Об особенностях цифровизации ряда технологий газодобывающих предприятий на базе идеологии «ИНДУСТРИЯ 4.0»

Цифровизация

О. Б. АРНО, А. К. АРАБСКИЙ, Т. В. СОПНЕВ, И. И. КУЩ, Р. Л. КОЖУХАРЬ, Э. Г. ТАЛЫБОВ, ООО «Газпром добыча Ямбург» (г. Новый Уренгой), С. А. КИРСАНОВ, ПАО «Газпром», (г. Санкт Петербург)

Жизненный цикл каждого месторождения (уникального по своим геологическим, геофизическим, природным и пр. характеристикам) длится не менее 40. В октябре прошлого года исполнилось 35 лет ООО «Газпром добыча Ямбург» и 50 лет с момента открытия Ямбургского месторождения. Для компенсации падения добычи на старых месторождениях предприятие осуществляет последовательный, плановый ввод в эксплуатацию новых объектов добычи газа. Все объекты и оборудование вновь вводимых месторождений и реконструируемых в плановом порядке непременно соответствуют передовому уровню техники и наилучшим доступным технологиям на момент выдачи задания на проектирование.

Определена последовательность ввода в эксплуатацию месторождений Обско­Тазовской губы и Гыданского полуострова, сроки которых еще будут уточняться. Планируется приступить к освоению 7 офшорных месторождений: Каменномысское­море, Северо­Каменномысское, Обское, Чугорьяхинское, Семаковское, Антипаютинское и Тота- ­Яхинское, а также находящейся на суше группы Парусовых месторождений. Схема освоения (см. рис. 1) проработана достаточно подробно в расчете на использование инфраструктуры, созданной при обустройстве и эксплуатации Ямбургского НГКМ.

Из указанных месторождений первым в эксплуатацию планируется ввести в 2025 г. Каменномысское-­море со строительством одной ледостойкой платформы, а затем трех ледостойких блок­кондукторов.

Также определена последовательность предстоящих плановых реконструкций объектов, в рамках которых имеется возможность повлиять на принимаемые проектные решения с целью снижения потенциальных рисков реализации технологических, геоэкологических и экологических инцидентов [1].

Постановка задач

Из сказанного автоматически вытекают ключевые моменты, нацеленные на эффективную реализацию указанных задач с учетом потенциала цифровизации. Они выявляются в ежедневной работе с непрерывным анализом текущих ситуаций на базе риск­ориентированного подхода.

Эксплуатируемые ООО «Газпром добыча Ямбург» месторождения находятся на разных стадиях жизненного цикла, что позволяет сформулировать иерархический ряд проблем, решение которых возможно лишь в рамках добывающего предприятия. Это:

-   Постановка объектно­ориентированных задач, инновационное решение которых можно реализовать своими силами на базе имеющегося технологического оборудования и ИУС с системой телемеханики.

-   Выявление задач, инновационное решение которых можно получить своими силами с минимальными затратами на реконструкцию.

-     Определение задач, предварительное решение которых требует организации творческих коллективов с привлечением специалистов исследовательских и проектных организаций.

Такой подход определил ряд базовых задач, связанных с разработкой «цифровых двойников» технологических процессов:

-   повышение объектной ориентации ИУС путем разработки и внедрения индивидуальных алгоритмов с учетом текущего состояния оборудования на конкретном месторождении;

-   использование комбинации классических и нетрадицион­ных методов, нечеткое моделирование и экспертный подход для разработки и реализации инновационных технологий и алгоритмов управления ими;

-    автоматизированный контроль и управление рисками техногенных, экологических и геоэкологических инцидентов на газопромысловых объектах;

-   минимизация влияния человеческого фактора приприня­тии решений в предаварийных ситуациях;

-   алгоритмизация контроля и управления газопромысловыми объектами в предаварийных ситуациях;

-   интегрирование ИУС и телемеханики газопромысловых объектов с системами математического моделирования разработки месторождения;

-   интеллектуализация эксплуатируемых ИУС для повышения их объектной ориентации на базе резервных вычислительных мощностей.

Фактически это часть того, что сегодня включают в систему «Индустрия 4.0», и то, что позже войдет в «цифрового двойника» газодобывающего комплекса. И, пожалуй, это одна из его главных частей, о которой практически ничего не говорят.

Основа для решения поставленных задач

Отправной точкой для решения этих амбициозных задач послужила система «Ямбург – Гиперфлоу ТМ» [2]. Она была разработана нами совместно с НПО «Вымпел» при освоении Анерьяхинской залежи Ямбургского НГКМ и в последующем внедрялась на всех вновь вводимых объектах для контроля и управления работой не электрифицированных кустов добывающих скважин. Схематически система представлена на рис. 2.

