СПОСОБ РЕАНИМИРОВАНИЯ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН
OIL WELL REANIMATION METHOD

Предлагаемое изобретение относится к области систем управления сложными объектами с целью повышения эффективности их функционирования.
Известны способы «реанимирования» (далее без кавычек) нефтяных скважин, основанные на изменении режима их эксплуатации или замене оборудования и неисправных частей в целях восстановления работоспособности объекта [1]. Под объектом в данном случае понимается скважина, оснащенная нефтедобывающим оборудованием, которому соответствует основной материальный выход объекта (в заявке этот выход не фигурирует), контрольно-измерительной аппаратурой, выходы которой образуют вспомогательный информационный выход объекта, а также устройством управления режимом работы скважины, вход которого является управляющим входом объекта. Способ замены оборудования и неисправных частей скважины применяется только в условиях подземного ремонта скважины, что, с учетом большого числа подлежащих данному варианту реанимирования объектов (6-8 тыс. в год на месторождении в целом), а также трудоемкости и высокой стоимости способа (в среднем 360 т.р. один подход бригады подземного ремонта к скважине), не представляется экономически эффективным. Способ, основанный на изменении режима эксплуатации скважины, подразумевает варьирование значениями параметров объекта, но, поскольку на практике значения этих параметров выбираются «вслепую», без какого-либо предварительного анализа и обоснования (фактически произвольно), нельзя предугадать, к какому результату приведет то или иное изменение каждого из параметров. Поэтому данный способ также часто оказывается неэффективным.
Известна система [2], основанная на использовании в процессе управления ситуационной модели, которая актуализируется в соответствии с текущими данными о состоянии объекта. Система предназначена для автоматизированного управления объектом и отображения информации о его состоянии, причем прогнозирование осуществляется на основе текущих показателей объекта и не затрагивает ретроспективные статистические данные о нем.
Наиболее близким является способ [3], схема которого представлена на Фиг.1, являющийся прототипом предлагаемого изобретения. Способ-прототип представляет собой последовательность технологических операций, сущность которых состоит в восстановлении работоспособности нефтяной скважины - объекта 1 посредством выбора подсистемой выбора 3 на основе Д2 - текущей информации о состоянии объекта из базы данных (БД) информационной системы (ИС) 2 нефтедобывающего предприятия и разработанной на предприятии методики восстановления работоспособности скважин [3] варианта реанимирования ДЗ для конкретной скважины, принятия решения подсистемой управления 4 о применении на объекте 1 одного или последовательно нескольких из заданного множества вариантов реанимирования Д6, в числе которых могут быть: увеличение (уменьшение) числа качаний станка-качалки скважины за счет применения частотного регулируемого электропреобразователя (ЧРЭП); увеличение числа качаний станка-качалки посредством установки универсального шкива (УШ); увеличение (уменьшение) длины хода станка-качалки; промывка скважины технологической жидкостью, нефтью или водой с добавлением специальных химических реагентов.
Результаты реанимирования Д1 объекта в случае успеха реанимационных работ сохраняются в БД ИС 2 нефтедобывающего предприятия. В противном случае, на основе информации Д4 о неуспехе применения выбранного варианта реанимирования, происходит принятие решения подсистемой управления 4 об остановке скважины и постановке ее в очередь на подземный ремонт. Реанимирование является высокоэффективной альтернативой подземного ремонта и одним из ключевых технологических процессов, позволяющим с минимальными затратами поддерживать в работоспособном состоянии добывающие скважины предприятия, обеспечивая его непрерывное и эффективное функционирование.
