ИНТЕРАКТИВНЫЙ ОБУЧАЮЩИЙ КОМПЛЕКС, ИМИТИРУЮЩИЙ РАБОТУ СКВАЖИНЫ
INTERACTIVE LEARNING COMPLEX SIMULATING WELL PERFORMANCE

Изобретение относится к газодобывающей промышленности, в частности к средствам обучения, а именно к учебным тренажерам для приобретения и отработки технологическим оперативным персоналом практических навыков управления и контроля основным технологическим оборудованием газодобывающей скважины, а также для понимания специфики работы скважины в штатном режиме и при возникновении аварийных и иных ситуаций.
В настоящее время отсутствуют наглядные инструменты визуализации протекающих технологических процессов на скважине. Интерактивный обучающий комплекс, имитирующий работу скважины, разработан для понимания специфики работы скважины в штатном режиме и при возникновении аварийных и иных ситуаций, а также для обучения приемам работы и развития у оперативного технического персонала навыков управления и контроля в результате непрерывного интерактивного взаимодействия обучающихся с элементами управления, индикацией, сигнализацией и имитацией оборудования обвязки устья скважины.
Наиболее близкие в данной области наглядные инструменты, отличающиеся визуализацией протекающих технологических процессов на скважине с сигнализацией и эмуляцией логики поведения скважины в штатном режиме и при возникновении аварийных и иных ситуаций, а также инструменты интерактивного взаимодействия с технологическим оборудованием, авторами не выявлены.
Известна система автоматизированного обучения базовым навыкам управления технологическим процессом (патент РФ №81831 «Система автоматизированного обучения базовым навыкам управления технологическим процессом», G09B 9/00, G09B 19/00, опубликовано 27.03.2009). Указанная система относится к автоматизированным средствам обучения и может быть использована в компьютерных средствах обучения специалистов по моделированию и проектированию разработки, в частности, газовых залежей, контроля их знаний и навыков рационального размещения эксплуатационных скважин. К недостаткам данной системы относится отсутствие возможности реализации функций интерактивного взаимодействия, а также сигнализации и эмуляции основных технологических операций как при эксплуатации, так и при моделировании и проектировании разработки газовых месторождений.
Наиболее близким к заявленному техническому решению, принятым за прототип, является учебный тренажерный комплекс (патент РФ №2433482 Учебный тренажерный комплекс «Автоматическое регулирование и теплотехнический контроль», G09B 9/00, опубликовано 10.11.2011). Изобретение относится к средствам обучения, а именно к учебным тренажерам для приобретения и отработки практических навыков технологическим оперативным персоналом по техническому обслуживанию и регулировке приборов теплотехнического контроля и автоматики при первичном обучении и при повышении квалификации. К недостаткам данного учебного тренажерного комплекса следует отнести отсутствие возможности реализации функций отображения динамических параметров и характеристик оборудования, индикации режимов работы, аварийных сигналов и состояния запорной арматуры, отображающихся в «онлайн» режиме индикационных полей.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в расширении функциональных возможностей интерактивного обучающего комплекса, достигаемая за счет обеспечения непрерывного интерактивного взаимодействия обучающихся с элементами управления, индикации, сигнализации и имитации как работы оборудования обвязки устья скважины, так и ведения основных технологических операций при работе скважины в штатном режиме и при возникновении аварийных и иных ситуаций, эмулированных посредством программно-аппаратной платформы.
Техническим результатом является создание интерактивного обучающего комплекса, имитирующего работу скважины, для приобретения технологическим оперативным персоналом знаний о работе оборудования обвязки устья скважины и развития ими навыков по управлению и контролю основными технологическими операциями при работе скважины в штатном режиме и при возникновении аварийных и иных ситуаций посредством непрерывного интерактивного взаимодействия обучающихся с элементами управления, индикации, сигнализации и имитации.
Интерактивный обучающий комплекс, имитирующий работу скважины, построен на базе программно-аппаратной платформы, отличающийся наличием информационных связей между компонентами комплекса, включающего микроконтроллер для обеспечения обработки информационных воздействий с динамической мнемосхемой, являющейся визуализацией процесса использования и работы интерактивного обучающего комплекса, жидкокристаллические панели и светодиодные индикаторы для визуализации состояния технологического оборудования скважины, ряд переключателей для выдачи управляющих воздействий на технологическое оборудование скважины с целью эмуляции на интерактивном обучающем комплексе всех возможных технологических ситуаций при работе скважины в штатном и аварийных режимах.