Эта система позволила вести газогидродинамические исследования скважин с помощью АСУ ТП для оперативного уточнения параметров эксплуатации месторождения. Эти исследования проводятся без выброса парниковых газов в атмосферу и практически без участия обслуживающего персонала на кусте.

Наличие такой системы телемеханики, подключенной к ИУС промысла, стимулировало творческий подход к поиску и решению ряда задач для формирования «цифровых двойников» газодобывающего комплекса. Этот же процесс стимулировала хорошо известная теорема У. Р. Эшби, под названием «Закон необходимого разнообразия» [3].

Построение адекватных математических моделей

Одной из первых задач на этом пути – разработка моделей­двойников технологических процессов. Ее решили декомпозицией технологического процесса на подпроцессы так, что один описывается аппаратом классической науки, другой – теорией нечетких множеств, а третий – методологией экспертных систем. Математически эта функциональная зависимость как . Значения параметров первого подпроцесса измеряют средствами автоматизации и определяют в первом приближении область решения без учета возможных помех и второстепенных факторов с использованием знаний классической науки.

Параметры второго подпроцесса, как правило, невозможно измерить по разным причинам (слишком дорогие средства измерения либо они еще не созданы). Идеология «Индустрии 4.0» их совсем не учитывает. Влияние этих параметров проще рассчитать, используя модели нечеткой математики в виде поправок к решению, полученному первым блоком. На рис. 3 – «Область нечеткого решения». Для определения поправок не требуется больших вычислительных мощностей и справляется имеющаяся ИУС.

Влияние на процесс третьей группы параметров   проще оценить поправкой, определяемой экспертной системой (используя базу знаний опытных операторов). На рис. 3 – «Область экспертных оценок». Она также не требует больших вычислений, поскольку экспертных правил при таком подходе на несколько порядков меньше, и справляется имеющаяся ИУС.

Интегрируя полученные результаты, удается достаточно точно определить выходной параметр системы, т.е. адекватную математическую модель процесса или «цифрового двойника» реально действующего объекта. Такой инновационный подход к моделированию процессов обеспечивает высокое качество цифрового управления и реализуется на имеющемся оборудовании.

В качестве примера, имея систему телемеханики «Ямбург – Гиперфлоу ТМ» и контролируемые ей и ИУС параметры, удалось решить значительный блок инновационных задач. В частности, «научили» ИУС определять момент начала гидратообразования в газосборном шлейфе, когда и в какую точку газосборной сети необходимо подавать метанол. Эти технологии защищены патентами РФ № 2329371, № 2560028, № 2573654, № 2661500, № 2687519. Некоторые подробности представленных патентов здесь и далее по тексту можно просмотреть в работе [4].

Удалось реализовать инновационные технологии автоматического контроля состояния скважин и шлейфов, где установлена система «Ямбург – Гиперфлоу ТМ». Эти технологии также защищены патентами РФ. По стандартному блоку контролируемых параметров: № 2474753, № 2568737, № 1608141, № 2619602, а по расширенному блоку параметров – № 2626098. Ведем подготовку к контролю межколонного давления для решения принципиально новых задач, представленных в патенте РФ № 2607004.

Повышение надежности функционирования существующих ИУС

Внедряя эти инновационные технологии, выявили, что их эффективность напрямую зависит от надежности функционирование ИУС и ее способности принимать управляющие решения в случае поступления несовершенной информации. А такие сбои встречаются и приводят иногда к непредвиденным инцидентам.

Удалось найти инновационное решение и этой задачи, заставив систему оценивать саму себя, поступающую в нее информацию и работоспособность ее измерительных каналов. А в случае выявления отказов и сбоев максимально точно моделировать показания отказавших измерительных каналов до момента восстановления их работоспособности, предупредив персонал о необходимости проведения соответствующих ремонтных работ. Для этого ИУС непрерывно анализирует в заданном интервале времени до последнего цикла измерений поведение расчетных значений и фактических показаний каждого канала. Если они являются «двойниками» в пределах допустимых отклонений, то измерительный канал исправен. В противном случае ИУС дополнительно проверяет канал по показаниям «родственных датчиков» для того, чтобы сделать однозначный вывод об его отказе.

В этом случае оператор получает сообщение с рекомендацией перехода на режим моделирования, который ИУС реализует, используя расчетное значение параметра отказавшего ИК. Моделирование ведется с учетом поправки, равной последней зафиксированной разности между фактическим и теоретическим значением этого параметра, т. е. имитирует его «двойником». Такой подход многократно повышает надежность функционирования промысла под управлением ИУС. Эта технология защищена патентами РФ № 2400793, № 2454692 и патентом на полезную модель РФ № 125623 ПМ.

