СПОСОБ АДАПТИВНОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОВЫМИ И ГАЗОКОНДЕНСАТНЫМИ СКВАЖИНАМИ
METHOD FOR ADAPTIVE AUTOMATIC CONTROL OF GAS CONDENSATE WELLS

Изобретение относится к области добычи газа, а именно к способам управления режимами работы газодобывающей скважины.
Известен способ управления режимами работы газовой скважины, в котором добычу газа осуществляют с ограничением отбора газа, поступающего из межтрубного пространства, путем дросселирования с поддержанием постоянного перепада давления с помощью автоматического управляющего комплекса, в котором анализируют полученные данные и подают команду на автоматический регулирующий клапан расхода газа, оптимизируя суммарный дебет скважины в соответствии с определенной зависимостью с учетом фильтрационных сопротивлений скважины (см., например, патент RU №345266, A1 01.01.1972).
Недостатком известного способа эксплуатации газовых скважин является то, что он не обеспечивает оптимальный уровень управления режимами работы и имеет невысокий ресурс технических средств элементов автоматики.
В качестве прототипа выбран способ для управления потоками в скважине, описанный в патенте RU №2513942 С2, 27.01.2014.
В известном способе для управления режимами работы газовой скважины с ограничением отбора газа, поступающего из межтрубного пространства, путем дросселирования с поддержанием постоянного перепада давления с помощью автоматического управляющего комплекса, анализируют полученные данные и подают команды на автоматический регулирующий клапан расхода газа, оптимизируя суммарный дебет скважины в соответствии с определенной зависимостью и с учетом фильтрационных сопротивлений скважины.
Достоинством прототипа является более высокая точность поддержания постоянства выходных потоков.
Недостатком прототипа, так же, как и аналога, является невысокий ресурс технических средств элементов автоматики. Кроме того, в процессе эксплуатации газовой скважины меняются физические характеристики добываемого из скважины газа, меняется давление газа и расход (дебет) скважины. Это требует перенастройки системы управления добычей газа. В аналоге и прототипе это не предусмотрено.
Задачей изобретения является повышение ресурса технических средств элементов автоматики.
Техническим результатом изобретения является оптимизация адаптивной системы автоматического управления газодобывающей скважины с поддержанием требуемой высокой точности давления выходного газа в условиях изменяющегося расхода газа и изменяющихся параметров самой газодобывающей скважины и обеспечение высокого ресурса технических средств элементов автоматики.
имi
кв
Технический результат достигается за счет того, что в способе управления режимами работы газовой скважины с ограничением отбора газа, поступающего из межтрубного пространства, путем дросселирования с поддержанием постоянства перепада давления с помощью автоматического управляющего комплекса, в котором анализируют полученные данные и подают команды на автоматический регулирующий клапан расхода газа, оптимизируя суммарный дебет скважины в соответствии с определенной зависимостью с учетом фильтрационных сопротивлений скважины, согласно изобретению управление режимами работы газодобывающей скважины формируют на основе адаптивного импульсного регулятора, воздействующего на временной квантователь, в котором происходит фиксация величины управляющего сигнала u(t) в течение заданного периода (кванта) времени с последующим воздействием на исполнительный механизм, управляющий регулирующим клапаном, меняющим количество газа, поступающего в коллектор, следя за квантованным сигналом u, при этом адаптивный регулятор имеет закон регулирования
,
И
Д
П
где k, k - коэффициенты соответственно интегральной и пропорциональной составляющих ПИД закона регулирования, k(t) - общий коэффициент передачи, который изменяется в соответствии с уравнениями:
П
н
k(t)=k+γy(t),
a
ПИДа,кв
Ty′(t)+y(t)=u(t),
а
н
где время фильтрации Т рассчитывается в условных единицах, а k>0 и γ>0 - настраиваемые параметры адаптивного регулятора.
имi
кв
Управление режимами работы газодобывающей скважины на основе адаптивного импульсного регулятора, воздействующего на временной квантователь, в котором происходит фиксация величины управляющего сигнала u(t) в течение заданного периода (кванта) времени с последующим воздействием на исполнительный механизм, управляющим регулирующим клапаном, меняющим количество газа, поступающего в коллектор, следя за квантованным сигналом и, при котором адаптивный регулятор имеет закон регулирования ,
И
Д
П
где k, k - коэффициенты соответственно интегральной и пропорциональной составляющих ПИД закона регулирования, k(t) - общий коэффициент передачи, который изменяется в соответствии с уравнениями:
П
н
k(t)=k+γy(t),
a
ПИДа,кв
Ty′(t)+y(t)= u(t),
а
н
где время фильтрации Т рассчитывается в условных единицах, а k>0 и γ>0 - настраиваемые параметры адаптивного регулятора, позволяет поддерживать требуемую высокую точность давления выходного газа в условиях изменяющегося расхода газа и изменяющихся параметров самой газодобывающей скважины и обеспечивает высокий ресурс технических средств элементов автоматики.
