Информационно-измерительная система для исследования нефтяных скважин с многофункциональными датчиками

Актуальность темы

Для оптимального управления процессом разработки нефтегазовых месторождений и регулирования продвижением контуров нефтегазоносности необходимо вести систематический контроль и обработку данных режимов эксплуатации каждой скважины и залежи в целом. Такой контроль заключается в наблюдении за дебитом нефти, газа и воды по каждой скважине и за распределением пластового давления и температуры по залежи в целом и по отдельным ее зонам.

С другой стороны в современных информационно-измерительных системах (ИИС) нефтегазодобывающего предприятия в последнее время просматривается тенденция к принятию в качестве нижнего уровня автоматизации не групповой замерной установки (ГЗУ), а конкретной скважины. Это обусловлено возросшими потребностями в количестве информации о работе скважины. Причем эта информация должна быть оперативной и доступной на верхних уровнях систем автоматического управления.

Объект исследования — нефтяная скважина является сложным и характеризуется большим числом распределенных в пространстве взаимосвязанных параметров. Ряд из этих параметров является физически недоступным для измерения, а для измерения других — отсутствуют серийно выпускаемые датчики, работоспособные в тяжелых условиях эксплуатации (повышенная температура, высокое давление, агрессивная среда и др.). Так, серийно выпускаемые интегральные тензорезистивные датчики, занимающие более 60% от объема используемых преобразователей давления, имеют ограниченное применение при исследовании скважин из-за значительной погрешности (1−2%) в широком диапазоне температур.

Одним из перспективных направлений в создании скважинных ИИС является максимальное использование потенциальных возможностей реальных, серийно выпускаемых отечественных датчиков физических величин, в частности, измерение нескольких параметров одним датчиком, а также определение недоступных параметров, на основе априорной информации о взаимосвязи физических величин. Необходимо отметить, что в настоящее время наибольшее распространение в практике геофизических исследований получили тензорезистивные первичные преобразователи давления (ППД) типа «кремний на сапфире» (КНС).

На кафедре автоматизации производственных процессов Уфимского государственного нефтяного технического университета накоплен определенный опыт измерения нескольких параметров с использованием одного датчика. При этом нерешенными являются задачи теоретического обоснования способов получения информации, её обработки, а также выявление всех реализуемых вариантов и выбор оптимальных с точки зрения практической реализации измерительных систем (ИС).

Решение этих задач отвечает современной тенденции развития ИИС и является актуальным с научной и практической точек зрения.

Целью диссертационной работы является решение научно-технической задачи — теоретическое обоснование способов получения и обработки измерительной информации, разработка и промышленное внедрение ИС для исследования скважин на основе различных схем включения датчика. Для достижения указанной цели потребовалось решить следующие задачи:

1) провести сравнительный анализ известных методов и средств измерения геофизических параметров в скважине;

2) провести моделирование процесса формирования измерительной информации;

3) разработать методику определения вариантов ИС на основе различных схем включения датчика;

4) исследовать физическую реализуемость вариантов ИС;

5) разработать базовую структуру и практически реализовать двухканальную ИИС для измерения температуры и давления;

6) провести лабораторные и промысловые испытания.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач и достижения намеченной цели использованы методы системного анализа и математического моделирования, использованы элементы теории метрических пространств и линейных операторов, а также элементы дифференциальных и интегральных исчислений теории электрических цепей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Развита теория преобразования и обработки в ИИС информационных сигналов, полученных в результате многомерных измерений физических параметров объекта за счет:

— использования алгебры линейных пространств;

— строгого обоснования достаточных условий получения результата измерения при различных способах получения информации;

— создания последовательности определения возможных технических решений для заданного способа получения измерительной информации.

2. Предложена последовательность определения вариантов ИС на основе различных схем включения датчика, заключающаяся в следующих этапах:

— моделирование функций преобразования датчика;

— выявление схем включения датчика;

— формирование измерительных каналов;

— исследование физической реализуемости.

3. Исследование группы из шести схем включения мостового и полумостового тензодатчика позволило выявить 15 физически реализуемых вариантов измерения давления и температуры одним датчиком и исключить из рассмотрения нереализуемые варианты.

Практическая значимость и реализация результатов.

Последовательность определения вариантов построения ИС может быть распространена на другие классы ИС.

Разработано устройство для измерения давления и температуры, включающее два измерительных канала (ИК) на основе различных схем включения датчика с последующей обработкой, защищенное Патентом РФ на изобретение № 2 149 993 [16].

