Методические вопросы создания математических моделей газопромысловых систем

МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ СОЗДАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ГАЗОПРОМЫСЛОВЫХ СИСТЕМ

В.А. Истомин, А.В. Елистратов, Ю.А. Лаухин, А.А. Ротов, А.В. Трифонов

Газовый промысел является сложной технологической системой, детализированное термо-гидро-газодинамическое описание которой затруднительно. В связи с этим представляется целесообразным развивать подходы к описанию газового промысла как сложной системы с иерархической структурой связанных между собой элементов, свойства и строение которых описываются определенными зависимостями [1].

Современный уровень развития моделирования позволяет описывать широкий спектр физикохимических процессов в промысловых системах (пласт, скважины, газосборные сети, дожимные компрессорные станции, установки подготовки газа) и их взаимосвязь в процессе работы газового промысла. Это дает возможность проводить моделирование для прогнозирования и оптимизации технологических параметров работы промысла путем проведения многовариантных расчетных исследований на ЭВМ. Результаты расчетов, полученных при моделировании, являются основой для принятия решений по разработке, обустройству месторождений, режимам эксплуатации и реконструкции промыслового оборудования [2]. Однако принять обоснованное решение можно только при условии, что модель адекватно отражает существенные свойства и взаимодействия реальных объектов.

Ниже на примере расчетов газосборных сетей и установок гликолевой осушки газа рассматриваются существенные для моделирования промысловых систем проблемы:

• выбор методик расчета;

• адаптация модели к фактическому состоянию промысла.

Одним из объектов моделирования в составе промысловых систем являются газосборные сети. При этом наибольшее распространение в отечественной практике моделирования трубопроводных систем сбора газа получили разработки компаний Schlumberger (PIPESIM), Simsci-Esscor (PIPEPHASE) и научно-технической фирмы ТЕРМОГАЗ (ГазКондНефть). Широкие возможности средств моделирования и заложенный в них объем функций представляют большую ценность при проведении исследовательских работ. Однако при этом значительно усложняется решение инженерных задач, возникающих в ходе эксплуатации промысла. Например, в программных продуктах PipeSim и Pipephase присутствует ряд опций гидравлического расчета двухфазных потоков в трубопроводах: Mukherjee&Brill, Dukler-Eaton-Flannigan, OLGAS и т.д. Различные методики могут давать существенно различающиеся по потерям давления и истинному содержанию жидкой фазы результаты, особенно при низких скоростях движения фаз, однако четких практических рекомендаций по диапазонам применимости не приводится, и выбор методики предоставлен пользователю.

Согласно проведенным авторами расчетам, тестируемые методики при расходном влагосодер-жании, не превышающем 100 г воды на нормальный кубометр газа, показали весьма заметные отличия как в потерях давления в шлейфе, так и в тенденциях их изменения в зависимости от скорости газожидкостного потока.

Влияние выбора методики расчета на добычную характеристику промысла (зависимость давления на входе УКПГ от отбора газа) приведено на рис. 1. Произведенные с использованием методик Mukherjee&Brill и OLGAS 2 Phase расчеты показывают, что различие значений прогнозируемого отбора газа по промыслу может достигать нескольких миллионов м3/сут, а неопределенность входного давления на УКПГ - нескольких десятых МПа.

Таким образом, вопрос выбора конкретной методики для моделирования ГСС представляет серьезную методическую проблему. Это связано еще и с тем, что алгоритмы и методики расчетов, заложенные в программные продукты, зачастую являются собственностью разработчика, и их практически нельзя корректировать, причем отсутствует четкая информация о допустимых диапазонах применимости той или иной методики. Поэтому созданию расчетных термогидродинамических моделей для конкретного промысла должны предшествовать методические исследования по выбору методик, достаточно корректно описывающих поведение промысловых объектов.

Рис. 1. Сравнение добычных характеристик промысла, полученных по различным методикам гидравлического расчета

Помимо неопределенностей, связанных с применимостью в конкретных условиях той или иной расчетной методики, необходима адаптация моделей к фактическому состоянию промысловых объектов. Наш опыт использования различных методик гидравлического расчета показал, что в ряде случаев результаты расчета имеют значительные отличия от фактических данных, полученных в ходе эксплуатации промысла. Причем данная тенденция практически не зависит от выбора методики. Добиться же удовлетворительного совпадения путем выбора методики расчета если и удается, то только в узком диапазоне рабочих режимов. Таким образом, для коррекции результатов расчетов в широком диапазоне режимов обязательно требуется введение адаптационных параметров.

Определение настроечных параметров производится на основе анализа работы промыслового оборудования, и для крупных месторождений представляет весьма трудоемкую задачу. Так, на рис. 2 приведены результаты статистической обработки промысловой информации о работе одного из шлейфов. Видно, что исследуемый параметр гидравлической эффективности характеризуется значительной дисперсией, что неизбежно приведет к неопределенности при расчете параметров работы газового промысла. Высокая дисперсия может быть обусловлена нерегулярностью, отсутствием синхронизации проводимых замеров, низкой точностью измерительных устройств. В ряде случаев ввиду отсутствия необходимой приборной базы параметры работы промысла определяются расчетным путем.