Основной недостаток прототипа состоит в неадаптивной процедуре реанимирования, которая включает последовательный перебор всех возможных его вариантов до тех пор, пока не будет подобран наиболее эффективный в текущих условиях и для рассматриваемой конкретной скважины. Такой перебор «вслепую» экономически неэффективен, поскольку каждый подход к скважине, подлежащей реанимированию без подземного ремонта (таких объектов на месторождении может быть достаточно много), связан с транспортировкой техники и специалистов, материальными (от 5 до 15 тыс.рублей на каждый подход реанимационного звена плюс потери возможной прибыли из-за простоя скважины), временными (до 2 суток на одну скважину) и эксплуатационными (амортизация оборудования и т.д.) затратами. При этом способ-прототип [3] является неэффективным и в том смысле, что до применения подходящего по результатам реанимирования варианта применяются другие, для данного объекта безрезультатные.
Целью изобретения является устранение недостатков способа-прототипа и повышение эффективности процесса реанимирования нефтяных скважин.
Технической сущностью предлагаемого изобретения является внедрение в способ реанимирования интеллектуальной обработки данных с помощью ИС для повышения эффективности восстановления объекта.
Эта сущность достигается тем, что в способ реанимирования нефтяных скважин, включающий получение информации от информационного выхода объекта 1 и занесение ее в базу данных информационной системы 2 через первый вход; выбор варианта реанимирования подсистемой выбора 3; оценку результатов реанимирования, принятие решения о целесообразности реанимирования, управление объектом 1 подсистемой управления 4 путем подачи воздействия от первого выхода подсистемы 4 на управляющий вход объекта 1 и занесение результатов реанимирования в информационную систему 2 от второго выхода подсистемы 4 на второй вход информационной системы 2, вводятся операции формирования исходных данных об объекте 1 подсистемой формирования исходных данных 5 на основе информации, поступающей с выхода информационной системы 2 на первый вход подсистемы 5; корреляционного анализа параметров процесса реанимирования подсистемой корреляционного анализа 6 на основе информации, поступающей с первого выхода подсистемы 5 на вход подсистемы 6; статистического анализа факторов, дестабилизирующих процесс реанимирования, подсистемой статистического анализа 7 на основе информации, поступающей от второго выхода подсистемы 5 на вход подсистемы 7; статистического имитационного моделирования процесса реанимирования подсистемой статистического имитационного моделирования 8 на основе информации, поступающей с выхода подсистемы 7 на первый вход подсистемы 8, причем данные от информационного выхода объекта 1 подаются также на первый вход подсистемы 4; от выхода подсистемы 6 - на первый вход подсистемы 3; от выхода подсистемы 7 - на второй вход подсистемы 3; от первого выхода подсистемы 8 - на третий вход подсистемы 3; от второго выхода подсистемы 8 - на второй вход подсистемы 4; от выхода подсистемы 6 - на третий вход подсистемы 5.
На Фиг.1 представлена структурная схема существующего способа реанимирования нефтяных скважин (прототип предлагаемого изобретения).
На Фиг.2 представлена структурная схема предлагаемого способа реанимирования нефтяных скважин с применением информационных технологий.
Предлагаемый способ реанимирования содержит операции получения информации об объекте 1; занесения данных БД ИС 2; выбора варианта реанимирования подсистемой выбора варианта реанимирования 3; оценки результатов реанимирования, принятия решения о целесообразности реанимирования, управления объектом 1 подсистемой управления 4; формирования набора исходных данных об объекте 1 подсистемой формирования набора исходных данных 5; корреляционного анализа параметров процесса реанимирования подсистемой корреляционного анализа 6; статистического анализа факторов, дестабилизирующих процесс реанимирования, подсистемой статистического анализа 7; статистического имитационного моделирования процесса реанимирования подсистемой статистического имитационного моделирования 8 на основе информации Д1 - с информационного выхода объекта 1 на первый вход ИС 2; Д2 - с выхода информационной системы 2 на первый вход подсистемы 5; Д3 - с первого выхода подсистемы 5 на вход подсистемы 6; Д4 - с выхода подсистемы 6 на первый вход подсистемы 3 и третий вход подсистемы 5; Д5 - от второго выхода подсистемы 5 к входу подсистемы 7; Д6 - с выхода подсистемы 7 на первый вход подсистемы 8 и второй вход подсистемы 3; Д7 - с выхода подсистемы 3 на второй вход подсистемы 8; Д8 - с первого выхода подсистемы 8 на третий вход подсистемы 3 или Д9 - от второго выхода подсистемы 8 на второй вход подсистемы 4; Д10 - с первого выхода подсистемы 4 на управляющий вход объекта 1; Д11 - с первого информационного выхода объекта 1 на первый вход ИС 2 и на первый вход подсистемы 4; Д12 - от второго выхода подсистемы 4 на второй вход ИС 2.
