Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оптимизация подготовки газа на основе имитационного моделирования процессов абсорбционной осушки и гидратообразования нечеткими системами

ВАК РФ 25.00.17, Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Автореферат диссертации по теме "Оптимизация подготовки газа на основе имитационного моделирования процессов абсорбционной осушки и гидратообразования нечеткими системами"

На правах рукописи

УДК 622+ 550.832+ 519.688

005015476

АБДУЛЛАЕВ Ровшан Вазир оглы

ОПТИМИЗАЦИЯ ПОДГОТОВКИ ГАЗА НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ АБСОРБЦИОННОЙ ОСУШКИ И ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ НЕЧЕТКИМИ СИСТЕМАМИ

Специальность:

25.00.17 - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 мдр 2072

Москва-2012

005015476

Работа выполнена на кафедре «Математические технологии в нефтегазовом машиностроении» ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет» (ИжГТУ).

Научный руководитель: - Лялин Вадим Евгеньевич,

заслуженный изобретатель РФ, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: - Кузнецов Александр Михайлович,

доктор технических наук, ОАО «НК» Роснефть», заместитель директора департамента научно-технического развития и инноваций

- Хафизов Айрат Римович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» (УГНТУ), декан горно-нефтяного факультета

Ведущая организация: - Волго-Уральский научно-исследовательский

и проектный институт нефти и газа (ООО «ВолгоУрапНИПИгаз»)

Защита состоится 21 марта 2012 г., в 1600 часов, на заседании диссертационного совета ДМ 002.263.01 при Научном центре нелинейной волновой механики и технологии РАН (НЦ НВМТ РАН) по адресу: 119334, Москва, ул. Бардина, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НЦ НВМТ РАН по адресу: 119334, Москва, ул. Бардина, д. 4.

Автореферат разослан 20 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

А.П. Аверьянов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В условиях падающей добычи на Уренгойском нефтегазоконденсатном месторождении (УНГКМ) вопросы разработки и внедрения новых технологий, направленные на обеспечение эффективно^ работы установок подготовки газа, приобретают особую значимость.

На газовых промыслах организуется комплексная подготовка газа к дальнему транспорту, в схеме которой основную роль играют массообменные аппараты. Усилия специалистов направлены на разработку технических решений, позволяющих интенсифицировал» процесс массообмена, увеличить производительность и уменьшил, унос из абсорбента из аппаратов. В последние года в России, в связи с более жесткими требованиями к качеству подготовки газа, появилась необходимость создания аппаратов более совершенных конструкций с высокой производительностью и эффективностью. По технико-экономическим соображениям требуется модернизация существующих аппаратов для их эксплуатации на завершающей стации разработки месторождений при пониженных давлениях, повышенных температуре и вла-госодержании газа без ввода дополнительного технологического оборудования.

Разрабопса современных технологических процессов переработки природ ного углеводородного сырья и оптимальная эксплуатация действующих производств невозможна без применения моделирующих программ, позволяющих без значительных материальных и временных затрат производить исследования этих процессов. Такие модельные исследования имеют огромное значение не только для проектирования, но и для функционирования существующих производств, так как позволяют учесть влияние внешних факторов (изменение состава сырья, изменение термобаро-динамических параметров процесса осушки, сезонное изменение требований к конечным и промежуточным продуктам и тд.) на показатели действующих производств. Однако полный расчет всей технологической цепочки под готовки природного газа чрезвычайно сложен. Для многостадийных процессов, в которых осуществляются разнообразные физические, химические явления, построение детерминированных математических моделей становится очень сложной задачей. В таких случаях возможны подходы, основанные на методах системного моделирования.

Анализ технологических схем подготовки и переработки природного углеводородного сырья, экспериментальное и численное моделирование физических процессов подготовки промыслового газа являются важными и актуальными задачами обеспечения требуемых потребительских свойств природного газа. Кроме того, в условиях имеющейся неопределенности воздействия множества факторов на производственные процессы, актуальной задачей является также применение подходов системного моделирования, таких как методов нечеткой логики, нейросетевых методов и эволюционных алгоритмов.

Объектом исследования являются технологические процессы и аппараты подготовки природного углеводородного сырья в системе комплексной подготовки природного газа к дальнему транспорту.

Предметом исследования являются методы и модели расчета многофазных течений в аппаратах подготовки природного газа; методическое обеспечение проектирования технологических процессов осушки природного газа; методы нечеткого моделирования сложных систем.

Цель работы состоит в проведении комплексных исследований, направленных на получение научно-обоснованных технических и методических решений по оптими-

подготовки газа на основе имитационного моделирования процессов абсорбци-онши осушки и гидратообразования нечеткими системами, тира^иртвание кХрых на всех устройствах комплексной подготовки газа (УКГТГ) позволят ГрочшъТриод компрессорной эксплуатации продуктивных залежей Уренгойского м^^^модешя^ Для рештизации поставленной цепи необходимо решить следующие задачи-

бо„п™Р Ь численнУю модель образования гидратов в аппаратах и трубопроводах; провести численные расчеты неравновесного течения природного газа с конденсированной фазой в каналах сложной формы- Р Р

то«.и"^ТНИТЬ эФФективи0СГ!> работы массообменных аппаратов для подготовки газа при моделировании термогазодинамических процессов и разработать рекомендации по режимам их эксплуатации в промысловых условия? чинно"™°ТаТЬ нау4н°;технические Рец™ ДЛЯ построения нечетких' при-СеТСИ' М0ДеЛИРУЮЩИХ ~ые технологические пРоцРес-

- построить имитационную модель технологического процесса подготовки природного газа на основе эмпирических и экспертных данных полненных в результате анализа абсорбционных процессов осушки природаоГГа и осложнении, возникающих в процессе гликолевой осушки на'ШГКМ в компрессорный период эксплуатации; компрес-

тивной Зп™аТЪ Предлагаемые подходы ПРИ выработке решений по эффек-тивноиэксплуатациисуществующего нефтегазоносного комплексаУНГКМ

ннлг Методы исследования. В работе применялись методы планирования ЭКСПерИМеНТа' ЧИСЛенные газоди1шмики мно°офаз-

"аь;х^е^1рас4ега ДИНаМИКИ образования гВДРатов в технологических аппаратах применялся метод контрольного объема при решении уравнений двухфазной гидродинамики в областях сложной формы нении двух

влече'ияТнГиГ" ТаКЖе ИСП°Льзовались методы системного анализа и из" эмпирических данных. При построении причинно-следственнои сети, моделирующей технологические процессы подготовкиГ, использовались мстоды нечеткой логики и нейросетевые м^ ОбунеГ;

тп7п11И идентификация моделей проводились „а основе теорстичесГх методов струетурно-параметрической адаптации. шческих ме

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтвержда^ся сопоставительным анализом разр^бсяаш^Т^ествую-щих математических моделей и методов, а также данными процесса промысловой подготовки природного газа сеноманской и валанжинской залежей УНГКМ ня Математические модели и алгоритмы, используемые в работе, основаны на фундаментальных методах теоретической и экспериментально! гадр" мики, а также на современных положениях теории обычных и нечетких мно жеств и принципах построения экспертных систем. нечетких мно-

На защиту выносятся результаты применения научно-обоснованных технических решений по оптимизации подготовки газа, в том числе

труба*; М°ДеЛЬ Ра3°ВаИИЯ ГВДраТ0в "Р" течении сырого природного газа в

- математическая модель неравновесного течения природного газа с конденсированной фазой в каналах сложной формы;

- технологические и конструкторские решения улучшения работы аппара-

тов воздушного охлаждения (ABO) сырого газа;

- метод моделирования сложных технологических процессов с помощью причинно-следственной сети;

- нечеткая имитационная модель технологического процесса подготовки природного газа, построенная на основе эмпирических и экспертных данных.

Научная новизна результатов диссертационного исследования, полученных лично автором, заключается в следующем:

- построена модель образования гидратов при течении сырого газа в каналах, основанная на уравнениях гидродинамики и теплообмена; разработана методика оценки выпадения конденсированной фазы, использующая результаты численного совместного решения уравнений для газовой и конденсированной фаз в двумерной постановке, при движении природного газа в аппаратах и трубопроводах;

- получены результаты численного моделирования режимов течения в коллекторах ABO для нескольких схем подсоединения коллекторов к потоку, которые существенно облегчают поиск технический решений по снижению гидратообразо-вания в ABO посредством изменения конструктивных схем подсоединения коллекторов и применения ингибитора в зону наиболее вероятного образования гидратов;

- предложен способ построения и подход к проблемно-целевому анализу сложных организационно-технических систем на основе нечеткого моделирования; построена нечеткая имитационная модель технологического процесса подготовки природного газа на основе эмпирических и экспертных данных;

- разработан программный комплекс на основе имитационного моделирования технологического процесса подготовки газа нечеткими системами для поддержания действующего фонда газоконденсатных скважин и оптимальных режимов процесса низкотемпературной сепарации в условиях падения пластового давления.

