Інформаційно-вимірювальна система контролю параметрів та оцінювання ефективності адаптивного імпульсного впливу на привибійну зону нафтових свердловин

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-прикладної задачі – підвищенню достовірності контролю параметрів та точності оцінювання ефективності адаптивного імпульсного впливу на привибійну зону нафтових свердловин на основі створення інформаційно-вимірювальної системи нового покоління. У роботі обґрунтовано та реалізовано інформаційно-вимірювальну систему, яка забезпечує комплексний контроль параметрів імпульсного впливу, реєстрацію реакції пласта та автоматизоване оцінювання його ефективності в режимі, наближеному до реального часу. Запропоновано методичне, математичне, інструментальне та інформаційне забезпечення системи, що дозволяє інтегрувати процеси вимірювання, оброблення сигналів і прийняття діагностичних рішень. Встановлено, що застосування розробленої системи забезпечує підвищення точності оцінювання ефективності впливу, зменшення залежності від експертних оцінок та підвищення відтворюваності результатів контролю. Актуальність дослідження зумовлена необхідністю підвищення ефективності видобутку вуглеводнів в умовах виснажених родовищ, складних гірничо-геологічних умов та постійного зростання вимог до енергоефективності й технологічної надійності процесів, що потребує впровадження сучасних інформаційно-вимірювальних систем для оперативного контролю та адаптивного керування технологічними процесами. У вступі наведено загальну характеристику дисертаційного дослідження, його актуальність, відповідність науковим темам; визначено наукову новизну та практичне значення результатів дисертації, а також предмет та об’єкт дослідження, сформульовано мету та задачі наукового дослідження. У першому розділі виконано аналіз сучасного стану проблеми зниження продуктивності нафтових свердловин та методів впливу на привибійну зону пласта. Розглянуто основні причини погіршення фільтраційно-ємнісних властивостей привибійної зони, зокрема кольматацію порового середовища, вплив технологічних рідин, зміну фазової проникності та зростання скінофактора. Проведено порівняльний аналіз наявних методів інтенсифікації припливу вуглеводнів, включаючи хімічні, гідродинамічні, гідророзривні та імпульсно-хвильові технології. Обґрунтовано необхідність створення інформаційно-вимірювальних систем, що поєднують функції контролю, аналізу та оцінювання ефективності впливу. У розділі також обрано напрям дисертаційного дослідження та сформовано основні задачі наукової роботи. У другому розділі удосконалено математичну модель електричного імпедансу багатопараметричного п’єзоелектричного датчика, яка враховує вплив параметрів імпульсного навантаження, динаміки тиску, коливальних процесів, характеристик привибійної зони та дестабілізуючих чинників. Запропонована модель забезпечує підвищення адекватності опису процесів вимірювального перетворення та точності визначення інформативних параметрів реакції пласта, зокрема резонансних характеристик і енергетичних показників сигналу. У третьому розділі розроблено метод і алгоритми автоматизованого оцінювання ефективності адаптивного імпульсного впливу на основі оброблення сигналів багатопараметричного п’єзоелектричного датчика. Реалізовано підхід до виділення часових, енергетичних і спектральних ознак динамічної реакції пласта, що дозволяє перейти від якісної експертної оцінки до кількісно обґрунтованого інтегрального показника ефективності. Обґрунтовано структуру та функціональну модель інформаційно-вимірювальної системи, яка забезпечує інтеграцію підсистем вимірювання, оброблення сигналів, аналізу та керування. У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень і випробувань розробленої інформаційно-вимірювальної системи. Встановлено, що система забезпечує високу точність і відтворюваність вимірювань, дозволяє оцінювати ефективність адаптивного імпульсного впливу з високою достовірністю, а також визначати раціональні режими впливу для підвищення продуктивності свердловин. Показано можливість практичного впровадження розроблених методів і засобів у системи моніторингу та керування процесами нафтовидобутку. Отримані результати можуть бути впроваджені у виробничу практику підприємств нафтогазовидобувної галузі, а також використані у навчальному процесі при підготовці фахівців за спеціальностями у галузі автоматизації, інформаційно-вимірювальних технологій та енергетики. Наукова новизна одержаних результатів: – вперше розв’язано науково-прикладну задачу контролю параметрів та оцінювання ефективності адаптивного імпульсного впливу на привибійну зону нафтових свердловин шляхом розроблення методичного, математичного, інструментального та інформаційного забезпечення, на основі якого створено інформаційно-вимірювальну систему, що забезпечує достовірні та відтворювані вимірювання параметрів процесу, інтерпретацію реакції пласта та підвищення