Предлагаемый способ реанимирования осуществляется следующим образом.
Данные Д1, собираемые с объекта 1 (см. Фиг.2), актуализируют информацию о скважине, подлежащей реанимированию, в БД ИС предприятия 2 (далее все элементы Фиг.2 для краткости именуются «блоками» с теми же номерами), откуда она (см. информационный поток Д2) запрашивается в процессе формирования выборки исходных данных для анализа (блок 3) с целью принятия управленческих решений по реанимированию данной скважины. Сформированный набор исходных данных ДЗ содержит значения текущих параметров скважины и, в случае наличия достаточного объема ретроспективной информации о скважине - данные о результатах проведенных ранее восстановительных работ на данном объекте 1, в противном случае, если история реанимационных работ объекта недостаточна или отсутствует в БД, для формирования исходной выборки используются ретроспективные данные скважин, наиболее близких по своим техническим и эксплуатационным характеристикам к рассматриваемому объекту 1. Это необходимо для того, чтобы свести к минимуму вероятность ошибки в процессе выбора варианта реанимирования - так как, если анализировать ретроспективные данные только по текущей, отдельно рассматриваемой скважине, то этого может быть недостаточно для обеспечения требуемой максимально возможной точности принимаемых решений: во-первых, по причине возможной нехватки информации в БД (если имеет место недостаточный для исследования скважины объем статистических данных - результатов проведенных ранее мероприятий по восстановлению ее работоспособности), во-вторых, если этот объем мал по сравнению с выборкой, включающей ретроспективные данные как по рассматриваемой скважине, так и по аналогичным (близким к ней по рабочим параметрам) объектам нефтедобычи.
Таким образом, реанимирование объекта 1 в рамках предлагаемого способа осуществляется с использованием наиболее полного и объективного информационного материала - актуальных и ретроспективных (статистических) данных по текущей скважине и по схожим с ней по характеристикам объектам, что обеспечивает необходимую точность выбора варианта реанимирования.
Далее сформированная выборка исходных данных Д3 подвергается корреляционному анализу (блок 4), цель которого состоит в выявлении закономерностей, позволяющих понять, какое влияние оказывает на результат реанимирования конкретной скважины изменение каждого из ее рабочих параметров (или совокупности параметров) в результате применения того или иного варианта реанимирования. Задача корреляционного анализа заключена в поиске статистических зависимостей (прямых, когда при увеличении (уменьшении) одного из признаков увеличивается (уменьшается) другой признак, или обратных - когда указанный признак, напротив, уменьшается (увеличивается) при увеличении (уменьшении) другого признака) между эксплуатационными характеристиками скважин (диаметр насоса, длина хода станка-качалки, число качаний станка-качалки, горизонт скважины, дебит жидкости и нефти, процент обводненности и т.д.) и результатами реанимационных работ (успех или неуспех реанимирования) для каждого из вариантов реанимирования (увеличение или уменьшение числа качаний станка-качалки скважины с помощью ЧРЭП; увеличение числа качаний станка-качалки посредством установки УШ; увеличение или уменьшение длины хода станка-качалки; промывка скважины технологической жидкостью, нефтью или водой с добавлением специальных химических реагентов).
На основании сведений Д4 о парной и множественной корреляции рабочих параметров объекта 1 с результатами восстановления его работоспособности при реализации каждого из вариантов реанимирования, а также ретроспективной информации Д2, содержащей статистику успеха и неуспеха ранее проведенных на рассматриваемой скважине реанимационных работ и, при недостаточной полноте этих статистических данных, реанимационных работ на скважинах с максимально приближенными к рассматриваемой скважине техническими и эксплуатационными параметрами, формируются (см. блок 5) наборы (выборки) исходных данных Д5 для проведения статистического анализа в блоке 7.