Праетическая полезность работы. На основании полученных промысловых экспериментальных данных разработаны технологические режимные карты по эксплуатации основного технологического оборудования подготовки газа к транспорту на УНГКМ. Выявлены технологические и конструкторские решения модернизации системы подготовки природного газа в промысловых условиях.

Применение методики нечеткого моделирования технологических процессов позволяет дать оперативную оценку показателей природного газа, подготовленного к транспортировке, при изменении условий добычи. Применение модели дает возможность структурной и параметрической оптимизации производства, направленной на повышение уровня качества подготовки природного газа.

Внедрение предложенный научно-обоснованных решений по оптимизации подготовки газа позволило увеличить объем добываемой нефти и утилизированного попутного нефтяного газа, сократить количество несанкционированных остановок дожимных компрессорных станций (ДКС) управления подготовки конденсата к транспорту (УПКТ), а также увеличить выход нестабильного конденсата в летний период времени за счет обеспечения температуры низкотемпературных сепараторов (НТС).

Апробация работы. Результаты работы докладывались на: шестой всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2005); 35-й и 36-й международных конференциях «Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе» (Украина, Крым, Ял-

та-Гурзуф, 2008,2009); международном конгрессе по интеллектуальным системам и информационным технологиям «AIS-IT'09» (Краснодарский край, п. Дивноморское, 2009); VI международной научно-практической конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук» (Москва, 2011).

Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 17 научных работах общим объемом 4,3 п. л., авторский вклад -2,9 п. л. Автор имеет 6 научных трудов в изданиях, выпускаемых в РФ и рекомендуемых ВАКом для публикации основных результатов диссертаций, а также 3 патента, зарегистрированных в Государственном реестре изобретений РФ.

Струюура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение и акт об использовании результатов работы, изложенные на 191 стр. машинописного текста. В работу включены 52 рис., 5 табл., список литературы из 128 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы, формулировку цели и задач работы, основные положения, выносимые на защиту, и определяет содержание и методы выполнения работы.

В первой главе проведен анализ абсорбционных технологий подготовки природного газа к транспорту, Рассмотрены физические основы абсорбционного процесса и осушки природных газов. Систематизированы факторы, влияющие на процесс осушки природного газа, связанные с гидродинамикой и массо-обмен газожидкостных потоков.

Во второй главе разработана модель образования гидратов при течении сырого природного газа в трубах.

На газовых промыслах нашли широкое применение ABO. Они могут быть смонтированы после УКПГ, после дожимной компрессорной станции (ДКС), которая компримирует газ перед подачей в магистральный газопровод, и на других участках УКПГ. Блоки ABO, используемые на УНГКМ, состоят из 10-16 аппаратов. В каждом аппарате имеются три продольных теплообменные секции с шестью рядами горизонтальных оребренных труб. В каждом ряду тридцать (двадцать девять) труб, расположенных в шахматном порядке. Поток холодного воздуха снизу вверх через эти шесть рядов создается двумя вентиляторами, установленными на фундаменте под трубчатыми секциями.

Однако в зимних условиях в процессе охлаждения «сырого» газа после ДКС первой ступени компримирования в эксплуатационной практике УНГКМ появляется ряд проблем. В нижнем ряду труб, в результате локального переохлаждения газа, возникают условия для гидратообразования. На внутренней стенке теплообменных труб появляются гидраты и лед, перекрывающие сечения труб, и отдельные трубы разрушаются.

Минимальная температура газа, подаваемого на осушку не должна быть ниже температуры гидратообразования «сырого» газа внутри наиболее охлаждаемых теплообменных труб при стационарном режиме охлаждения. Она может быть ниже температуры гидратообразования при нестационарном охлаждении, в случае применения предварительной осушки и подачи ингибитора гидратообразовния внутрь труб нижних рядов.

Для обеспечения антигидратных условий эксплуатации ABO в зимний

период можно рассмотреть использование следующих технических решении:

1) распределение потока газа с увеличением расхода от верхнего к нижнему ряду теплообменных трубок при сохранении среднего расхода по секции аппарата;

2) подача ингибитора в зону наиболее вероятного появления гидратов (нижний ряд труб);

3) комбинированное техническое решение из приведенных выше двух направлений.

Шесть рядов по вертикали теплообменных труб в каждой секции аппарата соединень! распределительной и сборной камерами, которые можно рассматривать соответственно как коллекторы для подачи и отбора газа в процессе его охлаждения. Рассмотрено несколько схем (рис. 1) подсоединения коллекторов к потоку. С точки зрения эффективности теплопередачи предпочтительной является схема «Н» (рис. 1 в) подключения газа, которая позволяет максимально уравнивать величину потоков по трубкам, входящим и выходящим из коллекторов и которая наиболее распространена. Минимизация условий гидратообра-зования в газе требует максимального расхода потока газа в нижнем ряду при не изменяющемся среднем потоке через секцию. Этому условию может соответствовать схема «г» подключения газа при перекрестном движении теплоносителей (рис. 16). Эксплуатирующиеся же аппараты подсоединены по схеме «П» (рис. 1 а), которая является промежуточной между рассмотренными выше.

Ь

а) б)

Рис. I. Типы коллекторных схем «П» (а), (Л» (б) и «Н» (в) 1.п - номер ответвления между коллекторами, и - распределительный коллектор и изменение статического давления по длине коллектора, Ь - собирающий коллектор и изменение статического давления по длине коллектора

Вид изменения давления во входном (II) и выходном (Ь) коллекторах, приведенный на рис. 1, получен из одномерных предположений о характере течения. Оценим особенности двумерного характера течения в коллекторах. Для этого будем считать, что ряд труб заменяется эквивалентной по расходу газа плоской трубой.

Рассматриваются уравнения, описывающие движение вязкого теплопроводного газа без учета влияния сжимаемости. Стационарные уравнения вязкого течения записываются в двумерной постановке

(pu)x+(pv)y= О, (puu)t + (puv\ = -px + (pux\ + (/»Д +(мл +Myvx), (puv)x +(pW)}=-py + (Mvx)x + (pvy) + (pxuy + pyvy),

(uK\+(vK)y= \JLK,

(ue)x+(VE) =

aT

\ / +

Л V^A- )y

-p(B-s),

И

\as Л

л

J у

+ ps

с^В-сге

где p - плотность газа; p - давление; и, v - составляющие вектора скорости на оси х, у; р - коэффициент динамической вязкости; Т - температура газа; ат -число Прандтля; Rc - газовая постоянная. Плотность р определяется из уравнения состояния р - p/(RcT).

Система уравнений движения рассматривается совместно с уравнениями переноса кинетической энергии К и скорости диссипации е. Коэффициент вязкости р определяется суммой р = ра+рт, где рт, рТ - коэффициенты молекулярной и турбулентной вязкости. Здесь В, с,, сг, см - эмпирические коэффициенты, и рт = с/:рКг je.

На входе в коллектор при х = 0 заданы начальные параметры потока и0 = Q/tcR2, v° = О, Т\ К\ е°. На стенках труб для и, v, К, е условия прили-

лдТ(х,Я)

пания, а для температуры Л—к—-± = сса(Та-Т). На выходной границе коллектора заданы «мягкие» условия, соответствующие равенству нулю вторых производных для всех переменных.

Система уравнений (1) решается с применением метода Патанкара SIMPLE. Результаты расчетов представлены на последующих рисунках. На рис. 2 приведена структура течения в коллекторах, соединенных шестью рядами труб.

Рис. 2. Поле течения, соответствующее схеме соединения «П»

IJ I. У

- -

Рис. 4. Изменение давления по высоте коллекторов (схема «П») Поле течения в коллекторах является существенно неравномерным. Существуют зоны возвратного течения. Об этом также свидетельствует картина распределения давления в ABO (рис. 3).

