Оценка и пути повышения надежности систем автоматизации и контроля нефтегазодобычи

Г.В. Кусов, С.Б. Бекетов, О.В. Савенок

ОЦЕНКА И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ И КОНТРОЛЯ НЕФТЕГАЗОДОБЫЧИ

Проведена оценка надежности систем автоматизации и контроля нефтегазодобычи и намечены пути ее повышения. Использование описанных в статье инструментов для управления процессами разработки нефтяных месторождений могут дать значительный экономический эффект, определяемый повышением конечного коэффициента нефтеотдачи пластов, снижением затрат на добычу, промысловую подготовку и транспорт нефти, газа и воды, более эффективным использованием оборудования. Но надо иметь в виду, что хотя основной экономический эффект проявляется после применения инструментов более «высокого» уровня, для возможности эффективного использования этих методов управления и оптимизации необходим определенный уровень оснащения месторождения системами сбора информации и средствами автоматизации.

Ключевые слова: системы автоматизации и контроля нефтегазодобычи; распределенная система управления; подсистема контроля утечек на трубопроводах; диагностика оборудования; усовершенствованное управление; гидродинамическая модель резервуара.

УДК 658.512. 011.56: 622.279

Наличие достоверной и своевременной информации о протекании любого технологического процесса, его «визуализация», очевидно, является ключевым условием для управления этим процессом, как оператором, так и в автоматизированном режиме. Информационные системы, используемые на нефтяных месторождениях, становятся все более совершенными и, соответственно, ценность и удобство восприятия собираемой ими информации постоянно улучшаются. Современные информационные системы позволяют получать в удобной для оператора форме данные со скважин, сборных пунктов, резервуарных парков, установок первичной подготовки нефти, дожимных и кустовых насосных станций в режиме реального времени. Материальную основу для сбора информации обеспе-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 1. С. 127-132. © 2017. Г.В. Кусов, С.Б. Бекетов, О.В. Савенок.

чивают современные контроллеры и системы управления базами данных, которые позволяют хранить и обрабатывать данные технологических процессов как в режиме реального времени, так из реляционных баз данных.

Пользователь получает значения основных контролируемых параметров (дебит, давление, температура и т.п.) от скважин, групповых замерных установок, технологических установок системы наземного обустройства, пунктов хранения и сдачи продукции и т.д. в режиме реального времени. При этом осуществляется визуализация узких мест: на экран выдаются текущие значения параметров в сравнении с установленными для них пределами в контролируемых технологических процессах. Обрабатываются и выдаются по требованию в требуемом формате данные тестирования скважин. Пользователю предоставляется богатый по своим возможностям генератор отчетов, позволяющий конструировать отчеты в стандартной форме по различным направлениям: сменные и ежедневные производственные отчеты, отчеты о добыче и сдаче углеводородов, объемах закачки, статусов скважин и т.п.

Выполняется мониторинг и отчет о событиях, информация о которых поступает от распределенной системы управления (РСУ) и датчиков систем безопасности. Записывается и анализируется последовательность событий, вызвавших срабатывание сигнализации. Выполняется постоянная верификация работы предохранительных клапанов на потенциально опасных участках сбора и первичной подготовки нефти и газа и на ее основе формируются отчеты обо всех изменениях в их состоянии.

Проводится контроль и анализ по всем остановкам оборудования, состоящий в фиксировании всех остановок, поиске причин остановок на основе восстановления по истории технологического процесса всех действий, приведших к остановке. Выполняется подготовка отчетов на основе проведенного анализа.

Отдельной подсистемой, наряду с подсистемами пожаро-и взрывобезопасности, является подсистема контроля утечек на трубопроводах. В настоящее время одним из наиболее перспективных направлений являются акустические системы обнаружения и определения мест расположения утечек. Достоинствами таких систем является возможность функционирования на всех режимах работы трубопровода (старт/стоп насосов, изменение значений расходов и т.п.), низкий уровень ложных срабатываний, что очень важно для целей автоматизированной защиты, простота обслуживания и высокая надеж-

ность функционирования. Важным современным требованием к системе безопасности является ее интеграция с распределенной системой управления, что позволяет своевременно реагировать на потенциальные угрозы и возникновение внештатных ситуаций, а также обеспечивать работу оборудования на безопасных режимах.

С проблемой безопасности тесно связана задача диагностики оборудования. Снабжение операторов и инженеров текущей информацией о состоянии оборудования и его возможных неисправностях — одна из ключевых задач информационной системы. Современные системы реализуют принцип: симптом — неисправность — действие. Такие системы автоматически посылают сообщение тревоги при возникновении ситуаций, которые требуют внимание оператора, а богатая технология диагностики, основанная на документировании разработчиками потенциальных причин неисправностей и способов реагировании на них, позволяют предотвратить поломку или сбой в работе технологического устройства или быстро ликвидировать неисправность. Для диагностики основных типов оборудования разрабатываются специальные программные средства, которые реализуются в рамках единой распределенной системы управления.

