Основные проблемы и пути решения интеллектуализации подземных хранилищ газа в России

УДК 622.691.24

А.С. Гарайшин, А.В. Григорьев, С.А. Хан, АА Ковалев

Основные проблемы и пути решения интеллектуализации подземных хранилищ газа в России

Интеллект - специфическая категория, близкая по значению к понятию «мышление». Интеллектуализация - это процесс постоянного обогащения знаниями, приводящий к увеличению доли интеллектуального труда в деятельности человека (общества). Интеллектуальная деятельность как одна из разновидностей труда направлена на уточнение информации об объектах окружающего мира. Возможности компьютера и его программного обеспечения являются средством аккумуляции знаний, дальнейшего структурирования и формализации информации для разработки разнообразных интеллектуальных систем, участвующих в поддержке и развитии информационных обменов.

Во всех областях разработки автоматизированных систем управления (АСУ) наметился переход от автоматизации, в основе которой лежало функциональное проектирование, к автоматизации на основе алгоритмизации бизнес-процессов и создания соответствующих информационных технологий. Производственные бизнес-процессы определяют операции и порядок их выполнения для выпуска заданного продукта. А интеллектуализация выполняет стимулирующее воздействие интеллектуальным капиталом - знаниями - на экономический объект, который непрерывно привлекает, производит, распространяет компоненты интеллектуального капитала, поддерживая этим трансфер и диффузию различных видов капитала, продвижение новых и специальных знаний, товаров и услуг.

В настоящее время ПАО «Г азпром» проводит обширную программу реконструкции действующих подземных хранилищ газа (ПХГ) и строительство новых объектов. Соответственно, возрастает роль систем автоматизации как первого этапа интеллектуализации ПХГ, расширяется круг решаемых ими задач, повышаются требования к создаваемым системам и ожидания от результатов их внедрения. Целью автоматизации ПХГ является обеспечение безопасности функционирования хранилищ и повышение эффективности работы оборудования при снижении затрат на хранение природного газа. Актуальность вопросов автоматизации и интеллектуализации ПХГ обусловлена рядом следующих факторов:

• требованием повышения мощностей и производительности ПХГ по отбору;

• совершенствованием технологий, усложнение оборудования и установок;

• повышением безопасности, в том числе экологической;

• расширением возможностей регулирования и оптимизации режимов работы;

• стремлением к малолюдным технологиям обслуживания;

• экономической целесообразностью снижения затрат на топливный газ, метанол и другие расходные материалы.

Комплексная автоматизация и интеллектуализация позволяют оптимизировать работу ПХГ и при равных затратах обеспечить большую мощность отбора газа и производительность оборудования.

Автоматизация является важным условием обеспечения безопасной и эффективной эксплуатации ПХГ. Автоматизированные системы обеспечивают оперативный контроль за объектами ПХГ, непосредственно управляют механизмами и технологическими установками, решают задачи управления связанными с хранением газа бизнес-процессами, выполняют геологическое моделирование и расчеты режи-

№ 3 (23) / 2015

Ключевые слова:

подземное хранилище газа, контроль за эксплуатационными параметрами, интеллектуальные системы управления, малолюдные технологии, условия

функционирования.

Keywords:

underground gas storage,

control of operating

parameters,

intelligent control

systems,

uncrowded

technology,

operating conditions.

VGN-3-23-2015-v24.indd 73

21.08.2015 9:59:36

74

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

мов хранения и отбора газа и многие другие задачи. Контрольно-измерительные приборы, системы управления, ЭВМ применялись на ПХГ практически с самого начала развития отрасли в 1950-1960-х гг. [1].

Современные информационные технологии позволяют комплексно подходить к задаче автоматизации ПХГ, создавать так называемые интегрированные управляющие системы объектами подземного хранения. Высокоскоростные оптоволоконные шины передачи данных, мощные программируемые логические контроллеры, интеллектуальные приборы и приводы, программные продукты обеспечивают реальную горизонтальную и вертикальную интеграцию данных и задач управления, выводят возможности автоматизации на принципиально новый уровень (рис. 1). Развитие прикладного математического аппарата одновременно с расширением возможностей информационных технологий позволяет эффективно решать и специфические для ПХГ задачи моделирования, прогнозирования, расчета режимов хранения и отбора природного газа.

