Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ИНГИБИТОРА ДЛЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ В СИСТЕМАХ СБОРА УСТАНОВОК КОМПЛЕКСНОЙ/ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ ГАЗА, РАСПОЛОЖЕННЫХ В РАЙОНАХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

Изобретение относится к области добычи природного газа, в частности, к предупреждению гидратообразования и разрушения гидратов в системах сбора (ССГ) установок комплексной/предварительной подготовки газа (УКПГ/УППГ), расположенных в районах Крайнего Севера.

Известно устройство для автоматического управления процессом подачи ингибитора гидратообразования в газопроводы природного газа [см. Авт. св. SU №526864]. Оно включает регулятор соотношения расходов газа и ингибитора, связанный с исполнительным механизмом подачи ингибитора по трубопроводу, снабженному байпасной линией, и регулятор расхода газа. Устройство снабжено двухпозиционным регулятором, входом которого служит выход регулятора расхода газа, и запорным органом, соединенным с установленным на байпасной линии двухпозиционным регулятором.

Недостатком данного устройства является громоздкость из-за наличия двух клапанов-регуляторов и байпасной линии, которая является источником потерь энергии, затрачиваемой на сообщение неиспользуемого напора перепускаемому количеству ингибитора в системе.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является комплексная автоматизированная система распределения и дозирования ингибитора гидратообразования [см. Патент RU №2376451], которая содержит:

- насосный агрегат с электроприводом, напорный коллектор, трубопроводы отбора ингибитора из коллектора;

- независимые контуры стабилизации давления, один из которых образуется датчиком давления в напорном коллекторе, выход которого соединен с автоматическим регулятором частотного преобразователя, а выход последнего соединен с электроприводом насосного агрегата, второй контур стабилизации давления образует блок регуляторов давления прямого действия, включенный в группу отборных устройств между напорным коллектором и исполнительными устройствами;

- регулятор давления «после себя», образующий совместно с исполнительными устройствами одну управляемую группу устройств, обеспечивающих подачу ингибитора в защищаемые точки технологического оборудования по заданному алгоритму и программе;

- группу исполнительных устройств, обеспечивающих прямую управляемую программную подачу ингибитора на кусты скважин от общего коллектора;

- находящиеся на каждом трубопроводе подачи ингибитора на куст регулируемые устройства, обеспечивающие распределение потока ингибитора между скважинами куста в соответствии с индивидуальной настройкой для каждой скважины и автоматически поддерживающие заданное соотношение перепадов давлений.

Существенными недостатками данной системы являются отсутствие возможности оперативного определения концентрации ингибитора, подаваемого в ССГ и в отработанном растворе, который поступает из ССГ на УКПГ/УППГ, что может привести к существенному перерасходу или недостаточной подаче ингибитора в систему.

Перечисленные факторы, в конечном итоге делают нецелесообразным применение данной автоматизированной системы для управления подачей ингибитора для предупреждения гидратообразования в ССГ в условиях Крайнего Севера.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение является минимизация расхода ингибитора для предупреждения гидратообразования в ССГ.

Техническими результатами, достигаемыми путем реализации изобретения, являются:

• автоматическое определение в реальном масштабе времени количества ингибитора, необходимого для предупреждения гидратообразования в ССГ с учетом его концентрации в регенерированным (исходном) и отработанном водном растворе;

• автоматическое предупреждение гидратообразования в ССГ путем поддержания концентрации ингибитора в отработанном водном растворе, обеспечивающей заданное снижение температуры гидратообразования в каждом конкретном шлейфе;

• автоматическое распределение ингибитора между газосборными шлейфами (ГСШ) в ССГ.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ автоматического управления подачи ингибитора для предупреждения гидратообразования в системах сбора установок комплексной/предварительной подготовки газа УКПГ/УППГ, расположенных в районах Крайнего Севера, включает:

- подключение отдельного газосборного шлейфа ГСШ к каждому кусту газодобывающих скважин;

- подачу контролируемого объема регенерированного ингибитора по отдельному трубопроводу в начало каждого газосборного шлейфа ГСШ;

- оснащение каждого ГСШ датчиками контроля расхода добываемого газа, его температуры и давления, которые установлены в начале и в конце шлейфа;

- установку на каждый шлейф клапана-регулятора добычи газа с куста газодобывающих скважин;

- подсоединение концов всех газосборных шлейфов к газосборному коллектору, из которого добываемый газ поступает в сепаратор для очистки от механических примесей и водного раствора ингибитора;

- отвод водного раствора ингибитора, по мере накопления в нижней части сепаратора, на регенерацию в цех регенерации ингибитора УКПГ/УППГ.

