CC BY
30Научная статья УДК 004.421.2
DOI: 10.24412/cl-37031-2023-2-147-154
ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Хомяк А. В.1, Сурушкин М. А.2
1 2
' Белгородский государственный национальный исследовательский университет, г. Белгород, Россия
11465846@bsu.edu.ru
2
surushkin@bsu. edu. ru
Аннотация. В статье анализируются процессы бурения, том числе причин возникновения внештатных ситуаций; рассматриваются возможности создания моделей и алгоритмов, на основании которых реализуется возможность мониторинга за штатными ситуациями и реагирования на внештатные ситуации за счет применения системы поддержки принятия решений при работе с нефтегазодобывающей установкой; показана возможность разработки автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора.
Ключевые слова: информационно-управляющая система, система поддержки принятия решений, бурение нефтяных и газовых скважин, внештатные ситуации, обвалы горных пород, выброс бурового раствора.
BUILDING A DECISION SUPPORT SYSTEM IN THE OIL AND GAS INDUSTRY
Khomyak A. V.1, Surushkin M. A.2
1, 2
' Belgorod State National Research University, Belgorod, Russia.
11465846@bsu.edu.ru
2
surushkin@bsu. edu. ru
Abstract. The article analyzes the drilling processes, including the causes of emergency situations; considers the possibilities of creating models and algorithms, on the basis of which the possibility of monitoring regular situations and responding to emergency situations is realized through the use of a decision support system when working with an oil and gas production installation; shows the possibility of developing an automated workplace (AWP) operator.
Keywords: information management system, decision support system, drilling of oil and gas wells, emergency situations, rock collapses, drilling mud release.
Актуальность работы определяется необходимостью создания системы поддержки контроля и регулирования для обеспечения бесперебойной эксплуатации скважин, минимизации возможных рисков и проблем, которые могут возникнуть во время работы буровой установки.
Основной целью данного исследования является реализация возможности мониторинга за штатными ситуациями и реагирования на внештатные ситуации за счет применения системы поддержки принятия решений при работе с нефтегазодобывающей установкой.
Научная новизна исследования состоит в разработке расчетной модели реагирования на внештатные ситуации в процессе бурения и алгоритмов предотвращения возможности потери промывочной жидкости, недопущения сбивания балкона верхового верхним приводом при выдвинутых штропах, предупреждения газонефтеводопроявления, а также появления сероводорода в буровом растворе реагирования, с использованием системы поддержки принятия решений.
Бурение нефтяных и газовых скважин - не простой процесс, это целый комплекс решаемых этапов, таких как углубление скважин, укрепление ствола скважины, проведение цементирования колонны и др., требующие постоянного мониторинга во время бурения для недопущения возникновения аварийных ситуация и штатной работы буровой установки.
В ходе бурения на нефтегазовых установках можно столкнуться с рядом технических проблем: разрушение ствола, ошибки при работе установок управления буровыми насосами, газонефтеводопроявление, прихваты и др., которые могут замедлить или сделать работу практически невозможной, что приведет к большим простоям и финансовым потерям и что самое важное, может возникнуть опасность жизни работников. Для этого необходимо своевременное реагирование на возникновение данных ситуаций.
Даже при достаточном контроле за процессом, вероятность появления внештатных ситуации в результате появления осложнений очень высока, так как данный процесс происходит мгновенно, в результате накоплений шлама и разрушенных пород, глинистых отложений и набухания горных пород, но это все же можно предотвратить. Для этого используют различные контрольно-измерительные приборы, в состав которых входят всевозможные датчики, контроллеры, автоматика, приборы оповещения и релейные защиты.
148
Если же данные процессы не контролировать они могут привести к прихватам или выбросам. Данные ситуации критичны и если они происходят, то буровые компании, могут потерять свои стратегические объемы, которые находятся у них в работе, а также рискуют здоровьем и жизнями своих работников.
Также большой опасностью после создания верхних приводов с использованием штроп стало сбивание балкона верхового. Работа верхового при выдвинутых штропах представляет для его жизни большую опасность. Нередки случаи не соблюдения технических мероприятий и требований при работе с верхним приводом, такие как:
• отсутствие контроля при подъеме верхнего привода;
• превышение поднимания верхнего привода с выдвинутыми штропами;
• выдвижение штроп при аварийной высоте;
• опускание верхнего привода при выдвинутых штропах с превышением высоты установки балкона верхового и т.д.
