CC BY
155
ственного гуманитарно-педагогического университета им. Н.Г. Чернышевского. Серия «Физика, математика, техника, технология». Чита, 2010. №2 (31).
6. Есипова Э.Ю. Разработка математического, программного и ин-формационного обеспечения для автоматизированной системы управления геолого-техническими мероприятиями: автореферат дис. ... канд. техн. наук. М., 1996. 20 с.
7. Расчет прогнозных дебитов непрерывно работающих газодобывающих скважин / В.А. Толпаев, К.С. Ахмедов, A.B. Колесников // Нефтепромысловое дело. 2010. №10. С. 43-^48,
8. Мирзаджанзаде А.Х., Шахвердиев А.Х. Динамические процессы в нефтегазодобыче. Системный анализ, диагноз, прогноз. М.: Наука, 1997. 254 с.
9. Гасумов P.A., Шихалиева И.И. Особенности эксплуатации скважин на поздней стадии разработки газовых месторождений // НТЖ «Наука и техника в газовой промышленности». 2015. № 2. С. 67-72.
10. Гасумов P.A., Шихалиева И.И. Исследование параметров потока газожидкостной смеси для определения давления насыщения и условий удаления воды // НТЖ «Нефтепромысловое дело». 2015. №7. С. 45-49.
11. Гасумов P.A., Шихалиева И.И. Определение выносящей способности твердых пенообразователей // НТЖ «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море». 2015. № 6. С. 20-23.
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
НАУКА. ИННОВАЦИИ. ТЕХНОЛОГИИ, №4, 2016
УДК 550.8.07 Керимов А-Г.Г. [Kerimov A-G. G.], Зенин Д.И. [Zenin D.I.], Керимова Е.Г. [Kerimova E.G.], Теленько Д.С. [Telenko D.S.]
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СКВАЖИНА» ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНОГО ХРАНИЛИЩА ГАЗА
Application of technology "intelligent well" for orepation monitoring of underground gas storage
В работе рассматривается метод осуществления качественного контроля работы подземного хранилища газа (ПХГ) - метод для изучения динамических процессов в периоды закачки и отбора газа в масштабе реального времени. Технологии методов промысловой геофизики со временем усовершенствуются и прогрессируют за счет использования цифровых технологий и оптоволоконного кабеля. Технология «Интеллектуальная скважина» - это комплекс цифрового оборудования скважины, включающий в себя набор цифровых первичных преобразователей, располагающихся по стволу скважины, и наземную телеметрию для непрерывного автоматического сбора информации о скважине. В работе приводятся условия применения оптического волокна (ОВ), его основные преимущества. Рассматривается удобство использования ОВ для решения задач эксплуатационного мониторинга ПХГ в интеллектуальных скважинах. Приведена схема конструкции оптоволоконного кабеля, состав всей контрольно-измерительной системы и требования, которым она удовлетворяет.
The article reviews the method of quality control of the underground gas storage (UGS) operating - a method for examination of dynamic processes in periods of gas injection and extraction in real time. Techniques of field geophysics are perfecting with time and progressing through the usage of digital technologies and optical fiber cable. The technology called "Intelligent well" - is a set of digital borehole equipment, including a set of primary digital converters, that are located in the wellbore, and ground telemetry for continuous automatic collecting of information about the well. The paper presents the conditions of usage of the optical fiber (OF), its main advantages. The article considers the convenience of usage of optical fiber for solving the problems of UGS operational monitoring in intelligent wells. The item shows the design scheme of the optical fiber cable, the composition of the entire test and measurement system and the requirements it meets.
Ключевые слова: подземное хранилище газа (ПХГ), цифровые технологии, оптического волокно (ОВ), интеллектуальная скважина, эксплуатационный мониторинг, оптоволоконный кабель, контрольно-измери-тельная система.
Key words: underground gas storage (UGS), digital technologies, optical fiber (OF), intelligent well, operational monitoring, optical fiber cable, test and measurement system.