Давление является однородным только ниже по потоку в трубах. В месте подсоединения труб во входном коллекторе существуют значительные градиенты давления. Поведение давления в средних сечениях входного и выходного коллекторов показано на рис. 4.

Рис. 5. Поле течения, соответствующее схеме соединения «2» По оси абсцисс отложена безразмерная высота коллектора, начиная с нижнего уровня, по оси ординат - давление, отнесенное к скоростному напору. Сравнение с рис. 1 показывает, что изменения давления в выходном коллекторе имеют схожий вид. Поведение давления во входном коллекторе, приведенное на рис. 4, является немонотонным и не похоже на одномерное распределение. Это связано с существенным влиянием подводящих и теплообменных труб.

Для схем подключения «г» и «Н» результаты расчетов представлены на рис. 5-8.

Рис. 6. Изменение давления по высоте коллекторов (схема «г») В схеме «г» качественный характер изменения давления в выходном коллекторе подобен одномерному (рис. 16). Во входном коллекторе давление в направлении нижней трубы является монотонно возрастающим только в нижней части (рис. 6).

Если сравнить рис. 4 и 6, то видно, что изменение давления во входных коллекторах схем «П» «г» является очень похожим.

Рис. 7. Поле течения, соответствующее схеме соединения «Н»

Рис. 8. Изменение давления по высоте коллекторов (схема «Н»)

Течение в коллекторах, соединенных по схеме «Н» близко к симметричному (рис. 7).

Распределение давления в коллекторах является более однородным (рис. 8) и похоже на одномерное (рис. 1в).

Из представленных результатов следует, что максимальные скорости в трубах достигаются в тех рядах труб, которые находятся ближе к входной трубе. Максимальные скорости в середине труб приведены на рис. 9 для разных схем подсоединения коллекторов. Первый номер (« = 1) соответствует верхне-

му ряду труб, а п = 6 - нижнему.

В схемах «П» и «2!» скорости в верхних трубах существенно выше, чем в остальных. Увеличение скорости в нижней трубе по схеме «г» по сравнению со схемой «П» равно 5,7 м/с и скорость составляет 28,2 м/с, что создает менее благоприятные условия для образования гидратов. Данная схема распределения потоков полезна не только с точки зрения возможности торможения процесса гидратообразования, но и способствует ускоренной эвакуации зародышей гидратов из нижних рядов труО за счет наиоольшеи скорости газового потока, определяемой предлагаемой схемой.

Из рис. 9 следует, что максимальная скорость 43,5 м/с достигается в верхней трубе схемы «П». Поэтому данную схему можно применять в перевернутом виде, осуществляя подвод и отвод охлаждаемого газа в нижних частях коллекторов.

Рассмотрим предложение по подаче ингибитора в зону наиболее вероятного появления гидратов (нижний ряд труб). В данном случае следует организовать циркуляцию метанола через работающий аппарат, подавая его в распределительную камеру (коллектор) и отбирая из собирающей камеры (коллектора), накапливать в специальной буферной емкости, откуда забирать насосом и подавать на рециркуляцию.

Положительные стороны предлагаемого решения:

- разрушаются образовавшиеся гидраты и лед не только в нижних тепло-обменных трубах, но и в собирающих и, что особенно важно, в распределительных камерах секций ЛВС);

- происходит эвакуация воды, жидких углеводородов, мехпримесей и т.д. из нижних теплообменных труб, что не позволяет развиваться зародышам гидратов и льда;

- метанол подается непосредственно в зону гидратообразования и в необходимом количестве;

- создается дополнительное термическое сопротивление теплопередаче от фронтального воздействия потока холодного воздуха;

- процесс может быть организован как на постоянной, так и на эпизодической (временной) основе;

- минимальные потери метанола с газом.

Для принудительной подачи, метанола можно установить в торце теплообменных труб вспомогательные Г-образные трубы внутренним диаметром 2..3 мм. Метанол за счет эжектирующего перепада давления в газе будет подаваться из распределительной камеры в теплообменные трубы. Эжекционную часть вспомогательной трубы целесообразно расположить у стенки в нижней части теплооб-менной трубы, чтобы подаваемое количество метанола не было излишним.

Рис. 9. Максимальные скорости течения в трубах при разных схемах подсоединения

Рис. 10. Поле течения, соответствующее схеме соединения «П1»

Рис. 12. Линии равных значений давления (схема «П1»)

Рассмотрим возможность организации подачи ингибитора в перевернутой схеме соединения «П». Для обеспечения равномерного и устойчивого перепада эжектирующего давления место подачи газа следует передвинуть от места нахождения метанола в нижней части распределительной камеры. Данная схема подсоединения «П1» и картина течения в ней показаны на рис 10

Давление в окрестности входного торца нижней части является достаточно однородным (рис. 11 и 12). М^кчич

Максимальный перепад между входным и выходным коллекторами в нижней части является максимальным и обеспечивает скорость в нижней трубе 33 5 м/с

Результаты проведенного численного моделирования показывают на возможность снижения гидратообразования в аппаратах воздушного охлаждения посредством изменения конструктивных схем подсоединения коллекторов и применения ингибитора в зону наиболее вероятного образования гидратов

в третьей главе рассматривается имитационное моделирование процесса осушки газа нечеткими системами. процесса

»■■> и.5 Об 0.7 0.8 0 9 |

Рис. 11. Изменение давления по высоте коллекторов (схема «П1»)

Полный расчет всей технологической цепочки подготовки природного газа чрезвычайно сложен. Разработанный программный комплекс «ГазКонд-Нефть» позволяет проводить оценочные расчеты качества подготовки газа. В любых расчетных методиках все равно заложены некоторые эмпирические коэффициенты. Поэтому имеющиеся эмпирические данные целесообразно применить для построения системы моделирования «вход - выход». Нечеткий подход к моделированию с привлечением опыта экспертов и с извлечением знаний в виде правил из опытных данных переводит такую модель из класса «черный ящик» в класс интеллектуальных экспертных систем.

Основная часть подготовки газа в промысловых условиях заключается в удалении влаги конденсата. Для осушки газа используются абсорберы различных типов. Наибольшее распространение получили установки, применяющие диэтиленгликоль.

Рассмотрим технологию абсорбционной осушки природного газа с применением в качестве абсорбента диэтиленгликоля для подготовки к транспортировке. Газ, поступающий из скважин, проходит предварительную очистку в центробежных аппаратах. После ДКС и прохождения ABO газа осуществляется абсорбционный процесс осушки. После прохождения ДКС второй ступени сжатия газ идет на транспортировку. Показателем содержания влаги является ТТР. В соответствии с ОСТ 51.40-93 значение ТТР для умеренных климатических районов составляет: летом -3 °С, зимой -5 "С. Для холодных районов эти значения -10 °С и -20 °С, соответственно.

Целью системы является обеспечение заданных свойств природного газа после охлаждения при минимальных стоимостных затратах. Элементы системы связаны между собой отношениями, характеризующимися некоторыми переменными и параметрами. Конструкционными элементами системы осушки являются: ЦОГ - центробежная очистка газа; ДКС+АВО - дожимная компрессорная станция + аппараты воздушного охлаждения; А - абсорбер; ДА - десорбер; МО - модернизированное оборудование.

Аппаратные средства, осуществляющие технологический процесс, представляются в виде некоторых преобразователей, переводящих входные переменные в выходные. Пусть имеется узловой элемент р,. Вместе с элементами

PjJ = ji,j„, PkJ = K К элемент pt образует некоторую подсистему. Входы в

подсистему определяются связями V(j, i),j = У,,7т, а выходы связями

V(i, к), к = к\, к,. Узловой элемент р{ осуществляет преобразование вида

у = Ф,(х), X=[*,],;=XX; у =[л], h=kTkL (2)

где Y - выходные воздействия; X - входные сигналы.

В этом случае входными параметрами являются термодинамические (давление, температура, влажность) и теплофизические характеристики газа. К входным параметрам также относятся технологические характеристики процесса (расход газа, конструктивные особенности аппарата и т.д.). Выходными параметрами являются давление, температура.

Преобразование (2) может представлять собой математическую модель технологического процесса. Модель может включать уравнения движения многофазной среды в многомерной постановке с учетом фазовых превращений,

как, например, описанные во второй главе. Преобразование может также выглядеть, как инженерная методика расчета технико-экономических показателей данного технологического процесса. Более удобной для системного представления технологического процесса является математическая модель, описываемая нейронной сетью. Обученная на ограниченном множестве обучающих выборок, содержащих экспериментальные данные, сеть обобщает накопленную информацию и выдает реакцию на данные, не применявшиеся при обучении.

