ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ И ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМ ПОДДЕРЖАНИЯ ПЛАСТОВОГО ДАВЛЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 622.276.(043)

М.С. Королев, к.т.н., e-mail: korolms@mail.ru, С.С. Королев, ТюмГНГУ

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ И ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМ ПОДДЕРЖАНИЯ ПЛАСТОВОГО ДАВЛЕНИЯ

В настоящее время в качестве основных показателей для оценки качества эксплуатации систем ППД используются: суммарная потребляемая мощность, суммарная закачка воды, текущая производительность по каждому (за исключением погружных насосов) насосному агрегату, реже к.п.д. насосных агрегатов. Естественно, такого рода контроль состояния систем ППД имеет важное значение для оценки качества эксплуатации системы.

Однако такого рода показатели отражают исключительно текущее состояние системы и не позволяют оценить возможные показатели качества работы системы при определенных изменениях. Поэтому для оценки мероприятий по управлению гидросистемой необходимо применение ее модели [1] и комплекс расчетных показателей, являющихся комплексной оценкой текущего и будущего состояния системы.

Наиболее общими эксплуатационными расчетными (по модели) показателями являются гидравлические энергии в единицу времени, привносимые в рассматриваемую гидросистему потоками (поступающими в гидросистему) извне - Ыех и гидравлические энергии в единицу времени потоков, истекающих из системы - М„ых.

Величина энергии потоков, входящих в систему, определяется как сумма энергий по каждому активному узлу, где есть приток.

N„=Lpk\qs | ,

(1)

Так как к.п.д. насосов всегда меньше единицы, необходимо определить потребляемую ими мощность

4=1

(2)

где рк - давление в активном «узле-источнике» к,

- объемный расход жидкости в звене ,у, соединенном с узлом к. Величина энергии потоков, выходящих из системы определяется аналогично, по активным узлам, где есть отток.

где ^¡(ф - зависимость к.п.д. насоса от расхода жидкости;

/¡(с/) - гидравлическая характеристика насоса г;

п - количество насосов в системе. Так как существенной долей привнесения гидравлической энергии в гидросистему является гравитационное поле Земли, то для анализа состояния гидросистем имеет смысл определить гидростатическую энергию гидросистемы в единицу времени.

^„=^-^-¿/,(^<7, (3)

и

или

нгео=Т Дад. /-1

Величина «подводимой» гидравлической мощности Ыгео в зависимости от геометрии гидросистемы и потокора-спределения может быть как меньше, так и больше нуля. Например, при закачке воды в пласт системы ППД N^>0: она увеличивает энергию потоков воды от устья скважин до их забоя. Полный к.п.д. системы ППД определяется соотношением N

*1Ф

В связи с тем, что оптимальное состояние систем ППД определяется не только технической эффективностью эксплуатации гидросистемы, т.е. минимизацией энергопотребления, но и технологическим соответствием - соблюдением режимов заводнения пластов, следует ввести показатель соответствия технологии заводнения. Таким показателем будет коэффициент среднего относительного отклонения от требуемых по технологии приемистостей скважин

тми

с = м_

л ,

не,"

(5)

Nu+N„n+N„

(4)

где ¡2/- номинальная приемистость скважины - звена г необходимая для оптимального воздействия на ГПП (например для компенсации отбора или равномерного вытеснения);

- фактический или расчетный расход в стволе скважины; пС1!в - количество нагнетательных скважин.

Таким образом, чем меньше Ба, тем качественнее распределяются потоки между нагнетательными скважинами. При наиболее точном управлении закачкой можно использовать показатель отклонения не только по скважинам, но и по пластам, однако вследствие невозможности постоянного контроля поинтервальной приемистости будем

учитывать соблюдении технологии закачки со стороны гидросистемы только согласно (6).

Ранее [2] комплексное состояние гидросистемы предлагалось оценить энергетическими затратами на заводнение и соблюдением технологии закачки посредством коэффициента эффективности технической гидросистемы ППД:

к -Hi-

А-эфф g ■

(б)

S,=G(S^=0.64057

sin(A-7t-%)+3A

. 2

} (7)

Недостатком данной формулы является то, что область значений Кэфф не определима: Так как для

задачи поиска максимума данного коэффициента требует нормирования, предлагается использовать другую формулу для расчета коэффициента эффективности.