А надежно функционирующую ИУС можно привлекать для решения задач контроля за эксплуатацией месторождения. По факту – это уже система с зачатками искусственного интеллекта, достаточного для решения указанных задач, т. е. мы идем встречным путем к тем наработкам, которые ведутся в специализированных лабораториях и институтах искусственного интеллекта.

Расширение возможностей существующих ИУС

Примером может служить задача автоматического построения карты изобар газоносной и многопластовой залежи с помощью ИУС на любую историческую дату и на текущий момент. По нормативам карту необходимо строить раз в квартал по результатам газогидродинамических исследований скважин, которые по нормативам проводятся с периодичностью охвата всего фонда скважин не реже 1 раза в 3 года.

Изучив методику построения стандартной карты изобар, удалось построить алгоритмы и разработать технологию контроля и расчета параметров функционирующих и остановленных скважин, необходимых для построения карты. По команде ИУС производит ее построение на любую запрошенную дату с соответствующими пересчетами в автоматическом режиме. При этом эксплуатируется имеющаяся ИУС, т. к. используются ее резервные вычислительные мощности и базы данных. Удалось решить и более сложную задачу построения карты изобар для многопластовых месторождений нефти и газа. Данная технология защищена патентами РФ № 2634770, № 2661501 и № 2709046. Базируясь на этих достижениях, удалось решить задачу повышения отдачи конденсата валанжинскими залежами. Эта технология защищена патентом РФ №2713553.

Одним из эффективных методов контроля за разработкой газоконденсатных месторождений является метод гидропрослушивания скважин. Данный метод используется редко, т. к. требует проведения значительного объема работ и необходимости задействования целой группы скважин с соответствующим ограничением режима эксплуатации. Данная задача была решена, используя ИУС с системой телемеханики, разработана технология проведения таких испытаний в автоматическом режиме. Испытания планируется проводить по команде, в любой момент жизненного цикла месторождения. Они должны проходить параллельно стандартным ГДИ скважин либо во время планово­предупредительных работ, проводимых, как правило, летом. Это позволит повысить точность определения текущих эксплуатационных параметров пласта и оптимизировать его последующую эксплуатацию.

При проведении этих исследований ИУС строго контролирует порядок подключения и отключения скважин, регистрирует время прихода и форму волны возмущения давления. Данная технология защищена патентом РФ № 2645055 и принцип автоматического прослушивания добывающих скважин представлен на рис. 5.

При реализации этой технологии не требуется присутствия людей на кусте скважин, т. е. полностью исключается так называемый человеческий фактор. Столь длительные испытания чисто по физиологическим причинам человеку трудно провести, а ИУС с системой телемеханики проведет их параллельно с основной задачей, управлением работой газового промысла.
В настоящее время идет подготовка НИОКР по ее практической реализации.

Заключение

Таким образом, можно резюмировать, что развитие и интеграция эксплуатируемых информационно­управляющих систем с целью повышения техногенной, экологической и геоэкологической безопасности газопромысловых объектов ООО «Газпром добыча Ямбург» изначально базировалась на принципах объектной ориентации и цифровизации технологических процессов, с учетом характерных для наших месторождений особенностей. Приоритет создания нашего первого «цифрового двойника» – 2008 г., тогда как «Индустрия 4.0» объявлена Германией в 2011 г.

Литература:

О. Б. Арно, А. К. Арабский, В. И. Богоявленский, А. Н. Зайцев, С. А. Кирсанов. Геоэколого­техногенные аспекты и их роль при освоении газовых месторождений в районе Ямбурга // Актуальные проблемы нефти и газа ▪ Вып. 4 (23) 2018 ‒ http://oilgasjournal.ru. Труды Международной конференции «Дегазация Земли: геология и экология – 2018».

Патент ПМ № 49109. Устройство для контроля и регулирования процесса добычи газа в газовых и/или газоконденсатных скважинах / О. П. Андреев, З. С. Салихов, П. Н. Францев, А. Г. Лыков, А. М. Деревягин. 30.06.2005, опубл. 10.11.2005.
Бюл. № 31. – 4 с.

У. Р. Эшби. Введение в кибернетику. – «Иностранная литература», Москва, 1959. 432 с.

Р. А. Алиев, О. Б. Арно, А. К. Арабский, С. И. Гункин, Э. Г. Талыбов. ИУС газопромысловых объектов: современное состояние и перспективы развития. «Недра», Москва, 2014, 463 с.