Введение
В отличие от газового месторождения подземное хранилище газа (ПХГ) эксплуатируется в циклическом режиме, оказывающее влияние на процессы, происходящие в резервуаре. Наиболее сложные процессы происходят в ПХГ при эксплуатации на упруговодонапорном режи-
ме, при котором в период закачки газа наблюдается вытеснение воды газом, а в период отбора газа - вытеснение газа водой [1]. Поэтому одной из основных задач безаварийной эксплуатации ПХГ является изучение динамических процессов в периоды закачки и отбора газа в масштабе реального времени. Чтобы из информации о работе эксплуатационного фонда скважин извлечь максимум полезной информации, с целью полноценного информативного мониторинга необходимо иметь не только достоверные и качественные данные, но и оперативные. В условиях подземного хранилища, когда условия хранения углеводородов изменяются очень и очень быстро, решение задач качественного мониторинга месторождения становится невероятно сложным и затратным процессом. Методы промысловой геофизики со временем не сильно изменяются, а вот технологии применения этих методов усовершенствуются, обновляются и прогрессируют в результате использования цифровых технологий и оптоволоконного кабеля.
Материалы и методы исследований
Рассмотрим одну из инновационных технологий на основе оптоволоконного кабеля под названием «Интеллектуальная скважина». Интеллектуальная скважина - это комплекс цифрового оборудования скважины, включающий в себя набор цифровых первичных преобразователей, располагающихся по стволу скважины, и наземную телеметрию для непрерывного автоматического сбора информации о скважине.
В комплекс интеллектуальная скважина можно включить и дистанционно работающие отдельные приборы, и оборудование, например, регулирующие клапаны, дистанционно управляемые задвижки и т.д., которые позволяют принять оперативные меры по оптимизации отбора или закачки газа в ПХГ.
В последние годы оптоволоконные технологии интенсивно внедряются в нефтяную и газовую отрасль. На основе оптоволокна (ОВ) разработаны многочисленные контрольно-измерительные системы, обладающие высокой точностью и стабильностью. Первичные преобразователи такие как, термодатчики, датчик давления, пьеза акустические преобразователи и т.д., в ОВ системах не подвержены влиянию магнитных и электрических полей, выполняются в антивандальном исполнении, стойки по отношению к вибрации и ударам. Главным преимуществом ОВ технологии является низкая потребляемая энергетическая мощность при измерениях, так как система работает только с источниками света, и возможность получения данных из любой точки ОВ [2].
Следует отметить, что в отечественной и мировой практике активно используются первичные преобразователи, изготовленные из ОВ, например, тепловой датчик. Характерной особенностью теплового датчика является возможность его распределения вдоль всей длины световедущей сердцевины, таким образом можно оценивать температуру в любой заданной точке, либо непрерывно вдоль всей протяженной линии ОВ. Используя такой распределенный датчик температуры и ОВ канал, передачу
информации из ствола скважины на поверхность можно передаваться в масштабе реального времени [3].
Результаты исследований и их обсуждение
Для решения задач эксплуатационного мониторинга ПХГ в интеллектуальных скважинах предлагается использовать ОВ систему, с распределенными по стволу скважины ОВ датчиками температуры и давления с высокой точностью. Наземная аппаратура обеспечит визуализацию данных термометрии и давления в реальном времени, и их математическую обработку для интерпретации и геолого-геофизических построений, карт изобар и изотерм [4].
По результатам замеров, выполненных с помощью ОВ распределенных датчиков температуры и давления по стволу скважины и по геологической структуре, можно контролировать динамику газоводяного контакта (ГВК) в различные циклы работы ПХГ. Конструкция ОВ кабеля схожа с каротажным кабелем, в котором вместо медных жил располагается оптическое волокно, упакованное в медной трубке (рис. 1).
Таким образом, на начальном этапе разработки технологии «интеллектуальная скважина» основным является создание технических средств, обеспечивающих дистанционное управление.