Так как величина коэффициента среднего относительного отклонения оттре-буемых по технологии приемистостей скважин - не имеет четких пределов (5) ее необходимо некоторым образом привести к нормированному виду. Для этого будем использовать следующую зависимость

на рис. 1-б отражает наиболее простую нормирующую функцию:

где 0(5!е) - нормирующая функция е&ИО... 11 д.е ;

X - безразмерный аппроксимационный коэффициент равный 0.961; е - коэффициент чувствительности к отклонению от технологии заводнения ; Я,, - коэффициент среднего относительного отклонения от требуемых по технологии приемистостей скважин, %; А=е

Коэффициент чувствительности можно вычислить по формуле

е=1Л'

где X - условно допустимое значение коэффициента среднего относительного отклонения от требуемых по технологии приемистостей скважин, %. Коэффициент/!,можно принять в переделах от 1 до 15%. При текущих значениях Бв ниже выбранного значения X влияние на коэффициент эффективности будет минимальным (рис. 1 -а).

На рис. 1 отображены два варианта нормирующей функции 0(5в). График

S=0(Se)=e-

(8)

Как видно из графика данной зависимости, степень изменения функции при малых значениях Б, характеризуется резким падением, что будет препятствовать эффективному управлению по энергосберегающей оптимизации. Т.е. если коэффициент эффективности будет резко падать при малых (допустимых) величинах отклонений -5, , то это будет снижать свободу управления по максимизации к.п.д. системы. В связи с последним предлагается вместо (8) использовать хотя и более сложную, но адекватную функцию нормирования (7). Согласно нормирующей функции (7) коэффициент эффективности предлагается рассчитывать по формуле

Кфф~г1ф-^в-г1ф-в(5в),

(9)

гр,еКэфф-нормированный коэффициент эффективности эксплуатации системы К3ффФ-Ц Д-е-; Чф- полный к.п.д. системы, д.е.

¡■atti

А

ш

Теплогидроизолированные трубы и детали трубопроводов.

Диаметр изделий до 1220 мм. Продукция включена в реестр ТУ и ТТ ОАО АК «Транснефть», согласована с постоянно действующей комиссией ОАО «Газпром» по приемке новых видов продукции, имеет разрешение к применению Ростехнадзора, сертификат пожарной безопасности.

Антикоррозионное покрытие трубопроводов.

Трубы и детали трубопроводов с двух и трехслойным антикоррозионным покрытием (продукция согласована с ОАО «Газпром»), а также с однослойным антикоррозионным покрытием по ГОСТ 51164-98.

Теплогидроизолированные трубы и детали трубопроводов с балластным покрытием путем обетонирования для подводных магистральных трубопроводов.

Обсадные термоизолированные колонны для теплоизоляции нефтяных скважин.

Конструкция разработана и запатентована ЗАО «Сибпромкомплект». Широко применяется на Ванкорском месторождении.

Комплектация различными системами путевого обогрева.

В том числе электрообогрев на основе «скин-эффекта», позволяющий обеспечить требуемый температурный режим транспортировки продукта.

Противопожарные вставки.

Конструкция противопожарной вставки с изоляцией из негорючих материалов разработана и запатентована ЗАО «Сибпромкомплект». Устойчива при транспортировке и монтаже.

Неподвижные и скользящие опоры различных конструкций в тепловой изоляции и без.

Телефон для заказа продукции: (3452) 21-45-34 - коммерческий отдел

Завод теплогидроизоляции труб ЗАО «Сибпромкомплект» 625014, г. Тюмень, ул. Республики, 250 Тел./факс: (3452) 21-39-15 (приемная) E-mail: spk@zaospk.ru www.sibpromkom.ru

Мы вносим вклад в развитие трубопроводных систем России

2 X

I

О 10 20 30 40 50 60 70

Рис. 1. Зависимости функций нормирования от коэффициента 5„: а - для функции нормирования (7); б - для функции (8)

Как видно из графика на рис. 1-а, при значениях 51,, ниже Л=5-8% значения нормирующей функции близки к единице, что позволяет в данном интервале согласно (9) производить корректировку состояния системы с позиции максимизации щ. При росте отклонения более 90% значение нормирующей функции стремится к нулю, что предопределяет значимость отклонения т.е. соответствия технологии заводнения, а не к.п.д. системы. По результатам внедрения модели системы ППД на Северо-Покурском месторождении получены описанные выше комплексные показатели (см. табл. 1). Как видно из таблицы, полный к.п.д. гидросистемы ППД составляет 44.77% и несколько завышен вследствие существенной доли работы гравитационных сил - N,,,„=14957.01 кВт. Коэффициент эффективности составляет 0.325. Данная методика позволяет оценить соответствие режима работы наземной части систем поддержания пластового давления технологии заводнения и оптимальным энергетическим показателям гидросистемы.

В процессе эксплуатации гидросистем поддержания пластового давления (ППД) возникает ряд эксплуатационных задач, решение которых без системного подхода к анализу состояния гидросистемы не может быть адекватным требованиям эффективного управления. Для наиболее эффективного управления сложных по структуре систем необходимо применение модели системы, имитирующей поведение реальных или проектируемых гидросистем с произвольной структурой и техническими показателями, составляющих их элементов.