точності діагностування стану привибійної зони; – удосконалено математичну модель електричного імпедансу багатопараметричного п’єзоелектричного датчика, яка, на відміну від відомих, враховує вплив параметрів адаптивної імпульсної дії, характеристик привибійної зони, динаміки тиску, імпульсних навантажень, коливальних процесів і дестабілізуючих чинників контрольованого середовища, що дозволило підвищити адекватність опису процесів вимірювального перетворення та точність виділення інформативних ознак реакції пласта; – вперше запропоновано підхід до автоматизованого оцінювання ефективності адаптивного імпульсного впливу на привибійну зону нафтових свердловин, який ґрунтується на обробленні та інтерпретації вимірювальних сигналів багатопараметричного п’єзоелектричного датчика з урахуванням сукупності інформативних параметрів динамічної реакції пласта, що дозволило підвищити достовірність оцінювання оперативної ефективності імпульсного впливу та покращити обґрунтованість прогнозу його результативності, зменшити залежність від експертної суб’єктивності та покращити обґрунтованість діагностичних рішень; – дістали подальшого розвитку методи оцінювання стану привибійної зони нафтових свердловин завдяки використанню даних багатопараметричного п’єзоелектричного датчика та встановлення взаємозв’язку між параметрами динамічної реакції пласта і результативністю відновлення продуктивності свердловини, що дозволило підвищити інформативність контролю, обґрунтованість вибору режимів адаптивного імпульсного впливу та якість інтерпретації його ефективності. Практичне значення одержаних результатів. У дисертаційному дослідженні розв’язано важливе науково-практичне питання підвищення достовірності контролю параметрів та точності оцінювання ефективності адаптивного імпульсного впливу на привибійну зону нафтових свердловин шляхом розроблення нового методичного, математичного, інструментального та інформаційного забезпечення, на основі якого створено інформаційно-вимірювальну систему, що забезпечує відтворювані вимірювання параметрів процесу, інтерпретацію реакції пласта та підвищення точності діагностування стану привибійної зони. Практична цінність одержаних результатів полягає у такому: – розроблено методичне та алгоритмічне забезпечення автоматизованого оцінювання ефективності адаптивного імпульсного впливу на привибійну зону нафтових свердловин, що дає змогу підвищити достовірність інтерпретації результатів впливу, зменшити залежність від експертної суб’єктивності та покращити обґрунтованість прийняття рішень щодо режимів відновлення продуктивності свердловин; – створено математичну модель та розроблено програмне забезпечення на її основі для визначення електричного імпедансу багатопараметричного п’єзоелектричного датчика, що дозволяє з достатньою адекватністю описувати процеси вимірювального перетворення параметрів адаптивного імпульсного впливу з урахуванням динаміки тиску, імпульсних навантажень, коливальних процесів, характеристик привибійної зони та впливу дестабілізуючих чинників контрольованого середовища; – розроблено багатопараметричний п’єзоелектричний датчик для реєстрації інформативних параметрів стану привибійної зони нафтових свердловин, використання якого забезпечує розширення складу контрольованих параметрів, підвищення інформативності вимірювань та покращення відтворюваності результатів контролю; – розроблено інформаційно-вимірювальну систему контролю параметрів і оцінювання ефективності адаптивного імпульсного впливу, що поєднує підсистеми вимірювання, оброблення сигналів, аналізу інформативних ознак та формування діагностичних рішень, і яка дозволяє здійснювати комплексний автоматизований контроль параметрів процесу та оперативне оцінювання реакції пласта; – запропоновані метод, алгоритми та інформаційно-вимірювальна система можуть бути використані під час дослідно-промислових робіт, налагодження та супроводу технологій імпульсного впливу на привибійну зону нафтових свердловин, а також у системах моніторингу та підтримки прийняття рішень на підприємствах нафтогазовидобувної галузі; – результати теоретичних та експериментальних досліджень, математичні моделі, методичне забезпечення, алгоритми оброблення та інтерпретації сигналів, а також побудована на їх основі інформаційно-вимірювальна система можуть бути впроваджені у практику на підприємствах нафтогазовидобувної галузі, в науково-дослідних установах і сервісних компаніях, що займаються моніторингом, діагностуванням та інтенсифікацією роботи нафтових свердловин; – основні положення дисертаційної роботи використані у навчальних курсах кафедри приладобудування, мехатроніки та комп’ютеризованих технологій Черкаського державного технологічного університету у межах дисциплін "Фізичні процеси у приладах та системах", "Проєктування інформаційно-вимірювальних систем", "Методи підвищення метрологічних характеристик приладів контролю та визначення параметрів об'єктів".