Для этих целей контрольно-измерительную систему дополняют элементами цифровой регистрации технологических параметров и информационно-управляющими устройствами. Помимо цифровой регистрации возникла необходимость в визуализации данных, их редактирован™ (масштабировании в физических единицах), документировании и преобразовании в требуемый формат для автомат из про ва н но го регулирования информационно-управляющими у стройствами в процессе эксплуатации скважин [5].
Необходимость в компьютеризации наземной системы сбора информации на ПХГ заключается в том, что для разработки автоматизированного процесса регулирования технологическими параметрами следует отказаться от производства и применения специализированных, отдельных пультов контроля, автоматизировать процесс настройки измерительных приборов, тем самым избавиться от субъективных ошибок оператора.
В информационно-измерительной системе (ИИС) контроля и регулирования технологическими процессами, низшими элементами иерархии служат первичные преобразователи (датчики), устанавливаемые на контрольно-измерительном модуле (КИМ) в наземной или скважинной части комплекса.
Процесс получения информации от первичного преобразователя определяется внутренним устройством КИМ, к которому он подключен. Взаимодействие между информационно-управляемым устройством (ИУУ) и ИИС производится с помощью физически реализованного интерфейса. Так как в ИИС интерфейс между рс г ист р и р\ ю щей ЭВМ и периферийными устройствами определены и стандартизированы, то стандартизированных! интерфейс необходимо создавать с ИУУ.
Верхняя броня
Нижняя броня
Изоляция
Медная труба
О
Оптовое волокно
Рис. 1.
Конструкция оптоволоконного кабеля.
Особенностью программно-управляемой системы автоматизированного процесса контроля и регулирования технологическими параметрами скважины является то, что она не только выполняет все функции, характерные для компьютеризированной системы контроля параметрами, но и непосредственно управляет различными процессами, например, положением задвижек и другими дистанционно управляемыми устройствами [6].
Данная система будет удовлетворять следующим требованиям: запуск и остановка сопряженных систем производится только по инициативе управляющей ЭВМ; каждая из сопряженных систем будет иметь внутренний буфер для выводных данных; система контроля отдельных элементов обвязки - автономная.
С учетом вышесказанного, система будет работать по алгоритму «запрос-ответ» в асинхронном режиме. При этом любой канал измерительной системы можно будет опросить по любому внешнему признаку - температуре, давлению и т.д. - с любым шагом в любой последовательности.
Использование аналоговой информации для дистанционного управления технологическими процессами требует использование аналоговых решающих систем, которые планируется реализовать в виде жестких схемных решений. Чаще встречаются смешанные аналого-цифровые методы управления технологическими объектами.
В настоящее время широкое распространение получили системы, основанные на цифровой обработке получаемой информации и управлении технологическими объектами методами цифровой техники.
Преимущество цифрового управления технологическими объектами заключается в его гибкости, которая обеспечивается использованием алгоритмов управления, основанных на математических моделях.
Изменение цифровой структуры управления не требует коренной перестройки физической структуры системы управления, а производится изменением алгоритмов и прикладных программных средств. Такие системы по сравнению с аналоговыми системами обладают большей от-
крытостью и позволяют довольно просто дополнять эти системы новыми датчиками и исполняемыми устройствами.
Основываясь на вышесказанном, заключаем, что разработку программно-управляемой информационно-измерительной системы контроля и регулирования ПХГ следует начинать с измерительной системы.
Для получения информации о состоянии автоматизированной системы контроля и управления предполагается использовать стандартные методы измерений физических и динамических характеристик газовых агентов, а также их смесей. Исходя из этого в состав измерительно-управляющего комплекса войдут следующие виды датчиков:
— датчики температуры;
— датчики давления;
— ультразвуковые датчики определения «зеркала» жидкости в скважине;
— датчики расхода газа в наземной обвязке скважины;
— датчики состояния задвижек.