Суть имитации систем ППД, включающей наземное и подземное оборудование, а также зон воздействия скважин на пласт, состоит в определении расходов и давлений в звеньях и узлах модели [1], при этом следует определить, во-первых, множество детализующих процесс параметров, которые характеризуют эксплуатационные свойства элементов, а во-вторых, общеэнергетические показатели всей гидросистемы. Помимо контроля над параметрами потока жидкости модель позволит,

модифицируя технические свойства отдельных элементов, прослеживать прогнозные расходы и давления жидкости в изменяемой системе. В данной статье рассматриваются аспекты разработки методов автоматизированной оптимизации систем ППД посредством использования их моделей при вариации группы технических показателей управляющих устройств: дросселирующей арматуры и характеристика кустовой насосной станции (КНС). Далее под техпоказателями будем понимать технические показатели устройств, выбранных для управления комплексным гидравлическим режимом системы. Наиболее подходящими для оптимизации уже существующей системы ППД являются техпоказате-ли дросселирующей арматуры (диаметры штуцеры, высота затворов клапанных регуляторов и т.п.) и КНС, включающая количество, типоразмеры и порядок подключения насосных агрегатов (техпоказатели к<2 и МР). Техпоказатели kQ, кйР являются коэффициентами масштабирования гидравлической характеристики насосных агрегатов или КНС по оси расходов q и перепадов давлений Ар соответственно -

№0)мр,

где /(<7) - измененная гидравлическая характеристика, /(д) - исходная гидравлическая характеристика. Системы ППД хорошо управляемы при воздействии на некоторые техпоказатели. Для достижения гидропараметром д (расход жидкости в звене) требуемого значения согласно регулировочной кривой, связывающей его с некоторым техпоказателем, например - расход в штуцере от его же диаметра, достаточно решить нелинейное уравнение вида относительно неизвестного й„ где <2„ -номинальное значение гидропараметра 4 - искомый техпоказатель (диаметр штуцера).

Под способом выбора оптимального состояния или просто способом оптимизации будем понимать средства к достижению цели оптимизации: набор техпоказателей, изменение которых в реальной системе позволит изменить комплексный гидравлический режим,

ВЕЛИЧИНА ЕД.ИЗМ. ЗНАЧЕНИЕ

Пф % 44.77

Пфг % 34.14

Sв % 13.29

Кзфф д.е. 0.325

Таблица 1. Комплексные показатели системы ППД Северо-Покурского месторождения

в соответствии с ее оптимальным состоянием.

С точки зрения цели оптимизации систем ППД и в зависимости от способов выбора оптимального состояния является три основных формализации проблемы поиска этого состояния.

1. Поиск таких значений выбранных тех-показателей управляющих устройств, при которых достигалось выполнение технологических условий - «технологическая оптимизация».

2. Поиск значений техпоказателей, при которых сохранялась нормальная работоспособность системы и выполнялись условия наивыгоднейших эксплуатационных характеристик - «техническая оптимизация».

3. Поиск значений выбранных техпоказателей управляющих устройств, при которых достигалось выполнение технологических условий и условий наивыгоднейших эксплуатационных характеристик - «технико-технологическая (комплексная) оптимизация». Задача технологической оптимизации в наиболее общем смысле сводится к нахождению значений комплекса техпоказателей устройств, которые в со-

стоянии изменить расход или давление в группе каких-либо устройств до заданных величин.

Здесь предлагается метод оптимизации режима гидросистем ППД посредством поиска значений диаметров штуцеров, которые нужно установить на блоках гребенок (БГ), для достижения заданных приемистостей по всем нагнетательным скважинам, структурно связанным подбираемыми штуцерами. Данная задача соответствует наиболее простой форме технологической оптимизации и может быть решена на основе использования функций регулировочных кривых у/^о, 4,..., ^лч), где N - количество штуцеров равное количеству нагнетательных скважин, - объемный расход в штуцере-звене г, 4 - диаметр штуцера-звена г. В данной постановке между штуцером на БГ и соответствующей нагнетательной скважиной не должно быть структурных ответвлений.

Задача поиска диаметров N штуцеров для соблюдения равенства текущих приемистостей N нагнетательных скважин сводится к системе нелинейных уравнений вида

Л Я,,-■

>л*я

¿ар

(10)

где £ - множество с номерами, звеньев соответствующих скважинам или структурно (линейно)соединенным с ними штуцерам;

- значение заданной по технологии заводнения приемистости скважины и расхода в линейно-связанным с ней штуцером-звеном - Бк (номинальный расход);

к - номер элемента в множестве 5; N - количество элементов множества т.е. скважин равное количеству штуцеров;