Сущность интерактивного обучающего комплекса, имитирующего работу скважины, поясняется функциональными схемами (фиг. 1-3).
Динамическая мнемосхема интерактивного обучающего комплекса, имитирующего работу скважины, включает изображение факела 1, оснащенного индикаторами наличия пламени 2 и 3, индикатором режима работы электромагнитного клапана 4, изображение трубопроводов запальных горелок 5 и 6 с индикаторами розжига 7 и 8; изображение фонтанной арматуры 9, оснащенной индикаторами режимов работы ЦЗ 10 (ЦЗ - центральная задвижка) и БЗ 11 (БЗ - боковая задвижка), индикатором давления на устье скважины 12 и индикатором режима работы ПКО 13 (ПКО - подземный клапан-отсекатель); дисплей «Данные ГЖС устья» 14 (ГЖС - газо-жидкостная смесь), показывающий давление на устье скважины 15 и температуру добываемого сырья 16; изображение шлейфа высокой стороны газопровода 17, оснащенного индикатором низкого давления 18, установленным после индикатора режима работы углового дроссельного клапана 19; изображение шлейфа низкой стороны газопровода 20, оснащенного индикаторами сигналов низкого 21 и высокого 22 давления ГЖС; индикатор сигнала низкого расхода на скважине 23; дисплей «Данные ГЖС на низкой стороне» 24, показывающий процент открытия углового дроссельного клапана 25, давление на низкой стороне 26, перепад давления на датчике расхода 27, измеренный расход скважины 28; изображения змеевиков по высокой 29 и по низкой 30 стороне газопровода, оснащенные индикаторами работы пилотной 31 и основной 32 горелок, индикатором погасания пламени 33 контроля основной горелки и дисплеем «Данные подогревателя» 34, показывающим температуру теплоносителя ванны устьевого подогревателя 35, процент открытия регулирующего клапана 36, давление в линии топливного газа 37, температуру ГЖС после подогревателя 38, находящимся в теле устьевого подогревателя 39; изображение линии подачи очищенного газа 40, оснащенное индикатором сигнала низкого давления очищенного газа 41, индикатором сигнала высокого давления очищенного газа 42, индикаторами режимов работы запорного клапана основной горелки 43 и регулирующего клапана 44 на линии основной горелки 45, индикатором режима работы запорного клапана пилотной горелки 46 на линии пилотной горелки 47; дисплей «Данные чистого газа» 48, показывающий расход чистого газа 49 и давление чистого газа 50; дисплей «Данные с УППГ» 51 (УППГ - установка предварительной подготовки газа), показывающий давление ГЖС в ГКП на УППГ 52 (ГКП - газоконденсатопровод) и температуру поступающей на УППГ ГЖС 53; блок управляющих воздействий 54, состоящий из двух дисплеев и двух подблоков, первый из которых - подблок 55, предназначенный для управления устьевым подогревателем 39, содержащий кнопки управления «старт» 56, «стоп» 57 и индикатор состояния 58 устьевого подогревателя 39, кнопки для регулировки температуры ГЖС 59 и 60, кнопки для регулировки температуры теплоносителя ванны 61 и 62, кнопки для регулировки процента открытия регулирующего клапана 63 и 64, кнопки для выбора режима работы устьевого подогревателя 39 по температуре ГЖС 65, по температуре теплоносителя ванны 66, по проценту открытия регулирующего клапана 67, кнопку режима имитации управления ПДС 68 (ПДС - производственно-диспетчерская служба), а также соответствующие им индикаторы работы каждого из режимов 69, 70, 71, 72; дисплей «Уставки подогревателя» 73, показывающий температуру ГЖС 74, температуру ванной 75, процент открытия регулирующего клапана 76, режим управления ПДС 77; второй подблок 78, предназначенный для управления расходом скважины, содержащий кнопки регулирования расхода по уставке 79 и 80, кнопки регулирования процента открытия углового дроссельного клапана 81 и 82, кнопки для выбора режима работы управления расходом по уставке 83, по проценту открытия углового дроссельного клапана 84, кнопку режима имитации управления ПДС 85, а также соответствующие им индикаторы работы каждого из режимов 86, 87, 88; дисплей «Уставки расхода» 89, показывающий уставку расхода ГЖС 90, процент открытия углового