Существенным моментом, непосредственно влияющим на повышение производительности ПХГ, является внедрение новой техники и технологий подземного хранения газа. ПАО «Г азпром» осуществляет разработку и внедрение новых газоперекачивающих агрегатов для хранилищ газа, в частности газоперекачивающих агрегатов пятого поколения, новых систем подготовки газа, осушки, регенерации гли-колей и метанола, другого оборудования.

Большое внимание уделяется автоматизации газосборных пунктов, оснащению их регуляторами расхода газа для каждой скважины.

В настоящее время практически на всех объектах имеется возможность вычисления расхода газа по скважинам с последующей оптимизацией режимов работы скважин, в том числе с точки зрения геологических особенностей расположения скважин. Управляемые приводы и краны-регуляторы повсеместно используются и на площадках головных сооружений, в технологических контурах очистки и осушки газа [2].

Вычисление и контроль в реальном времени расхода газа по скважинам и на других технологических участках ПХГ, регулирование режимов работы скважин и установок с использованием управляемых приводов возможны только при автоматизации соответствующих технологических площадок.

Автоматизация и интеллектуализация позволят внедрить малолюдные технологии управления и обслуживания ПХГ. В настоящее время ПАО «Г азпром» не планирует отказаться от круглосуточного дежурства диспетчерского и технического персонала непосредственно на ПХГ. Наличие персонала на ПХГ вызвано особенностями технологического процесса, масштабами производства, неполным объемом автоматизации, удаленностью объектов, сложившимися традициями управления и их обслуживания. Однако вполне реальна задача снижения числа постов управления и операторных (диспетчерских), уменьшения численности дежурной смены, переноса большего числа задач на автоматику.

В ПАО «Газпром» внедрение решений по автоматизации и интеллектуализации особенно актуально для вновь строящихся ПХГ. При создании новых объектов изначально должна быть предусмотрена автоматизация всех установок

Рис. 1. Взаимосвязь современных программных средств и базы данных в целях интеллектуализации ПХГ

№ 3 (23) / 2015

VGN-3-23-2015-v24.indd 74

21.08.2015 9:59:36

Проблемы разработки и эксплуатации газовых, газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений

75

и технологических процессов с созданием общей диспетчерской ПХГ.

Необходимость применения интеллектуальных систем на ПХГ как подотрасли газовой промышленности обусловлена сложностью решаемых задач и динамичностью процесса хранения газа.

Внедрение на предприятиях автоматизированных технологических комплексов, построенных на принципах малолюдных технологий, является основным направлением повышения эффективности производственной деятельности ПАО «Газпром». При внедрении малолюдных технологий особую роль играет применение надежного технологического оборудования, позволяющего реализовать алгоритмы автоматического управления и регулирования (пуск, остановка, изменение технологического режима).

В современных условиях хранение, закачка и отбор газа являются сложными технологическими процессами, которые при неправильном проведении геофизического и технологического мониторинга (погрешности в определении состояния ПХГ и недостаточная диагностика скважин) могут привести к потере ресурсов и авариям техногенного характера.

Немаловажным обстоятельством, придающим особую значимость реализации интеллектуальных систем управления технологическими режимами именно на ПХГ, является то, что в отличие от процесса разработки газовых месторождений эксплуатация ПХГ - длительный, многократно повторяющийся процесс циклического характера. Поэтому, с одной стороны, имеется возможность отладить новую систему в повторяющихся условиях, а с другой - эффект от долговременного функционирования системы может быть намного выше.

Спрос на услуги подземного хранения газа в мире в последние годы стабильно растет. Важнейшим направлением развития ПХГ в России и других странах является повышение суточной производительности хранилищ при соблюдении безопасности и надежности функционирования объектов. Другой задачей является общее увеличение объемов хранимого газа. Для решения этих задач ПАО «Газпром» осуществляется строительство новых объектов и модернизация действующих. В обоих случаях важную роль играет автоматизация ПХГ. При этом перед разработчиками ставится задача не только создания отдельных локальных

№ 3 (23) / 2015

систем автоматики, но и комплексной автоматизации хранилища в целом как единой технологической системы. Именно при таком подходе возможно комплексно оптимизировать работу хранилища, снизить затраты на его эксплуатацию и повысить производительность.

Интеллектуализация является одним из направлений повышения эффективности эксплуатации ПХГ. Развитие интеллектуального подхода к обустройству современных хранилищ становится все более актуальным в условиях усложнения разработки и необходимости снижения затрат. Первоначальные инвестиции во внедрение интеллектуальных систем управления достаточно быстро окупаются и затем на протяжении длительного времени обеспечивают высокую рентабельность эксплуатации [3].