Датчики температуры предназначены для измерения температуры в различных точках автоматизированной системы. Существующие системы датчиков температуры могут иметь аналоговый токовый выход и цифровой выход. Для приема информации от датчиков имеющих токовый выход необходимо использование аналого-цифрового преобразователя и системы передачи данных. Датчики, снабженные цифровым выходом не требуют использования аналого-цифрового преобразователя, но применение того или иного типа датчика будет определяться конкретными техническими требованиями к системе автоматизированного управления (требование взрывобезопасности и климатическое исполнение)
Датчики давления и датчики уровня имеют параметры, аналогичные датчикам температуры, использование того или иного типа датчиков определяется так же техническими требованиями к системе автоматизированного управления.
Как отмечалось выше, назначение измерительного модуля в обвязке скважины - это предварительное преобразование информативных газодинамических параметров моно- и многофазного потоков в электрический сигнал. Исходя из этого, было определено, что на главном звене измерительного модуля будет располагаться разнофункциональные первичные преобразователи физических величин в электрический сигнал.
Методы измерения параметров должны включать электрические, акустические, электромагнитные и термические преобразователи физических величин. Однако, в процессе отбора первичных преобразователей по техническим характеристикам, безопасности работы с ними и функциональным возможностям, а также для получения определенной точности измерения некоторые из них были исключены.
Таким образом, в разрабатываемом контрольно-измерительном комплексе, помимо классических средств измерения, таких как, давле-
ние, температура и расход предполагается использовать и акустические первичные преобразователи для измерения динамических свойств газового потока. Исключенными методами измерений стали радиоактивный и электромагнитный, в силу своей низкой безопасности и помехоустойчивости [7].
Одним из направлений повышения эффективности эксплуатации ПХГ является интеллектуализация. Понятие «интеллектуализация» ПХГ можно описать по-другому: например, оптимизация эксплуатации ПХГ по алгоритмам эффективного формирования искусственной газовой залежи, основанной на постоянном геолого-геофизическом контроле, включенном в автоматизированную систему управления.
Сегодня уже есть достаточно предпосылок для того, чтобы активно применять технологию «интеллектуализация» на объектах ПХГ в нашей стране. У данной технологии много очевидных плюсов. Например, очень высокий уровень автоматизации и информатизации наземного комплекса ПХГ. Индивидуальные сепараторы, датчики расхода, давления, температуры и механических примесей для каждой скважины; управляемые штуцера и задвижки - это все реалии сегодняшнего дня [8].
Что касается скважин, то здесь в интеллектуализации (к сожалению, не в системе ПХГ России) тоже имеется ряд положительных и очень перспективных разработок. Системы датчиков температуры, расхода и давления устанавливаются в компоновке НКТ в призабойной зоне скважин, и информация от этих датчиков передается на устье. Существуют разработанные, в том числе и в России, телеметрические системы на основе сенсорных сетей для регистрации устьевых параметров скважин на подземном хранилище газа, автоматизированная система сбора и обработки информации о параметрах технологического процесса скважин ПХГ. Передача информации от устья скважины на сервер или в диспетчерский пункт, или на рабочее место геолога - эта технология также не вызывает определенных трудностей. Если скважины расположены на одной площадке, то информация вообще передается по кабельной линии связи. Если нет, то, например, на Краснодарском ПХГ реализована система сбора и передачи информации от устья скважины на пункт диспетчера по радиоканалу через маломощные передатчики с использованием промежуточных станций.
Сейчас по многим ПХГ уже созданы математические геологические модели, и моделируются флюидодинамические процессы, которые открывают большие возможности для моделирования различных вариантов эксплуатации искусственной газовой залежи и могут быть использованы в автоматической системе управления. Но вот здесь как раз и кроется основная проблема, которая препятствует созданию интеллектуальных ПХГ. Это связано с тем, что наши знания о флюидодинамических процессах, происходящих в недрах при эксплуатации ПХГ, недостаточны, и эти процессы недостаточно изучены для того, чтобы создавать математические модели, корректно описывающие поведение искусственной газовой залежи в режиме реального времени.
