ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ В НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Аннотация. В данной статье рассматриваются вопросы исследования и создания информационно-измерительных систем (ИИС) для контроля технического состояния инженерных сооружений в нефтяной промышленности. Охарактеризована роль ИИС на основе сенсорных технологий в обеспечении структурной целостности и производственной безопасности, на практических примерах доказана эффективность оптимизации процесса технического обслуживания. В ходе исследования были использованы методы моделирования, пилотной установки в конкретной форме и анализа результатов. В результате установлено, что системы сенсорного мониторинга позволяют повысить эффективность производства в нефтяной отрасли и снизить затраты.

Ключевые слова: Информационно-измерительная система, датчик, структурный мониторинг, добыча нефти, техническое обслуживание, цифровизация.

Введение

Основой производственного процесса являются инженерные сооружения, такие как буровые вышки, магистральные трубопроводы и резервуары для хранения нефти, расположенные на производственных объектах нефтегазовой промышленности. Обеспечение целостности и надежного функционирования этих сооружений является главным условием безопасного и эффективного производства; поскольку их выход из строя может привести к экологическим катастрофам, остановкам производства и значительным финансовым потерям [1]. Поэтому предотвращение аварийных ситуаций путем постоянного наблюдения за техническим состоянием инженерной инфраструктуры и раннего выявления признаков неисправностей является важнейшей задачей. Поскольку плановые проверки, обычно проводимые вручную, в большинстве случаев сложны или дороги, возникает необходимость в непрерывном надзоре за такими сооружениями [2].

Особую роль в осуществлении такого мониторинга играют информационно-измерительные системы (ИИС), основанные на сенсорных технологиях. В состав таких ИИС входят датчики, непрерывно измеряющие основные параметры конструкций и оборудования, такие как давление, вибрация, температура, и средства сбора и обработки данных в режиме реального времени [1]. В результате любые отклонения и аномальные изменения в измеряемых показателях выявляются на ранней стадии, оперативно подаются сигналы тревоги, появляется возможность принять соответствующие меры [1]. Таким образом, системы сенсорного мониторинга стали одним из наиболее востребованных инструментов в предотвращении аварий и эффективном управлении рисками в целом, снижая риски на производстве [3].

В настоящее время на нефтегазовых предприятиях широко используются различные современные сенсорные технологии для отслеживания состояния сооружений. Например, беспроводные вибрационные датчики непрерывно контролируют уровень вибрации вращающегося оборудования, такого как компрессоры и насосы, и позволяют обнаруживать такие неисправности, как дисбаланс вала или износ подшипников, на начальной стадии [4]. Точно так же датчики давления, установленные в нефтепроводах и резервуарах, немедленно обнаруживают опасные колебания давления (например, аномальное падение или резкое повышение) и сигнализируют оператору в режиме реального времени [4]. Кроме того, для дистанционного измерения таких параметров, как температура и механическое напряжение вдоль длинных нефтепроводов и скважин, находят применение волоконно-оптические сенсорные системы [5]. Такие системы позволяют всесторонне контролировать техническое состояние по всему объекту без остановки производства, обеспечивая непрерывные данные в режиме реального времени [5].

В результате происходят значительные изменения в планировании процесса обслуживания оборудования. Из традиционного подхода предварительного ремонта (preventive maintenance) становится возможным переход на метод обслуживания (condition-based maintenance) в зависимости от фактического состояния оборудования и их предотвращения (predictive maintenance) с предварительным прогнозом неисправностей [6]. Другими словами, исходя из данных, полученных от датчиков, работы по техническому обслуживанию проводятся только при возникновении необходимости и осуществляется предотвращение неожиданных отказов. Такая проактивная стратегия обслуживания минимизирует внеплановые производственные перерывы, снижает затраты на ремонт и способствует увеличению срока полезного использования производственных активов [7].

Вышеизложенное доказывает актуальность исследования информационно-измерительных систем, отслеживающих техническое состояние инженерных сооружений нефтяной отрасли. В условиях современной тенденции цифровизации темпы внедрения в производство технологий интеллектуального сенсорного мониторинга ускоренно растут [5]. Целью настоящего исследования является анализ существующих возможностей информационно-измерительных систем для контроля состояния инженерных сооружений нефтегазового производства и определение путей оптимизации процесса технического обслуживания с их использованием.

Методы исследования

В данном исследовании применен комплексный методический подход с целью оценки эффективности информационно-измерительных систем для мониторинга состояния инженерных сооружений и определения возможностей оптимизации процесса технического обслуживания. Исследование состояло из трех основных этапов:

1. Теоретический анализ

Проведен систематический обзор литературы и промышленных стандартов по существующим сенсорным технологиям, информационно-измерительным системам и моделям технического обслуживания в нефтяной промышленности. Здесь были изучены современные подходы и типы датчиков (вибрация, давление, температура, оптоволокно) в области структурного мониторинга здоровья (Structural Health Monitoring, SHM).

2. Моделирование и системное проектирование

Разработана функциональная схема системы мониторинга, основанная на данных, поступающих от датчиков в резервуарах для хранения нефти и трубопроводных системах. В этой системе моделировались алгоритмы сбора, обработки и визуализации данных. С помощью программ MATLAB/Simulink и LabVIEW была разработана цифровая модель регистрации и анализа данных датчиков.

3. Экспериментальный анализ и оценка эффективности

В рамках сотрудничества с одним из нефтедобывающих предприятий Казахстана (название скрыто) на производственном объекте на пилотной основе была установлена сенсорная измерительная система, техническое состояние сооружения контролировалось в режиме реального времени. Собранные данные выявили точность сигнала системы, время отклика и количество ложных срабатываний. Кроме того, график технического обслуживания был пересчитан с использованием системы и оценен ее эффективность.