Информация о найденных зависимостях Д4 используется также при выборе варианта реанимирования в блоке 3: поскольку, зная текущие эксплуатационные характеристики и то, в какой мере от каждой из этих характеристик зависит результат реанимирования (все эти сведения включает Д4), можно еще до начала мероприятий на реальном объекте 1 определить вариант восстановления, который будет наилучшим, то есть с наибольшей вероятностью приведет к успешному результату на рассматриваемом объекте - к восстановленной работоспособности скважины. Наряду с информацией Д4 в выборе варианта реанимирования в блоке 3 используются данные Д6, которые представляют собой результаты статистического анализа в блоке 7 факторов, дестабилизирующих процесс реанимирования. Результат Д4 корреляционного анализа в блоке 6 показывает, каким образом (прямая это или обратная зависимость) и в какой степени (определяется значением коэффициента корреляции) исход восстановительных работ зависит от текущих параметров объекта 1. Данные Д6 статистического анализа содержат сведения о числе успешных и неуспешных исходов мероприятий по восстановлению ранее проведенных на рассматриваемой скважине и (или) скважинах, по параметрам, близким к объекту 1, при использовании разных вариантов реанимирования.
На основе полученных в блоке 7 результатов Д6 статистического анализа выбираются исходные данные для статистического имитационного моделирования (СИМ) в блоке 8, которое представляет собой компьютерный эксперимент с имитационной (виртуальной) моделью процесса реанимирования объекта 1. Применение СИМ в блоке 8 позволяет избежать ошибок при реанимировании реальной скважины - за счет неоднократного повторения еще до начала проведения реальных мероприятий компьютерного (виртуального) эксперимента до тех пор, пока не будут получены достоверные данные о возможном ходе реанимационных работ и их наиболее вероятном результате на данной скважине. Статистическая имитационная модель (см. блок 8) получает следующие исходные параметры Д6 для моделирования объекта 1: числовые параметры вероятностных распределений (математические ожидания, среднеквадратические отклонения) случайных факторов, дестабилизирующих процесс реанимирования; значения детерминированных величин: текущая длина хода станка-качалки скважины; число качаний станка-качалки; диаметр нефтяного насоса; дебит нефти и жидкости; процент обводненности рассматриваемой скважины; сведения Д7 о процессе реанимирования: информацию о выбранном варианте реанимирования объекта 1, средней продолжительности применения выбранного варианта восстановления, необходимой для достижения успешного результата работ, алгоритм выполнения операций и общую динамику процесса - продолжительность отдельных операций и их совокупную интенсивность.
На основе исходных данных Д6 осуществляется СИМ в блоке 8, при этом процесс реанимирования рассматриваемой скважины моделируется многократно в соответствии с заданным числом итераций при неизменных исходных значениях параметров моделирования, после чего выходные данные СИМ усредняются и формируют результаты компьютерного эксперимента Д9. Чем больше итераций имел эксперимент, тем более достоверными получаются выходные данные Д9 за счет исключения влияния случайных отклонений данных от их истинных значений, обусловленных статистическим характером исходной информации Д6. К выходным данным Д9 моделирования относятся: информация об успешности (неуспешности) применения к объекту 1 выбранного варианта реанимирования; средняя продолжительность необходимых для достижения успешного результата восстановительных работ или общая продолжительность работ - при неуспешности мероприятий (когда работоспособность скважины восстановить без проведения подземного ремонта не представляется возможным); рабочие параметры скважины после реанимирования при условии их изменения в течение эксперимента. Далее осуществляется принятие решения о целесообразности реанимирования в подсистеме управления (см. блок 4), принимающей решения по реанимированию объекта 1. В случае успешного, по итогам СИМ, результата - прогноза о том, что рассматриваемая скважина, с текущими или измененными в компьютерном эксперименте параметрами, в существующих рабочих условиях и с применением выбранного варианта реанимирования будет с высокой вероятностью в необходимой мере работоспособна, виртуальный (осуществленный на ЭВМ) эксперимент анализируется на целесообразность в блоке 4 и, на основе данных Д10 о результатах моделирования, переносится на реальный объект 1.