На рис. 3 приведены результаты расчета добычных характеристик промысла при различных оценках величины гидравлической эффективности (Еср и Еср ± 2а). Из приведенного графика следует, что неопределенность в определении добычных возможностей, связанная с качеством измерений режимов работы газосборной сети, составляет в рассматриваемом примере ±10 %.

Таким образом, достоверность прогнозирования режимов работы находится в прямой зависимости от качества промысловой информации. Необходимо улучшение контрольно-измерительной базы на промыслах. Наилучшим решением является установка систем, позволяющих с достаточной частотой и точностью регистрировать термобарические и расходные характеристики работы промысла. Перспективным решением является создание автоматизированных систем обработки информации о фактических режимах работы оборудования (технологических режимов, эксплуатационных рапортов, сводок и т.д.).

Рис. 2. Коэффициент гидравлической эффективности шлейфа, полученный в результате анализа промысловой информации

Рис. 3. Диапазон добычных характеристик промысла, полученных при различных оценках коэффициента гидравлической

эффективности

Проблемы выбора методик расчета и достоверности прогнозирования режимов работы в зависимости от качества промысловой информации имеют место и при технологическом моделировании гликолевой осушки газа.

Несмотря на то, что гликолевая осушка используется более 70 лет за рубежом и более 50 лет в отечественной газовой промышленности, в области расчета фазового равновесия в системе «природный газ - гликоли - вода - метанол» существует ряд нерешенных вопросов. К настоящему времени накоплено большое количество экспериментальных данных и расчетных корреляций, из которых

только часть подвергалась термодинамическому анализу и согласованию. В табл. 1 приведены данные по ТТР газа по влаге над водными растворами гликолей при давлении 8 МПа из различных литературных источников.

Как следует из приведенных в табл. 1 данных, наблюдается не только количественное, но и качественное различие в оценке осушающей способности гликолей. Во всех зарубежных источниках, в отличие от данных ТюменНИИгипрогаза и ВНИИГАЗа, отмечена более высокая гигроскопичность ТЭГ по сравнению с ДЭГ при содержании воды в растворе менее 1,5 % мас.

Таблица 1

ТТР газа по влаге над водными растворами гликолей при давлении 8,0 МПа и температуре 25 °С

Источник данных ТТР по влаге, °С

ДЭГ - вода ТЭГ - вода

3,0 % мас. 1,0 % мас. 3,0 % мас. 1,0 % мас.

Engineering Data Book, 1994 - - -5,6 -24,4

Union Carbide Co., 1957 -6,0 -18,6 -5,0 -22,2

Union Carbide Co., 2000 - - -8,4 -21,4

Dow Chemical Co., 1962 -5,6 -15,3 -3,3 -17,8

ТюменНИИгипрогаз, 1980 -7,8 -19,9 -6,8 -18,7

ВНИИГАЗ, 2004 -5,5 - 17,0 -3,4 -15,2

Необходимо отметить, что некоторые из зарубежных данных получены при экспериментальном или аналитическом исследовании тройных систем «природный газ - гликоль - вода» (данные по тройным системам зависят от способа получения и не обладают свойствами сходимости и воспроизводимости), а в отдельных работах вообще не указан способ получения данных. Данные ВНИИГАЗа получены на основе анализа и обобщения огромного массива экспериментальных и аналитических данных по бинарным системам, прошедших комплексную проверку на термодинамическую согласованность [3], и подтверждены с применением двух экспериментальных методов:

• прямое сравнение осушающей способности гликолей (ЭГ, ДЭГ и ТЭГ) путем приведения к равновесию по летучести воды посредством общей для всех проб газовой фазы [3];

• сравнения расчетной ТТР ДЭГ и ТЭГ со значениями, полученными на экспериментальной установке [4].

Результаты расчетов при указанных технологических параметрах с применением различных программных комплексов и расчетных методик (табл. 2) отличаются от литературных данных и различаются как количественно, так и качественно.

Таблица 2

ТТР газа по влаге над водными растворами гликолей при давлении 8,0 МПа и температуре 25 °С

Программные комплексы и методики расчета ТТР по влаге, °С

ДЭГ - вода ТЭГ - вода

3,0 % мас. 1,0 % мас. 3,0 % мас. 1,0 % мас.

HYSYS (AspenTech) 2,4 -7,3 -3,6 -16,2

PRO/II (SimSciEsscor) 22,3 12,4 -4,0 -16,6

ГазКондНефть (Термогаз) -4,6 -16,8 -5,1 -17,4

ProMax (BR&E) -6,4 -18,1 -4,3 -16,0

ВНИИГАЗ, 2004 -5,5 - 17,0 -3,4 -15,2

Как следует из приведенных в табл. 2 данных:

• лучшая осушающая способность ДЭГ во всем диапазоне концентраций получена не только по методике ВНИИГАЗа, но и при расчетах с применением программного комплекса РгоМах. Причем результаты расчета ТТР с применением программного комплекса РгоМах отличаются от результатов расчетов по методике ВНИИГАЗа менее чем на 1 °С;

• в программных комплексах HYSYS и PRO/П параметры для расчета осушки газа с применением ДЭГ не настроены.