Диссертационная работа является составной частью комплексных исследований по разработке ИИС для контроля холодных скважин и скважин с повышенной температурой, проводимых на кафедре АШ1У ГИТУ. Предложенная в работе методика была использована для создания алгоритмов функционирования скважинных ИИС. Достигнутые научные результаты нашли практическое применение в следующих технических приложениях:

1) система автоматизированного исследования и контроля параметров работы скважин и технологического оборудования (САИК), манометр-термометр для системы телемеханики «Мега», манометр-термометр для системы телекоммуникации по ЛЭП МТТ-1, стационарный манометр-термометр СМТ-2, которые внедрены и успешно используются на объединениях и предприятиях ОАО «АПК „Башнефть“, 000"Уренгойгазпром», ООО «Ямбурггазодобыча», АО «Татнефть» и др.;

2) варианты исполнения приборов САИК, СМТ-2 и МТТ-1 используются при проведении газогидродинамических исследований, гидропрослушивании скважин, исследовательских работ при бурении скважин и т. п.;

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 23 печатные работы, из которых 8 статей, 1 патент РФ на изобретение, 3 свидетельства об официальной регистрации программ.

Апробация работы.

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях:

— XVIII творческая конференция молодых ученых и специалистов АНК «Башнефть» (Уфа, 1997 г.);

— Международный научно-технический семинар «Проблемы нефтегазовой отрасли» (Уфа, УГНТУ, 1998 г.);

— Международная научно-техническая конференция, посвященная 50-летию УГНТУ «Проблемы нефтегазового комплекса России» (Уфа, УГНТУ, 1998 г.);

— 49 научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 1998);

— XI научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (Датчик-99)» (Москва, МГИЭМ, 1999 г.);

— XVIII творческая конференция молодых ученых и специалистов АНК «Башнефть» (Уфа, 1999 г.);

— LV научная сессия, посвященная Дню радио «Радиотехника, электроника и связь на рубеже тысячелетия» (Москва, РНТОРЭС им. А. С. Попова., 2000 г.);

— Международная научно-техническая конференция «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации („Измерения-2000“)», посвященная 50-летию кафедры «Информационно-измерительная техника» Пензенского Государственного университета (Пенза, ПГУ, 2000 г.).

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из перечня сокращений, введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 126 наименований и 3-х приложений. Общий объем работы составляет 172 страницы, в том числе 40 рисунков, 13 таблиц.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи, дана общая характеристика выполненной работы.

В первой главе проведен анализ известных методов и средств измерения давления и температуры для исследования скважин.

Установлено, что основная часть отечественных ИС является технически и морально устаревшейбольшинство разработанных в последние годы скважинных приборов находится на стадии промысловых испытаний и не всегда удовлетворяет предъявляемым к ним требованиям (низкая надежность, высокая стоимость) — использование разработок зарубежных фирм является экономически нецелесообразным (высокая стоимость аппаратуры и обслуживания).

Подробно проанализированы ИС на основе тензорезистивного метода. Предложен ряд технических решений (патентов РФ) измерительных систем (в том числе с участием автора) на основе различных схем включения мостового и полумостового тензорезистивных датчиков, позволяющих исключить температурную погрешность и определить температуру с высокой точностью. Рост числа эвристических технических решений натолкнул на постановку научной задачи — определение всех физически реализуемых вариантов измерительных систем на основе различных схем включения датчика. Попытка разработки методики определения возможных вариантов, о исходя из аксиом и основного уравнения измерении, не увенчалась успехом. В связи с этим возникла необходимость моделирования процесса измерения с использованием алгебры линейных пространств.

Вторая глава посвящена моделированию процесса измерения с использованием алгебры линейных пространств.

В абстрактной форме измерение можно определить как установление отношения между двумя объектами Х}и Х^, которое можно записать в инфиксной форме X^RX^.

Объектами этого отношения могут быть элементы одного и того же множества или множества с заданной алгебраической структурой. Свойства одного из объектов являются измеряемыми (исследуемыми), а свойства другого — известными (заданными). Второй из объектов может быть эмпирическим (мера) или математическим (множество вещественных чисел).

Введение

структуры линейного метрического пространства приводит к классическому определению измерений как установление отношения эквивалентности двух элементов множества (векторов линейного пространства) в виде фундаментального уравнения измерений Xj = CDCQ.

Числовое значение величины вводится косвенно как числовое поле Р, образующее линейное пространство.

Установление отношения эквивалентности (равенства) осуществляется непосредственно между измеряемой величиной и мерой, между результатами их преобразования, а также между функционалами от них.