Реализация способа предусматривает использование системы телеметрии, сопряженной с автоматизированной системы управления технологическими процессами АСУ ТП УКПГ/УППГ. С ее помощью производят с заданной дискретностью последовательный опрос установленных в начале и в конце всех ГСШ датчиков давления, температуры и расхода газа. Так же, АСУ ТП УКПГ/УППГ одновременно с системой телеметрии, опрашивает датчик фактической концентрации регенерированного ингибитора, установленного на выходе буферной емкости регенерированного ингибитора, и датчик концентрации водного раствора ингибитора, установленного на трубопроводе его подачи в цех регенерации ингибитора УКПГ/УППГ. Опросив датчики и получив информацию из системы телеметрии АСУ ТП записывает эту информацию в свою базу данных. После этого АСУ ТП УКПГ/УППГ производит ее обработку для выработки управляющих решений по подаче ингибитора индивидуально для каждого шлейфа.

В случае выявления в одном из ГСШ момента начала процесса гидратообразования, АСУ ТП перестраивается на режим парирования возникшей ситуации. При этом она выдает соответствующее сообщение оператору. Далее, в режиме реального времени, используя занесенные в базу данных результаты измерений и стандартизованные математические модели реализуемых технологических процессов, АСУ ТП расчетным путем определяет фактическое значение необходимого расхода регенерированного ингибитора, которое нужно подавать в ГСШ, где выявлено начало процесса гидратообразования. Это значение АСУ ТП выдает как задание (уставку) соответствующему, реализованному на базе АСУ ТП ПИД-регулятору, управляющему клапаном-регулятором расхода ингибитора в шлейфе, где выявлен процесс гидратообразования. Одновременно, АСУ ТП на основе нормативно-справочной информации, имеющейся в ее базе данных, определяет режим работы ПИД-регулятора путем изменения коэффициента пропорциональности, подаваемого на его соответствующий вход, для управления динамикой подачи ингибитора в указанный ГСШ. При этом содержание нормативно-справочной информации в базе данных АСУ ТП УКПГ/УППГ регулярно обновляется обслуживающим персоналом в интерактивном режиме по результатам гидродинамических и периодических промыслово-лабораторных исследований скважин.

На фиг. 1 приведена принципиальная технологическая схема подачи ингибитора в ССГ УКПГ/УППГ, а на фиг. 2 - структурная схема автоматического управления подачи ингибитора в ССГ УКПГ/УППГ.

На фиг. 1 использованы следующие обозначения:

1_i - газовые скважины i-го куста, подключенные к i-му шлейфу (для простоты на фиг. 1 показана всего одна скважина), где 1≤i≤n - номер шлейфа ССГ, а n общее количество шлейфов;

2_i - датчик давления, установленный в начале i-го шлейфа ССГ;

3_i - датчик температуры, установленный в начале i-го шлейфа ССГ;

4_i - датчик расхода газа, установленный в начале i-го шлейфа ССГ;

5_i - i-ый газосборный шлейф (ГСШ);

6_i - трубопровод подачи ингибитора в начало i-го шлейфа ССГ;

7_i - клапан-регулятор расхода ингибитора в i-м шлейфе ССГ;

8_i - датчик расхода регенерированного ингибитора, подаваемого в i-й шлейф ССГ;

9 - напорный коллектор регенерированного ингибитора;

10_i - клапан-регулятор расхода газа в i-м шлейфе ССГ;

11_i - датчики давления, установленные в конце i-го шлейфа ССГ;

12_i - датчики температуры, установленные в конце i-го шлейфа ССГ;

13 - газосборный коллектор;

14 - насосный агрегат подачи регенерированного ингибитора в ССГ;

15 - датчик концентрации регенерированного (исходного) ингибитора;

16 - буферная емкость регенерированного (исходного) ингибитора;

17 - сепаратор газа;

18 - датчик концентрации водного раствора ингибитора;

19 - автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) УКПГ/УППГ.

