Комплексный анализ и повышение эффективности управления системами гидравлически связанных объектов: На примере процессов в системах добычи нефти

Потребности экономики РФ в углеводородном сырье, включая экспортные поставки, практически не снижаются, причем значительная доля прироста добычи нефти и газа в ближайшие годы будет обеспечиваться за счет месторождений с необычными для отечественной практики геологическими характеристиками и физико-химическими свойствами продукции, расположенных в районах со сложными природно-климатическими условиями и слабо развитойинфраструктурой. Для сохранения высоких уровней добычи при недопущении значительного увеличения затрат необходимо иметь перечень всех элементов замкнутой системы гидравлически связанных объектов (ЗСГСО) «продуктивный пласт — добывающие скважины — нефтесбор — подготовка продукции — заводнение — продуктивный пласт», для которых затраты на повышение их пропускной способности дадут максимальный эффект для системы в целом. Очевидно, что это невозможно без использования новых высокоэффективных методов принятия решений и управления процессами эксплуатации объектов и систем добычи и обустройства.

Проведенный анализ существующей практики проектирования и эксплуатации систем добычи и обустройства нефтяных месторождений позволил выявить ее основные недостатки:

1. Все элементы системы добычи и обустройства рассматриваются по отдельности, без учета их взаимного влияния, обусловленного наличием технологических и экономических связей.

2. Отсутствует учет предполагаемой динамики добычи и обводненности продукции, так как, согласно нормативным документам, технические решения принимаются для условий максимальной добычи жидкости и максимальной вязкости. При этом наибольший перерасход капитальных и эксплуатационных затрат имеет место в тех случаях, когда фактические параметры работы элементов и подсистем системы гидравлически связанных объектов значительно отличаются от проектных.

Наиболее перспективным методом повышения эффективности технических решений и управления эксплуатацией нефтяного месторождения с целью достижения наилучших технико-экономических показателей и связанному с этим уменьшению затрат на добычу нефти является системный подход к исследованию ЗСГСО, позволяющий учитывать технологические и экономические связи ее элементов, прогнозировать изменение их технологических и экономических показателей на весь период разработки.

Целью работы является создание модели сложной системы гидравлически связанных объектов (на примере системы обустройства нефтяного месторождения), позволяющей повысить эффективность управления данной системой с целью достижения наилучших технико-экономических показателей за счет учета связей ее элементов и ретроспективной, текущей и прогнозной информации о режимах их эксплуатации.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Создать и внедрить в постоянную эксплуатацию математические модели систем гидравлически связанных объектов обустройства нефтяных месторождений.

2. Разработать комплекс алгоритмов и программ для гидродинамических расчетов потоков в системе гидравлически связанных объектов, позволяющий учитывающий технико-экономические связи ее элементов, а также выбирать режимы их эксплуатации, соответствующие экстремальным значениям технологических и экономических критериев оптимальности (например, максимальной добыче продукции или минимальным совокупным дисконтированным затратам при обеспечении заданной добычи).

3. Разработать методы, алгоритмы и программы для моделирования аварийных ситуаций в элементах системы гидравлически связанных объектов нефтяного месторождения и учета связанных с этим затрат в процессах принятия решений и управления ее эксплуатацией.

— 124. Разработать метод управления многостадийным процессом эксплуатации системы гидравлически связанных объектов нефтяного месторождения исходя из ретроспективной, текущей и прогнозной информации о динамике добычи и обводненности продукции.

В первой главе представлен анализ существующей практики проектирования и эксплуатации систем добычи и обустройства нефтяных месторождений и выявлены ее основные недостатки.

Показано, что на нефтяном месторождении существует замкнутая система гидравлически связанных объектов (ЗСГСО) «продуктивный пласт — добывающие скважины подсистемы „добыча“ — трубопроводы подсистемы „нефтес-бор“ — технологическое оборудование подсистемы „подготовка“ — компонента „заводнение“ (низконапорные водоводы — кустовые насосные станции (КНС) -высоконапорные водоводы — нагнетательные скважины) — продуктивный пласт». Данная система имеет выход по готовому продукту в виде нефти и газа из подсистемы «подготовка» и вход в виде воды на подпитку компоненты «заводнение».

Обобщение накопленного опыта проектирования и эксплуатации систем добычи и обустройства нефтяных месторождений показывает, что наиболее перспективным является переход к практике непрерывного развития и реконструкции этих систем с учетом накапливаемой информации и меняющихся представлений о предполагаемой динамике добычи, а также с учетом ограничений на величину ресурсов. Переход к такой практике обеспечивается внедрением в практику проектирования и эксплуатации математических моделей систем гидравлически связанных объектов нефтяного месторождения. Учет технологических и экономических связей элементов ЗСГСО будет наиболее эффективным в том случае, если для описания и расчетов происходящих в них гидродинамических процессов используется единая математическая модель движения нефте-водогазового потока в трубе.

Во второй главе разработана математическая модель гидродинамических процессов в элементах ЗСГСО.

