Повышение длительности работы информационно-измерительных систем для исследования скважин с автономными источниками питания

Актуальность.

Поддержание необходимых объемов добычи нефти и газасложный технологический процесс, неотъемлемая часть которого постоянный контроль и измерение различных параметров и характеристик нефтяного месторождения и продуктивных пластов. Современный этап развития нефтегазодобывающей отрасли характеризуется тем, что самые продуктивные месторождения приходятся на малообжитые труднодоступные регионы страны. Данное обстоятельство требует, чтобы исследованиями были охвачены, в том числе и удаленные скважины, находящиеся в труднопроходимых местах.

Одной из серьезных проблем, с которой сталкиваются специалисты по разработке скважин, является отсутствие систем электрификации на указанных месторождениях. Как следствие, невозможность использования информационно-измерительных систем (ИИС) для контроля скважинных параметров, стационарно установленных на скважинах и обеспечивающих передачу по каналу связи и регистрацию информации на диспетчерском пункте управления.

Поэтому в настоящее время контроль за разработкой таких месторождений ведется исследовательскими бригадами, которые выезжают на исследуемые скважины на передвижных исследовательских станциях, оборудованных спускоподъемными лебедками и измерительной аппаратурой. Такие исследования имеют периодический характер, не позволяют оценить состояние месторождений в динамике, а также весьма дороги (в условиях северных месторождений только транспортные расходы для исследования одной скважины составляют десятки тыс. руб.) и далеко не всегда возможны из-за дорожных и климатических условий.

В настоящее время разработаны и серийно выпускаются приборы различного назначения и конструкции, постоянно повышается их технический уровень, расширяются функциональные возможности. Следует отметить, что потребность в отдельных видах скважинных геофизических приборов покрывается не более чем на 30%.

Поэтому, в настоящее время весьма актуальным представляется создание нового класса автономных информационно-измерительных систем (АИИС), максимально эффективно использующих энергию автономного источника питания и способных осуществлять длительную (полгода и более) регистрацию измерительных параметров.

Однако ряд вопросов, связанных с разработкой АИИС, еще совершенно не исследован, главным из которых является эффективность использования источников питания.

К основным научным проблемам, с которыми сталкиваются разработчики ИИС, относятся: выбор методов дискретизации по времени, квантования по уровню, экономного выделения и объединения при ограниченных ресурсах (энергетических, информационных и др.) сообщений, предназначенных для передачи. При решении этих проблем необходимо помнить, что при использовании автономных источников питания длительность работы систем ограничена ресурсами этих источников. И, следовательно, оптимизация и эффективность использования ресурсов питания являются ключевым требованием к выбору режимов работы устройств ИИС, и должны быть положены в основу построения алгоритмов функционирования. Тем более, что стоимость элементов питания, работающих при температуре до -50°С, весьма высока.

Таким образом, создание методики разработки ИИС с автономным питанием, способной длительное время работать в тяжелых условиях, является актуальной задачей, которая пока еще не решена.

Связь исследования с научными программами.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательской работы кафедры автоматизации производственных процессов Уфимского государственного нефтяного технического университета, в частности в рамках договоров, заключенных в 1997;2001 г. г. хозрасчетной научно-исследовательской лабораторией «ИИС» кафедры АПП УГНТУ с предприятиями ООО «Уренгойгазпром», ООО «Ямбурггазодобыча», АО «Татнефть» и др.

Целью диссертационной работы является решение научно-технической задачи, имеющей важное теоретическое значение и практическое применение — разработка, исследование и внедрение в промышленность алгоритмов функционирования ИИС с автономными источниками питания, обеспечивающих максимальную длительность регистрации параметров технологического процесса.

Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:

1) анализ структуры энергопотребления компонентов ИИС с автономным питанием с целью повышения эффективности использования ресурса автономного источника питания ИИС;

2) исследование влияния времени усреднения на точность представления параметров технологического процесса;

3) создание эффективного алгоритма поиска оптимальных значений интервала дискретизации и времени усреднения при представлении отсчетов измеряемой величины интегральными значениями, обеспечивающих максимальную длительность регистрации параметров технологического процесса при ограничениях на ресурс автономного источника питания ИИС;

4) разработка методики создания оптимальных алгоритмов функционирования ИИС с автономными источниками питания, обеспечивающих максимальную длительность регистрации параметров технологического процесса;

5) разработка алгоритмов сжатия данных, повышающие эффективность использования ресурса автономного источника питания ИИС;

6) программная реализация интерфейса связи микроконтроллера с микросхемами ПЗУ и сигма-дельта АЦП, интерфейса RS232 связи микроконтроллера с персональным компьютером.

Методы исследования базируются на теории информации, теории электрических цепей, теории оптимизации алгоритмов при перечислении их параметров эффективности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен и исследован подход к проектированию ИИС с автономным источником питания для исследования скважин, обеспечивающий максимальную длительность регистрации параметров исследуемого процесса при ограничениях на ресурс автономного источника питания и точность представления, основными положениями которого являются:

— определение оптимальных значений интервала дискретизации и времени усреднения при интегральном представлении измеряемой величины;

— методика создания алгоритмов функционирования ИИС с автономным источником питания для исследования скважин, и оценка эффективности их аппаратной реализации.

2. Установлен новый критерий эффективности методов сжатия данных, обеспечивающий эффективное использование ресурса автономного источника питания ИИС.

3. Предложено устройство для измерения нескольких параметров на основе различных схем включения датчика с последующей обработкой измерительной информации.

Практическая значимость и реализация результатов.

Диссертационная работа является составной частью комплексных исследований по разработке ИИС для контроля холодных скважин и скважин с повышенной температурой, выполняющихся на кафедре автоматизации производственных процессов УГНТУ. Изложенная в работе теория и методология позволили повысить эффективность использования энергии автономных источников питания ИИС, тем самым увеличить время регистрации параметров скважинных процессов. Достигнутые научные результаты нашли практическое применение в следующих технических приложениях:

1) система автоматизированного исследования и контроля параметров работы скважин и технологического оборудования (САИК), стационарный манометр-термометр СМТ-2, манометр-термометр для системы телекоммуникации по ЛЭП МТТ-1 внедрены и успешно используется на объединениях и предприятиях ООО «Уренгойгазпром», ООО «Ямбурггазодобыча», АО «Татнефть» и др.;

2) варианты исполнения приборов САИК, СМТ-2 и МТТ-1 используются при проведении газогидродинамических исследований, гидропрослушивании скважин, исследовательских работ при бурении скважин и т. п.;

3) создано и внедрено алгоритмическое и программное обеспечение для работы с автономной системой САИК;

4) в УГНТУ результаты научной работы используются в учебно-методической работе кафедры АПП.

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 22 печатные работы, из которых 3 статьи, 1 патент РФ на изобретение, 3 свидетельства об официальной регистрации программ.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях:

— Всероссийская н.-т. конф. молод, ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации» (Уфа, УГАТУ, 1997);

— 48 н.-т. конф ст-тов, асп-тов и молод, ученых УГНТУ (Уфа, 1997);

— Международный н.-т. семинар «Проблемы нефтегазовой отрасли» (Уфа, УГНТУ, 1998 г.);

— X Юбилейная научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (Датчик-98)» (Москва, МГИЭМ, 1998 г.);

— Международная н.-т. конф., посвященная 50-летию УГНТУ «Проблемы нефтегазового комплекса России» (Уфа, УГНТУ, 1998 г.);

— 49 н.-т. конф ст-тов, асп-тов и молод, ученых УГНТУ (Уфа, 1998);

— XI научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (Датчик-99)» (Москва, МГИЭМ, 1999 г.);

— 50 н.-т. конф ст-тов, асп-тов и молод, ученых УГНТУ (Уфа, 1999);