дроссельного клапана 91, режим управления ПДС 92; панель блокировок сигналов 93, состоящую из подблоков управления блокировками 94, 95, 96, 97, 98, каждый из которых содержит тумблеры включения/выключения блокировок 99, 100, 101, 102, 103 и светодиодные индикаторы состояния блокировок 104, 105, 106, 107, 108; панель «Отдать управление» 109, содержащую тумблер включения/выключения передачи управления ПО и индикаторы состояния о передаче управления 111 и 112; панель управления фонтанной арматурой 113, состоящую из подблоков управления боковой задвижкой 114, центральной задвижкой 115 и подземным клапаном-отсекателем 116, каждый из которых содержит кнопки «открыт» 117, 118, 119, кнопки «закрыт» 120, 121, 122 и индикаторы состояния всех узлов управления 123, 124, 125; панель моделирования аварийных ситуаций 126, состоящую из подблоков аварийного останова скважины 127, останова скважины 128, имитации сигнала низкого давления на устье 129, имитации высокого давления в шлейфе на низкой стороне 130, имитации низкого давления в шлейфе на низкой стороне 131, имитации сигнала ниже нижнего уровня воды 132 в устьевом подогревателе 39, имитации сигнала отсутствия пламени 133 в устьевом подогревателе 39, имитации погасания факела 134, имитации сигнала высокого давления топливного газа 135, имитации сигнала низкого давления топливного газа 136, имитации срабатывания датчика H2S 137 и подблока сброса логики имитаций 138, включающих кнопки управления каждым подблоком 139, 140, 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148, 149 и кнопку сброса логики 150, индикаторы состояния 151, 152, 153, 154, 155, 156, 157, 158, 159, 160, 161 и индикатор сброса логики 162.
Интерактивный обучающий комплекс, имитирующий работу скважины, работает следующим образом.
При подаче электропитания на интерактивный обучающий комплекс, имитирующий работу скважины, отключены индикаторы режимов работы 10, 11, 13, 19 и индикаторы режима работы запорных и регулирующего клапанов 43, 46, 44, т.е. имитируемая комплексом скважина находится в остановленном состоянии. Имитируемый комплексом устьевой подогреватель 39 также остановлен. Имитация наличия пламени на факеле 1 подтверждается включением индикаторов наличия пламени 2 и 3. Индикатор режима работы электромагнитного клапана 4 отключен. Каждый раз при включении и отключении питания комплекс переходит в данное состояние.
Выполнение работы программы контроллером подтверждается миганием зеленым цветом индикатора состояния о передаче управления 111 в панели «Отдать управление» 109.
Имитация пуска устьевого подогревателя 39 возможна только при отсутствии запрещающих сигналов индикаторов 151, 18, 153, 162, 156, 33, 157, 41, 42, 159, 160, 21, 22. При наличии горящих красным цветом индикаторов в панели моделирования аварийных ситуаций 126, необходимо нажать кнопку сброса логики 150. Имитации аварийных сигналов панели моделирования аварийных ситуаций 126 будут сквитированы, а индикаторы состояния 151, 152, 153, 154, 155, 156, 157, 158, 159, 160, 161 загорятся зеленым цветом.
Для имитации пуска устьевого подогревателя 39 необходимо нажать кнопку управления «старт» 56. Индикатор состояния 58 устьевого подогревателя 39 при этом меняет красный цвет на зеленый. При этом индикатор режима работы запорного клапана пилотной горелки 46 на линии пилотной горелки 47 загорается зеленым цветом, что свидетельствует об имитации открытия клапана пилотной горелки. Далее включение индикатора работы пилотной горелки 31 имитирует появление пламени на пилотной горелке. При этом сигнал «Отсутствие пламени в топке подогревателя» исчезает, о чем свидетельствует зеленый цвет индикатора погасания пламени 33.
Через 5 секунд имитируется открытие клапана основной горелки и регулирующего клапана, о чем свидетельствует зеленый цвет индикаторов режимов работы запорного клапана основной горелки 43 и регулирующего клапана 44.
Загорание зеленым цветом индикатора работы основной горелки 32 имитирует появление пламени основной горелки при поступлении газа в линию основной горелки 45.