Внедрение интеллектуального ПХГ - это долгий путь, который начинается с главного -построения системы сбора надежных данных и оценки их корректности. Не секрет, что существующие данные далеки от совершенства и являются неполными.

Сегодня достаточно предпосылок для того, чтобы создать интеллектуальное ПХГ, и, главное, очень высокий уровень автоматизации и информатизации наземного комплекса ПХГ. Индивидуальные сепараторы, датчики расхода, давления, температуры и мехпримесей для каждой эксплуатационной скважины; управляемые штуцеры и задвижки - это все реалии сегодняшнего дня. Неслучайно система автоматизации ПХГ по стоимости приближается к трети стоимости ПХГ.

Сейчас по многим ПХГ уже созданы математические геологические и фильтрационные модели, которые открывают большие возможности для моделирования различных вариантов эксплуатации искусственной газовой залежи и могут быть использованы в АСУ. Но здесь кроется основная проблема, которая препятствует созданию интеллектуальных ПХГ. Это связано с тем, что наши знания о динамических процессах, происходящих в недрах при эксплуатации ПХГ, недостаточны для того, чтобы создавать математические модели, корректно описывающие поведение искусственной газовой залежи в режиме реального времени [4].

В системе интеллектуализации ПХГ уже многое сделано, ряд составных частей этой системы уже создан, но нет главного - надежной системы контроля искусственной газовой залежи. Математические модели плохо адап-

VGN-3-23-2015-v24.indd 75

21.08.2015 9:59:36

76

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

тируются для ПХГ, так как в пласте - объекте эксплуатации - происходят более сложные и разнонаправленные флюидодинамические процессы. На сегодняшний день эти процессы слабо изучены, не построены алгоритмы изменения геофизических параметров от объема газа в той или иной зоне хранилища и для разных горно-геологических условий. Сама система контроля эксплуатации ПХГ методами геофизического исследования скважин устарела. К этому следует добавить, что задача адаптации модели по фактическим данным эксплуатации газовой залежи принципиально некорректна, поэтому надежные алгоритмы изменения геофизических параметров от объема газа в хранилище не определены. На настоящий момент не существует и технологических моделей ПХГ с учетом пластовой системы для объективного применения зонной закачки и отбора газа с учетом состояния искусственной газовой залежи.

Объекты ПХГ необходимо связывать с понятием интеллектуализации ПХГ, которое может быть отражено, например, в виде оптимизации эксплуатации ПХГ по алгоритмам эффективного формирования искусственной газовой залежи, основанной на постоянном геолого-геофизическом контроле, включенном в автоматизированную систему управления.

Будущее подземного хранения газа - за интеллектуальными автоматизированными системами, способными реализовывать оптимальные режимы функционирования и предотвращать нештатные ситуации при эксплуатации ПХГ. Это связано с прогрессом компьютерных технологий. По словам ученых из IBM, сопоставимый с мощностью и эффективностью человеческого мозга компьютер может быть разработан к 2019 г. Непрерывное увеличение объемов цифровой информации и ее усложнение ведут к необходимости создания нового типа вычислительных систем, которые в огромном потоке информации смогут вылавливать нужные и важные данные и делать это с более высокой точностью. В бизнесе такие системы смогут анализировать большие объемы данных, помогая принимать верные решения.

Внедрение интеллектуализации ПХГ - это изменение подхода к проектированию систем и программному обеспечению бизнес-процессов принятия решений, а не инвестиции в дорогостоящее оборудование. Ожидаемые эффекты от внедрения складываются из уменьшения затрат на проектирование и капитальное строи-

тельство, реагенты, текущее обслуживание и ремонт за счет использования систем самодиагностики, уменьшения потерь при эксплуатации ПХГ путем быстрого реагирования и удаленного управления. Расходы на обучение персонала также снижаются, так как требуется меньшее количество сотрудников. Данные со скважин получаются более качественными, система становится безопаснее, а проблемы быстро идентифицируются, и их можно оперативно решать по мере возникновения [5].

С точки зрения применимости на ПХГ интеллектуализация - это процесс управления режимом работы хранилища на основе расчетных комплексов посредством АСУ при минимизации субъективных факторов (рис. 2).