Для этого используется система одномерных дифференциальных уравнений сохранения массы, импульса и энергии для нефтеводогазового потока (двухфазной газожидкостной смеси). С целью замыкания данной системы она дополнена известными расчётными соотношениями для физико-химических и теплофизических свойств жидкой и газовой фаз — энтальпии, плотности, вязкости и других, а также формулами для расчёта коэффициентов гидравлического сопротивления, истинных объёмных концентраций фаз и термических сопротивлений (коэффициента теплопередачи) от потока к окружающей среде.

В третьей главе разработан комплекс алгоритмов и компьютерных программ для моделирования элементов ЗСГСО.

Для добывающих скважин, эксплуатируемых различными способами, на первом (отладочном) этапе рассчитывается распределение давления, температуры, газосодержания и других параметров потока по «стволу» скважины от устья до забоя и производится оценка достоверности исходной информации и ее уточнение, что позволяет выявить возможные нежелательные режимы эксплуатации. Задачей второго этапа является оптимизация и управление работой скважин. С этой целью производится корректировка их режимов эксплуатации по результатам первого этапа: изменение расхода газлифтного газа, глубины подвески скважинного оборудования, а в отдельных случаях — его заменато же самое выполняется при изменении объемов добываемой продукции, ее обводненности, пластового давления, коэффициента продуктивности и др.

На третьем этапе производится моделирование различных вариантов реконструкции системы «добыча — нефтесбор». Для этого решаются следующие задачи:

— расчет изменения дебитов добывающих скважин, подающих продукцию в реконструируемую часть системы нефтесбора;

— 14- оптимизация и управление работой добывающих скважин, подающих продукцию в реконструируемую часть системы нефтесбора;

— расчет изменения дебитов добывающих скважин при подключении одной или нескольких новых скважин или отключении ранее эксплуатировавшихся, подающих продукцию в ту же часть системы нефтесбора (например, фонтанная добыча газа из газовой шапки).

Для расчета трубопроводных сетей систем нефтесбора и водоводов систем заводнения произвольной конфигурации, в том числе содержащих замкнутые контуры, разработан программный комплекс OlSPipe «Расчет».

В результате расчетов определяются потери давления, скорости продукции и ряд других технологических параметров для каждого участка, а также давления во всех узлах трубопроводной сети. Кроме того, программа позволяет производить расчет максимальной скорости коррозии по РД 39−147 323 — 89-Р, определять пропускную способность любого участка или группы участков, выполнять подбор оптимального диаметра простого участка, соответствующего минимуму удельных энергозатрат или совокупных затрат.

В четвертой главе рассмотрены вопросы использования моделей элементов ЗСГСО при эксплуатации нефтяных месторождений.

Для обеспечения заданного объема продукции пласта с наименьшими затратами предлагается выбрать элементы ЗСГСО нефтяного месторождения, для которых затраты на повышение их пропускной способности дадут максимальный эффект для системы в целом. Показано, что чаще всего наиболее перспективным для уменьшения энергозатрат в ЗСГСО в целом является повышение пропускной способности системы нефтесбора.

Поскольку при оптимизации и управлении эксплуатацией нефтяного месторождения весьма важным является учет динамики загрузки элементов ЗСГСО исходя из ретроспективной, текущей и прогнозной информации о добыче и обводненности продукции, в диссертации разработаны методы и программные средства, позволяющие обеспечить такой учет.

Получены расчетные зависимости для процесса истечения продукции (нефтеводогазовой смеси) через отверстие (порыв), позволяющие учитывать прогнозный ущерб от аварий, все составляющие которого (потери продукции, экологический ущерб) зависят от расхода продукции через порыв и времени ликвидации аварии.

В пятой главе разработана методика повышения эффективности принятия решений по управлению эксплуатацией нефтяного месторождения путем оптимизации распределения инвестиций в многостадийный процесс повышения пропускной способности ЗСГСО. В качестве объекта оптимизации рассматривается ЗСГСО, в качестве критерия оценки эффективности каждого мероприятия (инвестиционного проекта) приняты дисконтированные совокупные затраты. Решением поставленной задачи является двухмерный массив значений, соответствующих долям проектов, профинансированных к концу каждого года рассматриваемого периода.

Разработана математическая модель многостадийного процесса управления инвестициями при эксплуатации нефтяного месторождения.

Научная новизна работы.

1. Разработана математическая модель процесса движения нефтеводогазовой смеси во всех элементах системы гидравлически связанных объектов нефтяного месторождения, учитывающая фазовые переходы, процессы расширения и изменения расходных и физико-химических параметров потока по его длине с учетом теплообмена с окружающей средой.

2. Предложен новый подход к управлению процессами эксплуатации системы обустройства нефтяного месторождения, основанный на учете гидродинамических связей ее элементов. Методами вычислительного эксперимента исследованы закономерности изменения дебитов добывающих скважин при изменении устьевого давления и (или) замене оборудования с учетом изменения гидравлических режимов смежных подсистем.