Изобретение иллюстрируется 11 фигурами.
На фиг. 1 изображена структурная схема газодобывающей скважины.
Фиг. 2 демонстрирует принципиальную структурную схему управляющих звеньев.
им
к
На фиг. 3 представлено: (график а) изменение u - сигнала управления исполнительным механизмом регулирующего клапана при воздействии обычного адаптивного ПИД-регулятора; переходной процесс изменения давления Р (график b) с дискретизацией 0,01 с в реальном времени t, с.
На фиг. 4 имеется график, аналогичный фиг. 3, переходного процесса при использовании обычного адаптивного ПИД-регулятора с дискретизацией 5 с в реальном времени t, с.
им
к
На фиг. 5 виден переходной процесс при измененных параметрах: u - сигнала управления исполнительным механизмом (график а); обычного адаптивного ПИД-регулятора и переходной процесс изменения давления Р (график b) с дискретизацией 0,01 с в реальном времени t, с.
ЗПА
кз
им
На фиг. 6 имеется переходной процесс изменения давления р до заданного значения давления р=10 (график b) при начальном u=0 график (а). Настройки ПИД-регулятора те же, что и на фиг. 5. Временной квантователь работал с дискретизацией 5 с.
им
ЗПА
На фиг. 7 - переходные процессы в реальном времени: (а) для u при отработке давления (b) р с измененными параметрами обычного ПИД-регулятора.
На фиг. 8 имеется структурная схема устройства адаптивного управления с ПИД-регулятором, с предлагаемым в данной заявке законом управления.
им
пд
им
п
На фиг. 9 дается представление о переходном процессе изменения давления в коллекторе скважины до заданного значения в системе, в которой обычный адаптивный ПИД-регулятор заменен предлагаемым адаптивным регулятором: а) u - сигнал управления исполнительным механизмом регулирующего клапана; b) Р - призабойное давление u - сигнал управления исполнительным механизмом регулирующего клапана; с) общий коэффициент передачи k. Процесс показан в реальном времени t, с.
к
им
п
На фиг. 10 показан переходной процесс в реальном времени t, с, аналогичный фиг. 9, при отработке давления р(b) в коллекторе с другими значениями u(а), k(с).
к
им
п
На фиг. 11 представлен переходные процессы изменения давления р(b) в коллекторе аналогичный фиг. 9 и 10 при измененных начальных значениях u(а), k(с).
Оптимальная система адаптивного автоматического управления газовых и газоконденсатных скважин устроена следующим образом. Поток газа 1 (фиг. 1) из скважины проходит через регулирующий клапан 2, который связан с исполнительным механизмом 3. Последний находится под воздействием реле времени с задержкой включения (РВЗВ) 4 адаптивного регулятора 5 и сглаживающего фильтра 6. В свою очередь, сглаживающий фильтр 6 сочленен с блоком сравнения 7, реагирующего на сигнал с датчика давления 8, находящегося в потоке газа в (коллекторе) 9 после регулирующего клапана и задатчика давления 10. После регулирующего клапана 2 газ поступает в блок переключающей аппаратуры 11. Регулирующий клапан 2 может изменять проходное сечение и, тем самым, изменять количество газа, проходящего по коллектору.
Адаптивный регулятор 5, в свою очередь, содержит блок адаптации 12 (фиг. 2), блок вычисления ПИД закона управления 13 и фильтр 14. Первым входом блока адаптации 12 является сигнал адаптивного регулятора 5. Выход блока адаптации 12 соединен с входом блока вычисления ПИД - закона управления 13. Выход блока вычисления ПИД - закона управления 13 является выходом адаптивного регулятора 5 и соединен с входом фильтра 14. Выход фильтра 14 подключен ко второму входу блока адаптации 12. Переходные процессы моделировались при различных параметрах обычной системы регулирования с различными параметрами системы управления и при изменении времени дискретизацией дискредитации (фиг. 4, 5, 6, 7).
Управление системой с адаптивным регулятором с законом регулирования
П
осуществляется на основе структурной схемы, согласно фиг. 8. Общий коэффициент передачи k(t) изменяется в соответствии с уравнениями:
П
н
k(t)=k+γy(t),
a
ПИДа,кв
Ty′(t)+y(t)=u(t),
a
где T>50 условных единиц,
н
k>0 и γ>0 - настраиваемые параметры адаптивного регулятора, a y(t) - оценка положения исполнительного механизма.
