системный анализ рассмотренных исследований взаимодействия трубопроводов, скважин, резервуаров с окружающей средой и сформулированных задач позволил сформировать структуру методологии идентификации термобарометрических процессов взаимодействия подземных нефтегазовых объектов с окружающей средой, представленную на рисунке 1.2. В структуре выделен ряд уровней, на каждом из них при разработке методологии необходимо решить ряд задач. Решению этих задач посвящены следующие главы работы. На уровне процессов осуществляется сбор экспериментальной информации о термобарометрическом взаимодействии подземных нефтегазовых объектов (скважин, трубопроводов, резервуаров) с окружающей средой. Для достижения этой цели применяются различные конфигурации измерительной системы из приборов разработанных во второй и третьей главах. Это может быть контроль в реальном времени и для этих целей используются приборы с электрическим каналом связи, поочерёдно опрашиваемые управляющим компьютером. В ряде случаев, когда, например, измерения проводятся в заколонном пространстве в цементном кольце крепи скважины, скважинный прибор может быть помещён туда только на определённой стадии строительства скважины и извлечению как правило не подлежит. В этом случае применение электрического канала необходимо.

В тех случаях, когда допустимо неоднократное перемещение прибора в зону измерений возможно применение автономной модификации прибора. В этом случае результаты измерений накапливаются в автономной памяти.

УРОВЕНЬ ПРОЦЕССОВ.

ХРАНИ ЛИЩА.

СКВАЖИ НЫ.

ТРУБО ПРОВОДЫ.

ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА.

УРОВЕНЬ ЗАДАЧ И АЛГОРИТМОВ.

1 ПРЯМЫЕ ЗАДАЧИ 1 i j ОБРАТНЫЕ ! ЗАДАЧИ ИНВЕРСНЫЕ ЗАДАЧИ.

МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ.

ОПЫТНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ.

ИНФОРМАЦИОННОВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ.

ПРОГРАММНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС.