CC BY
10
УДК 621.64.029
Б01: 10.15587/2312-8372.2018.128574
РОЗРОБКА ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ДЛЯ АНАЛ1ЗУ ТА ОПТИМ1ЗАЦП РЕЖИМ1В ЕКСПЛУАТАЦП П1ДЗЕМНИХ СХОВИЩ ГАЗУ
Притула Н. М., Притула М. Г., Бойко Р. В.
Об'ектом дослгдження е тдземнг сховища газу (ПСГ) та Хх технологгчнг об'екти, якг задгянг в процеси нагнтання, збер1гання та вгдбирання газу. Однгею ¡з найважливгших виявлених проблем е забезпечення надтног та економног експлуатацИ ПСГ у складг газотранспортной системи (ГТС) Украгни. Один ¡з шляхгв ргшення проблеми - розробити ефективне програмне забезпечення (ПЗ) як ¡нструменти прийняття ршенъ, якг, в ходг проведених дослгдженъ, виявилися вгдсутмми у диспетчерсъких служб ¡з управлгння ГТС.
Проведений аналгз ¡снуючих ПЗ на ринку програмних продуктгв показав гх невгдповгднгстъ необхгдним вимогам за функцгоналъмстю, набором та швидкгстю розв 'язування задач. В основному розроблене ПЗ було оргентоване на експлуатацгю вугледобувних тдприемств I не могло бути адаптованим для експлуатацИ ПСГ, в яких процеси, особливо фшътрацгйнг в пластах-колекторах, проходятъ на порядок швидше.
Розроблення нового багатофункцгоналъного програмного продукту було оргентовано на забезпечення процеав моделювання газодинамгчних та фтътрацтних: процеав в об'ектах ПСГ, ¡дентифкацп Хх техмчного та технологгчного стану та планування експлуатацгйних параметргв об 'ектгв ПСГ.
Розроблений програмний продукт забезпечив уточнення геофгзичних параметргв пластгв-колекторгв бшъшостг ПСГ Украгни. Отриманг оцтки величини ефекту вгд реконструкцИ ПСГ у випадках фгзико-хгмгчних обробок вибою свердловин, замгни компресорних станцгй газоперекачуючих агрегатгв на ¡мпортм з кращим ККД, при переходI зг шлейфово-колекторног системи збору газу на повмстю /шлейфову. Розроблене ПЗ використовуетъся I для високоточного моделювання режимгв роботи в екстремалъних умовах експлуатацИ ПСГ.
Системний ефект вгд експлуатацИ розробленого програмного забезпечення досягаетъся за рахунок проведення дослгдженъ для формування передпроектних ршенъ. А також числових експериментгв на предмет вивчення та оцтки потенцгалу оптимгзацИ, та оптималъного планування перспективних ршенъ I оперативног експлуатацИ.
Ключовi слова: програмне забезпечення, тдземне сховище газу, фшътрацгя газу, оперативне планування, компресорна станцгя.
1. Вступ
Розроблеш системна модель, математичне та на !х основi програмне забезпечення дозволило поставити i ефективно розв'язати набiр режимних
задач, як виникають в процесi експлуатацп пiдземних сховищ газу (ПСГ) в складi газотранспортно!' системи (ГТС) [1].
За модель життевого циклу розроблення програмного забезпечена (ПЗ) була взята еволюцшна модель [2], яка пропонуе послщовну реаизацш блокiв конструкцii программно!' системи. Вимоги до блокiв встановлюються частковi i уточняються в процес !'х апробацii на реальних даних. У процесi реалiзацii наступних промiжних блокiв структури системи попереднi блоки, при потреб^ коригуються. Паралельно з розробленням ПЗ проводилися до^дження предметно!' област для вивчення потреб замовника i аналiзу можливост застосування ще' моделi для реалiзацii системи. Використовувана модель розроблення ПЗ не вимагае формування повно!' множини вимог. Тому система створювалася iтерацiйним шляхом и еволюцiйного розвитку з отриманням робочих систем - прототитв. З часом вимоги змшювалися пiд впливом розробок, як проводяться для ГТС. Так, ефективш дiючi програмнi модулi -розрахунок розподшьчих газових мереж з висотними вщмггками у вершинах та розрахунок багатоцехових компресорних станцiй [3], забезпечили швидкий розрахунок режимiв роботи ПСГ. Це дозволило поставити та розв'язати основш оптимiзацiйнi задачi ефективно!' експлуатацп окремих груп, технологiчно поеднаних в складi ГТС ПСГ.
Слщ згадати, що в сiчнi 2009 рощ в умовах повного припинення транзитних та iмпортних потоюв газу ГТС Укра'ни диспетчерськi служби ПАТ «Укртрансгаз» забезпечили, в умовах реаизацп непроектних режимiв експлуатацп ГТС, шдняття необхiдного об'ему газу iз сховищ газу. Непроектний режим експлуатацп ГТС був реаизований засобами програмного комплексу [3]. На той час ПСГ Укра'ни забезпечили газом як споживачiв Укра'ни, так i п сусадв. Завдяки ефективнiй експлуатацп ПСГ протягом сезошв нагнiтання та вiдбирання газу проблеми iз газом були також усшшно вирiшеннi i в 2018. Вказаш випадки вимагали швидко!' реашзацп роботи ГТС та ПСГ в умовах екстремальних режимiв. На даний час ефективш програмш iнструменти - моделювання, оптимальне планування та управлшня газодинамiчними та фiльтрацiйними процесами в ГТС та ПСГ стали важливою складовою системи енергетично!' безпеки Укра'ни.
Новi вимоги щодо постановок задач, розроблення математичного та програмного забезпечення диктувалися вище згаданими подiями, а також i змiнами умов на газових ринках Укра'ни та Свропи (технологiчними та економiчними) експлуатацп як ГТС, так i ПСГ.
2. Об'ект дослiдження та його технолопчний аудит
Об'ектом дослгдження е як окремi пiдземнi сховища Укра'ни, так 1 шдземш сховища в складi газотранспортно!' системи.
Склалася певна послщовшсть операцiй для отримання гiдродинамiчноi моделi ПСГ, яка аналогiчна послiдовностi моделювання нафтогазового родовища i включае послщовну побудову трьох взаемопов'язаних моделей: петрофiзичноi, геологiчноi i фiльтрацiйноi (гiдродинамiчноi) [4]. Результати кожного з еташв моделювання використовуються на наступному етат в якост
вихщних даних. Для побудови кожно!' з моделей noTpi6He застосування спецiалiзованоï методики та програмних 3aœ6iB.
Принциповою особливютю такого пiдходу е iстотний вплив геологiчноï моделi на результати пдродинашчного моделювання. Використання геологiчноï моделi, в основному, доцшьне при вирiшеннi задач оцшки обсягiв пастки, аналiзу герметичност об'екта тощо. 1з-за схожостi задач моделювання об'еклв ПСГ у виснажених родовищах i у водоносних пластах iз завданням моделювання нафтогазових родовищ, для моделювання ПСГ традицiйно використовуються тi ж програмнi продукти, що i для моделювання нафтогазових родовищ.
Разом з тим, багаторiчна практика моделювання ПСГ дозволила виявити ряд специфiчних моменлв, що вiдрiзняють моделювання ПСГ вщ моделювання нафтогазових родовищ, i вимагають внесення коригувань до застосованих методик i програмних продуклв. Експлуатащя багатьох ПСГ i анаиз процешв, якi протiкають в пласт^ iстотно збiльшують роль фiльтрацiйного моделювання, як шструменту вивчення i контролю достовiрностi геологiчноï будови об'екта.
У той же час, цикичнють експлуатацп об'еклв ПСГ потенцiйно дозволяе виршити задачу моделювання такоï системи з принципово шшими пiдходами, можливiсть застосування яких в разi моделювання родовищ вщсутня. У перспективi це дозволяе тдвищити загальну вiрогiднiсть моделювання, вщмовившись вiд традицiйноï для моделювання нафтогазових родовищ послiдовноï схеми побудови петрофiзичноï, геологiчноï i гiдродинамiчноï моделей, яка змушуе виконувати ïхне iтерацiйне уточнення. З шшого боку, використання дещо iншого пiдходу вимагае розробки ново!' методолопчно!' та програмно!' бази, оскшьки необхiдна функцiональнiсть не може бути реаизована на базi вже юнуючих програмних продуктiв.
В процесi проведення анаизу методичного, метрологiчного, програмного забезпечення та iснуючоï системи прийняття ршень (стратегiчного та оперативного планування) показали, що:
- частина прийнятих ршень обгрунтовуються iнформацiею набутою в процес багаторiчноï експлуатацп ПСГ. Проведений анашз режимiв роботи ПСГ за багато роюв показав, що не юнуе хоча би двох сезонiв з однаковими режимами експлуатацп сховищ;
- параметри процешв за межами юнуючих робочих областей отримуються екстраполяцшним способом без врахування 1х суттевого нелшшного характеру;
- з метою проведення коректного системного анаизу поведiнки в залежносл вiд часу окремих режимних параметрiв та прогнозування поведiнки процешв iз потрiбною точнiстю на значних штервалах часу доцiльним було б зняття параметрiв метрологiчними засобами в режимi постiйного монiторингу показникiв;
- багато необхщних режимних даних для розрахунюв параметрiв оперативного регулювання процешв не вимiрюеться;
- для забезпечення високого рiвня автоматизацп та телемехашзацп ПСГ (iнтелектуалiзацiя процесiв роботи ПСГ) необхщш значнi ресурси;
- часто виникае необхщнють проведення анаизу поведiнки ПСГ за межами проектних режимiв ïï експлуатацiï (нештатнi ситуацН та яю появляються в процес аналiзу варiантiв реконструкцiï об'ектiв ПСГ).
Значну частину перерахованих проблем можна розв'язати математичними методами, що вимагае проведення реаизацН розробленого математичного забезпечення [7].
3. Мета та задачi дослщження
Мета дослгдження - провести реаизацш розробленого математичного забезпечення [5] для розв'язування режимних та технолопчних задач, як виникають в процес планування та експлуатацiï ПСГ.
Для досягнення поставлено!' мети необхщно провести таку роботу:
1. Розробити набiр типових сценарпв використання програмного забезпечення службами ПАТ «Укртрансгаз».
2. Сформувати вимоги щодо функцiональностi програмного забезпечення, як диктуються iснуючою системою диспетчерського управлшня, та забезпечити ефективну 1х реалiзацiю.
4. Досл1дження iснуючих р1шень пробл
Основним iнструментом для науково-обгрунтованого прийняття рiшень щодо рацiональних варiантiв експлуатацИ сховищ газу та використання в повнш мiрi всiх наявних технолопчних можливостей впливу на режим, приведених вище, е розроблений моделюючий та оптимiзуючий програмний комплекс. Програмш iнструменти, якi е складовою програмного комплексу, повинш надавати функцiональний сервю для забезпечення ефективного розвязання максимального набору задач, як появляються в процес експлуатацИ ПСГ. Яюсть розроблення програмного забезпечення залежить, в першу чергу, вщ якостi розроблення математичного забезпечення.
Програмш моделюючi комплекси мають значний вплив на:
- розроблення яюсних експлуатацiйних технологiчних рiшень та формування параметрiв оптимального управлiння процесами в реальних умовах експлуатацИ ПСГ;
- ощнку факторiв впливу на режимш параметри роботи окремих об'еклв на етапi рiшення про виведення з експлуатацИ окремих об'еклв;
- ощнку якост проведення ремонтних та профшактичних робiт та прийняття ршення щодо замiни обладнання тощо.
Анаиз iснуючих програмних продуктiв проведемо з точки зору ix ефективностi використання для планування та експлуатацИ шдземних сховищ газу.
Нинi основними програмними продуктами для створення гiдродинамiчниx моделей найчастше виступають Eclipse (Schlumberger), Tempest (Roxar), VIP (Landmark), TimeZYX (група компанш «Траст). Для гiдродинамiчного i геоxiмiчного моделювання в нафтогазовiй гiдрогеологH використовуеться HydroGeo, t-Navigator (RF Dinamics) [8].
Основними е три програмш продукти: Petrel, Eclipse, Techlog. Програмне забезпечення Petrel дозволяе створювати об'емш моделi геологiчноï будови газових, газоконденсатних та нафтогазових родовищ. Маючи статичну модель, побудовану в програмному комплекс Petrel, на наступному еташ програма Eclipse моделюе процес розробки нафтових i газових покладiв. Програмний комплекс Techlog призначений для обробки результалв геофiзичних дослщжень свердловин.
Нинi в Украïнi впроваджуе програмне забезпечення компани Schlumberger, що дозволить створювати детальш 3D-моделi родовищ. За допомогою цього комплексу програмного забезпечення е можливють детаизувати та уточнювати геолопчну будову iснуючих родовищ, уточнювати межi покладiв та запаси вуглеводшв, та, можливо, виявити рашше невiдкритi продуктивнi пласти.
Основнi програмш системи ще на еташ розроблення зорiентованi, в основному, на геолопчне та гiдродинамiчне моделювання процесiв видобування вуглеводшв. Результатившсть використання вище перерахованих та шших програмних продуктiв продемонстровано в процес 1х реалiзацiï на конкретних об'ектах [7, 8]. Основш недолжи - iнтеграцiя багатьох програмних продуклв для рiшення однiеï задачi приводить до суттевого ускладнення процесу моделювання i до виникнення проблем iз ув'язуванням рiзнотипних взаемозв'язаних фiзичних процесiв. Сказане породжуе нестiйкiсть процесу моделювання, вимагае значних часових ресуршв i впливае на адекватнiсть процесу моделювання реальним процесам та точнють результатiв.
Рiшення проблеми - штегращя не програмних модулiв, якi мають вщношення до одного iз об'еклв технолопчного ланцюга пласт - колектор -мапстральний газопровiд, а штегращя моделей окремих технолопчних об'ектiв в едину термогiдравлiчну модель, як це зроблено в [5]. В згаданих вище роботах виникли проблеми ще iз узгодженням процешв, якi мають мюце на межi пластiв та зосереджених джерел (свердловин). Використання Eclipse (Schlumberger) для моделювання фшьтрацшних процешв у пластах-колекторах ПСГ е складним та часто недоцiльним. Для ПСГ, як показала практика, достатшм за точшстю е двомiрнi фiльтрацiйнi моделг Цi моделi, крiм точностi, забезпечують на декiлька порядкiв вищу швидюсть процесу моделювання, що дозволяе ставити та розв'язувати достатньо повний набiр оптимiзацiйних задач. 1снуюче зарубiжне програмне забезпечення, ^м згаданих проблем iз 1х використання, вимагае ще вщповщного iнформацiйного та технiчного забезпечення.
Бiльшiсть зарубiжних робiт, якi е дотичними до ршення розглядуваних проблем, присвяченi, в основному, вдосконаленню технологiï зберiгання газу, управлшня, оптимiзацiï та iнновацiям, як пiдвищують ефективнiсть процесу зберiгання газу [9-13]. Цжавою виявилася робота щодо використання шертного газу як буферного газу шдземного зберiгання, у якш розглянутi практичнi та економiчнi питання [14]. Для розв'язування таких проблем [15] була розширена функцiональнiсть програмного комплексу для моделювання роботи ПСГ. Це дало можливють побудови програмних шструменлв розроблення технологи
замщення природнього газу (буферного газу) шертним i забезпечити прогноз поведiнки шертних газiв у циклiчному процесi експлуатацп таких ПСГ.
Таким чином, результати анашзу дозволяють зробити висновок про те, що програмних комплексiв, як б повнiй мiрi задовольняли диспетчерськ служби за функцiональнiстю, класами розв'язаних режимних задач, простотою експлуатацii та впровадження, вимогами щодо iнформацiйного забезпечення та швидюстю реакцii на дп диспетчерiв досi немае.
Розробленню програмних комплекшв, якi б забезпечували розв'язування повного комплексу диспетчерських задач за яюстю та швидюстю i присвячена дана робота.
5. Методи дослщжень
Проведена апробащя програмного забезпечення на:
- багаторiчних експлуатацiйних даних (10-20 рокiв);
- максимально можливих iнтервалах змiни початкових, крайових та адаптивних параметрiв;
- рiзних типах газосховищ, якi вiдрiзняються наборами технологiчного обладнання, суттево рiзними структурними пастками в надрах землi для збереження покладiв газу, рiзними темпами експлуатацii об'ектiв та ПСГ в цшому.
6. Результати дослщжень
Програмний комплекс (ПК) складаеться iз декiлькох програмних модулiв, кожен iз яких е орiентованим на анашз окремо видiлених об'ектiв, чи зв'язних груп з однотипних об'еклв (рис. 1). Розроблеш програмнi модулi, яю дозволяють аналiзувати групи технологiчно поеднаних з рiзнотипних об'ектiв. Для таких штегрованих об'ектiв оброблено вiдповiдне математичне забезпечення, що забезпечило можливють стшкого iтерацiйного ув'язування газодинамiчних параметрiв на стиках рiзнотипних об'ектiв iз рiзним математичним представленням iх моделей.
Поставлен та реалiзованi основнi вимоги до програмного забезпечення -функцюнальш, експлуатацшш (дiапазон значень), операцiйнi, а також вимоги до штерфейшв та безпеки користування.
Розроблений ПК враховуе термогiдравлiчну взаемодш всiх об'ектiв, якi впливають на параметри потокiв газу. Засоби ПК забезпечують автоматизацiю процесу формування iнтегрованоi моделi для рiзних модифжацш обладнання, змiн станiв технологiчних об'еклв, модернiзацii та реконструкцiй окремих об'еклв та ПСГ у цiлому. 1нформацшний блок пов'язаний iз базами замiряних даних i 1'х обробка дае можливють моделюючому комплексу постiйно знаходитися в актуаизованому станi. Швидке оперативне проведення багатократних розрахунюв забезпечуе пошук оптимальних режимних параметрiв на значних штервалах часу та, при необхщносп, дозволяе проводити порiвняльний аналiз можливих варiантiв реконструкцii ПСГ. Передбачена можливють порiвняльного аналiзу ефективностi використання рiзного технологiчного обладнання в ходi модершзацп та реконструкцii ПСГ.
ОСНОВН1 МОДУЛ1 ПРОГРАМНОГО КОМПЛЕКСУ
-*---- 1дентиф1кащя параметр1в моделей Прогнозування Планування режим1в ft- Формування параметр1в керування режимами
CepBiCHi та допомiжнi системи
Система актуал1зацп шформацшно! тдтримки задач Система представлення (штерпретаци) результата моделювання Г~ ft- Система анал1зу та обробки зам1ряних даних
Рис. 1. Структура програмного комплексу, моделi та основш задач1
ПК може працювати в декiлькох варiантах. Серед основних слщ видiлити режим експлуатацп, в якому користувачу е доступними практичнi Bci параметри об'ектiв i вхiдних даних. В цьому варiантi для користувача е доступними програмш шструменти, якi дозволяють редагувати технолопчну схему та змiнювати параметри технолопчного обладнання ПСГ. Для системи оперативного планування дозволяеться задавати тшьки прогнозш вхiднi данi -тиск в мапстральних газопроводах (МГ) та об'еми вщбирання чи нагнiтання газу.
Програмш розрахуш^ модулi реалiзованi в середовищi розробки програмного забезпечення Borland Delphi. Киентська частина модулiв розроблена в середовищi Ionic засобами TypeScript, як е зворотно сумiсними з
JavaScript. Фактично, тсля компшяцп програм на TypeScript можна i'x виконувати в будь-якому сучасному браузерi або використовувати спшьно з серверною платформою Node.js. Node.js - платформа з вщкритим кодом для виконання високопродуктивних мережевих застосунюв, написаних мовою JavaScript. Для роботи з базами та моделями даних використана система PHP. Завдяки стандарту вщкритого iнтерфейсу зв'язку з базами даних MySQL, PostgreSQL, mSQL, Oracle, dbm, Hyperware, Informix, InterBase, Sybase система PHP забезпечуе уникнення написання багаторядкових функцiй, призначених для користувача. Ця проблема притаманна для C або Pascal.
Програмне забезпечення орiентоване на розв'язування таких наборiв режимних задач: оперативне планування, стратепчне планування, формування параметрiв керування процесом вщбирання та нагнiтання газу, модершзащя та реконструкцiя ПСГ, енергоаудит, анаиз нештатних ситуацiй тощо (рис.1).
Передбачена можливють представлення технологiчноi' схеми (ТС) компресорних станцш (КС) з рiзним рiвнем детальностi (максимальна детальнiсть ТС КС представлена на рис. 2). Детальшсть ТС, в основному, дещо впливае на швидкiсть та точшсть отримання результату. Оптимальнiсть роботи КС забезпечуеться мiнiмальними енергетичними затратами на режим при заданому рiвнi стшкоси i'i роботи (забезпечуеться задана вщдаленють вiд помпажно'' зони робочих точок вшх газоперекачуючих агрегатiв (ГПА).
Наведенням курсора на об'ект можна побачити результати розрахунку параметрiв потоку газу (тиск, температуру, витрату) та стутнь його стиснення (штерпретуеться кольором). Система формуе i топологiю ТС, тобто встановлюе стан всiеi' запiрноi' арматури та шшого технологiчного обладнання. Результати роботи ПЗ для екстремальних режимiв експлуатацп Бшьче-Волицько-Угерського ПСГ приведено в табл. 1, 2. У вказаного ПСГ технолопчно поеднаш два пласти-колектори газу.
Режим робоги ДКС Ьтьчи-Воииия
С|у1НИЬ
2'Э С1уПЖЬ.
щ-
Ш
1 -
■ 1 1 7jJ 1 4 1
м
[Ж]
си
' Т.тлрмо#ии) 1'1»3
□и
■ 1 •игщшРЧ
Внш 1лбл*-14*0. 1пбл<МаО.
ИИ!Г*! |'Л( 1(Л1 Я1*\ 11741 1Ж 1Ш1 П1М 1111-} IIГ, 1 11В-7 1Н1 114 7 1171 1177 ЛИ 1
111-.? ШЧ III!,;' Л| 1 А1? 47 «Л1 111» I пи,' 411*1 111*4 Шл ПЬ-Ь Пи? «1.11 Ш-1» 131«-1П
1>и 11 пи »7 01* I! 01л 14 01л >5 1)1 л 1Е. 01« 17 01л 1» 01л «9 411 >20. (11*71 01л 22. 1(231. 21231
11771 Л У 71 11711 71711 117111 717Ю III ]П7 11111 71111 31/1 Л /1 10Ы 71Ы ИМ ЛЫ 1141
7441 И31 2131 1171 Й21 ЦП ИМ 01 I 01 1 01 3 01 4.411 Ь 01 6 01 У 01 В. ПЯ-Ь I ПЧН I.