3. Разработан новый метод прогнозирования аварийных ситуаций и учет их влияния на технологические и экономические показатели систем обустройства.

4. На основе вычислительных экспериментов установлено, что наиболее эффективным является повышение пропускной способности подсистемы неф-тесбора и предложена методика расчета оптимальных диаметров ее участков.

5. Решена задача оптимизации многостадийного процесса распределения инвестиций в повышение пропускной способности системы гидравлически связанных объектов нефтяного месторождения исходя из ретроспективных, текущих и прогнозных уровней добычи и обводненности продукции с учетом технико-экономических связей ее подсистем и элементов.

Обоснованность результатов. Обеспечивается применением общеизвестных апробированных методов системного анализа, математического моделирования гидродинамических процессов и численного решения дифференциальных уравнений, фундаментальных законов сохранения массы, импульса и энергии, использованием методов расчета, рекомендованных нормативными документами, а также хорошим совпадением результатов расчетов по разработанным методикам с фактическими промысловыми данными, полученными на месторождениях различных нефтяных компаний.

Практическая ценность.

1. Алгоритмы и компьютерные программы расчета процессов движения нефтеводогазовых смесей во всех элементах замкнутой системы гидравлически связанных объектов нефтяного месторождения.

2. Методики расчета изменения текущей добычи продукции и совокупных дисконтированных затрат на добычу единицы продукции при изменении гидравлических режимов любых элементов замкнутой системы гидравлически связанных объектов нефтяного месторождения.

3. Использование алгоритмов, методик и компьютерных программ, разработанных в диссертации, при управлении системой обустройства нефтяного месторождения позволяет увеличить текущую добычу нефти и/или сократить затраты электроэнергииуменьшить аварийность системы и сократить потери продукции при аварияхуменьшить затраты на капитальные и текущие ремонты.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации алгоритмы, методики и компьютерные программы используются при управлении эксплуатацией систем обустройства нефтяных месторождений: НК «ЮКОС», ОАО «Самаранефтегаз», ОАО «Юганскнефтегаз», ОАО «Томскнефть В РЖ», ОАО «Роснефть-Пурнефтегаз», ОАО «Лукойл-Пермнефть».

Апробация работы. Результаты исследований, отражающие сущность диссертационной работыдокладывались на Международной конференции «Информационные технологии в нефтяной и газовой промышленности» в 2002 (г. Айя-Напа, Кипр), 2003 (г. Дубровник, Хорватия), на Всероссийской научной конференции «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассей-на» (г. Тюмень) в 2000 и 2002 г., на кафедре Гидравлики, водоснабжения и во-доотведения Ивановской Государственной архитектурно-строительной академии в 2005 г. г., на технических советах НК «ЮКОС», ОАО «Лукойл-Коми», ОАО «Лукойл-Пермнефть», ОАО «ННП», ОАО «СНГ». Программные продукты, реализующие результаты исследований, демонстрировались на Международных выставках «Нефть и газ — 2003» и «Нефть и газ — 2004», г. Москва.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 7 работах, в том числе 2 статьях, 3 докладах в материалах конференций и 2 тезисах докладов.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, содержит 147 страниц машинописного текста, 17 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 99 наименований трех приложений общим объемом 33 страницы.

Результаты работы заключаются в создании комплекса методов, алгоритмов и программ для моделирования замкнутой системы гидравлически связанных объектов с учетом их технико-экономических связей, позволяющего повысить эффективность управления происходящими в ней процессами на основе оптимизации процесса эксплуатации нефтяного месторождения исходя из ретроспективной, текущей и прогнозной информации, и могут быть представлены в виде следующих основных выводов:

1. Разработан комплекс алгоритмов и программ для гидродинамических расчетов потоков в ЗСГСО на основе единой модели нефтеводогазового потока, позволяющий учитывать технико-экономические связи добывающих скважин, систем нефтесбора, подготовки продукции и заводнения.

2. Разработаны численные методы расчета изменения дебита добывающих скважин при изменении устьевого давления и (или) замене оборудования с учетом изменения гидравлических режимов системы нефтесбора для различных способов эксплуатации.

3. Разработан метод выбора оптимальных режимов эксплуатации различных элементов ЗСГСО по технологическим и экономическим критериям на основе системного анализа.

4. Разработаны методы, алгоритмы и программы для моделирования аварийных ситуаций в системе добычи и обустройства и учета связанных с этим затрат в процессах принятия решений и управления эксплуатацией месторождения.

5. Разработан метод управления многостадийным процессом эксплуатации нефтяного месторождения на основе оптимизации распределения инвестиций в повышение пропускной способности ЗСГСО с учетом технико-экономических связей ее элементов исходя из ретроспективной, текущей и прогнозной информации о динамике показателей разработки.

6. Созданы и внедрены в постоянную эксплуатацию математические модели систем обустройства нефтяных месторождений.

— 173.