*112923*

Доповідь/Технічні науки – Автоматизовані системи управління на виробництві

УДК 681.51.622.276.66

М.М. Дранчук , С.А. Кузимків , В.В. Григораш , Т.О. Бербець

УДОСКОНАЛЕНА СИСТЕМА АВТОМАТИЗОВАНОГО КОНТРОЛЮ ТА КЕРУВАННЯ ПРОЦЕСОМ ГІДРАВЛІЧНОГО РОЗРИВУ ПЛАСТА

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Аналізується система автоматизованого контролю технологічних показників процесу гідравлічного розриву пласта (ГРП). Дослідження вказують на те,  що існуючі у практиці способи і засоби контролю мають ряд  недоліків, серед яких головним є неможливість отримання параметрів проведення ГРП безпосередньо з вибою свердловини в режимі реального часу. Таким чином, проблема оперативного контролю за технологічними показниками процесу ГРП, такими як вибійний тиск, температура на вибої свердловини, залишається важливою і потребує застосування нових засобів контролю. Ще більшої уваги потребує автоматична система регулювання густини пропантової суміші на етапі приготування її та проведення гідророзриву. Запропоновано застосування існуючої свердловинної телеметричної системи для отримання в режимі реального часу зміни вибійного тиску, та існуючого експрес-методу і приладу РИКП-01 для визначення концентрації пропанту у робочій суміші. Установлені зв’язки між зміною вибійного тиску і залежної від нього вибійної температури та густини робочої суміші в режимі реального часу. Здійснено синтез та аналіз каскадної автоматичної системи регулювання (АСР) густини робочої суміші з корекцією її по вибійній температурі через залежність температури від вибійного тиску.

Ключові слова: гідророзрив, вибійний тиск, густина робочої суміші, пропант, контроль, регулювання, каскадна АСР.

Анализируется система автоматизированного контроля технологических показателей процесса гидравлического разрыва пласта (ГРП). Исследования указывают на то, что существующие в практике способы и средства контроля имеют ряд недостатков, среди которых главным является невозможность получения параметров ГРП непосредственно из забоя скважины в режиме реального времени. Таким образом, проблема автоматизированного процесса оперативного контроля технологических показателей процесса ГРП, таких как давление и температура на забое скважины, остается важной и требует применения новых средств контроля. Еще большего внимания требует система оперативного регулирования плотности проппантовой смеси на этапе подготовки смеси для проведения гидроразрыва. Предложено применение существующей скважинной телеметрической системы для получения в режиме реального времени изменения забойного давления.  и существующего экспресс-метода и прибора РИКП-01 для определения концентрации проппанта в рабочей смеси. Установлены связи между изменением забойного давления и зависимой от него забойной температуры и плотности рабочей смеси в режиме реального времени. Проведен синтез и анализ каскадной автоматической системы регулирования (АСР) плотности рабочей смеси с коррекцией ее по температуре на забое через зависимость температуры от забойного давления, которая реализована на существующих технических средствах автоматизации.

Ключевые слова: гидроразрыв, давление на забое, плотность рабочей смеси, проппант, контроль, регулирование, каскадная АСР.

The system of automated control of technological parameters of the process of hydraulic fracturing (HF). Studies indicate that current practice in the ways and means of control have a number of significant disadvantages, among which the principal is unable to obtain fracture parameters directly from the borehole in real time. Thus, the problem of automated operational control over the process of technological process parameters HF, such as pressure and temperature at the bottom hole, it remains an important and requires the use of new means of control. Even greater attention should be given a system of operational control of the density proppant mixture during the preparation of mixtures for fracturing as one of the most important components of a successful process of preparation and carrying out the process of hydraulic fracturing. Proposed use of existing borehole telemetry system for real-time downhole pressure changes. Proposed use of existing rapid method and apparatus for determining the concentration of proppant in the working mixture. The relationship between the change in bottomhole pressure and dependent on a bottom-hole temperature and density of the working mixture in real time. The synthesis and analysis of cascade automatic control system (ASR) of the density of the working mixture and its temperature correction to the slaughter through the temperature dependence of the pressure on bottom.