1Ш4-7 1111 11 ||||»7 1147 I 1147 ) 11111-1 П111-7 АЫ-7 А1.1 I А1.7-7 Л1.7-1 Л1. I 7 №11 Л1.4 7 Л1.4 I А1.г. 7
А60 1 '/. АК 1 ЛЬ12 АВ8 2 «в 1.«» 7. АЬ» I Ь6 Ь4 2*1. 71 И И 47 6? 52 49
117 1 117-7 07 » 117-4 117 Ь 117 Ь 1>7/ 117-Н £17-Я 117-10 07-М 117 17 117 11 117 14 1)7 I'-. 47 11; [17 1Г
5г I* 02 19.07 го. 07 21.и2 72 ог 73 ог 2*.ог я. 07 гв 02 2? ог т* 0229.02 ю. 07 и.02 22. ог ззи
117 :М 1141 71!Н 11101 711П1 11111 71111 11171 Я171 11111 71131 Л" 1Р-- 1Н. 'Н1 ПЧ III Г.' Йй /3 1ЬЛ ЛИ 11141 Л141 П17 411 I 034 0)3 41.14 035 ПЗЯ 4(3 7 03 10 (1.11 03 I? 03 11 »3 14 03 13 03 16 0315 03 20 03 19 03 22 037» 03 24.03 23 0 3 2в. 03 » 0379 0327
|>»:К1 ил 7и п:и7 п:1-и из.» 111:11 им и. 11:1» о:1-п 11:1:17 шм и:п!1 £1:147 и:ш и г-44 шн 03 48 0347 03,5*^3 4» 03 »^03 41 03 %£ №3 53_03 «. 03 5^(13^03 ЯЦ1 3 М. 03 5».
4
яг*
о р
Рис. 2. Технологiчна схема дотискувально! компресорно! станцii Бiльче-Волиця з частковим представленням результалв моделювання
Таблиця 1
Розрахунок максимальних об'емiв вiдбирання газу при тиску в мапстральних __ газопроводах 40 атм.__
№ п/п Середнш тиск в робочш област пласту Тиск на вход1 1-о! ступеш КС Тиск на вход1 в МГ Добовий об'ем вщбору (млн. м3)
1 5,50 35,00 40,00 95,27
2 5,20 35,00 40,00 83,99
3 4,90 35,00 40,00 71,96
Таблиця 2
Результати розрахунку режимiв роботи за даними, представленими в табл. 1
№ п/п Витрата паливного газу (млн. м3/добу) Режим роботи дотискувально! компресорно! станцп
1 0,31 [1]1:Ц-6,3/41[6060], [2]9,10,12:НЦ-16/56[3922], [4]27:Ц-6,3В/41[7162]
2 0,26 [1]1:Ц-6,3/41[5824], [2]9:НЦ-16/56[3849], 11:НЦ-16/41[3910], [4]27:Ц-6,3В/41[7418]
3 0,22 [1]3:Ц-6,3/56[6094], [2]9:НЦ-16/56[3795], 11:НЦ-16/41[3670], [4]27:Ц-6,3В/41[6099]
Структура стрiчки режим [2]9,10:НЦ-16/56[4692], 11:НЦ-16/41[4872] -[2]12,13:НЦ-16/56[4562], 14:НЦ-16/76[4564], [4]24,25:Ц-6,3В/29[6086] " [4]27,28:Ц-6,3В/41[6511] е такою - [№ цеху]№ ГПА1, № ГПА2[оберти] -
[№ цеху]№ ГПА1, № ГПА2[оберти], [№ цеху]№ ГПА1, № ГПА2[оберти] -[№ цеху]№ ГПА1, № ГПА2[оберти].
Ще слiд знати, що «-» - роз'еднуе ступенi стиску газу, «,» - працюють ГПА паралельно.
Експлуатацiя програмного комплексу вимагае систематично! актуаизацп параметрiв розроблених моделей, та, при необхщносл, !х уточнення. Для проведення щентифшаци використовуються, в основному, фiзичнi спiввiдношення мiж параметрами.
Комплекс «ПСГ режим» дозволяе проводити адаптацш моделей технологiчних об'ектiв на значних часових штервалах. Для цього реашзована можливiсть вiзуалiзацii розрахованих та замiряних даних, що дае можливiсть швидко оцiнити вплив змiни того чи шшого параметру на змiну пластового тиску чи параметрiв пласту (геометричних, фшьтрацшних, геофiзичних).
На рис. 3 приведет результата уточнення параметрiв пласту.
Рис.
та зеленi к
зраховат середньо пластовi тиски в робочш областi (синя . добовими об'емами вщбирання та нагнiтання (коричнева крива)
Двi верхнi кривi демонструють близьюсть розрахованих та замiряних тискiв в област робочих свердловин. Нижнi кривi вiдповiдають добовим об'емам вiдбирання (крива шд вiссю координат) та нагттання (крива над вiссю координат) газу. В процес iдентифiкацii дослiджуеться i коректнiсть замiряних даних, що проявляеться у виглядi суттевого неспiвпадiння замiряних та розрахованих даних.
Оптимальна робота ПСГ розглядаеться з точки зору оптимально! роботи ГТС. Важливою складовою ефективно! роботи ПСГ е також оптимальна оргашзащя взаемодi! технолопчно поеднаних ПСГ мiж собою i магiстральними газопроводами ГТС зокрема.
Факторiв впливу на оптимальнiсть роботи ПСГ е декшька. Цi фактори можна подiлити на двi групи - зовшшш та внутрiшнi. До внутршшх факторiв впливу слiд вiднести роботу дотискувально! компресорно! станцi! (ДКС), системи охолодження газу, свердловин та газового покладу. Критерiем оцiнки роботи ПСГ е зведеш енергетичнi витрати на одиницю вiдiбраного газу. Ця величина безпосередньо пов'язана з величиною тиску газу в робочш зонi покладу, кшьюстю експлуатацiйних свердловин та тиску в мапстральному газопроводi. Як оптимальна робота, так i робота ПСГ в шковому режимi, проходить за умов дотримання технологiчних обмежень з експлуатацп об'ектiв i максимального використання пропускно! спроможностi технологiчних об'ектiв.