На фиг. 2 использованы следующие обозначения:

20_i - сигнал, поступающий с датчика расхода регенерированного ингибитора 8,- на вход PV ПИД-регулятора i-го ГСШ;

21_i - сигнал значения коэффициента пропорциональности К_{п_ном. i}, поступающий из базы данных на вход I₁ коммутатора 24_i;

22_i - сигнал значения коэффициента пропорциональности К_{п_макс. i}, поступающий из базы данных на вход I₂ коммутатора 24_i;

23_i - сигнал рассчитанного массового расхода ингибитора F_{ингиб.расч.Δi} для i-го ГСШ, поступающий на вход SP ПИД-регулятора i-го ГСШ;

24_i - блок коммутации коэффициентов пропорциональности для i-го ГСШ;

25_i - ПИД-регулятор поддержания расхода ингибитора в i-ом ГСШ;

26_i - управляющий сигнал, подающийся с выхода CV ПИД-регулятора на клапан-регулятор 7_i расхода ингибитора в i-ом ГСШ;

27_i - сигнал команды на выбор коэффициента пропорциональности для ПИД-регулятора i-го ГСШ.

Способ автоматического управления подачи ингибитора для предупреждения гидратообразования в ССГ УКПГ/УППГ, расположенных в районах Крайнего Севера, реализуют следующим образом.

Газ, поступая из скважин i-го куста 1_i, проходит по i-му ГСШ 5_i, оснащенному датчиками давления 2_i, температуры 3_i и расхода 4_i, установленными в начале i-го ГСШ, и датчиками давления 11_i и температуры 12_i, установленными в конце i-го ГСШ.

Далее газ через клапан-регулятор расхода 10_i, который используется для регулирования добычи газа из скважин i-го куста, подается в газосборный коллектор 13 и далее на вход сепаратора 17. В сепараторе 17 происходит очищение газа от механических примесей, капельной влаги и отделение водного раствора ингибитора. Этот раствор по мере накопления в нижней части сепаратора 17 отводится на регенерацию в цех регенерации ингибитора через трубопровод, оснащенный датчиком концентрации водного раствора ингибитора 18. С выхода сепаратора 17 очищенный газ от механических примесей и капельной жидкости поступает в цех подготовки газа для дальнейшей осушки.

Для подачи ингибитора в начало i-го ГСШ 5_i, проложен отдельный трубопровод подачи ингибитора 6_i, который оснащены датчиками расхода ингибитора 8_i и клапаном-регулятором 7_i. Необходимое давление в напорном коллекторе 9 регенерированного ингибитора создается насосным агрегатом 14 подачи ингибитора.

Вход насосного агрегата 14 соединен входным патрубком с буферной емкостью 16, на котором установлен датчик концентрации 15 регенерированного ингибитора.

Система автоматического управления подачи ингибитора работает следующим образом.

Используя систему телеметрии, производят с заданной дискретностью последовательный опрос установленных на всех ГСШ датчиков. А именно, датчиков давления (датчики 2_i), температур (датчики 3_i) и расхода газа (датчики 4_i) вначале каждого ГСШ, а так же датчика давления (датчики 11_i) и температур (датчик 12_i) в конце каждого ГСШ. Результаты произведенных измерений записывают в базу данных АСУ ТП УКПГ/УППГ. В каждом цикле опроса АСУ ТП одновременно с системой телеметрии измеряет фактическую концентрацию регенерированного ингибитора (датчик - 15) и водного раствора ингибитора (датчик - 18).

Если АСУ ТП УКПГ/УППГ обнаружит то, что начался процесс гидратообразования в ССГ (например, по способу - патент на изобретение РФ №2329371), она приступает к расчету количества ингибитора, которое необходимо подавать в тот ГСШ 5_i, в котором начался процесс гидратообразования. Далее АСУ ТП выдает задание своим регуляторам и исполнительным органам (клапанам-регуляторам) на предупреждение процесса гидратообразования.