Введение дополнительных конструктивных элементов с одной стороны изменяет характеристики газа, как правило, в сторону улучшения, но одновременно изменяет стоимостные затраты на осуществление технологического процесса, как правило, в сторону увеличения. Поэтому необходимо учитывать в качестве переменных рассматриваемой системы и стоимостные характеристики. Рассмотрим структурную схему технологического процесса охлаждения природного газа (рис. 13). Система имеет свойства, описываемые следующими входными переменными: 1 - расход газа (X,); 2 - входное давление (Хг); 3 - температура газа на входе (Х3); 4- температура воздуха (Хл). Промежуточные переменные: 5 - температура газа на выходе (Х5); 6 - минимальная температура стенки (Х6). Управление: 7 - режим обдува (и,); 8 - подача метанола (и2); 9 - конструктивные изменения (м3). Выходными переменными системы являются: 10 - степень гидратообразования ( Ух); 11 - затраты на охлаждение газа ( У2). Пятый элемент - температура газа на выходе, также может являться выходным.

~ Отношения между рас-

сматриваемыми элементами системы делятся на две группы. Первая группа представляет собой рассмотренные выше преобразования (2), изменяющие свойства газа, обрабатываемого в технологическом оборудовании. Такое преобразование может осуществ-

Рис. 13. Структура систем.. тех....._...теского ляться с помощью нейронной се-

процесса охлаждения природного газа ти вцда:У = Р(\У, X) , где \У -

матрица коэффициентов преобразования, определяемая в процессе обучения сети на экспериментальных данных и данных, полученных методом математического моделирования технологических процессов и по экспериментальным данным.

Преобразование между технологическими параметрами может быть получено из условия теплообмена:

X

а 'а,

+ ХЛ

<х

где аДЛ',, Хг, Ъ) - внутренний коэффициент теплоотдачи, определяемый расходом газа и геометрическими характеристиками аппаратаа2(их, Х(, І) -внешний коэффициент теплоотдачи, определяемый режимом обдува;

? + - сі, Ь - диаметр и длина

_ а.а, а = ——— а, +а2

с,*.

■5), (3-5), (4 -5),

0.33 0.66

Рис. 14. Функция принадлежности для степени гидратообразования

теплообменных труб, с — теплоемкость газа; сог - уточняющие эмпирические коэффициенты.

К первой группе отношений относятся связи: (1 - 5), (2 -(5-6), (7-6), (9-6).

Вторая группа отношений строится на основе экспертных заключений и методах нечеткого логического вывода. Основой для проведения операции нечеткого логического вывода является вид связей между элементами нечеткой системы, содержащих правила, названия термов и функции принадлежности термов. В общем случае механизм логического вывода включает четыре этапа: введение нечеткости (фазификация), нечеткий вывод, композиция и приведение к четкости, или дефазификация. Алгоритмы нечеткого вывода различаются главным образом видом используемого нечеткого вывода, следующим после фазификации, и разновидностью метода дефазификации.

Рассмотрим способ задания отношения второго типа на примере связи (8 - 10). Для лингвистической переменной «2 (расход метанола) вводится три терма: L - низкие; М - средние; Н - высокие затраты на модернизацию. Выходные переменные Yt (образование гидратов) также имеют три терма: L - небольшое гидратообразование; М - среднее; Н — существенное гидратообразова-ние. Функции принадлежности для переменной Yi приведены на рис. 14.

Соответствующий набор правил для логического вывода имеет вид: if u2=L then Yt=H if щ=М íhenY¡=M if иг=Н then YX = L. Аналогичным образом определяются другие связи.

Нечеткий логический вывод по способу Мамдани описывается следующим образом. На этапе фазификации определяются степени истинности, т.е. значения функций принадлежности для левых частей каждого правила (предпосылок) Затем определяются уровни «отсечения» для левой части каждого из правил. В качестве /-нормы выступает логический минимум. Далее находятся «усеченные» функции принадлежности и объединение полученных усеченных функций, для чего используется максимальная композиция. Приведение к четкости (дефазификация) осуществляется центроидным методом.

Параметры нечетких правил так же, как рассмотренные весовые и поправочные коэффициенты в связях первого типа, определяются по результатам экспериментальных исследований функционирования систем воздушного охлаждения газа в промысловых условиях. В главе приведены результаты дополнительных обследований ABO на ДКС УКПГ.

¡y J2,l 33.5

В зимнее время (февраль-март) проводились обследования работы ABO, охлаждающих газ после компримирования на ДКС. 24 февраля были обследованы ABO на ДКС УКПГ-2 при температуре окружающего воздуха -25 °С. Результаты обследования приведены на схемах рис. 15 и 16, на которых приведена температура газа на выходе из аппаратов, °С. На этих же рисунках приведены фрагменты аппаратов блока ABO и их коллекторной обвязки. Коллегагорная обвязка аппаратов ABO 1-й ступени (рис. 15) предпочтительнее, чем представленная на рис. 16.

На 1-й ступени были задействованы все аппараты, работал один вентилятор на 4-м аппарате. Температура газа на выходе из этого аппарата составляла -2,6 °С. (На УКПГ-2 осушка газа осуществляется перед компримированием газа). Общая температура после ABO 1-й ступени 29,2 °С. Температура на входе и выходе компрессора 1-й ступени составляла 2,0 и 42,6 °С, дав-

о

С)

С) С)

о

С)

Ф o С) С) о

о

С)

() С)

С)

о

о

С)

№3 №0 №10 42 6

л Работающий вентилятор

Схема одного аппарата

тут

ш

го

л

ление на входе и выходе 26,6 и 43,4 кгс/см2.

О С) С) о о фо С) о о О

rV

ООО

о оо о о

оо

№11 №12 №13 №14 M¡15 №16

Рис. 15. Схема ABO первой ступени ДКС УПКГ-2

На второй ступени

были задействованы 14 аппаратов из 16 при 6 работающих вентиляторах. Температура газа на выходе из ABO 2-й ступени - 11 °С. Температура на входе и выходе компрессора 2-й ступени составляла 29,0 и 52,1 °С, давление на входе и выходе - 41,6 и 54,0 кгс/см2. Замер температуры охлажденного газа на выходе из каждого аппарата не предусмотрен.

В марте были обследованы ABO ДКС на УКПГ-3, где применяется двухступенчатая осушка газа при работе по схеме «ДКС + УКПГ + ДКС». «Сырой» газ проходит предварительную осушку в ЦОГ диэтелингликолем (ДЭГ), использованным в цехе осушки. Поэтому газ на ДКС и ABO 1-й ступени поступает частично осушенный. В работе были 5-я и 6-я машины, 4-я находилась в резерве. Давление на входе и ' выходе было 26,8 и

41,9 кгс/см , температура соответственно 11 и 56 °С. Температура воздуха составляла -21 °С. Вход газа в ABO закольцован (то же самое на всех ДКС), т. е. газ от компрессоров поступает с двух сторон входного коллектора, а выход в одну сторо-

№1 И »3 №4 N6 Работающий ваггялягор

Схема одного «imapata

ЦТ

JEZE

тт

(всего три)

Рис. 16. Схема ABO второй ступени ДКС УПКГ-2

ну выходного коллектора блока ABO. Аппараты №№ 1,4,6,7,10 не работали (были отключены). На каждом функционирующем аппарате работало по одному вентилятору (который ближе к выходу газа).

Были проведены замеры температуры газа по рядам труб в аппарате ABO (№3) ДКС 1-й ступени УКПГ-3 при различных режимах работы вентиляторов. Результаты замеров приведены на графиках (рис. 17).

На второй ступени ком- _ г

г J , X -свободная конвекция-----второй вентилятор

примирования в работе находи- ' __.первЬ|11 пе,тц1,тор — - два вентилятора лась 2-я машина, 1-я и 3-я были в резерве. Давление на входе и выходе турбоагрегата было 39,9 и 53,8 кгс/см2, температура соответственно 16 и 52 °С. Газ охлаждался в ABO 2-й ступени.