При заданих пластових та тисках в МГ максимальнi об'еми нагнiтання та вщбирання газу (пiкова характеристика - максимальш об'еми вiдбирання газу за одиницю часу) залежать вiд пропускно! спроможност його технологiчних об'ектiв. На кожному еташ експлуатацi! ПСГ вузьке мюце за пропускною здатнiстю може мшятися. Пiкова характеристика ПСГ (для вщбирання газу) будуеться однозначно на всьому штерваи часу вiдбирання газу за певних умов. Серед основних вимог - наявшсть в ПСГ максимального об'ему активного газу та фжсованого тиску в МГ. Додатковими умовами е участь вшх експлуатацшних нагштально-видобувних свердловин в процес вщбирання газу, максимальне завантаження ДКС та мтмальний час вiдбирання газу. Шковють (миттева) встановлюеться за вiдомих тисюв в магiстральному газопроводi i середньому тиску в робочш зон пласту (рис. 4). Як бачимо на рис. 4, ткова характеристика мае розриви та скачки.
- Рдт-25 -
- Рдт-27 -
- Рдт-29 -
- Рдт-31 -
- Рдт-33 -
- Рдт=35 -
- Рдт=37
Рдт=39 -
- Рдт-41 -
- Рдт-43 -
- Рдт-45 -
- Рдт=47 -
- Рдт-49
29.94
28.00 26.00 24.00 22.00 20.00 18.00 16.00 14.00 12.00 10.00 8.00
_ V )
—^^^
49.50
■ Рдт=41 14.71
а Рдт-43 14.44
■ Рдт-45 14.11
■ Рдт=47 13.72
■ Рдт=49 13.25
■ Рдт-37 15.13
■ Рдт=39 14.92
■ Рдт-25 17.23
■ Рдт-27 17.09
■ Рдт=29 16.94
■ Рдт=31 16.70
■ Рдт-33 16.45
■ Рдт=35 16.15
Рис. 4. Максимальш об'еми вщбирання газу (млн. м /добу) в залежност вщ пластового (10-1 Мра) - вертикальна вiсь, та тиску на мапстральному
газопроводi - горизонтальна вюь
Для проведення числових експерименлв на ПК «ПСГ-режим» передбачеш таю реаизоваш режимш задачi (n04aTK0Bi данi можуть бути взятими i3 диспетчерського журналу, а прогнозоваш можуть бути заданими, або розраховаш в процесi балансування ГТС):
- за тиском та витратою в МГ розраховуеться режим роботи ДК
- за тиском на ГЗП розраховуеться сумарний дебгг свердловин;
- за сумарним дебггом на ГЗП розраховуеться тиск на входi ДКС;
- за тиском в МГ розраховуються максимальш об'еми вщбраного газу.
Потреба в модершзацп обладнання ПСГ, змша режимiв експлуатацп
приводить до необхщност проведення оцiнки ефективност реконструкцп ПСГ - вибору нового обладнання та оцшки його експлуатацшних характеристик в реальних умовах. Обладнання на ПСГ е досить коштовним i, вiдповiдно, е спiвмiрною i цiнa помилки.
Як приклад, проведемо ощнку впливу змiни об'емiв буферного газу на економш паливного газу. Розглянемо сезон вщбирання, який складае в середньому 151 добу. Проведемо поповнення буферного газу таким чином, щоб забезпечити збшьшення мiнiмaльного тиску в пласт на 0,2 Мра, а максимального тиску на 0,1 Мра. Це дало можливють зекономити об'еми паливного газу на суму 220,88 тис. дол. США за рш при його вартост 317,65 дол. США за 1000 м3.
Пласт колектор за геолопчною будовою е неоднорщним. 1снують геологiчнi розломи, слабо проникш пропластки мiж окремими зонами пласту, тощо. В процес нaгнiтaння газу на значних штервалах часу газ проникае на значш вiддaлi вiд зони розмiщення свердловин. Часто для диспетчерських служб е важливо знати, яю об'еми газу знаходяться в кожнiй iз зон пласту, а також, якi об'еми газу i за яких умов та в якому темт потрапляють в робочу зону. Об'еми перетоюв газу мiж зонами залежать вщ об'емiв нaгнiтaння та вiдбирaння газу.
У ПК, розроблеш та реаизоваш методи розрахунку пaрaметрiв витiснення газу з слабо проникних областей пласпв. Як приклад вiзьмемо неоднорiдний пласт за проникшстю, пористiстю та потужшстю. Необхiдно витiснити в робочу область природнш газ iнертним газом азот iз слабо проникноi зони пласту. Вважаемо, що процес поширення азоту проходить без його змшування з природшм газом, тобто розглядаеться роздшьна фiльтрaцiя двох гaзiв. Через деяю свердловини нaгнiтaеться азот, а через iншi можливий вiдбiр природного газу. Пласт-колектор за потужнiстю (рiзниця висотних вщмггок верхньоi та нижньоi поверхонь пласту) порiвняно з iншими розмiрaми е незначним. Хaрaктернi вiддaлi в зaдaчi - сотнi i тисячi метрiв, а часи - мюящ i роки. Рух гaзiв тдпорядкований закону Дaрсi. Грaвiтaцiйнi сили не враховуються.
Вiдбирaння (закачування) газу з тдземних сховищ здiйснюються через n свердловин, якi розмiщенi в точках (хг, уг) протягом деякого промiжку часу
t е [th, t2l ], (i = 1, n). Проведенню числових експериментiв передувало адаптування мaтемaтичноi моделi розрахунку областей поширення азоту до
реальних газодинамiчних та фiльтрацiйних процесiв, як проходять в неоднорiдних пористих областях (пластах-колекторах). Процес адаптування полягав в знаходженн параметрiв проникностi пластiв газосховища, його окремих блокiв та слабо проникних прошарюв пластiв мiж окремими пластами. Експериментуючи на програмному комплекс адаптивнi параметри постiйно уточнювали. Одним iз важливих i досить переконливих аргумент щодо адекватностi моделi е висока точнють розрахованих параметрiв динамши змiни тискiв в нейтральний перюд (мiж завершенням вiдбору та початком нагштання газу).