В качестве ингибитора, для предупреждения гидратообразования в ГСШ газовых промыслов, расположенных в районах Крайнего Севера, используют метанол. Поэтому каждый раз, как только выявляется начало процесса гидратообразования в i-ом ГСШ, необходимо определить требуемое количество ингибитора - метанола и подать его в начало ГСШ для предупреждения гидратообразования в ССГ. С этой целью АСУ ТП 19 УКПГ/УППГ для каждого i-го ГСШ 5_i в режиме реального времени производит расчеты следующих величин:

а) значение концентрации ингибитора в водном растворе i-го шлейфа, обеспечивающей заданное снижение температуры гидратообразования (определяется по преобразованной формуле Гаммершмидта) [см., например, ст. 6, Инструкция по расчету нормативов потребления метанола для использования в расчетах предельно допустимых или временно согласованных сбросов метанола для объектов ОАО «Газпром», ВРД 39-1.13-010-2000]:

где i - номер ГСШ (i=1, 2, …, n);

32 - молекулярная масса метанола;

1295 - константа Гаммершмидта;

Δt_i - требуемое снижение температуры гидратообразования в конце i-го ГСШ.

В свою очередь, Δt_i определяется из выражения:

Δt_i=t_гидр.i-t_к.гсш.i,

где t_к.гсш.i - температура газа в конце i-го ГСШ, значение которой поступает с датчика температуры 12_i;

t_гидр.i - температура гидратообразования в конце i-го ГСШ, которая зависит от давления в нем, т.е. t_гидр.i=ƒ(P_i).

Для сеноманского газа, который добывается на месторождениях Крайнего Севера, t_гидр.i определяется из выражения [см., например, стр. 22, Инструкция по расчету нормативов потребления метанола для использования в расчетах предельно допустимых или временно согласованных сбросов метанола для объектов ОАО «Газпром», ВРД 39-1.13-010-2000]:

где P_i - значение давления газа в конце i-го ГСШ, которое поступает с датчика давления 11_i.

б) Удельный расход ингибитора, вводимого в поток газа i-го шлейфа для предупреждения гидратообразования, определяется по формуле [см., например, стр. 23, Инструкция по расчету нормативов потребления метанола для использования в расчетах предельно допустимых или временно согласованных сбросов метанола для объектов ОАО «Газпром», ВРД 39-1.13-010-2000]:

где C₁ - концентрация регенерированного ингибитора, закачиваемого в i-й ГСШ (обычно 90…95% мас.), фактическое значение которой поступает с датчика концентрации 15;

q_ri - равновесное содержание ингибитора, содержащееся в поступающем газе;

W_i - количество содержащейся в газе жидкой воды.

Количество содержащейся в газе жидкой воды - W_i определяется по формуле:

W_i=W_{i пласт.вода}+ΔW_i,

где W_{i пласт.вода} - количество выносимой газом пластовой воды из скважин;

ΔW_i - количество конденсирующейся влаги из газа в ГСШ, определяемое из выражения [см., например, стр. 9, Инструкция по расчету нормативов потребления метанола для использования в расчетах предельно допустимых или временно согласованных сбросов метанола для объектов ОАО «Газпром», ВРД 39-1.13-010-2000]:

где W_1i и W_2i - влагосодержание газа в начале и в конце i-го ГСШ, которое можно определить из формулы Бюкачека [см., например, ст. 88, Э.Б. Бухгалтер. Метанол и его использование в газовой промышленности. М., Недра, 1986, 238 с.]:

где P_i - значение давления газа, поступающее с датчика давления 2_i для определения W_1i, и с датчика давления 11_i для определения W_2i;

t_i - значение температуры газа, поступающее с датчика температуры 3_i для определения W_1i и с датчика температуры 12_i для определения w_2i.

Равновесное содержание метанола в газе, контактирующем с водометанольным раствором, определяется из выражения:

где M_0i - растворимость метанола в газе в системе «метанол-природный газ», значение которой определяется путем обработки графика, приведенного на рис. 2 (стр. 8) Инструкции по расчету нормативов потребления метанола для использования в расчетах предельно допустимых или временно согласованных сбросов метанола для объектов ОАО «Газпром», ВРД 39-1.13-010-2000.