На ABO 2-й ступени температура на выходе каждого і аппарата не замеряется. Замер осуществляется только на входе и выходе из блока ABO. В ра- 1 2 3 4 5 в боте находились 9 аппаратов. Рис-17■ Изменение температуры газа по рядам На каждом аппарате работало ТРУ6™ в СЕ™ИН ABO (№ 3) ДКС 1 ст. УКПГ-3 по одному вентилятору, кроме ™

8-го и 10-го аппаратов, которые 1 3 '

работали в режиме свободной конвекции. Первый аппарат находился в резерве.

Также было проведено обследование ABO на ДКС УКПГ-7. На 1-й ступени охлаждения неосушенного газа установлено 14 аппаратов. Из них находились в работе 4-е аппарата (№№ 2, 3, 4, 5). В каждой работающей секции включено по одному вентилятору (который ближе к выходу газа). Остальные аппараты перекрыты, и газ через них не циркулировал. Температура газа на входе 40 °С, на выходе - 12 °С при температуре окружающего воздуха от -32 до -34 °С. На выходе каждого аппарата установлены термометры сопротивления с выводом показаний на пульт. Учитывая, что при температуре +10 °С выдается сигнал на пульт, температура на выходе из работающих секций была в интервале 11-13 °С. При давлении газа 30 атм. гидраты появляются в интервале температур 3-10 °С, при давлении газа 40 ата - в интервале температур 4-12 °С.

В случае переохлаждения аппаратов вентиляторы выключаются, и аппарат работает в режиме свободной конвекции, а переохлажденные теплообмен-ные трубы прогреваются. В начале февраля на десятой секции вышли из строя две теплообменные трубы из нижнего ряда.

«Сырой» газ на дожимной компрессор поступал с температурой 7 °С и давлением 26,1 кгс/см2, выходил с температурой 40,3 °С и давлением 38,1 кгс/см2. Расход газа составлял 1,76 млн. н. м3/ч (1320 т/ч). Фактический средний удельный тепловой поток от охлаждаемого газа через внутреннюю стенку теплообменных труб на ABO 1-й ступени составил 6,620 ккал/м2-ч.

Опыт эксплуатации блока ABO «сырого» газа на ДКС УКПГ-7 представляет определенный интерес. Вместо трех вариантов режима охлаждения (варьирование только включением-выключением вентиляторов) при варьировании

отключением аппаратов и, соответственно, увеличением скоростей потока газа в теплообменных трубах (в том числе и нижних) в оставшихся в работе аппаратах (до трех-четырех) имеем не менее тридцати вариантов. Этот метод может позволить без дополнительных капитальных затрат обеспечить достаточно надежную эксплуатацию ABO «сырого» газа в широком диапазоне минусовых температур атмосферного воздуха.

На второй ступени компримирования установлено 13 ABO. Циркуляция газа осуществлялась через все секции, по одному вентилятору включено на аппаратах №№ 1, 2, 3. 4, 9 и 12. Осушенный газ на дожимной компрессор поступал с температурой 12 °С и давлением 36,1 кгс/см2, выходил с температурой 47,0 °С и давлением 52,4 кгс/см2. Фактический средний удельный тепловой поток от охлаждаемого газа через внутреннюю стенку теплообменных труб на ABO 2-й ступени составил 3,140 ккал/м2ч.

По материалам проведенных исследований подобраны неизвестные коэффициенты нечеткой модели технологического процесса охлаждения и получены следующие результаты.

1. Для контроля за возможностью гидратообразования в ABO «сырого» газа необходимо на выходе газа из каждого аппарата иметь термометр сопротивления, показания которого выведены на пульт для оперативного принятия решений.

2. При минусовых температурах следует работать с одним вентилятором на аппарате (вторым по ходу газа для ускоренной эвакуации конденсирующейся жидкости или зарождающихся гидратов).

3. Согласно опыту ДКС УКПГ-7, для уменьшения возможности гидратообразования при снижении температуры газа на выходе из аппарата до +10 °С подавать сигнал на пульт ДКС о появлении условий для гвдратообразований. Снижение температуры до 10 °С может быть связано со снижением температуры атмосферного воздуха, появлением гидратов в трубах или снижением расхода газа.

4. Если выявлено появление гидратов, аппарат прогревают, пропуская газ че-рез'секции с выключенными вентиляторами, или пропаривают. В других случаях этот аппарат (или другой по усмотрению операторов) отключают. В оставшихся секциях увеличивается расход газа (поступление тепла), в результате чего уменьшаются условия для образования гидратов (но увеличиваются потери давления).

5. Для снижения вероятности загидрачивания теплообменных труб предлагается организовать работу ABO в интервале температур, где нижний предел обеспечивает безгидратный режим эксплуатации работающих секций, а верхний предел интервала служит ориентиром для включения еще одной секции без увеличения вероятности загидрачивания. Верхний предел определяет также экономическую целесообразность работы ABO. Если температура выше этого предела, то неоправданно повышаются эксплуатационные затраты на осушку газа. При снижении температуры атмосферного воздуха и температуры газа после ABÓ отключение секций можно повторять неоднократно. Количество работающих секций должно быть не менее 3-4, при этом массовый расход газа через секцию следует держать не более 300-450 т/ч. При более высоких массовых расходах значительно вырастают потери давления на ABO. В случае повышения температуры атмосферного воздуха включение очередной секции для дополнительного охлаждения осуществляется при температуре газа на выходе ABO 15,8 °С и выше (при 5-й работающих секциях). Новый режим работы ABO на 6-й секциях будет обес-

печивать безгидратный режим эксплуатации. Для более быстрого прогрева вновь включенной секции необходимо, чтобы вентиляторы были отключены.

Результаты расчетов выходного значения ТТР в зависимости от расхода газа при разных уровнях затрат на модернизацию процесса осушки приведены на рис. 18. В расчете для зимнего периода времени изменялся объем подаваемого на подготовку природного газа. Величина О0 соответствует оптимальному уровню загрузки технологического оборудования, б = Х1. За счет дополнительных средств, направляемых на модернизацию на среднем уровне возможно снижение на 12 °С при снижении расхода газа в 2 раза.

В четвертой главе приведены результаты оптимизации подготовки газа валанжанских залежей Уренгойского НГКМ на основе имитационного моделирования нечеткими системами.

Промышленная эксплуатация валанжинских залежей Уренгойского месторождения осуществляется с 1985 г. При проектировании разработки все продуктивные пласты нижнего мела с учетом их положения в разрезе, термобарических условий, фильтрационно-емкостных характеристик коллекторов и насыщающих их флюидов сгруппированы в четыре эксплуатационных объекта. Продукция газоконденсатных залежей с кустов скважин поступает для подготовки низкотемпературной сепарацией на четыре установки комплексной подготовки газа-УКПГ-1АВ, -2В, -5В и -8В. Газ сепарации с установок направляется в межпромысловый коллектор (МПК), а нестабильный конденсат поступает для подготовки к транспорту на установку деэтанизации конденсата (УДК).

Месяц Месяц

а) б)

Рис 19. Изменение температуры в НТС (а) и потерь углеводородов С5+ с с газом сепарации (б) на УПКГ-1 АВ и УПКГ-2В в 2003 г.

1 - подключение УПКГ-2В к ДКСII иупени УКПГ-2; 2 - подключение УКПГ-1 АВ к ДКС И ступени УКПГ-1 АС.

В процессе разработки Уренгойского месторождения происходит снижение пластового давления в продуктивных горизонтах газоконденсатных зале-

О/<3,

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 і: 1.2

Рис. 18. Зависимость ТТР от степени загрузки оборудования и затрат на модернизацию

жей. Как следствие, сокращается запас пластовой энергии для получения холода, необходимого для обеспечения требуемых параметров осушки газа и извлечения конденсата в низкотемпературных сепараторах. Когда запаса пластовой энергии становится недостаточно, требуется ввод ДКС. Поэтому на валанжин-ских УКПГ Уренгойского месторождения, для поддержания проектных термобарических параметров в низкотемпературных сепараторах - температуры -30 °С и давления от 5,5 до 6,5 МПа по мере снижения пластового давления, предусмотрено подключение валанжинских ДКС по схеме ДКС - УКПГ.