На данный момент существуют несколько способов контроля высоты верхнего привода и оповещения о превышение ими данного показателя:
- отключение электропитания верхнего привода;
- свето-звуковое оповещение бурильщика;
- торможение лебедки и пр.
Но данные методы неэффективны, так как оборудование КИП обеспечивает только отключение и не оповещает по какому каналу произведена остановка. Во втором случае происходит частый выход из строя лампочки, что может негативно повлиять на работу при не обнаружении данной проблемы. Торможение, влечет за собой быстрый выход из строя колодок при частом срабатывании системы.
На основании анализа текущего состояния предметной области можно сделать вывод, что системы КИПиА, которые используются на данный момент для контроля за процессами бурения, используют схожие функции и имеют скудную вычислительную, аппаратную и программную части, и с большими сложностями обеспечивают контроль за данными процессами.
Главным пользователем данных систем является оператор (Буровой мастер или помощник бурового мастера), именно он, опираясь на данные с оборудования КИПиА, и принимает решение в работе и при возникновении внештатных ситуаций.
На данный момент системы поддержки принятия решений в данной промышленности отсутствуют, а имеющиеся комплексы предназначены только для мониторинга за процессами бурения.
Некоторые, из ситуаций не предполагают ни какого реагирования в связи с отсутствием средств и возможностей повлиять на них, и решаются на стадии геолого-разведывательных работ, другая часть ситуаций может быть разрешена путем контроля процессов бурения.
Разрешимыми ситуациями являются: газопроявление, нефтепроявление, сбивание верхового при движении верхнего привода с выдвинутыми штропами, появление сероводорода в буровом растворе, внезапная потеря промывочной жидкости, а именно выход из строя силового блока.
Для предотвращения аварий на буровой, создается система, которая обеспечит непрерывный контроль процессов бурения в штатном режиме и при возникновении внештатных ситуаций.
Основные требования к разрабатываемой автоматизированной системе управления выполнены в соответствии с ГОСТ 14169-93 «Системы наземного контроля процесса бурения нефтяных и газовых скважин. Общие технические требования и методы испытаний».
Дополнительные общие требования рассмотрены согласно ГОСТ 24.104-85 «Автоматизированные системы управления. Общие требования».
Отталкиваясь от данных требований, производится выбор промышленного контроллера.
Все датчики, использованные в системе прописываются в контроллере и при необходимости есть реализуем возможность добавить дополнительный датчик с уже существующим и прописанным параметром, или добавить новый датчик и прописать новый параметр. Все устанавливаемые датчики работают по интерфейсу токовой петли 4.. .20 мА.
Датчики разделенные по блокам, получают аналоговые показания по виду их измеряемой величины. Далее показания передаются на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразует входной аналоговый сигнал в дискретный код (в двоичный цифровой код). Далее код передается на промышленный контроллер автоматизации, и выводит сигналы на табло бурильщика расположенного в кабине бурильщика, для мониторинга находящимся на смене работником, дублирует
его на табло индикации параметров и передает их по устройству беспроводной связи, представленное передающим радиомодемом, в диспетчерский пункт. В диспетчерском пункте сигнал приходит на принимающий радиомодем, и далее передает показания на промышленный ноутбук. Таким образом, мониторинг за процессами бурения контролируется непосредственно оператором, находящемся в данный момент на рабочем месте, в лице которого выступает буровой мастер, или его сменщик помощник бурового мастера (см. рис. 1).
Рис. 1. Схема структурной модели системы мониторинга процессом бурения нефтяных и газовых скважин
Для создания системы регулирования, необходимо внести в нее пороговые значения датчиков, для взаимодействия их между собой. Также это необходимо для создания системы поддержки принятия решений, которая в свою очередь поможет снизить человеческий фактор, и поможет не допустить возникновений внештатных, приводящих к аварийным, ситуаций.
Для предотвращения выхода из строя силовых блоков системы управления буровыми процессами был создан «байпас». Он предотвратит резкий выход из строя системы, и даст возможность завершить запланированную работу со скважиной.
После подсчета всех необходимых пороговых значений, необходимо создать систему регулирования процессами бурения и связать ее с системой мониторинга за данными процессами.
