1 Роль технологического инжиниринга в разработке нефтяных и газовых месторождений
Одной из наиболее затратных статей при реализации проектов в нефтегазовой отрасли является обустройство площадочных объектов. В последние годы для снижения стоимости реализации проектов капитального строительства упор делался на инструменты строительного инжиниринга. Блочно-модульные технологии позволили сократить сроки реализации проектов и повысить качество изготовления. Мобильные технологии дали возможность разрабатывать месторождения в труднодоступных местах, с возможностью перемещения сооружений на другие объекты. При этом в основу данных подходов заложены устоявшиеся, классические решения. Для подготовки нефти, традиционно, применяется оборудование с использованием гравитационного метода разделения жидкостей. При проектировании объектов в расчеты включают определенные резервы по мощности оборудования.
С изменением внешних факторов и появлением новых вызовов в нефтегазовой отрасли возникает потребность в развитии технологического инжиниринга. На этапе проектирования требуется подбор эффективного оборудования и технологий, которые повысят эффективность проекта и позволят качественно управлять технологическим процессом на этапе эксплуатации. Применение математического моделирования в технологическом процессе, в перспективе, может сократить долю используемого резерва мощности оборудования, закладываемого на сегодняшний день на этапе его проектирования. Развитие и внедрение новых технологий подготовки нефти и газа, таких как 3Sтехнология сепарации нефти, технологии внутритрубной сепарации, применение специальных внутренних устройств и др., позволят сократить металлоёмкость оборудования, снизить капитальные затраты и повысить эффективность проекта.
2 Проблемы проектирования технологических объектов
При проектировании технологических объектов проектировщик сталкивается с рядом неопределенностей и допущений:
1) физико-химические свойства флюида определяются в лабораторных условиях на модельных средах, за частую отличающиеся от реальных условий эксплуатации
2) не выявлены все осложняющиеся факторы эксплуатации, ввиду отсутствия полного комплекса исследований:
- стабильные эмульсии могут вызывать проблемы при добыче, транспортировке и подготовки флюида до товарного качества;
- пенообразование может образовываться в трубопроводах, скважинах и технологическом оборудовании, что приводит к снижению производительности, увеличению затрат на техническое обслуживание и потенциальным проблемам с безопасностью;
- высокий газовый фактор может привести к газовым пробкам;
- наличие агрессивных компонентов может вызвать проблемы при подготовке и транспортировке флюида;
- высокая минерализация, наличие асфальтосмолопарафинистые вещества, механические примеси могут привести к образованию отложений.
3) отсутствие данных по применимости новых технологий к конкретным условиям эксплуатации.
4) ограничения по затратам и срокам реализации проектов. Нефтегазовые проекты часто имеют ограниченные бюджеты и графики реализации, что накладывает требования на технологическое проектирование.
В данных условиях проектировщик вынужден руководствоваться в основном опробованными методами и предусматривать резервы мощности для гарантированного обеспечения технологических параметров.
Физико-химические исследования должны быть максимально приближены к промысловым условиям, что требует развития методов исследований. Об этом подробнее поговорим в следующей публикации. Основным инструментом подбора новых технологий и оборудования, а также управления технологическим процессом и обеспечение его надежности в ходе эксплуатации является моделирование технологического процесса.
3. Моделирование технологического процесса
Моделирование – это построение моделей реальных объектов, систем, процессов, с целью их исследования и прогнозирования. Разработанные модели позволяют инженерам-технологам прогнозировать поведение нефтегазовых объектов, оптимизировать технологические условия и прогнозировать влияние изменений на работу оборудования. Существуют различные типы моделей, используемых при проектировании технологических процессов, включая модели материального баланса, модели энергетического баланса и подробные модели технологических процессов.
Моделирование объектов на этапе проектирования позволяет детальней определить состав сооружений, необходимый технологический режим с учетом особенностей эксплуатации объекта. При этом сокращаются трудозатраты для проработки многочисленных вариантов сценариев реализации объекта.
Для моделирования поведения сложных систем применяются программные комплексы Pipesim, Hysys, OLGA, Symmetry, РН-СИМТЕП, АЭРОСИМ и др. Эти программные пакеты позволяют моделировать широкий спектр процессов, включая системы сбора, систем подготовки флюида, трубопроводов.
Существуют 2 вида моделирования процессов – статическое и динамическое.
Статическое моделирование: это тип моделирования используется для прогнозирования работы системы в стационарных условиях. Он используется для оценки производительности установки при различных сценариях добычи.
Динамическое моделирование используется для прогнозирования поведения системы с течением времени. Он применяется для оценки рисков на этапе эксплуатации установки за определенный период времени с учетом изменений добычи и свойств флюида.
С целью анализа и визуализации больших массивов данных в моделировании применяется программное обеспечение (Petex) и средства разработки для анализа данных (Python, NumPy, SciPy). Эти программные средства могут использоваться для статистического анализа, визуализации и интеллектуального анализа данных.
Средства для разработки ПО на основе искусственного интеллекта (PyTorch, SkLearn, TensorFlow): используется при технологическом инжиниринге для разработки прогнозных моделей и оптимизации производительности систем. Эти средства для разработки могут использоваться с целью анализа больших массивов данных, выявления закономерностей и тенденций и составления прогнозов относительно будущего поведения.
Цифровой двойник так же является одним из элементов технологического инжиниринга. С учетом увеличения доступности и полноты данных, растет потребность в использовании передовых методов аналитики и машинного обучения для анализа и интерпретации данных, что позволит обеспечить масштабируемый и гибкий способ моделирования и эксплуатации сложных систем подготовки флюида.
4. Моделирование технологического оборудования
Моделирование технологического оборудования используется для прогнозирования поведения отдельных элементов оборудования на нефтегазовом объекте (Ansys, Fluent, CFX). С целью оптимизации проектирования, эксплуатации и технического обслуживания оборудования применяются следующие модели:
- модели работы внутренних устройств в сепараторах и колоннах;
- модели работы регулирующей арматуры;
- модели бескавитационной перекачки насосных агрегатов;
- модели горения попутного и природного газа на факельных системах;
- модели тепловых балансов в теплообменных аппаратах;
- модели расслоения эмульсии в системах гидроциклонирования и центрифугирования;
- модели нагрева флюида в подогревателях различных типов (прямой нагрев, промежуточный нагрев, проточный электронагрев)
- модель расчета аварийных сбросов с предохранительных устройств и др.
Для проведения инженерного анализа и численного моделирования отдельных элементов системы и оборудования используются программные продукты: Solid Works, ICEM-CFD, Workbench, Post-CFD, Ansys Fluent, CFX.
Для широкого применения инструментов моделирования процессов имеется ряд ограничений:
-отсутствуют расчетные модели по всему спектру применяемого оборудования;
- отсутствуют промысловые данные по технологическим процессам с привязкой к типу оборудования;
-отсутствуют полноценные цифровые двойники технологических объектов.