В случае неуспешного результата СИМ, когда рассматриваемый вариант реанимирования оказывается неподходящим данному объекту 1, на основе информации Д8 об этом выбирается (в блоке 3) следующий вариант Д7 и запускается новый, аналогичный описанному эксперимент в СИМ модели (см. блок 8). Подбор варианта реанимирования происходит в автоматическом режиме до тех пор, пока с помощью СИМ не будет достигнут (или не достигнут после рассмотрения всех вариантов) целевой результат: успешность восстановления объекта 1. Подобранный вариант Д10 также анализируется на целесообразность в блоке 4 и применяется на реальном объекте 1 - рассматриваемой нефтяной скважине.
После завершения реанимационных работ отчет о результатах проведенного восстановления Д11, вне зависимости от его успеха или неуспеха, заносится в БД ИС. В случае неуспеха, информацию Д11 для проведения анализа причин одновременно получает подсистема управления процессом реанимирования (см. блок 4). В данном случае подсистема управления 4 принимает решение об остановке скважины или выводе ее на подземный ремонт (который является самостоятельным технологическим процессом и в данном случае не рассматривается). Решение Д12 блока 4 по текущему объекту 1 заносится в БД ИС в дополнение к имеющейся информации о данной скважине, что позволяет оперативно пополнять БД о проведенных на месторождении реанимационных работах, формируя массивы исходной статистической информации для осуществления дальнейших компьютерных экспериментов с моделями процессов реанимирования скважин нефтедобывающего предприятия.
Рассмотрим пример технической реализации предлагаемого способа.
Информация Д1 от автоматических датчиков, установленных на скважине (объект 1 или блок 1 на Фиг.2), в виде цифрового сигнала по каналам проводной или спутниковой связи поступает на сервер БД ИС (блок 2) нефтедобывающего предприятия, где записывается на дисковые накопители в соответствующие конкретному объекту 1 области данных. Таким образом, в БД накапливаются массивы ретроспективных данных, которые непрерывно актуализируются текущей, оперативной информацией, поступающих от разных объектов (от разных скважин). Сервер БД работает под управлением СУБД MS SQL Server и представляет собой несколько высоконадежных и производительных аппаратных систем: например, типа IBM x3850 M2 или Dell PowerEdge R900.
На основе сведений о работе скважин Д2, накопленных в БД ИС за предыдущий период, формируются наборы исходных данных об объектах (куда входят данные по скважинам, которые предполагается реанимировать) на нескольких серверах-приложениях (см. блок 5), также представляющих собой системы типа IBM x3850 M2, Dell PowerEdge R900 или их аналоги. При этом исходные данные для корреляционного анализа обрабатываются отдельно от сведений для статистического анализа - на физически разделенных аппаратных платформах, работающих в единой локальной вычислительной сети (ЛВС), что позволяет обеспечить максимальную производительность и сохранность информации в случае сбоя или отказа одной из аппаратных систем.
Корреляционный (см. блок 6) и статистический (см. блок 7) анализ осуществляются на двух независимых группах автоматизированных рабочих мест (АРМ), объединенных на основе ЛВС, по которой на них поступают данные, соответственно, ДЗ и Д5 от одного или нескольких серверов-приложений (см. блок 5). Указанные АРМ представляют собой аппаратные платформы типа IBM System z9, позволяющие в высокоинтенсивном режиме производить необходимые для анализа объемы вычислений на больших массивах данных.