The dissertation is devoted to solving an urgent scientific and applied problem - increasing the reliability of parameter control and accuracy of assessing the effectiveness of adaptive impulse impact on the bottomhole zone of oil wells based on the creation of a new generation information and measurement system. The paper substantiates and implements an information and measurement system that provides comprehensive control of pulse impact parameters, registration of the reservoir reaction and automated assessment of its efficiency in a mode close to real time. Methodological, mathematical, instrumental and informational support of the system is proposed, which allows integrating the processes of measurement, signal processing and diagnostic decision-making. It is established that the application of the developed system provides an increase in the accuracy of assessing the effectiveness of impact, reducing dependence on expert assessments and increasing the reproducibility of control results. The relevance of the study is due to the need to increase the efficiency of hydrocarbon production in the conditions of depleted deposits, complex mining and geological conditions and growing requirements for energy efficiency and technological reliability of processes, which requires the introduction of modern information and measurement systems for operational control and adaptive control of technological processes. The introduction provides the general characteristics of the dissertation research, its relevance, compliance with scientific topics; the scientific novelty and practical significance of the results of the dissertation, as well as the subject and object of research, are determined, the purpose and objectives of scientific research are formulated. In the first section, the analysis of the current state of the problem of reducing the productivity of oil wells and methods of influencing the bottomhole zone of the reservoir is performed. The main reasons for the deterioration of the filtration-capacitive properties of the bottomhole zone are considered, in particular, the colmatation of the pore medium, the influence of process fluids, changes in phase permeability and the growth of the skin factor. A comparative analysis of existing methods of intensification of hydrocarbon inflow, including chemical, hydrodynamic, hydraulic fracturing and pulse-wave technologies, is carried out. The need to create information and measurement systems that combine the functions of control, analysis and evaluation of impact efficiency is substantiated. The section also selects the direction of dissertation research and forms the main tasks of scientific work. In the second section, the mathematical model of the electrical impedance of a multiparametric piezoelectric sensor, which takes into account the influence of pulse load parameters, pressure dynamics, oscillatory processes, characteristics of the bottomhole zone and destabilizing factors, is improved. The proposed model provides an increase in the adequacy of the description of the processes of measurement transformation and the accuracy of determining the informative parameters of the reservoir reaction, in particular the resonance characteristics and energy parameters of the signal. In the third section, a method and algorithms for automated assessment of the efficiency of adaptive impulse action based on signal processing of a multiparameter piezoelectric sensor are developed. An approach to the selection of time, energy and spectral features of the dynamic reaction of the reservoir is implemented, which allows to move from a qualitative expert assessment to a quantitatively grounded integral indicator of efficiency. The structure and functional model of the information and measurement system, which provides the integration of subsystems of measurement, signal processing, analysis and control, are substantiated. The fourth section presents the results of experimental studies and tests of the developed information and measurement system. It is established that the system provides high accuracy and reproducibility of measurements, allows evaluating the effectiveness of adaptive impulse impact with high reliability, as well as determining rational modes of influence to increase the productivity of wells. The possibility of practical implementation of the developed methods and tools in the systems of monitoring and control of oil production processes is shown. The results obtained can be implemented in the production practice of oil and gas production enterprises, as well as used in the educational process in the training of specialists in the specialties in the field of automation, information and measurement technologies and energy. Scientific novelty of the results obtained: – for the first time, the scientific and applied problem of parameter control and evaluation of the effectiveness of adaptive impulse impact on the bottomhole zone of oil wells was solved by developing methodological, mathematical, instrumental and information support, on the basis of which an information and measuring system was created, which provides reliable and reproducible measurements of process