СИСТЕМА АДАПТИВНОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ КУСТА ГАЗОВЫХ СКВАЖИН
ADAPTIVE CONTROL SYSTEM FOR PRODUCTIVITY OF GAS WELL PAD

Изобретение относится к газодобывающей промышленности и может быть использована для автоматического управления и регулирования технологическими процессами сбора и подготовки газа к дальнему транспорту.
Известна автоматическая система управления дебитом кустов газовых скважин (см. авторское свидетельство SU №1529004, кл. F17D 3/00, опубл. 15.12.1989), содержащая исполнительные механизмы, интегрально-пропорциональные регуляторы, задатчики дебита газа, преобразователи разности давлений и датчики давлений. Воздействие на исполнительные механизмы формируют пропорционально перепаду давления, определенному между конечной точкой эталонного шлейфа, выбранного с заведомо известными техническими характеристиками, и конечной точкой каждого последующего шлейфа, при этом дебит газа в эталонном шлейфе поддерживается автономно в зависимости от давления в общем газовом коллекторе.
Величина перепада давлений на каждом шлейфе, кроме эталонного, является нелинейной функцией от расхода газа по шлейфу, поэтому нелинейность сказывается при изменениях величин расхода газа, превышающих определенный диапазон. Это требует перестройки заданий по шлейфам путем ведения поправочного коэффициента по заданию регуляторам. В данной автоматической системе этого не предусмотрено, тем самым, не обеспечивается оптимальное управление скважинами, являющимися сложными динамическими объектами с нелинейной взаимосвязью.
Известна автоматическая система управления производительностью газовых скважин (см. авторское свидетельство SU №667667, кл. E21B 43/00, G05B 19/00, опубл. 15.06.1979), наиболее близкая по технической сущности к предлагаемой полезной модели. Система содержит установленные на регулируемых и базовых скважинах регуляторы расхода газа, подключенные входом к датчикам расхода, а выходом к исполнительным механизмам, установленные на регулируемых скважинах блоки ограничения сигнала, установленные на базовых скважинах ручные задатчики производительности скважин, и подключенный к газосборному коллектору куста пропорционально-интегральный регулятор давления (ПИ-регулятор), последовательно соединенный с амплитудным ограничителем, корректирующим регулятором, а также устройством селектирования, входы которого подключены к выходам регуляторов расхода газа базовых скважин.
В известной системе повышена надежность функционирования и оптимальность управления за счет обеспечения непрерывного автоматического корректирования производительности регулируемых скважин. Вместе с тем, отсутствие обратной связи в управляющем контуре системы не дает возможности коррекции отклонений от задания регулирования (уставки). Необходимость введения уставок через ручные задатчики базовых скважин требует присутствия операторов на промысле, что делает малоэффективным использование системы на территориях газодобычи со сложными природно-климатическими условиями.
Задача предлагаемого изобретения заключается в совершенствовании системы автоматизированного удаленного управления и регулирования технологических процессов газового промысла от кустов газовых скважин в реальном масштабе времени.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предложенной полезной модели, является обеспечение стабильного согласованного управления скважинами куста, повышение точности и качества переходных процессов управления давлением газа в газосборном коллекторе, увеличение рабочего ресурса исполнительных механизмов скважин, повышение надежности и безаварийности, сведение к минимуму «человеческого фактора» при эксплуатации газового промысла.
Для достижения технического результата в автоматической системе управления, содержащей регуляторы расхода газа, установленные на скважинах и подключенные входом к датчикам расхода, а выходом к исполнительным механизмам, задатчики производительности и регулятор давления, подключенный к газосборному коллектору куста скважин, согласно предложенному, в качестве регуляторов расхода газа использованы адаптивные регуляторы, реализующие пропорционально-интегрально - дифференциальный закон регулирования (ПИД-регуляторы), к газосборному коллектору куста скважин подключен отдельный ПИД-регулятор, связанный выходом через временной квантователь с ПИД-регуляторами скважин, а входом, через последовательно соединенные инерционный фильтр и устройство сравнения между заданной величиной давления газа куста скважин и величиной давления газа в коллекторе куста скважин, с датчиком давления газа, установленным в коллекторе куста скважин, при этом задание производительности подается на устройство сравнения от удаленного автоматизированного рабочего места.
Использование в качестве регуляторов расхода газа ПИД-регуляторов позволяет завести в обратную связь отклонения от уставки, что повышает точность управляющего сигнала, обеспечивает высокое быстродействие системы.
Использование адаптивных ПИД-регуляторов обеспечивает подстройку регулирования к изменяющимся режимам работы и характеристикам скважин. За счет применения алгоритма адаптации настроечных параметров регулятора исключается необходимость проведения периодических перенастроек системы регулирования при изменениях характеристик куста газовых скважин, которые возникают вследствие включения или отключения отдельных скважин куста, изменения пластовых условий из-за выработки месторождения или механических изменений в призабойной области скважин. Кроме того, адаптивные ПИД-регуляторы позволяют управлять кустами скважин с различной мощностью (величиной пластового давления), поскольку не дают дебиту менее мощной скважины выйти за область допустимых значений, а скважинам с более мощным дебитом не дают передавливать скважины с меньшим пластовым давлением.
