Научный задел. Двадцать первый век можно охарактеризовать, как век научно-технического прогресса. Рост промышленного производства требует значительного увеличения количества потребляемого сырья. Важнейшим сырьем в экономике страны была и остается нефть. Нефть необходима для производства горючего, пластиков, резины и многого другого. На данный момент 85% выпускаемых промышленностью изделий содержат нефть или элементы нефтепродуктов. В последние годы, невзирая на развитие возобновляемых источников энергии, значение нефти остается решающим. Нефтедобывающие компании наращивают добычу нефти, но ее запасы конечны. Известно, например, что запасы легкоизвлекаемой нефти в мире почти исчерпаны. В таких условиях копаниям необходимо либо осуществлять добычу в ранее не рентабельных, законсервированных скважинах (с низким дебитом), либо осуществлять добычу трудноизвлекаемой нефти. К разряду трудноизвлекаемой относится нефть, в состав которой входят различные примеси, усложняющие процесс добычи. Основной примесью является парафин. Наличие парафина в составе нефти значительно меняет ее свойства. При охлаждении нефтяной массы, в процессе добычи, она становиться желеобразной, а при значительном понижении температуры – затвердевает.

Такая особенность, существенно усложняющая добычу, заставляет нефтедобывающие компании менять технологические схемы автоматизации процесса, исходя из условий конкретного месторождения.

На начальном этапе эксплуатации скважины такую нефть чаще всего добывают, используя технологии и средства фонтанной добычи.

Однако с течением времени пластовое давление начинает падать и нефть по насосно-компрессорным трубам (НКТ) начинает подниматься медленнее. Это приводит к преждевременному охлаждению нефтяного потока, вследствие чего на стенках НКТ начинают образовываться асфальтосмолопарафиновые отложения (АСПО), которые уменьшают внутреннее сечение НКТ, вплоть до его полного перекрытия. Для устранения этого эффекта имеется достаточно большое количество методов. К основным из них следует отнести методы, основанные на промывке НКТ различными составами (горячей нефтью, ингибиторами, водой и т.д.), тепловые методы (греющий кабель, индукционный нагреватель и т.д.), химические методы, а также методы физической очистки труб различными скребками. Все вышеперечисленные методы имеют свои преимущества, однако имеют и ряд существенных недостатков. Главным из них является стоимость. Многие методы нецелесообразно применять в условиях севера, в связи с проблемой труднодоступности. Самым эффективным является биологический метод, основанный на погружении в пласт микроорганизмов разрушающих составляющие парафина. Но использованию этого метода препятствует необходимость длительного воздействия микроорганизмов.

В рамках данного диссертационного исследования был проведен многофакторный анализ на основе данных, собранных с 30-ти месторождений РФ. Анализ показывает достаточную эффективность применения тепловых методов, но и их значительную стоимость. Ограниченность применения данных методов так же связано со сложностью и нешаблонностью технической реализации. Адаптация существующих технических решений зачастую сводиться к применению известных методов «исключительно для конкретного месторождения». Такие методики не учитывают пространственную распределенность месторождения, множественные входные и выходные факторы, не рассматривают месторождение, как единую систему и потому создаются только локальные, разрозненные алгоритмы управления. Таким образом, анализ месторождения как единой системы и выработка методов борьбы с парафинообразованием, при снижении затрат на их применение, составляет область проводимых исследований.

Текущее состояние. В русскоязычной нефтегазовой литературе достаточно подробно описаны проблемы добычи высокопарафинистой нефти. Ключевые работы в данном направлении были опубликованы И.М. Губкиным, Д.В. Голубятниковым, А.Д. Архангельским в начале 20-х, середине 30-х годов прошлого века. В их работах были показаны основные принципы борьбы с АСПО и высказаны предложения о применении тепловых методов. Опираясь на данные работы, Л.И. Рубинштейн, а позднее И.А. Чарный, А.Б. Шейнман провели первые исследования «тер-гидродинамических процессов». В последующие годы проводились исследования, имеющие прикладной характер. В зависимости от географического расположения нефтяных скважин и химического состава добываемой нефти Ю.А. Желтовым, Г.Е. Малофеевым, Э.Б. Чекалюком, А.А. Боксерманом, А.Б. Шейнманом, К.Е. Огановым, Н.Л. Раковским проводились разработки методов депарафинизации месторождений России, Украины, Азербайджана. Опытно-конструкторские изыскания в данной области проводились И.М. Аметовым, Н.К. Байбаковым, А.Р. Гарушевым, А.Х. Мирзаджанзаде, Я.А. Мустаевым и другими.

Таким образом, основной задачей, направленной на повышение экономикой эффективности добычи нефти является исследование линейных автоматических систем добычи нефти, построение их оптимальных структур, поиск методов и алгоритмов управления, законов оптимального функционирования технологического процесса.