Keywords: hydraulic, pressure on bottom, the density of working fluid, proppant, control, regulation, cascade billing.

У світовій практиці нафтогазовидобутку гідравлічний розрив пласта (ГРП) займає чільне місце серед методів інтенсифікації припливу нафти і газу до свердловин та збільшення їх видобутих об’ємів.

Сутність ГРП полягає у створенні і розвитку тріщин у продуктивному пласті шляхом нагнітання в свердловину рідини при високому тиску з подальшим закріпленням цих тріщин за допомогою закріплювачів . Створення нових тріщин чи розкриття існуючих можливе, якщо тиск у пласті під час нагнітання рідини з поверхні стає більшим від гірничого тиску.

При утворенні тріщини, що відповідає проектній, в неї для закріплення закачують розклинюючий матеріал – пропант. Ця стадія проходить при максимальних тисках і продуктивності для забезпечення максимального розкриття та закріплення утворених тріщин.

Всі параметри ГРП - тиск на насосних агрегатах, миттєві і накопичені витрати рідини і закріплючого матеріалу, тиск в затрубному просторі, сумарна витрата рідини, густина суміші виводяться на станцію контролю та управління процесом ЕС-22А СД і реєструються в пам'яті комп'ютерів. Програма дозволяє оперативно вносити корективи в процес управління ГРП.

Успішність і ефективність процесу ГРП залежить від правильної інтерпритації його перебігу і швидкого прийняття правильних рішень при зміні параметрів процесу.

У зв’язку з цим актуальною є задача удосконалення процесу контролю та керування процесом ГРП шляхом використання існуючих та розробки нових методів та засобів контролю і регулювання підготовки та проведення цього процесу, вирішення якої направлене у розвиток попередніх досліджень [2].

Мета роботи полягає в  удосконаленні методів та створенні системи контролю і регулювання технологічних параметрів процесу підготовки та проведення ГРП. Досягнення поставленої мети забезпечується шляхом розв’язання взаємозв’язаних задач: модернізації методу визначення вибійної температури при проведенні ГРП шляхом  застосування свердловинної телеметричної системи для вимірювання вибійного тиску,  вдосконаленням методу визначення концентрації пропанту у рідині гідророзриву із з застосуванням приладу  РИКП-01; розробки  каскадної автоматичної системи регулювання (АСР) густини робочої суміші з корекцією  її по вибійній температурі через залежність температури від вибійного тиску. Методи дослідження: аналіз зарубіжного і вітчизняного досвіду, систематизація методів і систем автоматизації процесу оперативного контролю технологічних показників процесу ГРП  на вибої , вимірювання концентрації пропанту у робочих рідинах і регулювання густини пропантової суміші  гідравлічного розриву, визначення залежності густини пропантової суміші від температури і тиску на вибої, імітаційне моделювання каскадної системи регулювання концентрації пропанту в технологічному розчині.

Найважливішим фактором успішності процедури ГРП є якість рідини розриву і пропанту, для закріплення тріщин у розкритому стані. Аналіз результатів застосування ГРП на різних родовищах показав, що кількість вдало проведених операцій гідравлічного розриву складає 80%. В решті випадків причиною не підвищення, а іноді і зниження дебіту свердловини є неякісне формування «клину» тріщини, зумовлене малим або великим вмістом пропанту у робочій рідині. При малому вмісті пропанта є можливість того, що тріщина повністю не заповниться, а при великому - з'являється можливість утворення піщаної пробки. Якісно сформований клин визначає успіх всієї вартісної операції[3].

Великий вплив на процес гідророзриву пласта має вибійна температура. Відомі рецептури технологічних рідин термонестабільні, при підвищених температурах більше 70º С у них різко знижують густина і  в’язкість, в наслідок чого розклинюючий матеріал нерівномірно подається і  розподіляється по стволу свердловини, а значить і по довжині утвореної тріщини.