Фигуры 9, 10, 11 дают наглядное представление о том, что переходные процессы проходят более гладко, отсутствуют колебания, а число включений становится на несколько порядков меньше при использовании предлагаемого оптимального адаптивного ПИД-регулятора.
В описании изобретения приняты следующие обозначения:
пд
Р - призабойное давление;
с
Ρ - давление газа перед регулирующим клапаном;
к
Р - давление газа после регулирующего клапана;
кз
Ρ - задание на давление газа;
зпа
P - давление газа во входном коллекторе ЗПА;
c
q - расход газа из скважины
к
q - расход газа после регулирующего клапана;
им
u - сигнал управления исполнительным механизмом регулирующего клапана.
Способ адаптивного автоматического управления газовых и газоконденсатных скважин действует следующим образом. Задатчик давления 10 (фиг. 1, 2) вырабатывает требуемое значение давления газа в коллекторе. В блоке сравнения 7 происходит сравнение заданного значения давления с текущим значением, генерируемым в датчике 8, давления в коллекторе, которое поступает с датчика давления 8, измеряющего давление в коллекторе 9. Сигнал рассогласования (ошибки), полученный в блоке сравнения 7, поступает на сглаживающий фильтр 6, в котором сглаживаются шумы измерения датчика давления 8. Отфильтрованный сигнал рассогласования поступает на вход адаптивного регулятора 5, который вырабатывает сигнал управления. Сигнал управления с выхода адаптивного регулятора 5 поступает на временной квантователь 4, в котором происходит фиксация величины управляющего сигнала в течение заданного периода (кванта) времени. Квантованный управляющий сигнал с выхода временного квантователя 4 поступает на исполнительный механизм 3, который, воздействуя на регулирующий клапан 2, меняет количество газа поступающего в коллектор 9.
к
ЗПА
им
кз
Оценка эффективности оптимальной системы адаптивного автоматического управления газовых и газоконденсатных скважин проводилась на основе сопоставления с известным автоматическим управляющим комплексом прототипа. Так, на фиг. 3 представлен переходной процесс при отработке давления р в коллекторе скважины от значения р, соответствующего u=0, до заданного значения давления р=20. В качестве регулятора использовался ПИД-регулятор с передаточной функцией вида
<mrow><msub><mi>w</mi><mrow><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>г</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>р</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mi>П</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>k</mi><mi>И</mi></msub></mrow><mi>p</mi></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mi>Д</mi></msub><mi>р</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
П
И
Д
где k=0,019, а k=0,1, k=2.
им
Временной квантователь работал с дискретизацией 0.01 с. При этом число изменений u, равнялось 110, интегральная ошибка - 3615, время установления давления - 78 с, коэффициент перерегулирование составил - 1,47.
к
ЗПА
им
кз
П
И
Д
им
Фиг. 4 показывает как изменится переходной процесс при отработке давления р в коллекторе скважины от значения р при u=0 до заданного значения давления р=20. В качестве регулятора использовался также ПИД-регулятор с настройками k=0,016, а k=0,09, k=2. Временной квантователь работал с дискретизацией 5 с. При этом число изменений u равнялось 13, интегральная ошибка - 4463, время установления давления - 88 с, коэффициент перерегулирование - 1,27.
Из сравнения переходных процессов фиг. 3 и фиг. 4 видно, что введение в контур управления временного квантователя позволяет, существенно уменьшив число включений исполнительного органа, практически не ухудшить качественные показатели работы ПИД систем управления.
Моделируется работа системы управления с ПИД-регулятором с постоянными настройками при различных значениях технологических параметров.
к
ЗПА
им
кз
П
И
Д
На фиг. 5 - переходной процесс при отработке давления р в коллекторе скважины от значения р при u=0 до заданного значения давления р=30. Регулятором был ПИД-регулятор с настройками k=0,018, а k=0,08, k=2,4. Временной квантователь работал с дискретизацией 5 с.
к
ЗПА
им
кз
П
И
Д
На фиг. 6 - переходной процесс при отработке давления р в коллекторе скважины от значения р при u=0 до заданного значения давления р=10. Настройки ПИД-регулятора те же, что и на процессах фиг. 5, т.е. k=0,018, а k=0,08, k=2,4. Временной квантователь работал с дискретизацией 5 с. Из фиг. 6 следует, что при сохранении настроек регулятора в переходном процессе возникают колебания и качество системы управления становится хуже.
к
кз
П
И
Д
На фиг. 7 переходной процесс отработки давления р в коллекторе скважины при р=10. В этом случае с целью обеспечения устойчивости в контуре управления настроечные параметры регулятора были взяты равными k=0,005, а k=0,09, k=2,2. Таким образом, для сохранения качества регулирования нужно менять общий коэффициент усиления в регуляторе.