Решаемая проблема. Целью работы является разработка системы управления процессом импульсного нагрева потока высокопарафинистой нефти в насосно-компрессорных трубах малодебитовых нефтяных скважин, направленной на снижение себестоимости добычи нефти за счёт предотвращения образования асфальтосмолопарафиновых отложений.

Методы исследования. Модели и методы анализа и синтеза линейных импульсных систем с распределенными параметрами.

Результаты исследования. 1. Концептуальная модель системы управления технологическим процессом добычи высокопарафинистой нефти.

2. Динамическая математическая модель температурного поля пространственно-распределенного объекта с неоднородной средой распространения тепла.

3. Аналитические модели управляемого температурного поля с использованием функции Грина.

4. Методика анализа температурного поля объекта управления.

5. Методика синтеза системы управления с импульсным управляющим воздействием.

6. Метод оптимального размещения нагревательных элементов.

Детали исследования. В основной части исследования: проведен анализ нефтяного промысла как объекта управления. Выявлена пятиуровневая структура информационного взаимодействия нефтяного промысла, имеющая три основных уровня, представленных на Рисунке 1. Главным элементом данной структуры является центральная инженерно-технологическая служба, являющаяся центральным элементом сбора, обработки и хранения информации, поступающей от кустовых комплексов.

Получая команды от управления производственного процесса, на центральную инженерно-технологическую службу возлагается основная задача по их выполнению и контролю.

Кустовой измерительно-вычислительный центр осуществляет снабжение центральной инженерной службы в режиме реального времени оперативной информацией о техническом состоянии и режимах функционирования эксплуатируемого месторождения (см. Рисунок 2). В процессе применения действий по удалению АСПО в данной информационной схеме ничего не меняется, так как технологический процесс удаления АСПО не является частью общего технологического процесса, а является сторонней, разовой процедурой. В проводимом исследовании разработанные технические устройства становятся неотъемлемой частью технологического процесса, и общая схема информационных потоков модернизируется элементами, показанными на Рисунке 3.

Таким образом, сформирована концептуальная модель системы управления технологическим процессом добычи высокопарафинистой нефти, на основе которой в последующих главах построен ряд математических моделей и технических решений. На основе данной модели в главе приведена структурная схема и построена математическая модель месторождения как объекта управления. 

Заключение. В работе детально проанализирована существующая схема автоматизации технологического процесса добычи нефти из месторождений с высоким содержанием парафина. Рассмотрен технологический процесс очистки скважинного оборудования от АСПО. Также были рассмотрены причинно-следственные связи формирования отложений. Проведен многофакторный анализ методов борьбы и предупреждения АСПО. На основе проделанной работы были сделаны выводы об эффективности применения тепловых методов борьбы, но и их высокой стоимости. В последующих главах исследования были сначала математически рассчитаны, а затем и реализованы в виде технических устройств элементы АСУТП, обеспечивающие более эффективную технологию борьбы и предотвращение образования АСПО. К основным задачам, реализованным в рамках исследования, стоит отнести:

1. Проведен глубокий анализ схемы технологического процесса добычи высокопарафинистой нефти из месторождений с низким дебитом, в рамках которого проведен: анализ температурных полей, и синтез импульсного управления температурным полем на основе функции Грина стенки многосекционного нагревателя с учетом пространственной конфигурации насосно-компрессорной трубы; построена математическая модель и синтезирована система диагностики температурной деформации насосно-компрессорной трубы вследствие теплообменных процессов; разработана методика оптимальной дискретизации насосно-компрессорной трубы исходя из заданной погрешности измерения; разработана схема автоматизации технологического процесса добычи высокопарафинистой нефти из малодебитовых месторождений. Также разработан ряд специализированного математического обеспечения, обеспечивающего функционирование технической части представленного исследования. Разработан метод определения абсолютной устойчивости на основе критерия Найквиста для импульсных, распределенных систем, для которых существует фундаментальное решение в виде функции Грина. Проведено обоснование и выработка на основе математической модели рекомендаций по наименьшему количеству нагревательных элементов, интегрированных в структуру насосно-компрессорных труб нефтяного месторождения. 

2. В рамках исследования был разработан ряд устройств, обеспечивающих автоматизацию технологического процесса. А именно: разработана насосно-компрессорная труба с импульсными секционными нагревателями; разработан ряд топологий интегральных микросхем, обеспечивающих функционирование НКТ с импульсными секционными нагревателями; разработан ряд нагревательных элементов с импульсными секционными нагревателями.

3. Разработан ряд специализированного программного обеспечения, обеспечивающего моделирование и функционирование схем разработанного технологического процесса.

Таким образом, все задачи, поставленные в данном исследовании, выполнены в полном объёме. Полученные технические устройства прошли опытно-эксплуатационные испытания, о чем свидетельствуют приложенные к работе акты о внедрении.