Загорание зеленым цветом индикатора режима работы устьевого подогревателя по температуре теплоносителя ванны 70 имитирует запуск устьевого подогревателя 39 с уставкой температуры ванны 75 равной 70°С, изменяемой нажатием кнопок для регулировки температуры теплоносителя ванны 61 и 62.
Загорание зеленым цветом индикаторов 46, 43, 44, 58, 33, включение индикаторов работы пилотной 31 и основной 32 горелок, изменение значений дисплея «Данные подогревателя» 34 по показаниям 35, 36, 37, 38 имитирует успешный запуск и работу устьевого подогревателя с регулированием по ПИ-закону.
Изменение значений температур ванны подогревателя 35 и ГЖС после подогревателя 38, а также отличные от нуля значение процента открытия регулирующего клапана 36 и давление в линии топливного газа 37 имитирует успешный запуск и работу устьевого подогревателя.
Загорание зеленым цветом индикатора режима работы устьевого подогревателя 39 по температуре ГЖС 69 и изменение значения температуры ГЖС 74 имитирует работу скважины и контура регулирования по температуре ГЖС, активируемого кнопкой выбора режима работы устьевого подогревателя 39 по температуре ГЖС 65 и изменяемого кнопками для регулировки температуры ГЖС 59 и 60.
Загорание зеленым цветом индикатора режима регулировки процента открытия регулирующего клапана 71 и изменение значения процента открытия регулирующего клапана 76 имитирует работу скважины в ручном режиме, активируемом кнопкой выбора режима работы подогревателя по проценту открытия регулирующего клапана 67 и изменяемого кнопками для регулировки процента открытия регулирующего клапана 63 и 64.
Загорание зеленым цветом индикатора режима имитации управления ПДС 72 имитирует работу устьевого подогревателя 39 в «дистанционном» режиме, активируемом кнопкой выбора режима имитации управления ПДС 68.
Загорание зеленым цветом следующих индикаторов 13, 10, 11, 19 в указанной последовательности имитирует пуск скважины путем открытия подземного клапана-отсекателя вручную.
Загорание зеленым цветом индикатора сброса логики 162 активацией кнопки сброса логики 150 и загорание зеленым цветом индикаторов состояния блокировок 104, 105, 106, 107, 108 активацией тумблеров включения/выключения блокировок 99, 100, 101, 102, 103 имитирует квитирование всех аварийных сигналов и готовность скважины к пуску.
Загорание красным цветом индикатора низкого давления 18 имитирует наличие низкого давления в шлейфе на высокой стороне газопровода 17 и аварийный останов скважины. После этого загорание красным цветом индикаторов 13, 10, 11 имитирует закрытие соответственно подземного клапана-отсекателя, центральной и боковой задвижек. Включение блокировки тумблером 99 имитирует разрешение на управление фонтанной арматурой с помощью панели управления фонтанной арматурой 113.
Загорание одновременно красным цветом следующих индикаторов 21, 22, 12 и 23 активацией кнопок управления подблоков 143, 142, 145 имитирует приостанов скважины. После этого загорание красным цветом индикаторов 19 и 11 имитирует соответственно закрытие углового дроссельного клапана и боковой задвижки. Загорание зеленым цветом индикаторов 10 и 13 имитирует разрешение на открытие центральной задвижки и подземного клапана-отсекателя, если не включены блокировки тумблерами 99 и 102.
Загорание зеленым цветом индикаторов наличия пламени 2 и 3 имитирует появление пламени на факеле и готовность скважины к пуску.
Загорание зеленым цветом индикаторов 125 и 13 активацией кнопкой управления подземным клапаном-отсекателем «открыт» 119 имитирует открытие подземного клапана-отсекатела и начало пуска скважины, загорание зеленым цветом индикаторов 124 и 10 активацией кнопкой управления центральной задвижкой «открыт» 118 имитирует открытие центральной задвижки, загорание зеленым цветом индикаторов 123 и 11 активацией кнопкой управления боковой задвижкой «открыт» 117 имитирует открытие боковой задвижки.
Загорание зеленым цветом индикаторов 18 и 19 имитирует открытие подземного клапана-отсекателя, центральной и боковой задвижек и поступление ГЖС из пласта в скважину и далее в шлейф до углового дроссельного клапана.