Результаты корреляционного и статистического анализа: Д4 и Д6 соответственно, поступают по локальным сетевым каналам на АРМ (см. блок 3), которое в составе программного обеспечения имеет интеллектуальную систему принятия решений, осуществляющую выбор варианта реанимирования по предлагаемому способу. В техническом плане такое АРМ может быть реализовано в виде ЭВМ с процессором AMD Athlon 64 х2 3800+(двухъядерный, 2.0 GHz), оперативной памятью не менее 3 Гб, накопителем данных объема 300 Гб, работающей под управлением операционной системы семейства Windows NT.
Информация о способе восстановления Д7 из подсистемы выбора варианта реанимирования (см. блок 3) переходит в подсистему статистического имитационного моделирования (см. блок 8), реализованную на платформе IBM System z9, где происходит моделирование процесса реанимирования выбранных для данных целей объектов - скважин эксплуатируемого нефтяного месторождения.
По результатам моделирования подсистема управления (см. блок 4) принимает решение Д10 о реанимировании скважин максимально эффективным в каждом конкретном случае вариантом (для каждой скважины используется вариант восстановления, позволяющий с максимальной вероятностью и минимальными затратами вернуть ее в работоспособное состояние). Информация о принятых решениях Д10 передается по специальным каналам связи на объект 1 (см блок 1 на Фиг.2), откуда подсистема управления (см. блок 4) впоследствии получает электронный отчет Д11 о результатах проведения мероприятий по реанимированию, детализированный по каждой, из числа подвергнутых восстановлению скважине.
Дальнейшие решения по скважинам предприятия: о режимах эксплуатации, капитальном ремонте или выводе в бездействующий фонд и т.п. принимаются и заносятся подсистемой управления (см. блок 4) посредством серверной архитектуры в БД ИС предприятия (см. блок 2).
Система для реализации предлагаемого способа реанимирования нефтяных скважин может быть размещена в одном выделенном помещении - за исключением элементов, расположенных непосредственно на объектах (нефтяных скважинах) и БД ИС, которая может находиться в отдельном офисе предприятия и сообщаться с серверами-приложениями и АРМ системы посредством высокоскоростной ЛВС.
Предлагаемый способ обеспечивает повышение эффективности процесса реанимирования нефтяных скважин за счет выбора (на основе анализа априорной и динамически меняющейся в процессе функционирования объекта информации о нем), наилучшего из совокупности имеющихся и наиболее экономически выгодного варианта реанимирования, без проведения затратного эксперимента, включающего последовательный перебор «вслепую» всех возможных вариантов реанимирования на реальном объекте. Изобретение способствует повышению точности принимаемых решений, сокращению продолжительности процесса восстановления скважин (в ряде случаев - с 2 суток до 2 часов) и снижению нагрузки на специалистов, реализующих реанимирование, за счет уменьшения объема проводимых на скважине работ (для восстановления применяется один или несколько вариантов реанимирования, но не все последовательно до нахождения подходящего) и, как следствие, повышению эффективности нефтедобычи на месторождении в целом.
Литература
1. Рекомендации по определению видов ремонтных работ в скважинах, эксплуатируемых организациями нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, газовой и нефтехимической промышленности. Минэнерго России // Промышленный еженедельник. №28, 2008.
7
2. Система ситуационного управления // Андреев Г.И., Латышев Н.В., Остапенко С.Н. и др. Свидетельство на полезную модель 13103 U1 РФ, МПК  G05B 17/00, №99124885/20; заявл. 01.12.1999; опубл. 20.03.2000.
3. Положение о ведении технологической работы в цехах добычи нефти и газа в ОАО «Татнефть»: СТО ТН 020-2007 // Инженерный центр ОАО «Татнефть». Альметьевск, 2007. - 204 с.
4. Димов Э.М., Маслов О.Н., Пчеляков С.Н., Скворцов А.Б. Новые информационные технологии: подготовка кадров и обучение персонала. Часть 2. Имитационное моделирование и управление бизнес-процессами в инфокоммуникациях. Самара: Изд. СамНЦ РАН, 2008. - 350 с.