С позиции теории шкал измерение рассматривается как изоморфное отображение эмпирической системы с отношениями в числовую систему с отношениями Г'.А—^В, г{а) — Ь, где, А — {а, а ,.}- множество элементов эмпирической системыВ = {Z^Z^v-«} «множество элементов числовой системы. Отображение одного линейного пространства в другое описывается линейным оператором (функционалом). Если потребовать, чтобы г (0) = О и r (aQ) = 1, где ао~ единичный элемент, получается, что единственным оператором, отображающим одно линейное пространство в другое с одинаковыми определяющими операциями, является тождественный оператор Г =1. Тогда, уравнение измерений запишется как.

Таким образом, числовое значение метрической величины вводится непосредственно в виде тождественного отображения элементов эмпирического линейного пространства в элементы числового линейного пространства. Декомпозиция тождественного оператора, по сути, является связующим звеном между теорией шкал и прикладной теорией измерений. Первая декомпозиция должна быть минимальной и представлена в виде.

I = > гДе ' «опеРатоРы' описывающие процесс получения и обработки информации соответственно.

Очевидно, что операторы должны быть взаимно обратными R = i?" 1.

Это соотношение имеет весьма важное значение и является достаточным условием физической реализуемости (принципиальной возможности получения результата измерения путем обработки при данном способе получения информации) в операторной форме.

В случае косвенных измерений необходима дополнительная декомпозиция оператора получения информации R^ = R^R^ ¦

Для дальнейшей конкретизации модели измерения необходима параметризация оператора R^ получения информации в виде:

Параметры щ определяют отображение с минимально возможным числом параметров. Если параметры щ известны частично (например, диапазон и скорость изменения), в результате отображения получается зависимая информация об п+1 параметрах. А определение измеряемой величины сводится к многомерным измерениям.

I.A-+B.

Таким образом, задача определения вариантов заключается в поиске способов получения информации и формировании измерительных каналов, удовлетворяющих условиям физической реализуемости. В работе анализируется один из способов получения информации — вариация параметров аг-. На практике вариация параметров реализуется изменением схемы включения датчика.

Третья глава посвящена практическому определению вариантов ИС на основе изменения схемы включения тензорезистивного датчика.

Предлагается следующая методика определения вариантов класса измерительных систем.

1. Моделирование основных характеристик датчика:

— экспериментальное исследование зависимости между информативными параметрами датчика и параметрами, характеризующими объект исследования;

— выбор вида функций для моделирования выше названных зависимостей и их определение.

2. Исследование схем включения датчика:

— определение возможных схем включения датчика;

3. Формирование измерительных каналов ИИС:

— определение структуры автономных и дистанционных ИИС для исследования скважин;

— моделирование канала связи;

— моделирование измерительного канала ИИС;

— определение способов и условий достижения инвариантности к влиянию параметров КС.

4. Исследование условий физической реализуемости параметров объекта исследования.

Отличительной особенностью методики является исследование схем включения датчика и формирование ИК, удовлетворяющих условиям физической реализуемости, что позволяет выявить все варианты физически реализуемых ИС. В соответствии с этой методикой определены шесть основных схем включения мостового и полумостового тензорезистивных датчиков. Все схемы включения моделируются полиномом второго порядка.

На основе шести схем включения тензорезистивного датчика сформированы 15 вариантов ИС. Исследование условий физической реализуемости (якобиана системы функциональных уравнений) показало, что 13 из 15 комбинаций двух ИК удовлетворяют условиям физической реализации и могут быть использованы на практике.

Разработана базовая структура двухканальной ИС для измерения температуры и давления, использующая модульный принцип построения и предназначенная для автономных и дистанционных измерений.

В этой же главе рассмотрены структуры дистанционных и автономных ИИС с пространственным и временным разделением каналов.

В четвертой главе приведено описание ИИС для исследования нефтяных скважин, разработанной при непосредственном участии автора, предназначенной для исследования и контроля параметров работы скважин и технологического оборудования, которая предусматривает полную автоматизацию от диспетчерского пульта нефтепромысла до скважины с применением радиолиний связи.

ИИС состоит из глубинного прибора, спускаемого в затрубное пространство скважины, блока сопряжения с системой телемеханики и телеметрического комплекса «Мега».

В этом же разделе приведены материалы лабораторных и промысловых испытаний, которые подтвердили правильность заложенных научных и технических решений.