Загорание красным цветом индикаторов 19, 21, 22, 12 и 23 свидетельствует о необходимости отключения блокировок выключением тумблеров 99, 100, 101, 102, 103.
Имитация управления расходом скважины осуществляется в трех режимах - «По уставке», «Процентом открытия клапана FVY-001» и «Передать управление в ПДС».
Загорание зеленым цветом индикатора управления расходом скважины по уставке 86 и изменение значения измеренного расхода скважины 28 имитируют работу скважины в режиме по уставке - в нормальном технологическом режиме, активируемом кнопкой выбора режима работы управления расходом скважины по уставке 83, изменяемом кнопками регулирования расхода по уставке 79 и 80.
Загорание зеленым цветом индикатора процента открытия углового дросельного клапана 87 и изменение значения измеренного расход скважины 25 имитируют работу скважины в режиме по проценту открытия углового дроссельного клапана, активируемом кнопкой выбора режима по проценту открытия углового дроссельного клапана 84, изменяемом кнопками регулирования по проценту открытия углового дроссельного клапана 81 и 82.
Загорание зеленым цветом индикатора режима имитации управления ПДС 88 имитирует работу скважины в режиме дистанционного управления из операторной ПДС, активируемом кнопкой выбора режима имитации управления ПДС 85.
Загорание красным цветом индикаторов 11 и 19 имитирует соответственно закрытие боковой задвижки и углового дроссельного клапана, останов скважины и переход устьевого подогревателя в режим работы по температуре теплоносителя ванны.
Имитация останова скважины осуществляется активацией кнопок 140, 120 и 142, 143 при отсутствии загорания индикаторов состояния блокировок сигналов 105, 106.
Загорание красным цветом индикаторов 12, 23 и 21 или 22 имитирует останов скважины при отсутствии загорания индикаторов состояния блокировок сигналов 105, 106, 108.
Загорание красным цветом индикаторов 46, 43, 44, 33, отключение индикаторов работы пилотной 31 и основной 32 горелок имитирует останов устьевого подогревателя в ручном режиме и закрытие клапанов на линии подачи очищенного газа, активируемых кнопкой управления 57.
Имитация аварийного останова устьевого подогревателя в автоматическом режиме осуществляется активацией кнопок управления 139, 141, 144, 145, 147, 148 панели моделирования аварийных ситуаций 126.
К преимуществам интерактивного обучающего комплекса, имитирующего работу скважины, могут быть отнесены возможность имитации различных режимов работы оборудования обвязки устья скважины, а также эмулирования различных технологических операций при работе скважины в штатном режиме и при возникновении аварийных и иных ситуаций посредством визуализации формируемых интерактивным обучающим комплексом сигналов и оповещений, а также непрерывного интерактивного взаимодействия обучающихся с элементами управления, индикации, сигнализации и имитации.
Таким образом, при осуществлении изобретения получен технический результат, заключающийся в реализации существенных признаков интерактивного обучающего комплекса, имитирующего работу скважины, который позволил расширить функциональные возможности интерактивного обучающего комплекса за счет обеспечения непрерывного интерактивного взаимодействия обучающихся с элементами управления, индикации, сигнализации и имитации как при работе оборудования обвязки устья скважины, так и ведении основных технологических операций при работе скважины в штатном режиме и при возникновении аварийных и иных ситуаций, эмулированных посредством программно-аппаратной платформы.
Из патентной документации не известны подобные технические решения с идентичными существенными признаками, что говорит о его новизне и соответствию этому критерию для изобретения.
Совокупность изложенных выше существенных признаков необходима и достаточна для реализации задачи заявляемого решения. При этом между совокупностью существенных признаков и задачей, поставленной и решаемой изобретением, существует причинно-следственная связь, при которой сама совокупность признаков является причиной, а решаемая ими задача является следствием. Исходя из этих доводов, правомерен вывод о том, что заявляемое техническое решение соответствует установленному критерию - изобретательский уровень (неочевидность).
Заявляемое техническое решение может быть неоднократно реализовано с получением указанного выше технического результата.
Решение, таким образом, соответствует критерию «промышленная применимость».
Предлагаемое решение в качестве изобретения применяется в учебных целях для собственных нужд в Газопромысловом управлении ООО «Газпром добыча Астрахань».