На начальном этапе необходимо подобрать комплектацию УЭЦН таким образом, чтобы совместить точку максимального коэффициента полезного действия (КПД) выбранной установки с максимально возможным дебитом скважины, учитывая при этом возможное снижение забойного давления ниже давления насыщения, приводящее к увеличению концентрации свободного газа с соответствующими негативными последствиями. Выполнение этого условия не всегда осуществимо, поскольку информация о свойствах пласта и данные по скважине, используемые в программах подбора, не всегда достоверны, либо отсутствуют некоторые необходимые параметры, и приходится пользоваться косвенными методами расчета. Кроме того, существующие программы подбора используют алгоритмы с определенной долей погрешности и необходимостью выбора корреляций, требующей высокого профессионализма сотрудников, занимающихся подбором оборудования. В связи с этим возникает необходимость корректировки режима работы оборудования в реальных условиях. Такая корректировка является одной из основных задач интеллектуальных алгоритмов, встроенных в состав станции управления [2]. Другими, не менее важными задачами являются: вывод на режим, оптимизация добычи по различным критериям (например, максимальный дебит или минимальное энергопотребление), уход от аварийных режимов для предотвращения остановки добычи, а также необходимость сбора информации по фонду скважин, ее сохранение и обработка.
В рамках такого подхода компания «Новомет-Пермь» разрабатывает и внедряет следующие интеллектуальные алгоритмы:
- Управление нестационарными процессами:
- вывод на режим;
- периодическая эксплуатация.
- Оптимизация режимов работы:
- максимальный дебит;
- минимальное энергопотребление.
- Уход от аварийных режимов работы:
- срыв подачи по газу;
- срыв подачи по напору;
- подклинивание;
- перегрев ПЭД.
- Исследование скважины (построение зависимостей):
- кривая восстановления давления;
- индикаторная линия.
Комплексный подход к тестированию
При разработке интеллектуальных алгоритмов следует особое внимание уделить этапу тестирования. Пренебрежение к нему или выполнение не в полном объеме зачастую приводит к выявлению ошибок при работе оборудования непосредственно на скважине и, как результат, – к остановке работы [3]. Для выполнения полной программы тестирования необходима разработка специального программного обеспечения для осуществления имитации работы оборудования в скважине [4].С целью проведения многофункционального тестирования была разработана программа «Виртуальный стенд», особенностью которой является моделирование сигналов любых датчиков (как аналоговых, так и дискретных), используемых в работе станции управления в виде произвольно заданных функциональных зависимостей.
Для тестирования интеллектуальных алгоритмов, отладки программного кода и поиска ошибок в компании «Новомет-Пермь» применяются различные подходы, заключающиеся в применении того или иного метода проверки или их комбинации:
- эмуляция показаний датчиков с помощью текстового файла – используется на этапе предварительного тестирования для оценки работы отдельно взятых функций. Преимуществом является возможность тестирования на одном рабочем месте. Однако при таком подходе происходит исключение работы некоторых модулей программы, что влечет за собой невозможность целостной проверки программного кода, также отсутствует возможность проверки в режиме реального времени.
- проверка ступеней как на стенде испытаний, так и на специальном стенде в ОКБ БН «Коннас». При таком подходе появляется возможность тестирования в реальном времени, проверяется весь программный код, работает оборудование, используемое на скважинах. К недостаткам можно отнести невозможность реализации всевозможных ситуаций, кроме того такое оборудование является дорогостоящим и имеется не на всех предприятиях.
- испытания с помощью программы «Виртуальный стенд» – проверка осуществляется в режиме реального времени, имеется обратная связь с оборудованием, проверяется весь программный код, тестирование осуществляется на одном рабочем месте, возможно моделирование различных ситуаций и их комбинаций. При этом имеется возможность моделирования следующих блоков, входящих в состав СУ:
- Система телеметрии.
- Частотно-регулируемый привод.
- При необходимости – возможность подключения другого устройства, например, ПК-01.
Описание программы
«Виртуальный стенд» предназначен для тестирования интеллектуальных алгоритмов станций управления без применения специальных стендов, использующих элементы как погружного оборудования (насос, электродвигатель, кабель), так и наземного (трансформатор, фильтр). Например, для системы телеметрии моделируются сигналы, измеряемые датчиками и проходящие через тракт «блок измерительный головки ловильной с расходомером (БИГР) – блок измерительный двигателя (БИД) – кабель – блок наземный (БН) – станция управления (СУ)». Данные передаются по протоколу MODBUS RTU, подключение осуществляется через стандартные COM-порты, аналогично СУ.При таком способе тестирования достигается сокращение затрачиваемого времени за счет следующих факторов:
- Не требуется переустановка оборудования для тестирования различных режимов.
