Использование интеллектуальных задвижек в тяжелых условиях

Зачастую добыча нефти и газа из скважин ведется в жестких метеоусловиях, господствующих в некоторых отдаленных уголках мира. В то время как рост цен на нефть является главным объектом заголовков СМИ, ежедневная работа на месторождениях заключается в поддержании стабильности производства. Возможность увеличить доходы и стремление удовлетворить растущие рыночные потребности стимулируют развитие технологий для оптимизации методов нефтедобычи. Это послужило причиной, побудившей Джо Гросса, торгового представителя расположенной на Аляске компании «Flowserve Flow Control»,президента компании «Alpine Valve & Control Systems», к сотрудничеству с «Unocal Alaska». Инженеры компаний «Alpine», «Unocal» и «Flowserve» разработали и наладили производство скважин, разрешив связанные с этим проблемы «Unocal». Интеллектуально управляемые клапана StarPac компании «Flowserve» способствовали стабилизации производительности и усовершенствовали процесс добычи сырья на принадлежащей компании морской платформе «Монопод» в заливе Кука в южно-центральной Аляске. Кроме того, возросли доходы и ценовое преимущество по сравнению с традиционной технологией производства задвижек.

Сбои из-за воздействий

Годы работы с морскими нефтяными скважинами показали, что нефтяные скважины — чувствительные создания, по словам Гросса. Они дают сбои при малейшей нестабильности». Нестабильные нефтяные скважины способствовали встрече Гросса с технологом компании «Unocal» на платформе «Монопод» Джастусом Хинксом. Установленная в 1967 году платформа «Мо-нопод» стала одной из первых нефтегазовых платформ в заливе Кука. Скважина имела ряд проблем, в том числе нестабильность, ограничение производства и высокое потребление газа на использование газлифтного подъемника. Гросс и Хинкс вынуждены были определить, может ли StarPac управлять уровнем газлифтного потока из скважины, таким образом стабилизируя работу скважины, увеличивая производительность и уменьшая количество газа, необходимого для выполнения работы.

За пределами традиционного газлифта

Скважина Monopod A- 15 выделена цветом; на вставке показана установленная задвижка StarPac. В 1968 глубина скважины достигла 3 км

Нефть не поступает к поверхности естественным путем из скважины «Монопод», поэтому требуется вмешательство с платформы. Несмотря на существование многих различных технологий, «Монопод» использует традиционный газлифт. По этой технологии сильно сжатый газ подается на сотни и тысячи метров ко дну скважины. Газ выходит в виде пузырей через столб жидкости, облегчая жидкость и позволяя давлению резервуара поставлять больше жидкости на поверхность. На поверхности производственная жидкость разделяется на

компоненты: нефть, воду и природный газ. Затем природный газ заново сжимается и используется в цикле газлифта, но обычно поток рабочего газа активно не управляется. Тем не менее, Гросс и Хинкс полагали, что нестабильную скважину можно стабилизировать с помощью применения управляющей задвижки для точной до-зации расхода газа. «Я понимал, что эта скважина работает некорректно, — говорит Хинкс и добавляет, — Джо слышал в «Flowserve», что где-то для активного управления расходом в газлифте успешно применялись клапана StarPac, что привело к увеличению производительности скважины.» «Большинство устройств подъема газа для управления потоком газа в скважине используют ручную воздушную задвижку, — добавляет Хинкс. — Это означает, что большинство операторов могут лишь приблизительно определять расход газа, поставляемого на дно скважины. У них нет возможности точно контролировать его». «Многие считают, что потоком можно управлять с помощью ручных задвижек, но это не так, — утверждает Гросс. — На самом деле, устанавливая ручную задвижку в определенное положение, можно поддерживать постоянный уровень расхода только при постоянном перепаде давления — разнице давлений восходящего и нисходящего потоков. Но такое происходит редко». «В то время как давление газлифтового потока относительно постоянно, давления в скважине сильно изменяются в результате больших колебаний газлифтового потока. Изменения расхода газа у поверхности служат причиной динамических изменений в скважине, начиная с самого дна и доходя через некоторое время к поверхности»,- отмечает Гросс. «Поскольку обычный нефтяной резервуар может быть на расстоянии более полутора километров ниже устья скважины, может произойти целая цепь взаимосвязанных изменений прежде, чем предыдущие достигнут поверхности. Таким образом, скважина все время является нестабильной, что приводит к неэффективной добыче. Задача газлифта — увеличивать общее производство жидкости, что и является оптимизацией объема реализованной нефти. Ключ к решению этой задачи — сохранение стабильности скважин в рамках идеальных норм производительности при минимальных изменениях на поверхности. Это достигается в первую очередь за счет определения оптимального расхода газа, а также с помощью осуществления точного автоматического контроля» Гросс и Хинкс пришли к мнению, что решением этой проблемы могут стать регулирующие задвижки StarPac, оснащенные интеллектуальными устройствами управления. Достоинствами задвижки являются:

• широкий спектр датчиков;
• микропроцессорный контроллер;
• высокопроизводительный цифровой позиционер.