Замiщення буферного газу азотом вщбуваеться в процесi фiльтрацi! та конвективно! дифузп. При математичному моделюванш процесу фiльтрацii можна вважати, що газодинамiчнi характеристики азоту та природного газу вiдрiзняються незначно. Основна цшь розв'язування задачi фiльтрацi! - знайти двомiрний нестацiонарний розподiл градiента швидкостей руху газу в област фшьтрацп (рис. 5).
3
Рис. 5. Область поширення азоту пiсля закачування: а - 129.6 млн. м азоту протягом 300 дшв (5 м3/с); б - 260.0 млн. м3 азоту протягом 600 дшв (5 м3/с). Контур поширення азоту: а - на 300 день тсля початку роботи газосховища; б - на 600 день тсля початку роботи газосховища
Як бачимо, що на 600 день нагттання азоту не вщбулося його прориву в робочу область сховища газу (область розмщення свердловин).
В процес експлуатацп ПСГ виникають нештатт ситуацп -розгерметизащя системи. Приведемо декшька реальних прикладiв. На одному iз газосховищ в процесi проведення ремонтних робгг пройшла розгерметизацiя однiе! iз свердловин. Ставиться задача: якi об'еми газу за 66 годин попали в зовтшне середовище. Середнiй пластовий тиск в робочiй зонi складав 42 атм.
Числовий експеримент складався iз таких крокiв:
уточнили коефщенти фiльтрацiйного опору вибiйно! зони свердловини;
забезпечили вщсуттсть руху газу по шлейфу свердловини № 70 (закрили вщповщний кран);
о
вщ'еднали вщ шлейфу свердловину, та на виходi задали тиски вихщного факелу газу в атмосферу в дiапазонi 1-10 атм.;
встановили основш фактори впливу на об'еми витоку газу; дослщили чутливiсть параметрiв витоку вщ точностi задання початкових умов.
Експеримент показав, що:
основний фактор впливу на об'еми витоку газу - коефщенти фшьтрацшного опору вибiйно! зони та проникнють ближньо! зони пласту;
змша вихiдного тиску у вказаному дiапазонi (1-10 атм) на об'еми витоку суттево не вплинули;
встановлет об'еми витоку за добу знаходяться в дiапазонi 0,22690,2344 млн. нм3.
Один iз результатiв проведених числових експеримеилв представлений на рис. 6.
свердловини за № 70
Протягом останшх рокiв виникали ситуацi!, в яких забезпечення цшсносл ГТС та нерозгерметизацп систем опалення значних регiонiв можна було оргашзувати тiльки в процес реалiзацi! непроектних режимiв. До окремих таких режимiв експлуатацi! диспетчерськi служби не були заздалепдь пiдготовленими, що вимагало прийняття рiшень за суттевого дефщиту часу. Це зумовило проведення дослщжень роботи окремих об'ектiв у невластивих !м непроектних режимах.
7. SWOT-аналiз результат досл1джень
Strengths. Ревизована можливiсть оперативного максимально швидкого проведення обчислювальних експериментiв для пошуку оптимальних вaрiaнтiв роботи ПСГ та вaрiaнтiв ii реконструкцii. Якiснi та кшьюсш параметри ПЗ характеризуе ii:
- зaвершенiсть (maturity) по набору розв'язуваних задач для диспетчерського керування;
- стшюсть до вщмов (fault tolerance) в област коректного функцюнування моделей об'ектiв (ця область дещо бiльшa за експлуатацшну);
- здaтнiсть до вiдновлення (recoverability);
- часова ефективнiсть (time behaviour) ПЗ видавати очшуваш результати, а також забезпечувати передачу необхiдного об'ему даних за вщведений час;
- здатшсть вирiшувaти потрiбнi зaдaчi з використанням визначених мтмальних об'емiв ресуршв;
- зручнiсть перевiрки (testability) результалв проведеного тестування i iнших видiв перевiрки того, що внесенi змши привели до потрiбних результaтiв;
- зручнють установки (installability) ПЗ;
- здатшсть до сшвюнування (coexistence) з шшими програмами у загальному оточенш, дiлячи з ними ресурси;
- зручнють зaмiни (replaceability) iншого ПЗ даним для виршення тих же задач у певному оточенш.
Weaknesses. До суттевих слабких сторш проекту слщ вщнести недостaтнiй рiвень простоти використання вшх реaлiзовaних можливостей розробленого програмного продукту. В даний час проходить розвиток WEB iнтерфейсноi тдтримки задач та системи aктуaлiзaцii 'х iнформaцiйноi пiдтримки, яка б не вимагала вiд користувача глибоких знань з предметно!' облaстi.
Opportunities. Останшм часом розроблене ПЗ частково штегровано в комплекс планування (перспективного та оперативного) та оперативно! експлуатацп ПСГ Укра'ни на етапах нaгнiтaння та вщбирання газу. Постaвленi новi зaдaчi та розроблено aлгоритмiчне забезпечення оптимaльноi експлуaтaцii технологiчно поеднаних ПСГ та ПСГ в сукупност зi вшею ГТС.
Тепер для Укра'ни стало надзвичайно важливою проблема -прогнозування сумюно' роботи ГТС i ПСГ в умовах слабо прогнозованих джерел i об'емiв транзиту та iмпорту газу. Потрiбно завчасно передбачити вс можливi вaрiaнти розмiщення об'емiв збер^ання газу по ПСГ, iнтенсивнiсть експлуатацп кожно' зокрема ПСГ протягом сезону вщбирання газу. А також проведення реконструкцп ГТС та ПСГ для окремих випадюв, включаючи i можливi випадки виникнення нештатних ситуaцiй.
Технолопчш об'екти ГТС i ПСГ деградують. Розглядаеться задача визначення обсяпв модершзацп ГТС Укра'ни в зaлежностi вщ сценaрiiв 'х зaвaнтaженостi iз врахуванням залишкового ресурсу об'ектiв як функцш часу. Над всiмa перехованими задачами йде робота. Ефект вщ використання е значним, тому що використання таких розробок забезпечуе енергетичну безпеку кра'ни.