- Есть возможность моделирования практически любой скорости изменения параметра, моделирующего процесс добычи в скважине (например, информация от системы телеметрии при использовании стандартных блоков поступает в контроллер СУ в среднем через 2 минуты, при использовании программы «Виртуальный стенд» – через 1 секунду).
Программа «Виртуальный стенд» устанавливается на персональный компьютер (ПК) либо ноутбук с операционной системой Windows XP SP3, Windows 7 или Windows 8. Подключается к тестируемой программе станции управления, установленной на другом ПК либо ноутбуке с помощью преобразователей интерфейса USB/RS-485. Главное окно программы (рис. 1) содержит информацию о доступных портах для подключения, о подключенных тестируемых блоках, о работе таймера (время работы, период обновления), а также кнопки открытия/закрытия порта, открытия регистров тестируемых блоков (для просмотра и изменения моделируемого значения), включения/выключения тестируемых блоков, управления работой таймера (старт/стоп, сброс). Есть кнопка редактирования правил (для задания правила изменения параметра, если при моделировании требуется изменение параметра), кнопка просмотра графиков, меню выбора скорости портов и выбора порта для тестируемого блока.
Работа с программой
Особенностью «Виртуального стенда» является большая гибкость моделируемых устройств, для чего до запуска программы необходимо подключить конфигурационные файлы тестируемых блоков.После запуска необходимо настроить программу в соответствии с тестируемой станцией, для чего необходимо выбрать следующие параметры тестируемого блока: подключенный порт, скорость обмена, адрес в сети MODBUS. После этого необходимо в окне редактирования регистров «поле – значение» (рис. 2) задать требуемое значение параметра. В результате введенное значение будет смоделировано и передано на станцию управления, где можно будет убедиться, что оно отображается корректно, а также отследить реакцию станции управления (рис. 5). Например, при задании значения сопротивления изоляции ниже допустимого значения произойдет остановка работы станции управления с выдачей соответствующего сообщения.
| $P_{IN}(t) = P_{IN}^{max} \left[1 - \text{exp} \left(-\dfrac{t}{T_r}\right)\right]$ | (1) |
Как известно, значение функции, заданной при помощи формулы (1), при «временах», меньших постоянной времени ($t ? T_r$), сильно зависит от этого показателя. При больших временах $t>> T_r$ , наоборот, значение этой функции практически от времени не зависит, и $\cong P_{IN}^{max}$.
Задаем период обновления таймера, равный 1 сек, начальное значение 0 и запускаем его. Таким образом, каждую секунду значение давления на приеме будет изменяться согласно формуле (1) и поступать на вход станции управления. Станция управления будет отслеживать данный параметр и, как только сработает критерий стационарности, станция перейдет в режим работы «Оптимизация». В результате этого можно будет судить о работе данной функции внутри алгоритма «Вывод на режим».
Другой пример: требуется смоделировать значение числа оборотов вращения ротора, передаваемое частотно-регулируемым приводом, от частоты питающего напряжения. Для этого задаем зависимость в виде формулы
| $n = \dfrac{p \times ?}{60(1 - s/100)}$ | (2) |
Пример проверки алгоритма «Уход от аварийных режимов работы: срыв подачи по газу» приведен на рис. 6. (на графике отображено значение частоты, формируемое станцией управления, красным цветом выделена описываемая ситуация). Предварительно смоделированы условия, соответствующие появлению газовой пробки на входе в насос: снижение подачи насоса ниже допустимого значения, уменьшение давления насоса ниже номинального. При фиксации срыва подачи по газу частота вращения насоса снижается, тем самым увеличивая объем газа, уходящего за НКТ (т.е. мимо насоса). Когда количество свободного газа на входе в насос уменьшится, частота повышается, поскольку степень деградации напорно-расходной характеристики на высоких частотах снижается: газ, попавший в насос, вместе с жидкостью проталкивается в НКТ, и подача насоса восстанавливается.
1. Применение программы «Виртуальный стенд» позволяет осуществлять комплексное тестирование интеллектуальных станций управления.
2. Достоверность получаемых результатов такая же, как при тестировании на стендах.
3. Время, затрачиваемое разработчиками на тестирование, значительно сокращается.
4. Программа позволяет получать архивы станции управления, аналогичные работе в реальных условиях.
5. «Виртуальный стенд» может использоваться не только для тестирования интеллектуальных алгоритмов, но и для тестирования станций управления.