Найефективнішим вирішенням цієї проблеми є отримання інформації про зміни температури безпосередньо з вибою свердловини вибійними давачами, що на даний час є дуже проблематичним. Але відомо, що вибійна температура процесу ГРП залежить від вибійного тиску, а зміна температури рідини гідророзриву, в свою чергу, впливає на її густину.

Тому важливе значення має процес контролю і регулювання густини пропантової суміші при закачуванні її у свердловину, шляхом регулювання концентрації в ній пропанту в режимі реального часу. Відомі способи вимірювання концентрації пропанту у робочих рідинах фірм Halliburton (США)   Stewart & Stevenson  [3]  мають ряд  спільних недоліків, а саме: відсутність контролю поточних значень густини рідини, яка постійно змінюється, на вході в агрегат для приготування суміші (АПС) до змішування з пропантом і  недостатня швидкодія (декілька хвилин) системи регулювання без врахування температури вибою. Це призводить до значних похибок вимірювання густини.

Тому, під час використання вказаної техніки «Stewart & Stevenson» в Україні для проведення ПГРП часто траплялись випадки, коли, не маючи можливості оцінити поточні вибійні параметрів у свердловині під час проведення процесу внесення оперативних змін у технологію ведення процесу було неможливим, що призводило до аварійних ситуацій та передчасних зупинок процесу.

Для вирішення цих проблем пропонується удосконалити систему контролю і управління проведенням ГРП за допомогою введення системи регулювання густиною робочої суміші через концентрацію в ній пропанту з використанням вимірювального комплексу  РИКП-01 з корекцією по вибійній температурі.

Для вимірювання пластового тиску в режимі реального часу в АСР густини використана свердловинна телеметрична система [4], з гідравлічним каналом передачі даних високої швидкодії.

Показники вибійного тиску у реальному часі за допомогою системи телеметрії  передаються на комп’ютер станції керування процесом, де за допомогою встановлених залежностей густини від температури і температури від тиску вираховується густина робочої суміші на вибої в масштабі реального часу.

Густина робочої суміші під час подачі рідини у свердловину регулюється концентрацією пропанту у цій суміші і вираховується за формулою [4]:

                                                                                                (1)

         де ρc - густина суміші;

         ρp– густина рідини;

         n– кількість пропанту;

         ρn – густина пропанту (для піску – 2650 кг/м3).         

      Для удосконалення даного процесу пропонується використати радіоізотопний метод експресного визначення концентрації пропанту в робочих сумішах за допомогою вимірювальний комплекс РИКП-01, який реалізує розроблений метод (рис.1)[3], та забезпечує похибку визначення концентрації пропанту в межах  ±3,5%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 1. -  Структурна схема комплексу РИКП-01

 

На вході в агрегат (рис.1) для приготування суміші установлені давачі густини ρ1 і об’ємного розходу робочої рідини R1. На виході з агрегату приготування суміші знаходиться давач густини ρ2, який вимірює середню густину суміші, що поступає у свердловину. Сигнали від давачів поступають в концентратор і на персональний комп’ютер. Програмне забезпечення забезпечує обрахунок густини робочої суміші і робочої рідини, обчислення масової долі і концентрації пропанту у робочій суміші, обрахування об’єму суміші і маси пропанту, закачаних у свердловину.

Концентрацію пропанту можна представити через мінералогічну та насипну густини пропанту, густини робочої рідини і робочої суміші, а також коефіцієнт збільшення об’єму за рахунок прояву газового фактора [3].

                                                                                                                             (2)

де ρn - мінералогічна густина пропанту,

ρнас - насипна густина пропанту;

ρр - поточне значення густини робочої рідини на вході в агрегат для приготування суміші;

ρс - поточне значення густини порції робочої суміші;

Θ – коефіцієнт збільшення об’єму при змішуванні робочої рідини з пропантом і хімреагентами, який визначають за попередньо експериментально встановленою залежністю об’ємної концентрації пропанту від густини суміші для конкретного типу рідини.