¿V-' V--' - функции РК, соответствующие зависимостям объемного расхода в скважинах от диаметров штуцеров линейно-связанных с ними (здесь и далее значения функции у/ равны гидропараметру звена Я*-^. Ранее в работах [1, 2] предлагалось находить комплексный оптимум посредством решения задачи поиска

Таблица 2 Комплексных показателей системы до и после оптимизации

ВЕЛИЧИНА ЕД.ИЗМ. ЗНАЧЕНИЕ ДО ОПТИМИЗАЦИИ ЗНАЧЕНИЕ ПОСЛЕ ОПТИМИЗАЦИИ

Пф % 21.44 37.57

SB % 148.7 0.08

КЭфф Д.е. 2.4x10-4 0.376

— OP-IO0 i Р-0.91 ,1 Р-2.39 / 'Tiop-o.iii \ ^XV ? p-i ws 20 ij ЗЗЛ /

//Sv . «п=/м s t>- а cLi / я /i 1 fliyM2r4l , Isjü.O Jf F-:: 49 - \ 21 J-B34

1 \ ч ^^ H №37.11 J

Рис. 2. Пример модели небольшой системы - потокораспределение до оптимизации

экстремума функции к.п.д. системы от техпоказателей - к<2и кйР1 насосных агрегатов КНС и 4 штуцеров на БГ. В связи с тем, что комплексный оптимум должен достигаться при совместном соблюдений условий минимизации среднего относительного отклонения текущих приемистостей от оптимальных - и максимизации к.п.д. системы цф - необходимо максимизировать некий коэффициент эффективности Кэфф -, отражающий совместное выполнение условий «технологической» и «технической» оптимизации. Исходя из вышесказанного искомый оптимум достигается решением

dsa>—> dSt,..., dSm,

kQp,.....kQpf-i kQpu ti

kQpj.....kQPut

•max, (11)

Также важно отметить допущение, согласно которому предполагается, что к.п.д. насоса не зависит от коэффици-

ента кйР. Это вполне правомерно, так как при последовательной установке центробежных насосов или установке дополнительных секций совместный к.п.д. такой системы слабо меняется при работе на оптимальном режиме. Рассмотрим результаты оптимизации согласно решению задачи (11) на примере модели гидросистемы, отображенной на рис. 2, комплексные показатели которой до и после оптимизации отражены в табл. 2. Номинальная приемистость скважин задана согласно требуемой по технологии заводнения: средней (по схеме) 1000 м3/сут, верхней 300 м3/сут, и нижней 200 м3/сут. После оптимизации, т.е. решения задачи (11), имеем уже оптимизированное состояние модели с искомыми диаметрами штуцеров (сверху вниз по схеме) -=0.0057 м, £?2=0.0111 м, ¿з=0.0059 м и корректирующими коэффициентами насосных агрегатов (сверху вниз по схеме) - &й=0.150, ЫЛ=0.890, £02=0.149,

ЫР2=0.91, ££=0.151, ЫР2=0.890. Комплексные показатели оптимизированной гидросистемы приведены в табл.2 (правая колонка).

Как видно из таблицы, полный к.п.д. гидросистемы - цф существенно вырос: с 21.44 до 37.57%, а среднее относительное отклонение упало до пренебрежимо малого числа - 0.08%. Потребляемая насосами электрическая мощность упала с 2973.26 до 550.68 кВт. Такие хорошие показатели являются руководством к соответствующей замене насосов и штуцеров и модернизации гидравлической характеристики насосов в соответствии с полученной в результате подбора корректирующих коэффициентов и кйР.

Следует отметить, что в случае, когда предполагается оптимизировать гидросистему, посредством корректирующих коэффициентов кQ и МР одной КНС, объединяющей совместную работу нескольких насосов, решение (11) будет более эффективным в плане скорости вычислений.

Так как список типоразмеров насосов представляет собой дискретное множество, то задачу подбора структуры, типоразмеров и количества насосов на КНС, исходя из требуемого соответствия реальной и найденной при решении (11) характеристики, можно решить «прогонкой» всех возможных комбинаций установки насосов. Естественно, точный подбор гидравлических характеристик насосов или КНС, соответствующих найденным при оптимизации, невозможен. Поэтому придется обойтись лишь стремлением к максимально точному приближению.

Литература

1. Стрекалов А.В. Системный анализ и моделирование гидросистем поддержания пластового давления. Тюмень, ИФ «Слово», 2002.

2. Стрекалов А.В. Математические модели гидравлических систем для управления системами поддержания пластового давления. Тюмень, 2007. ОАО Тюменский дом печати. 664 с.

3. Королев М.С. Разработка и исследование технико-технологических параметров регулирования систем поддержания пластового давления.; дисс., канд.техн.наук. Тюмень 2008.

Ключевые слова: оптимизация систем поддержания пластового давления, регулирование систем поддержания пластового давления, технико-технологические параметры систем поддержания пластового давления.