Как в случае использования ПХГ для сглаживания пиков спроса на газ, так и в случае применения ПХГ для хранения газа, необходимость автоматизации процесса делает привлекательным обращение к технологиям интеллектуальных скважин.
Таким образом, на ПХГ представляется возможность с помощью « И нтс л л с кт\ ал ь но й скважины» проводить мониторинг цикличной работы хранилища в масштабе реального времени. С помощью распределенных по стволу скважины датчиков данные будут передаваться в программные модули для проверки правильности работы скважины в отдельности и ПХГ в целом. В процессе работы системы будет происходить автоматическое сравнение данных по различным скважинам. Для анализа работы действующих скважин ПХГ предоставленная информация от отдельных скважин будет трансформироваться в программы позволяющие строить разнообразные модели, геолого-геофизические карты и разрезы, для выявления очагов техногенных скоплений газа [9].
Эти современные программы моделирования нуждаются в больших вычислительных мощностях. Итерационные оптимизационные операции с использованием больших объемов данных не могут обеспечить получение удовлетворительных результатов за требуемое время даже после очистки и объединения этих данных. Вместо этого, для полномасштабного моделирования применяются промежуточные модели. Хотя эти модели и не столь точны, они способны давать приемлемые результаты уже через несколько секунд или минут. Автоматизированная система контроля сравнивает результаты вычислений с измеренными значениями [10]. Если информация по промежуточным моделям указывает на неправильное функционирование какого-либо скважинного или поверхностного компонента, то срабатывает сигнализация и выдается предупреждающий сигнал, отображающийся на ПК инженера. Для параметров, по которым срабатывает сигнализация, можно задать и настроить диапазон отклонения. После срабатывания сигнализации инженер своевременно принимает меры для определения источника возникшей проблемы.
Выводы
Итак, за мониторингом ПХГ стоит интеллектуальная технология. Хотя многие сервисные компании затрудняются дать единое определение этому термину, большинство из них сходятся на том, что «Интеллектуальная скважина», как элемент интеллектуальной технологии ПХГ, должна характеризоваться высокой степенью автоматизации, активным применением моделирования, использованием инструментов для принятия решений (чем быстрее, тем лучше), а также комплексным подходом, не упускающим даже мелких деталей контролируемого объекта (или, по меньшей мере, предусматривающим систему их мониторинга).
Автоматизированная последовательность операций в мониторинговой системе, имеет следующую структуру: сначала прогоняются запланированные задачи контроля, а также критические параметры, автоматически
запускаемые при срабатывании сигнализации, затем - прогнозные промежуточные геолого-геофизические модели для анализа данных, а после этого вводятся правила. Инициирующие события - это либо отклонения от ожидаемых тенденций, либо нарушения установленных ограничений. Действия, активируемые сигнализацией, включают уведомление системы, подключение и прогон программ контроля, обмен данными с программным обеспечением третьей стороны, запуск подчиненных задач и создание электронных или текстовых сообщений для информирования оператора о сбое.
Помимо аварийных сигналов, это программное обеспечение автоматически выдает оператору на инженерном ПК основные эксплуатационные показатели. Оно же форматирует данные для визуализации и предоставляет прогнозы на основе текущих показателей эксплуатации ПХГ. Оперативный поток данных позволяет инженеру сконцентрироваться на отклонениях системы от нормы, тем самым быстро реагировать на осложнения. Например, при обнаружении по данным «Интеллектуальных скважин» роста давления в контрольном горизонте оперативно оповещать об этом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Казарян В.А. Подземное хранение газов и жидкостей / В.А. Ка-зарян. М.; Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2006. 432 с.
2. Листвин A.B. Оптические волокна для линий связи / A.B. Лист-вин, В.Н. Листвин, Д.В. Швырков. М.: ЛЕСАРарт, 2003. 288 с.
3. КотюкА.Ф. Датчики в современных измерениях/А.Ф. Котюк. М.: Радио и связь, Горячая линия - Телеком, 2006. 96 с.