Результаты исследований нашли практическое применение при создании ИИС, разработанных в соответствии с договорами, заключенными в 19 972 001 г. г. с предприятиями ОАО «АНК «Башнефть», ООО «Уренгойгазпром», ООО «Ямбурггаздобыча», АО «Татнефть» и др. хозрасчетной научно-исследовательской лабораторией «ИИС» кафедры АПП УГНТУ.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

1. Разработана при непосредственном участии автора ИИС, предназначенная для автоматизированного исследования и контроля параметров работы скважин и технологического оборудования, предусматривающая полную автоматизацию до скважины с применением радиолиний связи. Опытный вариант ИИС внедрен в ОАО «АНК «Башнефть» и успешно эксплуатируется в настоящее время.

2. В схеме ИИС использованы отдельные узлы и элементы схемных решений, ранее примененные в стационарном манометре-термометре СМТ-2 и скважинном манометре-термометре для системы телекоммуникаций по ЛЭП МТТ-1, также разработанных при непосредственном участии автора и в данный момент успешно эксплуатируемых на предприятиях ОАО «АНК"Башнефть», ООО «Уренгойгазпром», ООО «Ямбурггазодобыча», АО «Татнефть», и др.

3. Разработан и реализован при непосредственном участии автора программно-технический комплекс, предназначенный для организации обмена данными с системой телемеханики «Мега».

4. Эффективность и прикладное значение теоретических положений, сформулированных и развитых в предыдущих разделах работы, подтверждаются испытаниями и внедрением промышленной партии ИИС на промыслах предприятий ОАО «АНК «Башнефть», ООО «Уренгойгазпром», ООО «Ямбурггаздобыча», АО «Татнефть», и др.

5. Как показали лабораторные и промысловые испытания, а также опытная эксплуатация, ИИС имеет высокую надежность. Она устойчива к основным влияющим факторам (окружающая температура, напряжение в промысловых сетях и наводки от силовых кабелей) и обеспечивает высокие метрологические характеристики (основная приведенная погрешность по давлению и температуре не превышает 0,25%).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные выводы.

1. Анализ существующих на производстве средств измерения скважинных параметров позволил установить: а) основная часть отечественных измерительных систем является морально устаревшей (устаревшая элементная база, отсутствие возможности автоматизированного сбора и обработки информации) — б) большинство разработанных в последние годы скважинных средств измерения предназначено для определения, как правило, одного параметра, а для измерения нескольких параметров необходимо спускать в затрубное пространство скважины соответствующее количество датчиков, что при ограниченном пространстве не выполнимо или связано с большими материальными затратами.

2. Развита теория преобразования и обработки в ИИС информационных сигналов, полученных в результате многомерных измерений физических параметров объекта за счет:

— использования алгебры линейных пространств;

— строгого обоснования достаточных условий получения результата измерения при различных способах получения информации;

— создания последовательности определения возможных технических решений для заданного способа получения измерительной информации.

Предложено формальное описание измерений в теоретико-множественных терминах. Определены алгебраические признаки методов сравнения и прямого преобразования. Показано, что при методах прямого преобразования оператор отображения является тождественным, и он не зависит от параметров измерительной системы.

3. Предложена последовательность определения вариантов класса измерительных систем, заключающаяся в следующих этапах:

— моделирование основных характеристик датчика;

— исследование схем включения;

— формирование измерительных каналов;

— исследование физической реализуемости.

С использованием метода наименьших квадратов получены модели характеристик датчика в виде полинома второго порядка с погрешностью аппроксимации не более 0,03%.

4. Исследование схем включения мостового и полумостового тензорезистивных датчиков путем моделирования полиномом второго порядка, позволило сформировать 15 вариантов двухканальных измерительных систем, а исследование условий физической реализуемости показало, что два из них этому условию не удовлетворяют. Рассмотренные варианты соответствуют двухпроводной схеме включения датчика. Исследования трехи четырехпроводной схем включения датчика могут быть выполнены по предложенной методике.

5. Разработана базовая структура двухканальной ИИС для измерения двух параметров, на основе которой предложено устройство для измерения давления и температуры, на основе различных схем включения датчика с последующей обработкой, защищенное Патентом РФ на изобретение № 2 149 993.

6. Разработана ИИС с основной приведенной погрешностью измерения давления и температуры не более 0,25%, предназначенная для автоматизированного исследования и контроля параметров работы скважин, предусматривающая полную автоматизацию от диспетчерского пульта нефтепромысла до скважины с применением радиолиний связи. Опытный вариант ИИС внедрен в ОАО «АНК «Башнефть» и успешно эксплуатируется.