Threats. В режимiв експлуатацп off-line програмного комплексу основна загроза полягае з введенням не коректних вхщних даних для забезпечення процесу моделювання, а в шших режимах (on-line, real-time) оснс небезпека - збiй в системi телевимiрювання (типу SCADA).
8. Висновки
1. Розробленi сценарii експлуатацii ПК для рiзних типiв Kop^TyBa4iB та yправлiнь (геологiчна служба, управлшня пiдземного 36epir yправлiння експлyатацii КС тощо) i3 наданням доступу до вщповщних pecypciB. Це забезпечило кваифжовану пiдтpимкy системи в актуальному сташ та оперативну ii eкcплyатацiю в умовах змшних peжимiв роботи ГТС.
Проведена апробащя ПК на задачах планування peжимiв (добового та сезонного) роботи окремих ПСГ та ix у сукупносл, iдeнтифiкацii паpамeтpiв моделей об'еклв, оцiнки ефекту вiд реконструкцп (модepнiзацii, замiни) об'еклв ПСГ. Яюсть ПК оцiнювалаcя за cepвicом - набором сервюних фyнкцiй та штерфейсною пiдтpимкою задач, за якicтю коду - ступенем лопчного pоздiлeння коду на блоки, за повнотою та швидюстю розв'язування задач. Яюсть коду дозволила швидко формувати iнтeгpованi програмш модyлi для розв'язування того чи шшого набору задач. Сepвicнi шструменти та iнтyiтивно зpозyмiлий iнтepфeйc забезпечили мшмальш зусилля та час для розв'язування основних набоpiв задач. Розв'язування задач оперативного планування (добового) роботи ПСГ займали до хвилини часу. Основний час шов на формування вхщних даних. Час моделювання газодинамiчниx та фшьтрацшних процешв, якi вщбуваються протягом року в об'ектах ПСГ, складав дeкiлька дecяткiв секунд.
2. Реаизована фyнкцiональнicть - автоматизацiя процешв актуаизацп iнфоpмацiйного забезпечення, формування вхщних даних та розв'язування задач. Кpiм цього забезпечена робота з динамiчними таблицями, якi частково формуються у фоновому peжимi в пpоцeci розв'язування оптимiзацiйниx задач. Розроблена та реаизована система гpафiчноi пiдтpимки представлення та анаизу peзyльтатiв роботи ПЗ. Реашзовано багатокористувацький ваpiант системи з тдсистемами адмiнicтpyвання, захисту даних, дозволами, прюритетами тощо.
References
1. Prytula N. M., Pyanylo Ya. D., Prytula M. H. Pidzemne zberihannia hazu (matematychni modeli ta metody). Lviv: RASTR-7, 2015. 266 p.
2. Lavrivscheva K. M. Prohramna inzheneriia. Kyiv, 2008. 319 p.
3. Prytula N. M. Calculation of flow distribution parameters in gas-transport system (stationary flow case) // Fizyko-matematychne modeliuvannia ta informatsiini tekhnologii. 2007. Vol. 5. P. 146-157.
4. Three dimensional Geological Modeling by FOSS GRASS GIS: proceedings / Kajiyama A. // FOSS/GRASS Users Conference. Bangkok, 2004.
5. Prytula N., Prytula M., Boyko R. Mathematical modeling of operating modes of underground gas storage facilities // Technology Audit and Production Reserves. 2017. Vol. 4, No. 1 (36). P. 35-42. doi:10.15587/2312-8372.2017.109084
6. Official Website of Schlumberger. URL: http://www.slb.com/
7. Gafarov A. Sh. Osobennosti hidrodinamicheskoho modelirovania Gatchinskogo PHG // Vesti gazovoy nauki. 2012. Vol. 2 (10). P. 113-115. URL: http://www.vesti-gas.ru/sites/default/files/attachments/113-115-iz matmodelirovanie-2012-v13-m-d.pdf
8. Modelirovaniie rezhymov roboty hazovoho promysla kak yedinoi termohidravlicheskoi sistemy / Rotov A. A. et al. // Gazovaia promyshlennost. 2010. Vol. 10. P. 46-50.
9. Brown K. G., Sawyer W. K. Practical Methods to Improve Storage Operations - A Case Study: proceedings // SPE Eastern Regional Conference and Exhibition, 1999. doi:10.2118/57460-ms
10. Expert System of UGS - An Efficient Tool for On line Performance Management and Optimization / Onderka V. et al. // 23rd World Gas Conference. Amsterdam, 2006. URL: http://members.igu.org/html/wgc2006pres/data/wgcppt/pdf/WOC%20Working%20C ommittees/WOC%202/Improvement%20of%20UGS%20performance/2.4EF.08.pdf
11. Zangl G., Giovannoli M., Stundner M. Application of Artificial Intelligence in Gas Storage Management // SPE Europec/EAGE Annual Conference and Exhibition. Vienna, 2006. doi:10.2118/100133-ms
12. Storing Natural Gas Underground / Bary A. et al. // Oilfield Review. 2002. Vol. 14, No. 2. P. 2-17.
13. Intelligent Well Technology in Underground Gas Storage / Brown K. et al. // Oilfield Review. 2008. Vol. 20, No. 1. P. 4-17.
14. Foh S. E. The Use of Inert Gas as Cushion Gas in Underground Storage: Practical and Economic Issues: proceedings // Gas Supply Planning and Management: 1991 and Beyond Conference. Lake Buena Vista, 1991. URL: https://www.osti.gov/servlets/purl/6028827
15. Zamishchennia bufernogo hazu azotom u plastah hazoshovyscha (modeli, metody, chyslovi eksperymenty) / Prytula N. et al. // Naftova haluz Ukrainy. 2013. Vol. 4. P. 32-39.