Проектная технологическая схема подготовки валанжинского газа в бескомпрессорный период эксплуатации к настоящему времени не обеспечивает оптимальных условий работы технологического оборудования установок низкотемпературной сепарации. С учетом давления в МПК (в летний период 5,8 МПа, а зимний 5 МПа) становится невозможной подача газа сепарации в МПК при соблюдении необходимого перепада давления на дросселе (около 3 МПа) для достижения требуемой температуры в НТС. На рис. 19 показано изменение температуры в НТС и потерь углеводородов С5+ с газом сепарации

Видно, что, особенно в летний период, стало проблематичным обеспечить температуру в НТС около -30 °С, при этом на УКПГ-2В температура достигала -25 °С. Вследствие роста температуры происходит увеличение потерь тяжелых углеводородов с газом сепарации и уменьшение выхода нестабильного конденсата (НК) с УКПГ-1АВ и УКПГ-2В и деэтанизированного конденсата (ДК) с УДК. Кроме того, необходимость поддержания высокого давления на входе в УКПГ приводит к снижению дебита ма-лодебитных скважин и их периодическим остановкам.

На рис. 20 показаны результаты проведенных расчетов адаптированных технологических моделей валанжинских УКПГ в программной системе «Газ-КондНефть». Видно, что минимальные потери углеводородов Сэ+ с газом сепарации, из которых в основном состоит ДК, будут при давлениях в НТС от 4 до 5 МПа и, следовательно, понижение давления в НТС до этого уровня оптимизирует процесс подготовки газа и НК.

На основании результатов моделирования технологических процессов нечеткими системами и в условиях неполной загруженности ДКС сеноманских УКПГ был разработан вариант совместной эксплуатации сеноманских и валанжинских УКПГ путем применения схемы валанжинская УКПГ - ДКС II ступени сеноманской УКПГ (рис. 21). Такая схема эксплуатации была внедрена на двух

на УКПГ-1АВ и УКПГ-2В в 2003 г.

Давление, МПа

Рис. 20. Зависимость содержания Сз+ и С5+ в газе сепарации валанжинского газа от давления и температуры в НТС

промыслах Уренгойского месторождения в 2003 г., что позволило на УКПГ-1АВ и УКПГ-2В понизить давление в НТС и стабилизировать в них температуру (см. рис. 20) на уровне -30 °С. При этом снизилось, влияние давления в МПК на работу УКПГ-1 АВ и УКПГ-2В, а увеличение загрузки сеноманских ДКС II ступени привело к стабилизации их работы.

Одним из важных результатов предложенного варианта дальнейшем эксплуатации стала возможность снижения входных давлений на УКПГ примерно на 0,3 МПа, что обеспечило более надежную работу фонда скважин и газосборных сетей.

Сравнение фактических данных составов проб газа сепарации с УКПГ-1АВ и УКГ1Г-2В за 2003 г., которые были отобраны при температуре в НТС около 30 °С, свидетельствует, что после подключения сеноманских ДКС к валанжин-ским УКПГ уменьшилось содержание С3+ в газе сепарации на 2-3 г/м3 в результате приближения давления в НТС к давлению максимальной конденсации этих углеводородов. Таким образом, промысловые данные подтвердили результаты проведенных теоретических исследований и эффективность предложенного решения.

Рис. 2 Л Схема совместной эксплуатации сеноманской и валанжинской УКПГ на промыслах 1А и 2 ЦОГ - цех очистки газа; УПКТ - управление подготовки конденсата к транспорту; БЕ - буферная емкость; Э -эжектор; Т-1 и Т-2 - теплообменники; Р-1 и Р-2 г разделители; Н-1 - насос; С-1, С-4 и С-2 - сепараторы первичный, промежуточный, низкотемпературный

Проведенные теоретические исследования работы системы валанжйнская УКПГ - УДК в программной системе «ГазКондНефть» показали, что снижение давления в НТС на УКПГ обеспечивает увеличение выхода ДК на УДК по УКПГ-1 АВ и УКПГ-2В на 1,5-2,0 г/м3 пластового газа.

Применение новой схемы и снижение давления в НТС позволили эжек-

тировать «жирный газ» (состоящий из газа'деэтанизации с УДК и попутного нефтяного газа высокого давления с центрального пункта сбора нефти ЦПС-2) на технологические нитки УКПГ-2В и осуществлять его совместную подготовку низкотемпературной сепарацией с газом валанжинских залежей. Это дало возможность увеличить добычу нестабильного конденсата по валанжинским УКПГ Уренгойского месторождения на 7-8 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Рассмотрены варианты снижения возможности гидратообразования в ABO «сырого» газа. Приведены результаты численного моделирования течения газа при разных схемах подсоединения коллекторов. В технологическом плане выявлены следующие перспективные решения для предупреждения гидратообразования в ABO УНГКМ: подача метанола в нижний ряд теплообменных трубок секции и рециркуляция его через ABO; распределение расхода газа с увеличением от верхнего к нижнему ряду при сохранении среднего расхода по секции.

2. Построена имитационная модель технологического процесса охлаждения природного газа. Отношения между элементами системы описываются с помощью аналитических выражений, нейронных сетей и теории нечеткого логического вывода. Проанализированы результаты экспериментальных исследований ABO в промысловых условиях. Построенная на основе эмпирических и экспертных данных, нечеткая имитационная модель подготовки природного газа позволяет проводить при изменении условий добычи оперативную оценку показателей природного газа, подготовленного к транспортировке. Применение модели дает возможность структурной и параметрической оптимизации производства, направленной на повышение уровня качества подготовки природного газа.

3. Полученное на базе имитационного моделирования техническое решение по совместной эксплуатации сеноманских и валанжинских УКПГ привело на газоконденсатных промыслах к улучшению работы системы пласт — скважина — система сбора - УКПГ и поэтому в дальнейшем планируется внедрение аналогичных схем на УКПГ-5В и УКПГ-8В УНГКМ.

4. По технологическим моделям валанжинских УКПГ в программной системе «ГазКондНефть» были рассчитаны сроки ввода валанжинских ДКС с учетом применения нового технического решения. Проведенные расчеты показали, что эффективная эксплуатация УКПГ будет обеспечена при давлении на входе около 7,0-7,5 МПа, т.е. отсрочка ввода валанжинских ДКС может составить 23 года. При уменьшении давления на входе в УКПГ ниже 7 МПа потребуется ввод валанжинских ДКС. Для эксплуатации УКПГ в этот период разработана следующая схема: вапанжинская ДКС - УКПГ - ДКС П ступени сеноманской УКПГ. Такая схема позволит обеспечить наилучшие термобарические параметры на УКПГ до конца разработки валанжинских залежей, обеспечив тем самым дополнительную добычу конденсата, при этом оптимизируются работа ДКС и затраты на компримирование газа сеноманских и валанжинских залежей.

НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

I. Патенты на изобретение, зарегистрированные в Государственном реестре изобретений РФ

1. Ланчаков Г. А., Сорокин С.В., Абдуллаев Р.В. и др. Способ подготовки

углеводородного газа к транспорту // Патент на изобретение № 2294429. Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений РФ 27.02.2007 г., по заявке № 2004135134.

2. Ланчаков Г.А., Ставицкий В.А., Абдуллаев Р.В. и др. Способ подготовки углеводородного газа к транспорту // Патент на изобретение № 2294430. Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений РФ 27.02.2007 г, по заявке №2005118194.

3. Подюк В.Г., Сулейманов P.C., Абдуллаев Р.В. и др. Способ эксплуатации залежи углеводородов // Патент на изобретение №2305755. Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений РФ 10.09.2007 г., по заявке №2005126580.

II. Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

4. Абдуллаев Р.В. Численное моделирование режимов течения для входных и выходных коллекторов аппаратов воздушного охлаждения природного газа // Вестник Московской Академии рынка труда и информационных технологий. - 2004.-№ 3 (11). - С. 128-137.

5. Абдуллаев Р.В., Тененев В.А. Моделирование технологического процесса охлаждения природного газа нечеткими системами // Вестник Московской Академии рынка труда и информационных технологий. - 2004. -№4 (И).-С. 97-108.

6. Ланчаков Г.А., Ставицкий В.А., Кабанов О.П., Цветков H.A., Абдуллаев Р.В., Типугин. A.A. Оптимизация подготовки газа валанжинских залежей Уренгойского НГКМ // Газовая промышленность. - 2005. - № 3. - С. 48-50.

7. Ланчаков Г.А., Ставицкий В.А., Абдуллаев Р.В., Ларюхин А.И., Истомин В.А., Коловертнов Г.Ю. Новые технологии промысловой подготовки сено-манского газа на Уренгойском НГКМ // Газовая промышленность. - 2007. -№ 3. - С. 62-66.