— LY научная сессия, посвященная Дню радио «Радиотехника, электроника и связь на рубеже тысячелетия» (Москва, РНТОРЭС им. А. С. Попова., 2000 г.);

— XII научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (Датчик-2000)» (Москва, МГИЭМ, 2000 г.);

— Международная научно-техническая конференция «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации („Измерения — 2000“)», посвященная 50-летию кафедры «Информационно-измерительная техника» Пензенского Государственного университета (Пенза, ПТУ, 2000 г.);

— XIII научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (Датчик-2001)» (Москва, МГИЭМ, 2001 г.).

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из перечня сокращений, введения, четырех глав материала, заключения, списка литературы, включающего 105 наименований, и 2-х приложений. Общий объем работы составляет 194 страницы, в том числе 21 рисунок, 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи, дана общая характеристика выполненной работы.

В первой главе проведен обзор состояния проблемы обеспечения нефтегазовой промышленности измерительной аппаратурой. Даны обоснования выбора в качестве критерия оптимизации алгоритмов функционирования ИИС с автономным питанием максимальной длительности регистрации кривой технологического процесса, исходя из ресурсов автономного источника питания. Рассмотрены пути решения задачи увеличения длительности регистрации параметров исследуемого процесса. Обоснована необходимость разработки оптимальных методов представления измерительной информации и разработки методов проектирования оптимальных алгоритмов функционирования ИИС с автономным источником питания для исследования скважин.

Вторая глава посвящена исследованию параметров регулярного дискретного представления с целью повышения эффективности использования ресурса автономного источника питания ИИС для исследования скважин.

Длительность работы ИИС с автономным источником питания определяется максимально возможным количеством отсчетов N0 и длительностьюинтервала дискретизации, и в общем случае можно записать.

1=1 где At — интервал дискретизации.

Для случая регулярной цифровой дискретизации можно записать.

Тм = N0At.

Анализ последнего выражения показывает, что одной и той же длительности регистрации контролируемого процесса можно добиться при различных сочетаниях значений N0 и At — при высокой частоте опроса датчиков с малыми интервалами дискретизации и, наоборот, с невысокой частотой опроса, но увеличив интервал дискретизации. Следовательно, для определения некоторого рационального соотношения интервала дискретизации и количества измерительных отсчетов на интервале регистрации необходимо проанализировать, как связаны между собой эти две величины.

Максимально возможное количество отсчетов можно определить, а где Q0 — энергопотребление, требуемое для регистрации одного отсчета.

Значение Q0 определяется током потребления компонентов ИИС, величина которого изменяется на интервале дискретизации, и весь интервал можно условно разделить на два периода:

1) период, на котором непосредственно формируется цифровой отсчет, и все компоненты системы находятся в режиме потребления рабочего тока;

2) период между отсчетами, когда узел «датчик-АЦП» находится в режиме «sleep», а, следовательно, величина общего тока потребления системы значительно ниже, чем в момент отсчета.

Длительность формирования цифрового отсчета определяется временем усреднения АЦП — суммарным временем интегрирования входного сигнала для получения одного отсчета.

В главе исследован вопрос, как влияет изменение времени усреднения АЦП tv на точность представления сигнала. Исследованы погрешности регулярного цифрового представления сообщения интегрированными значениями.

Проведенные исследования показали, что могут быть найдены значения интервала дискретизации, обеспечивающие максимальную длительность регистрации параметров исследуемого процесса, путем выбора оптимального значения времени усреднения АЦП.

Полученные результаты позволили рекомендовать алгоритм поиска оптимальных значений интервала дискретизации и времени усреднения для ИИС с автономным питанием.