в) Массовый расход ингибитора в i-ом ГСШ - F_{ингиб_расч_i}, определяется из выражения:

где F_{газ_i} - значение расхода газа в i-ом ГСШ, которое поступает с датчика расхода 4_i.

г) Итоговую расчетную концентрацию ингибитора С_{2_итог_расч} на выходе сепаратора 17 вычисляют из выражения:

где C_2i - значение концентрации ингибитора в водном растворе i-ого ГСШ, обеспечивающее заданное снижение температуры гидратообразования в i-ом ГСШ;

F_{инг_i} - фактический массовый расход ингибитора по i-ому ГСШ.

Как правило, какая та часть ингибитора, подаваемого в ГСШ, растворяется в газе, поэтому итоговая фактическая концентрация ингибитора С_{2_итог_факт}, измеряемого с помощью датчик концентрации насыщенного ингибитора 18, всегда будет меньше своего расчетного значения, т.е.:

C_{2_итог_факт}<C_{2_итог_расч}.

Для управления подачей ингибитора для предупреждения гидратообразования в шлейфах необходимо знать значения С_{2_итог_факт} для каждого ГСШ. Так как сепаратор газа 17 является общим для всех ГСШ и учитывая то, что значение С_{2_итог_факт} для каждого шлейфа непосредственно не измеряется, значение концентрации ингибитора в водном растворе i-ого ГСШ - С_{2_итог_факт_i} определяется косвенным путем следующим образом:

а) Используя формулу (4) определяют долевую концентрацию ингибитора в водном растворе каждого ГСШ, обеспечивающую заданное снижение температуры гидратообразования в i-ом шлейфе:

где

б) Если полученное из формулы (4) значение С_{2_итог_расч} принять за 100%, то процентную долю каждого шлейфа в нем можно найти из следующей формулы:

в) Далее АСУ ТП находит разницу между С_{2_итог_расч} и С_{2_итог_факт}, т.е. значения поправки Δ:

Δ=C_{2_итог_расч}-C_{2_итог_факт}.

г) Значение поправки Δ принимают за 100%. Распределение значения поправки между шлейфами назначают, используя результаты вычислений по пункту б). В результате для i-го шлейфа поправку определяют, используя следующую формулу:

С учетом поправки удельный расход ингибитора, вводимого в поток газа i-го шлейфа, определяют по следующей формуле:

Поправку к массовому расходу ингибитора в i-ом ГСШ, с учетом значения для i-го шлейфа, определяют из выражения:

Для поддержания необходимого значения массового расхода ингибитора в i-ом ГСШ, определяемого по формуле (5), используется ПИД-регулятор 25_i поддержания расхода ингибитора для в i-ый ГСШ, который реализован на базе АСУ ТП УКПГ/УППГ. На вход задания SP ПИД-регулятора 25_i подается сигнал 23_i вычисленного значения F_{ингиб_расч_Δi} расхода ингибитора по формуле (5). На вход обратной связи PV этого же ПИД-регулятора подают с датчика 8_i сигнал 20_i значения расхода регенерированного ингибитора, подаваемого в ГСШ. Для изменения динамики подачи ингибитора в ГСШ используют коммутатор сигналов 24_i, производящий переключение между коэффициентами пропорциональности К_{п_ном.i} и К_{п_макс.i}, сигналы которых 21_i и 22_i поступают из базы данных АСУ ТП УКПГ/УППГ. Эти сигналы подаются на соответствующие входы I₁ и I₂ коммутатора сигналов. Переключение между коэффициентами пропорциональности К_{п_ном.i} и К_{п_макс.i}, производится по команде 27_i, выдаваемой АСУ ТП и поступающей на вход CS коммутатора сигналов 24_i.

Благодаря этому на выходе CV ПИД-регулятора 25_i формируется управляющий сигнал 26_i, который подается на клапан-регулятор 7_i расхода ингибитора. В результате в ГСШ 5_i будет всегда подаваться необходимое количество ингибитора, достаточное для предотвращения образования гидратов.