4. Удд Э. Волоконно-оптические датчики / Э. Удд. М.: Техносфера, 2008. 520 с.
5. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления / Р. Дорф, Р. Бишоп / Перевод с английского Б.И. Копылова. М.: Лаборатория базовых знаний, 2002. 832 с.
6. Дарлинг Т. Практические аспекты геофизических исследований скважин / Т. Дарлинг / Перевод с английского. М.: Премиум Инжиниринг, 2008. 400 с.
7. Валиулин РА. Геофизические исследования и работы в скважинах / P.A. Валиулин, Л.Е. Кнеллер // Промысловая геофизика. Уфа: Информреклама, 2010. 172 с.
8. Селевцов Л.И. Автоматизация технологических процессов / Л.И. Селевцов. М.: Академия, 2014. 352 с.
9. Слепов Н. Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи / H.H. Слепов. М.: Радио и связь, 2003. 468 с.
10. Рассомахин С. Г., Малофей О. П., Малофей А. О. Нахождение оптимальных энергетических параметров передачи позиционных кодов в автоматизированных системах управления / С.Г. Рассомахин, О.П. Малофей, А.О. Малофей // Научный журнал СКФУ «Наука. Инновации. Технологии». 2014. №1. С. 74-80.
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
НАУКА. ИННОВАЦИИ. ТЕХНОЛОГИИ, №4, 2016
удк551.513.22 Набродова Е.Г. [Nabrodova E.G.], Диденко А.Ю. [Didenko A.U.], Закинян Р.Г. [Zakinayn R.G.]
К СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН
То rate spread internal gravity waves
Иногда ошибочно предполагается, что у гравитационных волн есть только частота, равная частоте Брента - Вяйсяля. Однако, существует широкий спектр волн, частоты которых меньше этого значения. Частота колебаний по вертикали смещенных от положения равновесия частиц воздуха в устойчиво стратифицированной атмосфере равна частоте Брента - Вяйсяля. Это резонансная (собственная) частота колебания воздуха, и даже если бы можно было вообразить некоторый процесс, который вызовет вертикальную вибрацию с частотой, большей, чем частота Брента - Вяйсяля, то эта вибрация не будет поддержана плавучестью атмосферы, и амплитуда колебания уменьшилась бы быстро с расстоянием от точки принуждения. Таким образом, максимальная частота гравитационных волн равна частоте Брента - Вяйсяля, так же существует широкий спектр волн, частоты которых меньше этого значения.
Sometimes mistakenly assumed that gravity waves only have a frequency equal to Brunt - Vaisala. However, there is a wide range of wave frequencies are less than this value. The frequency of oscillation vertically displaced from the equilibrium position of the air particles in a stably stratified atmosphere is equal to the frequency of Brunt - Vaisala. This resonance (on site) frequency vibrations in the air, and even if it were possible to imagine some process, which will cause vertical vibration with a frequency of greater than Brent frequency - Vaisala, this vibration will not be supported by the buoyancy of the atmosphere, and the vibration amplitude would decrease rapidly with the distance from the point of compulsion. Thus, the maximum frequency of the gravitational wave frequency equal to Brent - Vaisala, as there is a wide spectrum of waves whose frequencies are less than this value.
Ключевые слова: гравитационные волны, частота Брента - Вяйсяля, уравнение движения, уравнение Тейлора - Гольдштейна, стратифицированная атмосфера.
Key words: gravitational waves, Brunt frequency - Brunt, the equation of motion, the equation of the Taylor - Goldstein, stratified atmosphere.
ВВЕДЕНИЕ
Движение воздушных масс в атмосфере носит сложный, меняющийся с течением времени характер. Последние несколько десятилетий отмечены значительным прогрессом в понимании волновых движений в атмосфере. Несмотря на это, разномасштабные и разнородные волновые и вихревые движения в атмосфере - планетарные волны, циклоны и антициклоны, гравитационные волны и их крупномасштабные решения остаются сложной задачей в планетарных науках.