На современных диспетчерских центрах, как правило, реализуются следующие основные функции:

• диспетчеризация производства с доступом к скважинам, кустам, дожимным и кустовым насосным станциям (ДНС и КНС), участкам промысловых трубопроводов, пунктам сбора и первичной подготовки нефти и т.п.;

• мониторинг ключевых параметров производства с выдачей отклонений от планируемых заданий, дистанционная диагностика и мониторинг оборудования, аварийное отключение, согласование и корректировка измерений с контролем балансов в узлах учета, мониторинг испытания скважин, отчетность и др.

В основе работы системы лежит следующий принцип: должна поддерживаться вся информационная цепочка от снятия показателей с датчиков на объектах до предоставления в удобной форме информации лицам, принимающим решения на всех уровнях управления.

Наряду с классическими схемами автоматического управления с контурами регулирования, основанными на принципе обратной связи, в последние годы для управления технологи-

ческими процессами успешно применяется новое направление в промышленной автоматизации — усовершенствованное управление (сокращенно APC от Advanced Process Control). Соответствующее программное обеспечение реализует алгоритмы многосвязного регулирования с прогнозом реакции объекта на сигнал управления. Прогноз рассчитывается на основе настраиваемой модели технологического процесса. Как показывает практика, АРС управляет технологической установкой лучше оператора, поскольку дает возможность работать вблизи допустимых границ по производительности, оптимизируя тем самым выход продукции и снижая время простоев установки.

Данные для настройки модели технологического процесса берутся из гидродинамической модели резервуара, сделанной третьей стороной, и передаются на ProfitMax — пакет для линеаризации нелинейной модели вокруг рабочей точки, Profit Optimizer служит для координации решений нескольких Profit Controller, которые выдают управляющие сигналы непосредственно на исполнительные механизмы или регуляторы отдельной установки. В России на сегодняшний день наибольшее распространение АРС получило в нефтепереработке, однако, как показывает мировая практика, АРС может с успехом применяться и в технологических процессах добычи и промысловой подготовки нефти. В частности, АРС в нефтедобыче может использоваться для решения следующих задач:

• управление цепочкой компрессоров и сепараторов от скважин до пунктов сбора нефти с целью снижения противодавления на устья скважин;

• управление газлифтом;

• управление давлением и температурой в сепарационных установках для оптимизации выхода жидкой фазы, для сглаживания переходных процессов в системе сбора и промысловой подготовки продукции при изменениях режимов работы технологических установок и др.

Эффективной областью приложений АРС являются процессы добычи на газоконденсатных месторождениях, где решаются оптимизационные задачи выхода конденсата при плановых ограничениях на добычу природного газа. Особую актуальность приобретает использование АРС на месторождениях, где существуют очень высокие требования к безопасности и экономической эффективности работы оборудования в условиях применения «безлюдных» технологий и ограниченного производственного пространства.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Эпов Е. О. Информационные технологии в добывающей промышленности / Материалы Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Актуальные проблемы и перспективы развития экономики и права России на современном этапе» (3 декабря 2011 г., г. Кизляр). — Кизляр, 2011. Режим доступа: http://disus. ra/konferencii/239478—26-ministerstvo-obrazovaniya-nauki-fgbou-vpo-sankt-peterburgskiy-gosudarstvenniy-inzhenerno-ekonomicheskiy-universitet-fili.php#2.

2. Смелов А. Ю. Информационная поддержка предприятий по производству фосфорных удобрений с применением MES-систем: диссертация на соискание уч. ст. канд-та техн. наук. — М., 2012. — 143 с.

3. Кусов Г.В., Савенок О.В. Автоматизированная система управления установкой подготовки попутного нефтяного газа / Современные тенденции развития нефтегазовой и машиностроительной отраслей: сборник научных статей по материалам I Международной научно-практической конференции (25 мая 2016 г., г. Пермь) / Под общ. ред. Т. М. Сигитова. - Пермь: ИП Т.М. Сигитов, 2016. - С. 21-29. Режим доступа: http://media.wix.com/ugd/cb673c_48d4c9a1e4dd497b894f3aad0 af348dc.pdf

4. Кусов Г. В., Савенок О. В. Влияние систем автоматизации и контроля на надежность функционирования систем сбора, подготовки и транспорта газа / Сборник статей международной исследовательской организации «Cognitio» по материалам XII Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки XXI века» (31 июля 2016 г., г. Москва). — М.: Международная исследовательская организация «Cognitio», 2016. — С. 45—48. Режим доступа: http://www. mio-cognitio.com/archives/pdf/Mio-cognitio_july.pdf

5. Савенок О.В., Кусов Г.В. Обоснование применимости экспоненциального закона распределения при оценке надежности блочного автоматизированного нефтепромыслового оборудования // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 8. — С. 158—165.