Следует учитывать, что во многих программных комплексах (например HYSYS) термодинамика системы «природный газ - гликоль - вода» настроена по усредненным данным из нескольких источников и не подвергалась проверке на термодинамическую согласованность, в отличие от данных ВНИИГАЗа.

Может показаться, что различие в приведенных данных по осушающей способности гликолей не так уж и велико и не требует особого уточнения. Рассмотрим этот вопрос на примере определения характеристик существенного оборудования, необходимого для адаптации расчетной модели к существующим объектам обустройства. На рис. 4 в графическом виде показано определение массообменной эффективности абсорбера с использованием различных данных по равновесной ТТР газа над водным раствором гликоля. Использование различных данных приводит к разным выводам о массообменной эффективности абсорбера и поэтому может повлечь принципиально неверные выводы о необходимости модернизации оборудования и, как следствие, привести к избыточным капитальным вложениям.

Рис. 4. Влияние данных о термодинамике водных растворов гликолей на определение массообменной

эффективности абсорбера.

Режим работы абсорбера: давление 5,5 МПа; температура газа на входе 25 °С; абсорбент - ТЭГ; содержание воды в регенерированном абсорбенте 1,0 % мас.; удельная подача абсорбента - 15 кг/1000 м3 газа

Качество промысловой информации очень важно при адаптации расчетной модели установки гликолевой осушки к существующим объектам обустройства. Погрешность измерения технологических параметров при исследовании приводит к погрешности расчетов при построении кривой вла-госодержания (ТТР) осушенного газа в зависимости от числа теоретических тарелок:

• погрешность измерения температуры газа 1 °С вызывает относительную погрешность расчетного влагосодержания осушенного газа 10 % и погрешность расчетной ТТР осушенного газа 1 °С;

• погрешность измерения давления вносит примерно равную ей относительную погрешность расчетного влагосодержания осушенного газа;

• погрешность определения концентрации воды в РДЭГ 0,1 % мас. вызывает погрешность расчетной ТТР осушенного газа примерно 1 °С. При определении концентрации воды в РДЭГ необходимо использовать метод Фишера с электрометрическим определением конца титрования, поскольку метод отгонки с органическим растворителем (метод Дина и Старка) при концетрации воды менее 1,0 % мас. имеет относительную погрешность более 20 % [5].

Погрешность расчетной ТТР осушенного газа 1 °С приводит к погрешности определения массообменной эффективности абсорбера 0,1-0,3 т.т. (относительная погрешность 10-15 %).

На основании проведенных расчетно-методических исследований можно сделать следующие выводы:

• используемые методики расчета и качество промысловой информации оказывают существенное влияние на достоверность прогнозирования режимов работы газосборных систем и установок гликолевой осушки газа;

• необходимо определение границ применимости различных расчетных методик, используемых для моделирования газосборных систем;

• необходимо уточнение термодинамики гликолевых растворов, используемых при моделировании установок гликолевой осушки газа;

• целесообразна разработка нормативных документов, регламентирующих требования к моделированию и мониторингу систем сбора, внутрипромыслового транспорта и промысловой подготовки газа, для повышения обоснованности и эффективности технологических решений при обустройстве и реконструкции месторождений.

Список литературы

1. Маслов В.М. Концепции анализа и совершенствования техники и технологии промысловых подготовки и транспорта газа / В.М. Маслов. - Ташкент: Изд-во ФАН Академии Наук Республики Узбекистан, 1997. - 662 с.

2. Гриценко А.И. Сбор и промысловая подготовка газа на северных месторождениях России / А.И. Гриценко, В.А. Истомин, А.Н. Кульков, Р.С. Сулейманов. - М.: Недра, 1999. - 473 с.

3. Истомин В.А. Применение гликолей для абсорбционной осушки природных газов. Физикохимические аспекты: Обз. информ. / В.А. Истомин, М.В. Елистратов, А.В. Елистратов - М.: ИРЦ Газпром, 2004. - 168 с. - (Серия «Подготовка и переработка газа и газового конденсата»).

4. Крашенников С.В. Оперативный метод определения концентрации воды в гликолях используемых при подготовке природного газа к транспорту / С.В. Крашенников, Б.Д. Донских, В.Н. Донских, А.В. Елистратов, А.А. Макинский, В.Т. Крушневич // Наука и техника в газовой промышленности. -2006. - № 4.

5. Елистратов А.В. Точность определения воды в гликолях методом отгонки с органическим растворителем / А.В. Елистратов, В.Н. Донских, Ю.А. Лаухин // Разработка месторождений углеводородов: сб. науч. тр. - М.: ВНИИГАЗ, 2008. - 476 с.