Настройку коэффициентов ПИД-регулятора 25_i проводят согласно общеизвестным методам, изложенным, например, в «Энциклопедии АСУ ТП», п. 5.5, ПИД-регулятор, ресурс:

http://www.bookasutp.ru/Chapter5_5.aspx#HandTuning.

При этом, для каждого ГСШ 5_i определяют два значения коэффициента пропорциональности:

- К_{п_ном.i} - значение, при котором поддержание расхода происходит без перерегулирования;

- К_{п_макс.i} - значение, при котором поддержание расхода ингибитора происходит с допустимым перерегулированием, обеспечивая наибольшее быстродействие.

Значения коэффициентов пропорциональности К_{п_ном.i}, К_{п_макс.i} и количества выносимой пластовой воды из скважин - W_{i пласт.вода} заносится в раздел нормативно-справочной информации базы данных АСУ ТП УКПГ/УППГ. Обслуживающий персонал промысла регулярно уточняет значение W_{i пласт.вода} по результатам гидродинамических и периодических промыслово-лабораторных исследований и имеет возможность в интерактивном режиме корректировать их значения в базе данных АСУ ТП УКПГ/УППГ согласно результатам измерения.

Допустим, количество выносимой пластовой воды - W_{i пласт.вода}, поступающей в ГСШ 5_i из скважин равно нулю. В этом случае, при управлении процессом предупреждения гидратообразования в шлейфе из базы данных АСУ ТП выбирается значение коэффициента пропорциональности К_{п_ном.i} для ПИД-регулятора этого шлейфа, подавая соответствующую команду коммутатору 24_i на его вход CS. В результате поддержание рассчитанного значения расхода ингибитора будет происходить без перерегулирования, тем самым не допуская его необоснованного перерасхода.

Если по результатам гидродинамических и периодических промыслово-лабораторных исследований выявлено наличие выносимой пластовой воды W_{i пласт.вода} из скважины, подключенной к ГСШ 5_i, то его значение вводят в базу данных АСУ ТП. А это означает, что вероятность образования гидратов в данном ГСШ 5_i повышена. Следовательно, при управлении процессом предупреждения гидратообразования для этого шлейфа из базы данных АСУ ТП УКПГ/УППГ выбирается значение коэффициента пропорциональности К_{п_макс.i} и соответствующий сигнал 27_i будет подан коммутатору 24_i на его вход CS. В результате поддержание значения расхода ингибитора будет происходить с допустимым перерегулированием, что повысит скорость реакции на изменение значения задания по расходу ингибитора, и он будет подаваться в ГСШ 5_i быстрее, что понижает вероятность образования гидратов в данном ГСШ.

На практике возможен случай, когда С_{2_итог_факт}>(C_{2_итог_расч}+Δн), где Δн - зона нечувствительности, тогда АСУ ТП об этом сразу сообщает обслуживающему персоналу УКПГ/УППГ для уточнения значения количества выносимой пластовой воды из скважин, которое стало причиной появления данного неравенства.

Способ автоматического управления подачи ингибитора для предупреждения гидратообразования в системах сбора газа УКПГ/УППГ, расположенных в районах Крайнего Севера, реализован в ПАО «Газпром» ООО «Газпром добыча Ямбург» на Заполярном газоконденсатном месторождении на УКПГ 1С, УКПГ 2С и УКПГ 3С. Результаты эксплуатации показали его высокую эффективность. Заявляемое изобретение может широко использоваться и на других действующих и вновь осваиваемых газоконденсатных месторождениях РФ.

Применение данного способа позволяет:

- в реальном масштабе времени автоматически определять количество ингибитора, необходимого для предупреждения гидратообразования в ССГ и в автоматическом режиме распределять подачу ингибитора между ГСШ;

- автоматически предупреждать гидратообразование в ССГ путем поддержания заданной концентрации ингибитора в отработанном водном растворе, обеспечивая необходимое снижение температуры гидратообразования в ГСШ;

- оптимизировать подачу ингибитора для предупреждения гидратообразования в ССГ, обеспечивая повышение эффективности добычи и подготовки скважинной продукции.