8. Истомин В.А., Абдуллаев Р.В., Митницкий P.A., Исмагилов Р.Н. Методы и результаты гидродинамических исследований систем внутрипромысло-вого сбора газа Уренгойского нефтегазоконденсатного месторождения // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - 2008. -№7.-С. 24-29.

9. Абдуллаев Р.В. Имитационная модель технологического процесса охлаждения природного газа // Известия Тульского государственного университета. Серия: Естественные науки. - Вып. 1. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009.-С. 187-192.

III. Материалы международных и всероссийских конференций

10. Гильмутдинов И.И., Цветков H.A., Абдуллаев Р.В. Основные направления и результаты внедрения новых технологий на валанжинских УКПГ // Новые технологии в газовой промышленности. Тезисы докладов шестой все российской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России. - М.: 2005. - С. 11.

11. Абдуллаев Р.В. Нечеткое имитационное моделирование процессов в аппаратах воздушного охлаждения природного газа // Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе. Материалы 35-й междунар. конф. - Украина, Крым, Ялта-Гурзуф: Прилож. к журн. «Открытое образование», 2008. - С. 126-128.

12. Тененев В.А., Абдуллаев Р.В. Гидродинамика модели коллекторной обвязки аппаратов воздушного охлаждения природного газа // Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе. Материалы 35-й междунар. конф. - Украина, Крым, Ялта-Гурзуф: Прилож. к журн. «Открытое образование», 2008. - С. 185-187.

13. Сенилов М.А., Абдуллаев Р.В. Моделирование технологических процессов на основе нейро-нечеткого вывода И Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе. Материалы 36-й междунар. конф. - Украина, Крым, Ялта-Гурзуф: Прилож. к журн. «Открытое образование», 2009. - С. 94-96.

14. Тененев В.А., Абдуллаев Р.В. Эволюционные алгоритмы оптимизации системы моделирования процесса подготовки газа // Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе. Материалы 36-й междунар. конф. - Украина, Крым, Ялта-Гурзуф: прилож. к журн. «Открытое образование», 2009. - С. 50-53.

15. Абдуллаев Р.В. Имитационное моделирование техпроцесса осушки газа на основе нейросетей и теории нечетких множеств // А18-1Т09. Труды конгресса по интеллектуальным системам и информационным технологиям. Научное издание в 4-х томах. - М.: Физматлит, 2009. - Т. 1. - С. 320-325.

16. Абдуллаев Р.В. Методика расчета абсорбционного процесса с применением нейросетевой аппроксимации параметров газа и абсорбента // Современные проблемы гуманитарных и естественных наук. Материалы VI международной научно-практической конференции. -М.: 2011. - С. 342-344.

17. Абдуллаев Р.В. Численный расчет движения газоконденсатной смеси в каналах с криволинейными границами // Современные проблемы гуманитарных и естественных наук. Материалы VI международной научно-практической конференции. - М.: 2011. - С. 345-348.

Подписано и печать 20. 02.2012. Усл. печ. л. 1,4. Заказ №61. Тираж 120 экз.

Издательство Ижевского государственного технического университета Отпечатано в типографии Издательства ИжГТУ. 426069, Ижевск, Студенческая, 7

Р.В. Абдуллаев

В авторской редакции

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Абдуллаев, Ровшан Вазир оглы, Ижевск

61 12-5/1769

ФГБОУ ВПО «ИЖЕВСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

АБДУЛЛАЕВ Ровшан Вазир оглы

УДК 622 + 550.832 + 519.688

ОПТИМИЗАЦИЯ ПОДГОТОВКИ ГАЗА НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ АБСОРБЦИОННОЙ ОСУШКИ И ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ НЕЧЕТКИМИ СИСТЕМАМИ

Специальность:

25.00.17 - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых

месторождений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

заслуженный изобретатель РФ, доктор технических наук, профессор ЛЯЛИН В.Е.

Ижевск-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение.....................................................................................................................4

Глава 1. Гидродинамические и массообменные процессы и анализ абсорбционных технологий подготовки природного газа к транспорту.....10

1.1. Физические процессы абсорбционной осушки природного газа и конденсата....................................................................................................10

1.1.1. Физические основы абсорбционного процесса...................10

1.1.2. Осушка природных газов.......................................................19

1.1.3. Факторы, влияющие на процесс осушки природного газа. 22

1.2. Гидродинамика и массообмен газожидкостных потоков в аппаратах осушки газа........................................................................................28

1.2.1. Основные характеристики газожидкостных потоков.........28

1.2.2. Уравнения для расчета параметров дисперсно-пленочного потока.................................................................................................34

1.2.3. Процесс уноса капель с поверхности пленки......................40

1.3. Технологические процессы подготовки природного газа к транспорту. 44

1.3.1. Технологии абсорбционной осушки газа, области её применения ..............................................................................................44

1.3.2. Современное состояние оборудования для процессов абсорбционной осушки газа................................................................53

1.4. Анализ осложнений в процессе осушки газа на поздней стадии разработки Уренгойского месторождения...............................................59

1.5. Постановка цели и задач исследований.............................................70

Глава 2. Исследование гидратообразования в аппаратах воздушного охлаждения для подготовки природного газа...............................................71

2.1. Модель образования гидратов при течении влажного природного газа в трубе...................................................................................................71

2.2. Результаты расчетов осесимметричного течения влажного природного газа.................................................................................................75

2.3. Математическая модель неравновесного течения природного газа с конденсированной фазой в криволинейных каналах.......................79

2.4. Результаты расчетов течения в каналах сложной формы................85

2.5. Технологические и конструкторские пути улучшения работы ABO влажного газа.....................................................................................92

2.6. Полученные результаты и выводы.....................................................110

Глава 3. Моделирование производственно-технических процессов подготовки природного газа на основе нечетких систем..................................112

3.1. Модели на основе нечетких сетей......................................................112

3.1.1. Принципы построения нечеткой причинно-следственной сети 112

3.1.2. Задание функций принадлежности.......................................113

3.1.3. Представление подсистем нейронной сетью.......................117

3.1.4. Приведение подсистемы к набору правил...........................121

3.1.5. Операции нечеткого логического вывода............................123

3.2. Адаптация и оптимизация сложных систем......................................126

3.3. Задачи принятия решений по векторному критерию.........................134

3.4. Моделирование технологического процесса охлаждения природного газа нечеткими системами.................................................................139

3.5. Полученные результаты и выводы.....................................................152

Глава 4. Результаты оптимизации подготовки газа валанжанских залежей уренгойского нефтегазоконденсатного месторождения..................154

4.1. Обзор моделирующих комплексов, их возможности......................154

4.2. Оптимизация подготовки газа валанжинских залежей Уренгойского НГКМ.................................................................................................169

4.3. Полученные результаты и выводы.....................................................174

Заключение...........................................................................................................175

Литература............................................................................................................177

Приложение. Акт об использовании результатов работы..........................190

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В условиях падающей добычи на Уренгойском нефтегазоконденсатном месторождении (УНГКМ) вопросы разработки и внедрения новых технологий, направленные на обеспечение эффективной работы установок подготовки газа, приобретают особую значимость.

На газовых промыслах организуется комплексная подготовка газа к дальнему транспорту, в схеме которой основную роль играют массообменные аппараты. Усилия специалистов направлены на разработку технических решений, позволяющих интенсифицировать процесс массообмена, увеличить производительность и уменьшить унос из абсорбента из аппаратов. В последние годы в России, в связи с более жесткими требованиями к качеству подготовки газа, появилась необходимость создания аппаратов более совершенных конструкций с высокой производительностью и эффективностью. По технико-экономическим соображениям требуется модернизация существующих аппаратов для их эксплуатации на завершающей стадии разработки месторождений при пониженных давлениях, повышенных температуре и влагосодержании газа без ввода дополнительного технологического оборудования.

Разработка современных технологических процессов переработки природного углеводородного сырья и оптимальная эксплуатация действующих производств невозможна без применения моделирующих программ, позволяющих без значительных материальных и временных затрат производить исследования этих процессов. Такие модельные исследования имеют огромное значение не только для проектирования, но и для функционирования существующих производств, так как позволяют учесть влияние внешних факторов (изменение состава сырья, изменение термобародинамических параметров процесса осушки, сезонное изменение требований к конечным и промежуточным продуктам и т.д.) на показатели действующих производств. Однако полный расчет всей технологической цепочки подготовки природного газа чрезвычайно сложен. Для многостадийных

процессов, в которых осуществляются разнообразные физические, химические явления, построение детерминированных математических моделей становится очень сложной задачей. В таких случаях возможны подходы, основанные на методах системного моделирования.