После получения определенных сообщений сформированных системой поддержки принятия решений, на основании показаний датчиков и их сравнения с пороговыми значениями, оператор выбирает необходимое решение между альтернативными вариантами, так как в конечном итоге он и является лицом, принимающим решения (ЛИР). Далее программа АРМ оператора бурения, передает с промышленного ноутбука, сигнал по устройству беспроводной связи находящемуся в диспетчерском пункте, на принимающее устройство находящееся в вышеч-но-лебедочном блоке. Далее сигнал получает промышленный контроллер. Программа автоматического управления электродвигателями верхнего привода и бурового насоса, ранее предустановленная в промышленном контроллере, формирует сигнал и передает его на выбранный коммутационный аппарат. Он же в свою очередь включает или отключает подаваемое электропитание, за счет реле, на электродвигателях насоса (ЭДН), электродвигатели верхнего привода (ЭДВП) либо на электродвигателе выдвижения штропов (ЭДШ). При достижении аварийного порогового значения газоанализатора, подается питание на светозвуковую сигнализацию. Далее происходит отключение электропитания буровой для недопущения возгорания и последующего взрыва, при отключении ячейки электропитания буровой установки в виде коммутационного аппарата выступает автомат, при возобновлении работы его необходимо взвести в ручную. Для выполнения необходимых этапов при газопроявлении, для ориентации в пространстве, а также недопущению выхода из строя электроники находящейся на буровой, за счет перепадов напряжения, включаются блоки резервного питания.
При переключении силового блока в режим «байпаса», программа передает сигнал контроллера на систему управления буровыми насосами, если процесс не выполнится полностью, реле отключения бурового насоса, прервет подаваемое напряжение на электродвигатель, для дальнейшего решения проблемы. Если же процесс завершается, и система собирает цепь байпаса правильно, буровой насос работает без отключения, с описанными ранее ограничениями в подаваемом литраже бурового раствора, для недопущения выгорания соседних блоков (см. рис. 2).
Рис. 2. Схема структурно-расчетной модель регулирования системы процессов бурения нефтяных и газовых скважин
Для работы системы согласно вышеописанным моделям необходимы алгоритмы действий системы.
Они состоят из: мониторинга процесса бурения, предотвращения возможности потери промывочной жидкости, недопущения сбивания балкона верхового верхним приводом при выдвинутых штропах, предупреждения газонефтево-допроявления, а также появления сероводорода в буровом растворе.
Последним этапом является программная реализация.
В первую очередь определяются требования для разрабатываемой программной части. В качестве управляющей программы и моделирования для примера был выбран CodeSys 2.3, который может быть заменен другой программой согласно выбранного контроллера. Далее была произведена настройка Open Platform Communications (OPC) для SCADA-среды разработки, которая визуализирует программу АРМ оператора бурения. На основании проведенной работы, была разработана мнемосхема оператора визуально выполняющаяся по подобию программы GeoScan 3.0.
В результате был обеспечен мониторинг за штатными, а также реагирование на внештатные ситуации за счет применения системы контроля и регулирования во время работы нефтегазодобывающей установки.
Разработанная система поддержки принятия решений на буровых установках должна поспособствовать уменьшению аварийности, обезопасить работников буровой от травматизма и смертности во время работы, за счет уменьшения человеческого фактора и своевременного реагирования во время работы при возникновении внештатных ситуациях, а также мониторинга во время бурения для недопущения данных ситуаций. Развитие буровой отрасли является ключевой экономической прерогативой в нашей стране, а безопасность во время работы первоначальной задачей для любого из нас. Дальнейшее развитие системы связано с применением более сложных и автоматизированных решений, построенных на более глубоких алгоритмах и методах решений данных задач.
Библиографический список
1. Втюрин В. А. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Основы АСУТП: учебное пособие. Санкт-Петербург, 2016. 152 с.
2. Гимазетдинов Р. Ф. Информационная система поддержки принятия решений при управлении системой нефтепродуктообеспечения нефтяных компаний // Экономико-математические методы исследования современных проблем экономики и общества. Уфа, 2013 С. 71-76.
3. Латыпова Т. В., Газизова Л. И. Повышение энергоэффективности работы скважинных насосов при использовании частотных преобразователей // Материалы 69-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ Уфа, 2018. С. 315-316.
4. Полкова Е. В., Кузяков О. Н. Система поддержки принятия решений при мониторинге нефтепроводов // Нефть и газ: технологии и инновации. Тюмень, 2021. С. 227-230.
5. Черный С. Г. The problems of automation technological process of drilling oil and gas wells // Программные продукты и системы. 2015. № 2. С. 113-118.