Залежність температури від тиску визначають за формулою [5]:

                                                 (3)

де Т- температура;

Р – тиск;

          χ– стискуватість;

 β- коефіцієнт об’ємного розширення.

Залежність густини рідини від температури визначають за формулою[5]:

                                  (4)

де ρр - густина рідини,

Т – температура.

Отже можна встановити наступну залежність густини рідини від тиску:

                                    (5)

Визначаємо залежність густини суміші від тиску, враховуючи (1):

                                 (6)

Функціональна структура проектованої каскадної АСР, показана на рис.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 2. - Функціональна структура каскадної АСР

Каскадна АСР реалізована на наступних технічних засобах автоматизації:

КО - це процес приготування технологічного розчину розриву пласта в системі «змішувач» (блендер) – вибій свердловини.

Технічні характеристики змішувача, моделі МС-60: витрата рідини - 7,9 мЗ/хв .; максимальний тиск на виході - 5,3 атм.; максимальна густина на виході - 2,4 кг піску на 1 літр; максимальна витрата сухих хімічних речовин - 0,074 м З/хв .; максимальна витрата рідких хімічних речовин - 57 л/хв .; максимальна подача розклинюючого агента - 7260 кг/хв.

         Вимірювальний комплекс РИКП-01. Технічні характеристики:

-  похибка вимірювання радіоізотопними датчиками густини ±20 кг/м3 в діапазоні температур від –45°С до +45°С при опосередкованому часі 15с.

         СТС – свердловинна система телеметрії. В комплект входять:

-  генератор імпульсів тиску;

-  давач тиску;

-  блок збору даних;

-  блок декодування даних;

-  пристрій для модулювання імпульсів тиску;

-  система давачів і пристрій кодування даних;

         П-, ПД-регулятори синтезовані на базі мікропроцесорних контролерів МИК-52. Технічні характеристики:

-  об'єм пам'яті: ПЗП - 256 кбайт, ОЗУ - 8 кбайт;

-         поточний час (таймери, програмні задавачі і т.д.), постійні часу, інтервали від 0 до 9999 с, від 0 до 9999 год, таймер реального часу з батареєю резервного живлення;

-  час циклу: не більше 0.1;

-  кількість алгоблоков - до 99;

-  похибка перетворення: АЦП: ± 0.2%; ЦАП: ± 0.2%;

-  трирівнева (по входу, виходу і живленню) гальванічна розв’язка;

-  збереження інформації при відключенні живлення впродовж 10 років;

-  канал інтерфейсного зв'язку RS-485;

-  швидкість обміну - до 921 Кбіт / с;

-  температура навколишнього середовища: від від -40 ° С до +70 ° С;

-  напруга живлення: від мережі змінного струму ~ 220 (+22, -33) В, (50 ± 1) Гц;

-  споживана потужність: не більше 13 ВА;

-  маса блоку: не більше 1,0 кг.

Динамічні характеристики керованого об’єкта по каналах «кількість пропанту – густина робочої суміші» (Fп - с) і «вибійна температура – густина робочої суміші» (Tв - с ) визначені на основі пасивного експерименту.

Ідентифікація об’єкта здійснена за допомогою регресійного аналізу з використанням методом найменших квадратів.

Передавальні функції за вище згаданими каналами наступні:

                                          (7)

                                                                              (8)

         За відомими передавальними функціями основного(7) і допоміжного(8) каналів моделюємо каскадну АСР, використовуючи програмний продукт MATLAB Simulink. Параметри налаштування визначені методом параметричної оптимізації.

Імітаційна модель розробленої каскадної АСР в Simulink приведена на рис.3, графік перехідного процесу – на рис.4.

Рисунок 3. - Імітаційна модель  каскадної АСР

 

РРисунок 4. - Перехідна характеристика АСР

 

Процес регулювання густини робочої суміші при використанні каскадної АСР відбувається за наступним алгоритмом.

1.        На станції керування вводяться попередньо теоретично розраховані дані для проведення  ГРП, зокрема, показники вибійного тиску, густини робочої суміші при змішуванні, її витрата і об’єм, концентрація пропанту.