Третья глава посвящена исследованию и проектированию алгоритмов функционирования ИИС с автономными источниками питания для исследования скважин. Предложена методика проектирования алгоритмов функционирования ИИС с автономным питанием. Определен кортеж частных показателей алгоритмов с позиций экономии ресурса автономного источника питания ИИС. Для выбранных показателей определены межкортежные и внутрикортежные зависимости. Проведен анализ адаптивных алгоритмов регистрации параметров исследуемого процесса, реализующих сжатие данных на основе интерполяционного полинома Ньютона на примере системы автоматизированного исследования и контроля параметров работы скважин и технологического оборудования САИК.

На основе разработанной методики предложен ряд конкретных программ, реализующих методы сжатия данных на основе интерполяционных полиномов в среде MPLAB PICASM, официально зарегистрированные Российским агентством по патентам и товарным знакам.

Полученные результаты позволили по техническим характеристикам ИИС и априорным данным о процессе выбрать оптимальные методы сжатия для регистрации кривой давления (метод совмещенной линейной интерполяции-экстраполяции) и кривой температуры (метод совмещенной ступенчатой интерполяции-экстраполяции).

В четвертой главе приведено описание автономной ИИС, разработанной при непосредственном участии автора на основании полученных и приведенных в настоящей работе результатов, предназначенной для регистрации значений давления и температуры.

Результаты исследований нашли практическое применение при создании информационно-измерительных систем, разработанных в соответствии с договорами, заключенными в 1997;2001 г. г. с предприятиями ООО «Уренгойгазпром», ООО «Ямбурггаздобыча», АО «Татнефть» и др. хозрасчетной научно-исследовательской лабораторией «ИИС» кафедры АПП УГНТУ.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

1. Разработана при непосредственном участии автора информационно-измерительная система автономного технологического мониторинга, предназначенная для непрерывного измерения и регистрации значений параметров технологических процессов любого производства. Партии АИИС приобретены в 1999 — 2001 гг. ООО «Уренгойгазпром» (30 комплектов), ПО «Ямбурггаздобыча» (10 комплектов), и успешно эксплуатируются там в настоящее время (см. Приложения 1, 2).

2. В схеме АИИС использованы отдельные узлы и элементы схемных решений, ранее примененные в стационарном манометре-термометре СМТ-2 и скважинном манометре-термометре для. системы телекоммуникаций по ЛЭП МТТ-1, также разработанных при непосредственном участии автора и в данный момент успешно эксплуатируемых на предприятиях ООО «Уренгойгазпром», ООО «Лмбурггазодобыча», АО «Татнефть», и др.

3. Разработано при непосредственном участии автора программное обеспечение, предназначенное для приема данных непосредственно из разработанной АИИС и вывода их на монитор ПК в реальном времени, чтения данных из памяти АИИС, представления их в табличной форме или в виде графиков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные исследования позволили сформулировать следующие основные результаты и выводы:

1. Проведены исследования основных путей решения задачи увеличения длительности работы ИИС для исследования скважин с автономным питанием, позволившее установить, что: в качестве критерия оптимизации систем с автономным питанием целесообразно принять максимальную длительность регистрации параметров технологических процессовв группу ограничений необходимо включить ресурс автономного источника питания, погрешность представления.

2. Предложен и исследован алгоритм поиска оптимальных значений интервала дискретизации и времени усреднения при представлении отсчетов измеряемой величины интегральными значениями, позволивший увеличить длительность работы разработанной и внедренной в промышленность автономной системы САИК более чем в 6 раз по сравнению с регистрацией с максимальной разрешающей способностью.

3. Предложена методика создания алгоритмов функционирования ИИС с автономным источником питания для исследования скважин, использование которой при разработке автономной системы САИК позволило установить, что максимальную длительность регистрации значений давления обеспечит метод совмещенной линейной экстраполяции-интерполяции, значений температуры — метод совмещенной ступенчатой экстраполяции-интерполяции.

4. Созданы программы, реализующие алгоритмы сжатия данных на основе интерполяционных полиномов Ньютона различных степеней, программы, реализующие протоколы общения между микроконтроллером, АЦП и ПЗУ, официально зарегистрированные Российским агентством по.