Разработка моделей и средств управления для синтеза проектных решений, повышающих эффективность эксплуатации подземных хранилищ газа

Проектирование систем управления такими сложными объектами, как нефтяные и газовые месторождения, подземные хранилища газа (ПХГ), представляет трудности в силу неопределенности природного фактора, которой характеризуются продуктивные пласты этих объектов.

Эта неопределенность, а также неполнота и погрешность исходных данных и, в конечном счете, несоответствие реальным процессам используемых моделей приводит к тому, что при проектировании системы управления технологией ее функции для начального этапа жизненного цикла сводятся к измерению и стабилизации параметров наземного оборудования, не затрагивая управление процессами в продуктивной залежи.

В этих условиях система автоматизированного проектирования позволяет охватить только отдельные части технологического процесса, а не всего процесса в целом.

На протяжении жизненного цикла системы при неразрывной связи цепи проектировщик-система происходит углубление знаний об объекте управления, появляется необходимость проектирования дополнительных функций системы, позволяющих повысить эффективность, то есть обеспечить повышение технических, экономических и других показателей эксплуатации технологического объекта.

Для ПХГ одними из таких функций являются алгоритмы расчета буферного газа, подлежащего хранению, контроль уровня газоводяного контакта относительно забоя эксплуатационных скважин, контроль и управление запорными пневмоприводными кранами.

Проектирование этих функций связано с моделированием процесса, решением инженерных прикладных задач, проведением опытно-конструкторских разработок.

Результаты проведенных экспериментальных и теоретических исследований, опытно-конструкторских работ позволяют получить решения прикладных задач, создать или усовершенствовать устройства управления, которые интегрируются в математическое и техническое обеспечения системы автоматизированного проектирования (САПР).

Схема развития системы управления технологическими процессами представлена на рис. 1. Неопределенность природы объекта затрудняет применение классического аппарата САПР и в этом случае используется основной принцип преодоления неопределенности — самоорганизация, то есть использование для целей управления всей дополнительной информации, получаемой в процессе проведения научно-исследовательских работ. управления действующего объекта.

Рис. 1. Схема развития системы управления технологическими процессами на действующих и новых объектах на протяжении жизненного цикла:

Э — эксплуатация, П — проектирование, М — модернизация.

В данной работе на примере Северо-Ставропольского ПХГ был решен ряд задач, синтез результатов которых расширяет возможности САПР при проектировании систем управления технологическими процессами на аналогичных объектах и повышает эффективность эксплуатации ПХГ.

Цель работы и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка математических моделей, прикладных задач и средств автоматизации контроля и управления, интеграция которых в САПР расширяет функции системы управления и способствует повышению эффективной эксплуатации ПХГ.

Поставленная цель реализуется через решение следующих связанных между собой задач:

1. Разработка моделей и алгоритмов расчета рациональных объемов буферного газа, обеспечивающих заданные объемы отбора активного газа с учетом экономических показателей.

2. Построение математической модели механизма подъема пластовой жидкости к нижним перфорационным отверстиям обсадной колонны скважины, позволяющей определить:

• характеристики обводнения эксплуатационной скважины при отборе газа;

• уровень положения газоводяного контакта относительно забоя скважины.

3. Проектирование системы контроля и управления запорными пневмоприводными кранами и интеграция ее в техническое обеспечение САПР, позволяющие обеспечить надежное управление запорным оборудованием.

4. Разработка рекомендаций для проектирования системы оперативного управления технологическими процессами ПХГ.

Научная новизна. Разработаны новые алгоритмы и модели в составе САПР ПХГ, позволяющие обеспечить рациональное управление эксплуатацией ПХГ.

Основные защищаемые положения. Научная новизна определяется следующими защищаемыми положениями, которые рекомендуется учесть при проектировании систем управления технологическими процессами ПХГ:

1. Модели, алгоритмы и программа расчета рациональных объемов буферного газа;

2. Математическая модель механизма подъема пластовой жидкости к нижним перфорационным отверстиям обсадной колонны скважины, позволяющая определить характер обводнения работающей эксплуатационной скважины и уровень положения газоводяного контакта по отношению к ее забою;

3. Система контроля и управления запорными пневмоприводными кранами, используемыми на ГРП и газотранспортных предприятиях газовой отрасли.

Практическая ценность и реализация полученных результатов.

Практическая значимость работы характеризуется следующими результатами:

• использованием алгоритмов расчета рациональных объемов буферного газа, необходимых для обоснования объемов отбора газа, анализа режима эксплуатации и проектирования новых ПХГ;

• использованием математической модели механизма подъема жидкости для определения уровня газоводяного контакта относительно забоя эксплуатационных скважин в процессе отбора газа из ПХГ;

• внедрением системы контроля и управления запорными пневмоприводными кранами в проектируемых и реконструируемых АСУ ТП ГРП;

• использованием результатов диссертационной работы в инжиниринговых компаниях и проектных организациях при проектировании систем автоматизации и управления технологическими процессами на действующих объектах, а также при проектировании новых ПХГ;

• внедрением спроектированных АСУ ТП на шести ГРП СевероСтавропольского ПХГ.

Апробация работы. Основные результаты работы рассматривались на научно-технических советах ДОАО «Газпроектинжиниринг»,.

ОАО «Гипрогазцентр», в научной и учебной работе РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка используемых источников. Содержание изложено на 127 страницах, включая 24 рисунка и 1 таблицу. Результаты работ опубликованы в шести публикациях, в том числе в пяти изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования РФ.

Основные выводы.

1. В диссертационной работе представлены результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, синтез которых в проектные решения САПР по системе управления технологическими процессами позволяет существенно повысить эффективность эксплуатации ПХГ.

2. Анализ эксплуатации систем управления ПХГ выявил необходимость включения в проектные решения систем автоматизированного проектирования, дополнительных функций систем управления технологическими процессами, повышающих эффективность эксплуатации ПХГ.

3. Для проектирования новых функций системы управления разработаны модели, алгоритмы и программы расчета рационального объема буферного газа, обеспечивающие заданные отборы газа из ПХГ с учетом экономических показателей, связанных с хранением буферного газа и эксплуатационных затрат на процесс отбора-закачки газа.

4. Математическая модель механизма подъема пластовой жидкости, приведенная в диссертации позволяет определять как характер обводнения скважины, так и положение ГВК относительно нижних перфорационных отверстий. Интеграция модели в проектные решения САПР систем управления позволяет вести стратегию отбора газа в соответствии с текущим положением ГВК, тем самым, предотвращая образование защемленных участков газа.

5. Система контроля и управления запорными пневмоприводными кранами, разработанная и внедренная автором, позволяет обеспечить надежное управление запорным оборудованием на объектах газовой отрасли.

6. Синтез разработанных моделей, алгоритмов, программ, технических устройств и интеграция их в проектные решения САПР составили основу рекомендаций по проектированию систем управления технологическими процессами ПХГ.