6. Кусов Г. В., Савенок О. В., Бекетов С. Б.Выбор и обоснование показателей надежности блочного автоматизированного нефтепромыслового оборудования // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. — 2016. — № 4. — С. 8—12.

7. Кусов Г. В., Богатырев В. С., Савенок О. В. Классификация отказов и анализ работы технологического нефтепромыслового оборудования в условиях Крайнего Севера // Нефть. Газ. Новации. — 2016. — № 7. — С. 64—68. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Кусов Геннадий Владимирович1 — аспирант, e-mail: de_france@mail.ru,

Бекетов Сергей Борисович1 — доктор технических наук,

профессор, e-mail: bsb.gt@rambler.ru,

Савенок Ольга Вадимовна — доктор технических наук,

доцент, e-mail: olgasavenok@mail.ru,

Кубанский государственный технологический университет, 1 Северо-Кавказский федеральный университет.

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 1, pp. 127-132. G.V. Kusov, S.B. Beketov, O.V. Savenok ASSESSMENT AND WAYS TO IMPROVE THE RELIABILITY OF AUTOMATION SYSTEMS AND CONTROL OF OIL AND GAS PRODUCTION

The paper assessed the reliability of automation systems and control of oil and gas production and the ways of its improvement. Using the tools described in this article for the process control of oil fields development can provide significant economic benefits determined by the increase of the final oil recovery factor, lower production costs, field treatment and transport of oil, gas and water, more efficient use of equipment. But we must bear in mind that although the main economic effect is the use of tools after a «high» level, to enable the effective use of management techniques and optimization requires a certain level of equipment field information collection system and automation tools.

Key words: automation and control systems of oil and gas production, distributed control system, subsystem control leaks in pipelines, diagnostic equipment, improved governance, hydrodynamic reservoir model.

AUTHORS

Kusov G.V}, Graduate Student, e-mail: de_france@mail.ru,

Beketov S.B.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: bsb.gt@rambler.ru, SavenokO.V., Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor, Kuban State Technology University, 350072, Krasnodar, Russia, e-mail: olgasavenok@mail.ru, 1 North-Caucasus Federal University, 355009, Stavropol, Russia.

REFERENCES

1. Epov E. O. Materialy Vserossiyskoy nauchnoy konferentsii studentov i aspiran-tov «Aktual'nye problemy i perspektivy razvitiya ekonomiki i prava Rossii na sovremennom etape» (Current Problems and Growth Prospects in the Economy and Legislation of Russia: Proceedings of the All-Russian Scientific Conference of Students and Post-Graduate Students (December 3, 2011, Kizlyar), Kizlyar, 2011, available at: http://disus.ru/ konferencii/239478—26-ministerstvo-obrazovaniya-nauki-fgbou-vpo-sankt-peterburgs-kiy-gosudarstvenniy-inzhenerno-ekonomicheskiy-universitet-fili.php#2.

2. Smelov A. Yu. Informatsionnaya podderzhka predpriyatiy po proizvodstvu fosfornykh udobreniy s primeneniem MES-sistem (MES-based information support of phosphate producing plants), Candidate's thesis, Moscow, 2012, 143 p.

3. Kusov G. V., Savenok O. V. Sovremennye tendentsii razvitiya neftegazovoy i mashino-stroitel'noy otrasley: sbornik nauchnykh statey po materialam I Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Pod red. T. M. Sigitova (Current Trends of Advance in the Oil-and-Gas Industry and Machine Engineering: International Scientific—Practical Conference Proceedings (May 25, 2016, Perm), Sigitov T. M. (Ed.)), Perm, IP T.M. Sigitov, 2016, pp. 21-29, available at: http://media.wix.com/ugd/cb673c_48d4c9a1e4dd497b894f3aad0af348dc.pdf.

4. Kusov G. V., Savenok O. V. Sbornik statey mezhdunarodnoy issledovatel'skoy organi-zatsii «Cognitio» po materialam XII Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Aktual'nye problemy nauki XXI veka» (Cognitio Collected Papers based on the Proceedings of Xll International Scientific-Practical Conference of Topical Problems in Science of the 21st Century (July 31, 2016, Moscow)), Moscow, 2016, pp. 45-48, available at: http://www.mio-cognitio.com/archives/pdf/Mio-cognitio_july.pdf

5. Savenok O. V., Kusov G. V. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 8, pp. 158-165.

6. Kusov G. V., Savenok O. V., Beketov S. B. Oborudovanie i tekhnologii dlya neftegazo-vogo kompleksa. 2016, no 4, pp. 8-12.

7. Kusov G. V, Bogatyrev V. S., Savenok O. V. Neft'. Gaz. Novatsii. 2016. № 7, pp. 64-68.

UDC 658.512. 011.56: 622.279