2.        Теоретичні значення густини і концентрації пропанту передаються на блок керування змішувачем.

3.        Проводиться експресне визначення концентрації пропанту в робочій суміші в заданих проміжках часу за допомогою вимірювального комплексу РИКП-01.

4.        На комп’ютер станції керування подається величина густини, що отримана від давачів вимірювального комплексу РИКП-01,порівнюється з розрахунковою GЗ, аналізується величина зміни густини по відношенню до розрахункової  і приймається рішення про зміну густини робочої суміші через концентрацію пропанту у ній.

5.        П-регулятор основного контуру системи подає сигнал про зміну густини робочої суміші через зміну концентрації пропанту у змішувачі.

6.        Одночасно від телеметричної системи на станцію керування подається сигнал зміни тиску на вибої РВ, який обробляється згідно вищевказаних залежностей (3)-(6), визначається густина робочої суміші на вибої ρВ, яка порівнюється з заданою густиною робочої суміші ρз і приймається рішення про корекцію густини через концентрацію пропанту в ній.

7.        ПД-регулятор допоміжного контуру системи подає сигнал про зміну густини робочої суміші. Сигнал поступає в блок керування змішувачем КО. Відбувається корегування процесу змішування.

8.        Регулювання здійснюється в режимі реального часу на протязі процесу подачі робочої суміші у свердловину.

Ефективність каскадної АСР підтверджуються наступними показниками якості:

-  перерегулювання – відсутнє;

- час регулювання – 250с ;

-  динамічна похибка – відсутня

- статична похибка - 0.17

Висновок. При проведенні ГРП необхідний систематичний контроль за провадженням ГРП, адже успішність і ефективність процесу ГРП залежить від правильної інтерпретації його перебігу і швидкого прийняття правильних рішень при зміні параметрів процесу.

Для удосконалення процесу контролю за проведення ГРП зроблено наступне:

-     запропоновано спосіб визначення у масштабі реального часу проведення ГРП вибійного тиску шляхом  застосування свердловинної телеметричної системи, що дозволяє оперативно розраховувати реальну густину пропантової суміші при зміні вибійної температури ;

-     запропоновано для удосконалення процесу контролю за приготуванням робочої суміші з пропантом використати метод експресного визначення концентрації пропанту в робочих сумішах за допомогою вимірювального комплексу РИКП-01, використання якого в  АСР дозволяє мінімізувати похибку визначення концентрації пропанту у робочих сумішах при ГРП і більш оперативно і ефективно коригувати процес приготування пропантової суміші;

-     розроблено каскадну систему регулювання густини робочої суміші з корекцію по вибійній температурі.

В подальших дослідженнях планується розробка адаптивної АСР густини технологічного розчину для ГРП.

Література

1.  Григораш В.В. Методи і засоби контролю за підготовкою та проведенням потужного гідророзриву пласта; Автореферат / В.В. Григораш – м. Івано-Франківськ,     2008. -20с.

2.  Григораш В.В. Стан  та проблеми контролю за підготовкою та проведенням потужного гідророзриву пласта / В.В. Григораш,   Ю.Д. Качмар, М.М. Дранчук, І.С. Кісіль, Р.Т. Боднар // Методи та прилади контролю якості. – 2007.- №18.- С.85-89.

3.  Нургалиев О.Т. Метод и аппаратура для экспрессного определения концентрации проппанта в смесях при гидроразрыве нефтегазосодержащих пластов: автореф.дис.канд.техн.наук/ О.Т. Нургалиев. -  Томск, 2005. – 20с.

4.  Пат.2382197 Российская Федерация, МПК Е21В43/268. Скважинная телеметрическая система/  Сегал А.Ю.; заявитель и патентообладатель: Технологическая компания Шлюмберже. - №2008112566/03; заявл.03.06.07; опубл.24.05.08.-9 с.:ил.

5.  Fundamentals of engineering Supplied-Reference Handbook / [Prepared by National Council of Examiners for Engineering and Surveying]. - Fifth edition., - 2001. – 176 p.