ПИД-регуляторы, установленные на скважинах, исключают необходимость применения блока ограничения сигнала, используемого в наиболее близком аналоге. Осуществляя сравнение текущего дебита скважины с граничными значениями, в случае достижения максимального или минимального допустимого значения расхода газа, ПИД-регулятор [см. Энциклопедия АСУ ТП, п.5.2., классический ПИД-регулятор, интернет ресурс http://www.bookasutp.ru/Chapter5_2.aspx.] скважины переводит ее работу в режим интегрального закона регулирования, не позволяя дебиту скважины выйти за область допустимых режимов работы.
Установкой в контуре системы временного квантователя добиваются формирования управляющего сигнала от ПИД-регулятора квантованным по времени в строго определенные моменты времени, которые отстоят друг от друга на одинаковый шаг. Сигналы подаются последовательно на исполнительные механизмы каждой скважины с задержкой по времени, достаточной для завершения переходных процессов. За счет этого, во-первых, достигается синхронизация подачи управляющих сигналов на исполнительные механизмы скважин и тем самым обеспечивается стабильное согласованное управление одновременно скважинами куста, а, во-вторых, увеличивается ресурс регулирующей арматуры за счет снижения общего числа включений исполнительных механизмов.
Инерционный фильтр, исполняя функцию задержки выдачи управляющего сигнала на исполнительные механизмы, позволяют лишний раз не подавать сигнал на их клапаны, тем самым увеличивая рабочий ресурс исполнительных механизмов скважин.
Установка устройства сравнения на входе ПИД-регулятора, подключенного к газосборному коллектору куста скважин, формирует ошибку регулирования между заданной величиной давления газа куста скважин и величиной давления газа в коллекторе куста скважин, что оптимизирует управление и регулирование за счет обеспечения непрерывного автоматического корректирования производительности.
Подача задания производительности происходит от автоматизированного рабочего места, которое состоит из программно-технического комплекса автоматизированных систем, предназначенных для автоматизации деятельности определенного вида [см. ГОСТ 34.003-90 п.2.22 «Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.- М.: Стандартинформ, 1992.], а не от ручных задатчиков, расположенных непосредственно на газовом промысле, и обеспечивает возможность удаленного управления процессом газодобычи, сокращая «человеческий фактор» при эксплуатации газового промысла.
Предлагаемая система управления представлена на чертеже.
Система содержит ПИД-регуляторы 1 расхода газа скважин, подключенные входом к датчикам 2 расхода, а выходом к исполнительным механизмам 3. К газосборному коллектору 4 куста скважин через датчик 5 давления газа подключен ПИД-регулятор 6 давления, который связан выходом через временной квантователь 7 с ПИД-регуляторами 1 скважин, а входом - с устройством 8 сравнения и инерционным фильтром 9. Устройство 8 сравнения подключено к автоматизированному рабочему месту 10.
Система автоматического управления производительностью куста газовых скважин работает следующим образом.
Осуществляют добычу газа на промысле с помощью кустов газовых скважин с регулированием производительности (дебитов) скважин и давления в коллекторе 4 куста, которое определяет баланс между газом, добываемым и отбираемым по кусту скважин. На устьях скважин установлена фонтанная арматура с электроприводными исполнительными механизмами 3 регулирующих клапанов. Управление и регулирование осуществляют за счет увеличения или уменьшения суммарного по кусту дебита скважин путем подачи управляющих сигналов на исполнительные механизмы 3.
кз
Для поддержания заданной производительности куста скважин давление в газосборном коллекторе 4 куста должно находиться в пределах допустимых значений. Заданную величину давления p газа в кусте скважин задают в устройство 9 сравнения с автоматизированного рабочего места 10, расположенного на установке комплексной подготовки газа (УКПГ), которая может быть удалена от скважин на десятки километров.
кз
кз
к
кв
кi
min
max
При изменении отбора газа установкой УКПГ давление газа в газосборном коллекторе 4 отклоняется от заданной величины p. Устройство 9 сравнения формирует ошибку разбаланса между заданной величиной давления p и величиной давления p газа в кусте, фиксируемой датчиком 5 давления. Через инерционный фильтр 8 сигнал ошибки подается на ПИД-регулятор 6, преобразующий его по пропорционально-интегрально-дифференциальному закону в сигнал, который через временной квантователь 7 в виде управляющего воздействия u поступает на вход ПИД-регуляторов 1 скважин. ПИД-регуляторы 1 расхода газа поддерживают производительность скважин постоянной. Каждый из регуляторов 1 расхода газа осуществляет сравнение текущего дебита q скважины после датчика 2 давления с граничными минимальным q и максимальным q значениями. В случае достижения допустимого значения расхода газа (с учетом запасов регулирования до ограничений) регулятор 1 переводит работу такой скважины в режим интегрального закона регулирования, отключая от ПИД-регулятора 6.
кв
В то же время ПИД-регулятором 6 осуществляется управление исполнительными механизмами 3 скважин, не вышедших на ограничения, с помощь квантованного по времени управляющего воздействия u. При этом подача управляющих сигналов на скважины куста синхронизирована, процессы "раскачивания" системы снижены.
к
к
Величина давления газа p по кусту скважин и величина расхода q газа в коллекторе 4 куста скважин фиксируется датчиком 5 давления газа в коллекторе 4 куста скважин. Средняя арифметическая взвешенная мощность куста скважин отслеживается устройством 9 сравнения, и по ее величине ПИД-регулятором 6 осуществляется адаптация системы к изменяющимся условиям эксплуатации скважин за счет алгоритма подстройки настроечных параметров адаптивного ПИД-регулятора 6.