Из графиков фиг. 3-7 можно сделать два вывода:
1) введение квантования по времени практически не ухудшило качественных показателей работы рассмотренной системы управления в сравнении с качественными показателями работы обычного ПИД-регулятора с высокой частотой изменения сигнала управления;
2) при уменьшении давления газа в коллекторе существенным образом меняются параметры технологического объекта управления, которые при постоянстве настроек регулятора приводят к потере устойчивости системы управления.
Из первого вывода следует целесообразность введения в состав системы управления временного квантователя, наличие которого из-за существенного уменьшения числа включений исполнительного механизма, позволит многократно увеличить его ресурс. Из второго вывода следует необходимость использования в контуре управления адаптивного регулятора, который мог бы в процессе эксплуатации технологического процесса оценивать изменяющиеся параметры и по результатам оценок оптимальным образом корректировать настройки регулятора с тем, чтобы во всех возможных режимах работы скважины гарантированно обеспечить устойчивое и качественное регулирование.
Адаптивное управление осуществлялось на основе модели фиг. 8, в которой обычный ПИД-регулятор заменен адаптивным регулятором с законом регулирования
П
общий коэффициент передачи k(t), в котором изменяется в соответствии с уравнениями:
a
ПИДа
кв
Ty′(t)+y(t)=u,(t),
а
где Т>50 условных единиц,
н
где k>0 и γ>0 - настраиваемые параметры адаптивного регулятора, a y(t) - оценка положения исполнительного механизма.
На фиг. 8 изображена блок-схема адаптивного ПИД-регулятора, который входит в качестве регулятора в блок-схему фиг. 1.
Проверка использования блока адаптации проводилась на основе моделирование его работы при различных значениях технологических параметров.
к
ЗПА
им
кз
н
П
н
ПИДа
им
к
П
На фиг. 9 изображен переходной процесс при отработке давления р в коллекторе скважины от значения р при u=0 до заданного значения давления р=10. Начальное значение k=0,0024, конечное значение, найденное в режиме адаптации, k(t)=k+γu(t)=0,005125. На верхнем графике фиг. 9 изображен сигнал управления u, на среднем - давления р, на нижнем - изменение в переходном процессе общего коэффициента регулятора k(t). Из графиков фиг. 9 следует, что процесс, который при настройках, соответствующих фиг. 6, был неустойчив, за счет адаптации стал не только устойчивым, но и достаточно качественным.
Время переходного процесса фиг. 9 составляет примерно 170 условных единиц, в то время как оптимально настроенный процесс фиг. 7 длился примерно 200 условных единиц.
к
ЗПА
им
кз
н
П
н
a
им
к
П
П
П
На фиг. 10 - переходной процесс при отработке давления р в коллекторе куста скважин от значения р при u=0 до заданного значения давления р=20. Начальное значение k=0,0024, конечное значение, найденное в режиме адаптации, k(t)=k+γu(t)=0,01115. На верхнем графике фиг. 10 - сигнал управления u, на среднем - давление р, на нижнем - изменение в переходном процессе общего коэффициента регулятора k(t). Процессы адаптивного управления, имеющиеся на фиг. 10, в этом случае несколько уступают по быстродействию процессам фиг. 4, т.к. в случае фиг. 4 общий коэффициент усиления k в начальный момент переходного процесса выбирался из расчета высокого быстродействия системы управления и равнялся 0,016, в то время как в случае адаптивного управления начальное значение k(0)=0,0024, которое затем в процессе работы увеличилось примерно в 5 раз.
к
ЗПА
им
кз
н
П
н
a
им
к
П
На фиг. 11 - переходной процесс при отработке давления р в коллекторе куста скважин от значения р при u=0 до заданного значения давления р=30. Начальное значение k=0,0024, конечное значение, найденное в режиме адаптации, k(t)=k+γu(t)=0,0185. На верхнем графике фиг. 11 - сигнал управления u, на среднем - давление р, на нижнем - изменение в переходном процессе общего коэффициента регулятора k(t). Процессы адаптивного управления, как и в предыдущем случае, по быстродействию несколько уступают аналогичным процессам фиг. 5 по тем же причинам, о которых говорилось для случая фиг. 10.
Таким образом, введение в состав системы управления газодобывающей скважиной адаптивного регулятора позволило обеспечить высокую эффективность работы этой системы на всех режимах стабилизации давления в коллекторе скважины. Имеет место оптимизация адаптивной системы автоматического управления газодобывающей скважины с поддержанием требуемой высокой точности давления выходного газа в условиях изменяющегося расхода газа и изменяющихся параметров самой газодобывающей скважины и обеспечение высокого ресурса технических средств элементов автоматики.