На сегодняшний день на всех действующих объектах ПХГ в РФ основная роль при выборе той или иной стратегии управления технологическими процессами отведена геологической и технической службам. Объекты ПХГ усложняются, и решения приходится принимать в условиях быстро изменяющейся ситуации. В этом случае нет гарантии, что специалист примет наиболее оптимальное решение.

Целью интеллектуализации технологических процессов ПХГ является разработка комплекса технико-технологических решений управления продуктивными характеристиками эксплуатационных скважин, направленных на выполнение оптимального режима эксплуатации хранилища в динамических условиях на определенный момент времени.

Управление технологическими процессами эксплуатации ПХГ можно разбить на три этапа:

1) контроль и получение информации о текущем состоянии объекта, а также о заданиях, стоящих перед объектом в данный момент времени;

2) анализ полученной информации и принятие решения о той или иной системе управления;

3) реализация принятого решения посредством воздействия на управляющие элементы.

Для своевременного принятия решения и контроля качества использованных технологических операций по реализации оптимального режима работы интеллектуальная система ПХГ должна быть способна решать комплекс ежеминутных задач посредством следующих систем:

• информационной (система получения параметров);

№ 3 (23) / 2015

VGN-3-23-2015-v24.indd 76

21.08.2015 9:59:36

Проблемы разработки и эксплуатации газовых, газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений

77

Телеметрия Паспортные архивные данные

Рис. 2. Схема автоматического управления работой ПХГ как первый шаг к интеллектуализации

• системы принятия решения (сравнения с допустимыми значениями);

• регулирования (система разработки вариантов);

• управления (техническая система).

Относительную интеллектуальность эксплуатации ПХГ можно классифицировать по трем уровням:

I) автоматизированный поток данных -осуществляется обратная связь: прием данных, их анализ и корректирующие воздействия;

II) наблюдение и оптимизация - отражается имеющаяся ситуация, но с управляющим воздействием: анализ данных, сравнение и проверка моделей, управление моделями и определение направления воздействий;

III) цифровое подземное хранилище - интеграция процессов, оптимизация, автоматизация и эксплуатация (дистанционно, если возможно) с упреждением.

В последнее время подземные хранилища газа постепенно переходят от режима сглаживания сезонной неравномерности газопотребления на более гибкий режим эксплуатации. Для более надежной работы ПХГ в таком режиме операторам поможет применение интеллек-

№ 3 (23) / 2015

туальной или интеллектуализированной (если принятие финального решения остается за человеком) системы.

Интеллектуализация - создание автоматизированной системы поддержки принятия (диспетчерских) решений (СППДР). Необходимым условием внедрения СППДР является начальная автоматизация ПХГ, которая в современной форме представляет собой создание и внедрение интегрированной АСУ технологическим процессом (АСУТП) (рис. 3).

Рис. 3. Концепция интеллектуализации ПХГ

VGN-3-23-2015-v24.indd 77

21.08.2015 9:59:36

78

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

Список литературы

1. Карюк В.М. Автоматизированная система сбора информации на подземном хранилище газа, построенная на принципах беспроводной сенсорной сети / В.М. Карюк, В.А. Шалимов, М.Н. Балуев и др. // Материалы II Межд. конф. «UGS: Sustainability and Efficiency». - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2008.

2. Карюк В.М. Апробация элементов беспроводных сенсорных сетей для мониторинга приустьевых параметров эксплуатационных скважин на Краснодарской СПХГ в сезон закачки газа 2005-2006 гг. /

В.М. Карюк, А.Ф. Кушнарев, М.А. Балавин

и др. // Материалы Межд. конф. «Подземное хранение газа: надежность и эффективность». -М., 2006. - С. 113-122.

3. Бузинов С.Н. Совершенствование системы контроля за эксплуатацией Карашурского ПХГ: достаточность и пути совершенствования /

С.Н. Бузинов, А.С. Гарайшин, Р.А. Плотицин // Материалы Межд. конф. «Подземное хранение газа: надежность и эффективность». - М.,

2006. - С. 192-211.

4. Браун К. Технология интеллектуальных скважин на подземных хранилищах газа /

К. Браун, К. Чандлер и др. // Oil field review. -2008.

5. Рубан Г.Н. Современные возможности

и предпосылки создания интеллектуальных ПХГ / Г.Н. Рубан // Территория Нефтегаз. -2011. - № 6.

№ 3 (23) / 2015

VGN-3-23-2015-v24.indd 78

21.08.2015 9:59:36