parameters, interpretation of the reservoir reaction and improving the accuracy of diagnosing the state of the bottomhole zone; – the mathematical model of the electrical impedance of a multiparameter piezoelectric sensor has been improved, which, unlike the known ones, takes into account the influence of the parameters of adaptive impulse action, characteristics of the bottomhole zone, pressure dynamics, impulse loads, oscillatory processes and destabilizing factors of the controlled environment, which made it possible to increase the adequacy of the description of the processes of measuring transformation and the accuracy of highlighting informative features of the reservoir reaction; – for the first time, an approach to automated assessment of the effectiveness of adaptive impulse impact on the bottomhole zone of oil wells was proposed, which is based on the processing and interpretation of measuring signals of a multiparametric piezoelectric sensor, taking into account a set of informative parameters of the reservoir dynamic response, which made it possible to increase the reliability of assessing the effectiveness of the impact, reduce dependence on expert subjectivity and improve the validity of diagnostic decisions; – methods for assessing the state of the bottomhole zone of oil wells were further developed due to the use of data from a multiparametric piezoelectric sensor and establishing a relationship between the parameters of the reservoir dynamic response and the effectiveness of well performance recovery, which made it possible to increase the information content of control, the validity of the choice of adaptive impulse action modes and the quality of interpretation of its efficiency. Practical significance of the results obtained. In the dissertation research, an important scientific and practical issue of increasing the reliability of parameter control and accuracy of estimating the effectiveness of adaptive impulse impact on the bottomhole zone of oil wells was solved by developing a new methodological, mathematical, instrumental and information support, on the basis of which an information and measuring system was created, which provides reproducible measurements of process parameters, interpretation of the reservoir reaction and increasing the accuracy of diagnosing the state of the bottomhole zone. The practical value of the results obtained is as follows: – methodological and algorithmic support for automated assessment of the effectiveness of adaptive impulse impact on the bottomhole zone of oil wells has been developed, which makes it possible to increase the reliability of the interpretation of the impact results, reduce dependence on expert subjectivity and improve the validity of decision-making on the modes of well productivity recovery; – a mathematical model has been created and software based on it has been developed to determine the electrical impedance of a multiparametric piezoelectric sensor, which allows to describe with sufficient adequacy the processes of measuring transformation of the parameters of adaptive impulse action, taking into account the dynamics of pressure, impulse loads, oscillatory processes, characteristics of the bottomhole zone and the influence of destabilizing factors of the controlled environment; – a multiparametric piezoelectric sensor has been developed to register informative parameters of the state of the bottomhole zone of oil wells, the use of which provides an expansion of the composition of controlled parameters, an increase in the information content of measurements and an improvement in the reproducibility of control results; – an information-measuring system for monitoring parameters and evaluating the effectiveness of adaptive impulse impact has been developed, which combines subsystems for measurement, signal processing, analysis of informative features and formation of diagnostic solutions, and which allows for comprehensive automated control of process parameters and operational assessment of reservoir reaction; – the proposed method, algorithms and information and measurement system can be used during pilot work, adjustment and maintenance of technologies of impulse impact on the bottomhole zone of oil wells, as well as in monitoring and decision support systems at oil and gas production enterprises; – the results of theoretical and experimental research, mathematical models, methodological support, algorithms for processing and interpreting signals, as well as the information and measurement system built on their basis can be implemented in practice at oil and gas production enterprises, research institutions and service companies engaged in monitoring, diagnostics and intensification of oil well operation; – the main provisions of the dissertation were used in the training courses of the Department of Instrumentation, Mechatronics and Computerized Technologies of Cherkasy State Technological University within the disciplines "Physical Processes in Devices and Systems", "Design of Information and Measuring Systems", "Methods for Improving the Metrological Characteristics of Control Devices and Determining the Parameters of Objects".