Анализ технологических схем подготовки и переработки природного углеводородного сырья, экспериментальное и численное моделирование физических процессов подготовки промыслового газа являются важными и актуальными задачами обеспечения требуемых потребительских свойств природного газа. Кроме того, в условиях имеющейся неопределенности воздействия множества факторов на производственные процессы, актуальной задачей является также применение подходов системного моделирования, таких как методов нечеткой логики, нейросетевых методов и эволюционных алгоритмов.

Объектом исследования являются технологические процессы и аппараты подготовки природного углеводородного сырья в системе комплексной подготовки природного газа к дальнему транспорту.

Предметом исследования являются методы и модели расчета многофазных течений в аппаратах подготовки природного газа; методическое обеспечение проектирования технологических процессов осушки природного газа; методы нечеткого моделирования сложных систем.

Цель работы состоит в проведении комплексных исследований, направленных на получение научно-обоснованных технических и методических решений по оптимизации подготовки газа на основе имитационного моделирования процессов абсорбционной осушки и гидратообразования нечеткими системами, тиражирование которых на всех устройствах комплексной подготовки газа (УКПГ) позволят отсрочить период компрессорной эксплуатации продуктивных залежей Уренгойского месторождения.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи: - разработать численную модель образования гидратов в аппаратах и трубопроводах; провести численные расчеты неравновесного течения природного

газа с конденсированной фазой в каналах сложной формы;

- оценить эффективность работы массообменных аппаратов для подготовки газа при моделировании термогазодинамических процессов и разработать рекомендации по режимам их эксплуатации в промысловых условиях;

- выработать научно-технические решения для построения нечетких причинно-следственных сетей, моделирующих сложные технологические процессы подготовки газа;

- построить имитационную модель технологического процесса подготовки природного газа на основе эмпирических и экспертных данных, полученных в результате анализа абсорбционных процессов осушки природного газа и осложнений, возникающих в процессе гликолевой осушки на УНГКМ в компрессорный период эксплуатации;

- апробировать предлагаемые подходы при выработке решений по эффективной эксплуатации существующего нефтегазоносного комплекса УНГКМ.

Методы исследования. В работе применялись методы планирования многофакторного эксперимента, численные методы газодинамики многофазных сред. Для расчета динамики образования гидратов в технологических аппаратах применялся метод контрольного объема при решении уравнений двухфазной гидродинамики в областях сложной формы.

В исследовании также использовались методы системного анализа и извлечения знаний из эмпирических данных. При построении причинно-следственной сети, моделирующей технологические процессы подготовки газа, использовались методы нечеткой логики и нейросетевые методы. Обучение системы и идентификация моделей проводились на основе теоретических методов структурно-параметрической адаптации.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждается сопоставительным анализом разработанных и существующих математических моделей и методов, а также данными процесса промысловой подготовки природного газа сеноманской и валанжинской залежей УНГКМ.

Математические модели и алгоритмы, используемые в работе, основаны на фундаментальных методах теоретической и экспериментальной гидродинамики, а также на современных положениях теории обычных и нечетких множеств и принципах построения экспертных систем.

На защиту выносятся результаты применения научно-обоснованных технических решений по оптимизации подготовки газа, в том числе:

- модель образования гидратов при течении сырого природного газа в трубах;

- математическая модель неравновесного течения природного газа с конденсированной фазой в каналах сложной формы;

- технологические и конструкторские решения улучшения работы аппаратов воздушного охлаждения (ABO) сырого газа;

- метод моделирования сложных технологических процессов с помощью причинно-следственной сети;

- нечеткая имитационная модель технологического процесса подготовки природного газа, построенная на основе эмпирических и экспертных данных.

Научная новизна результатов диссертационного исследования, полученных лично автором, заключается в следующем:

- построена модель образования гидратов при течении сырого газа в каналах, основанная на уравнениях гидродинамики и теплообмена; разработана методика оценки выпадения конденсированной фазы, использующая результаты численного совместного решения уравнений для газовой и конденсированной фаз в двумерной постановке, при движении природного газа в аппаратах и трубопроводах;

- получены результаты численного моделирования режимов течения в коллекторах ABO для нескольких схем подсоединения коллекторов к потоку, которые существенно облегчают поиск технический решений по снижению гидратообразования в ABO посредством изменения конструктивных схем подсоединения коллекторов и применения ингибитора в зону наиболее вероятного образования гидратов;

- предложен способ построения и подход к проблемно-целевому анализу сложных организационно-технических систем на основе нечеткого моделирования; построена нечеткая имитационная модель технологического процесса подготовки природного газа на основе эмпирических и экспертных данных;

- разработан программный комплекс на основе имитационного моделирования технологического процесса подготовки газа нечеткими системами для поддержания действующего фонда газоконденсатных скважин и оптимальных режимов процесса низкотемпературной сепарации в условиях падения пластового давления.

Практическая полезность работы. На основании полученных промысловых экспериментальных данных разработаны технологические режимные карты по эксплуатации основного технологического оборудования подготовки газа к транспорту на УНГКМ. Выявлены технологические и конструкторские решения модернизации системы подготовки природного газа в промысловых условиях.

Применение методики нечеткого моделирования технологических процессов позволяет дать оперативную оценку показателей природного газа, подготовленного к транспортировке, при изменении условий добычи. Применение модели дает возможность структурной и параметрической оптимизации производства, направленной на повышение уровня качества подготовки природного газа.

Внедрение предложенных научно-обоснованных решений по оптимизации подготовки газа позволило увеличить объем добываемой нефти и утилизированного попутного нефтяного газа, сократить количество несанкционированных остановок дожимных компрессорных станций (ДКС) управления подготовки конденсата к транспорту (УПКТ), а также увеличить выход нестабильного конденсата в летний период времени за счет обеспечения температуры низкотемпературных сепараторов (НТС).

Апробация работы. Результаты работы докладывались на: шестой всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по про-

блемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2005); 35-й и 36-й международных конференциях «Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе» (Украина, Крым, Ял-та-Гурзуф, 2008, 2009); международном конгрессе по интеллектуальным системам и информационным технологиям «А18-1Т'09» (Краснодарский край, п. Дивноморское, 2009); VI международной научно-практической конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук» (Москва, 2011).

Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 17 научных работах общим объемом 4,3 п.л., авторский вклад -2,9 п.л. Автор имеет 6 научных трудов в изданиях, выпускаемых в РФ и рекомендуемых ВАКом для публикации основных результатов диссертаций, а также 3 патента, зарегистрированных в Государственном реестре изобретений РФ.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение и акт об использовании результатов работы, изложенные на 191 стр. машинописного текста. В работу включены 52 рис., 5 табл., список литературы из 128 наименований.

ГЛАВА 1. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ И МАССООБМЕННЫЕ

ПРОЦЕССЫ И АНАЛИЗ АБСОРБЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОДГОТОВКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА К ТРАНСПОРТУ

1.1. Физические процессы абсорбционной осушки природного газа и конденсата

1.1.1. Физические основы абсорбционного процесса

На установках комплексной подготовки газа подготовка природного газа к транспорту осуществляется по технологии абсорбционной осушки с применением в качестве абсорбента диэтиленгликоля (ДЭГ) [70]. Промысловая подготовка газа заключается в извлечении влаги и мехпримесей из пластового газа и обеспечении требуемой температуры точки росы. В процессе подготовки природного газа применяются технологии, основанные на законах гидродинамики, тепло и массообмена. Основная доля осушки газа приходится на абсорбционные аппараты и технологии [16,18].

В нефтяной и газовой промышленности процесс абсорбции применяется для разделения, осушки и очистки углеводородных газов [101]. Абсорбция - процесс избирательного поглощения компонентов газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Процесс абсорбции происходит в том случае, когда парциальное давление извлекаемого компонента в газовой смеси выше, чем в жидком абсорбенте, вступающем в контакт с этим газом, т.е. для протекания абсорбции необходимо, чтобы газ и абсорбент не находились в состоянии равновесия. Различие в парциальном давлении извлекаемого компонента в газе и жидкости является той движущей силой, под действием которой происходит поглощение (абсорбция) данного компонента жидкой фазой из газовой фазы. Чем больше эта движущая сила, тем интенсивнее переходит этот компонен