Поскольку все элементы интегрированы в задвижку, ее эффективная работа основана на «полном замкнутом ПИД-регулировании между фланцами» Функциональные возможности задвижки включают в себя:

• измерение и регулирование потока;
• регулирование противодавления;
• регулирование давления;
• регулирование перепада давления;
• температурный контроль.

Выбор переменного исполнительного устройства

Считая, что StarPac сможет улучшить производительность при снижении затрат в сравнении с традиционными автоматическими системами контура управления, Гросс и Хинкс приступили к проверке своей идеи. Проследив историю разработки, они выбрали для испытаний одну из 16 задвижек на платформе «Монопод». Пробуренная в 2001 году скважина работала неустойчиво с самого начала. Поскольку скважина изначально проектировалась для большей производительности, чем она фактически выдавала, потребовалось чрезмерное потребление газа. Кроме того, скважина подвергалась многофазовой доливке бурового раствора, что повлияло на стабильность работы всей платформы. Единственный способ, рассматривавшийся ранее — модернизация внутренней части скважины, — был неприемлем из-за необходимости многомиллионных затрат в долларах США. Ведущий оператор платформы «Unocal» Грег Геллер объяснил: «Нестабильная скважина потребляла слишком много газа для подъема. Платформа может в день поставлять лишь 570 тыс. кубометров сжатого газа, что не позволяет использовать скважину на полную мощность». «Стабильные скважины более производительны, — отмечает Дэйв Коул, руководитель бригады нефтяников компании «Unocal Alaska».- Одна скважина на платформе может сделать все остальные скважины нестабильными».

Испытания без риска

Исследования Гросса и Хинкса убедили их в том, что испытания задвижки приводят к незначительному финансовому риску, но при этом обладают возможностью быстрой окупаемости вложения. «Когда я представил компании «Unocal» метод решения по задвижке StarPac, я сказал, что регулирование потока газа на поверхности должно улучшить общую производительность скважины, увеличив тем самым прибыль, — говорит Гросс. — Я предсказал самоокупаемость в пределах одного месяца». Компании «Unocal» были представлены пять преимуществ: • Скважина должна стабилизироваться; • Общее производство жидкости возрастет на 10 %; • Потребляемый газ для подъема уменьшится на 10 %; • Система задвижек станет очень полезным аналитическим инструментом; • Процесс регулирования станет легче для операторов. Стоимость установки StarPac вписывается в бюджет платформы. После получения согласия от руководства «Unocal» Гросс и Хинкс начали собирать данные по размерам и производительности скважины. После проведения техобслуживания задвижка была установлена. Сначала StarPac управлялась в ручном режиме для имитации работы старой задвижки с ручным управлением. Как только стало ясно, что производительность задвижки соответствует производительности старой воздушной задвижки, был изменен расход газа, и задвижка была установлена в автоматический режим для поддержания этого уровня. Были получены и проанализированы рабочие характеристики по отношению к базовым характеристикам для определения, достигнуты ли какие-либо преимущества.

По существу

Пространство — самое ценное в «Монопод»

«Рабочие характеристики сравнили с базовыми данными, показываемыми в большинстве случаев, — сказал Хинкс. — Из пяти поставленных задач четыре были достигнуты». Хотя использование газлифта осталось неизменным (из-за конструктивных особенностей скважины), теперь скважина гораздо более стабильна и дает больше нефти. Задвижкам StarPac также дали статус дистанционного управления и регулировочного инструмента для операторов скважины и «аналитического» инструмента для технологов. «Так как мы получаем данные в реальном времени, любые проблемы со скважиной становятся гораздо более очевидными, — говорит Геллер. — Это позволило нам определять и контролировать потенциальные нарушения, которые в других условиях не были бы найдены столь быстро. Это позволяет анализировать состояние, производительность, пропускную способность и рабочую эффективность скважины». Геллер также объясняет: «На основе данных задвижки сделаны механические регулировки скважины для дальнейшего улучшения ее производительности». «Мы приобрели задвижку и получили возможность управлять расходом, благодаря интегрированным в задвижку дополнительным возможностям», — говорит Нинкс, оценивший регулирующие и аналитические возможности.

Быстрая окупаемость инвестиций, производительность

На окупаемость инвестиций в установку потребовалось от одного до двух месяцев. Согласно данным Коула общие затраты, включая работу по установке, составили менее 40 000 долларов США. Хинкс предполагает, что изменение параметров скважины, которая давала 39 300 литров сырой нефти в день, а сейчас дает 44 200 литров в день, увеличит доходность этой скважины на 12 %. Другие преимущества включают в себя возможность дистанционного управления диагностикой и контролем. «Наш инженер по автоматизации сделал несколько экранов, которые дают мне дистанционный доступ к системе, — говорит Хинкс. — Теперь я могу получать сведения о работе скважины с помощью моего компьютера в офисе на якорной стоянке». Это экономит компании «Unocal» около 1 500 долларов США за каждую несостоявшуюся за ненадобностью поездку на платформу, учитывая расходы Хинкса на авиаперелет, аренду автомобиля и аренду вертолета. Гросс говорит, что они рассчитывают на использование задвижки на остальных скважинах этой и других платформ. «С учетом высоких цен на нефть и ожидаемого роста производительности каждой скважины на значение до 15 % окупаемость применения StarPac может измеряться неделями»,- уверен Гросс.