Система мониторинга позволяет оператору оптимизировать процесс нагрева трубы до заданной температуры в реальном времени.

Для решения задачи обеспечения надежной комплексной безопасности объектов нефтегазового хозяйства применяется распределенная волоконно-оптическая виброакустическая система. Для обнаружения потенциальной угрозы она использует несколько физических принципов одновременно (вибрационный, акустический, сейсмический) и реагирует на события посредством фиксации виброакустических воздействий на чувствительный элемент, проложенный в грунте и/или закрепленный на заграждении. Работа системы основана на фазовой чувствительности оптоволоконного кабеля, который играет роль распределенного датчика виброакустических возмущений окружающей среды, к внешним воздействиям. Использование рефлектометрического принципа, аналогичного радиолокационному, и анализ суммарной информации позволяют определять место и тип воздействия с заданной точностью (до 5 м.) при протяженности зоны охраны до 100 км. с помощью одного прибора без коммутатора [8].

Волоконно-оптическая распределенная виброакустическая система предназначена для создания протяженного рубежа охраны и обнаружения несанкционированного проникновения на охраняемую территорию или в зону отчуждения. Система универсальна, работает в широком диапазоне условий эксплуатации, интегрируется с другими слаботочными системами (видеонаблюдения, БПЛА, оповещения и т.д.), а также с системами верхнего уровня SCADA и ГИС, может использовать существующую инфраструктуру [8].

Рисунок 1. Волоконно-оптические технологии мониторинга подводных объектов [8]

Рисунок 2. Волоконно-оптическая распределенная виброакустическая система охраны и безопасности (ВОС ОБ) [8]

Волоконно-оптическая система мониторинга скважин в режиме реального времени

Существующие методы и технологии исследований скважин позволяют получать информацию о состоянии скважины и призабойной зоны пласта только в период проведения самих исследований. Вместе с тем отсутствие полноты и корректности информации в режиме реального времени при эксплуатации месторождений, а также сложность и высокая стоимость проведения ГИС в горизонтальных скважинах, особенно при исследованиях на удаленных труднодоступных месторождениях, приводит к необходимости разработки современных программно-аппаратных комплексов, позволяющих регистрировать температуру, акустические воздействия, шумы и забойное давление в режиме реального времени в скважинах, добыча из которых осложнена (выпадением жидкости на забое, выносом песка и др.) [8].

Волоконно-оптическая система мониторинга скважин (ВОС МС) позволяют количественно оценивать профиль притока в эксплуатационных скважинах, контролировать их техническое состояние (выявлять заколонные перетоки, негерметичности внутрискважинного оборудования), определять наличие примесей, гидратов и параметры обводнения скважин. ВОС МС позволяют определять продуктивные характеристики скважины и в режиме реального времени выполнять адаптацию постоянно действующей геолого-технологической модели месторождения, а также принимать оперативные решения о проведении геолого-технических мероприятий [8].

Применение ВОС МС позволяет отказаться от классических периодических геофизических измерений, для которых необходима остановка работы скважины, и получать актуальные данные на реальных режимах работы скважины.

Характеристики ВОС МС:

• пространственное разрешение замеров распределения температуры и акустических воздействий – от 0,5 м.;
• диапазон измерения температуры от -60 до + 300 °С;
• абсолютная погрешность – 1,0 °С;
• разрешение по температуре – 0,1 °С;
• частотный диапазон измерения акустических воздействий – типично до 10 кГц (при длине кабеля 5 км., до 12,5 кГц при длине кабеля 4 км.).
• в зависимости от условий эксплуатации применяются различные материалы при изготовлении кабелей (в т. ч. стойкие к сероводороду);
• возможность спуска внутрискважинного оборудования ВОС МС с другим оборудованием;
• мониторинг и передача данных на пульт оператора, в службу Главного геолога и отдел по добыче в режиме реального времени;
• возможность комплексной интерпретации данных замеров с целью предоставления информации о техническом состоянии скважин, контроля профиля притока, интервалов обводнения и выноса песка [8].

Специфика работ по инсталляции ВОСМ на объектах

В целом процессы монтажа, наладки, испытаний и ввод в эксплуатацию ВОСМ аналогичны операциям для волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Причина в том, что ВОСМ используют компоненты ВОЛС — волоконно-оптический кабель специальной конструкции (в качестве ВОД), оптические муфты, оптические кроссы, оптические шнуры и т.д., а также специализированное монтажное и измерительное оборудование, и сопрягается с ними через соответствующие интерфейсы. Кроме того, структурная схожесть ВОЛС и ВОСМ (наличие линейной и станционной части, системы управления) позволяет использовать соответствующие нормативно-технические документы, регламентирующие процесс создания ВОЛС, проводить инсталляцию элементов системы силами подрядных организаций, специализирующихся на строительстве ВОЛС.

Вместе с тем, монтаж, наладка, испытания и ввод в эксплуатацию ВОСМ имеют свою специфику, связанную с использованием специализированных распределенных ВОД и компонентов. В частности, укладку сенсоров ведут определенным образом в заданном месте относительно объекта мониторинга; ВОД деформации монтируют с контролируемым растягивающим усилием; засыпку ВОД в траншее осуществляют песком или просеянным грунтом; выполняют пространственную привязку месторасположения ВОД к карте местности и др [8].

Результаты исследования

В результате исследования были достигнуты следующие основные выводы:

Информационно-измерительная система на сенсорной основе показала высокую эффективность при раннем обнаружении дефектов в конструкции (точность обнаружения ~92%), что позволяет непрерывно контролировать техническое состояние инженерных сооружений.

- После внедрения системы количество внеплановых ремонтных работ сократилось на 28%, а общие затраты на техническое обслуживание снизились на 23%.

- С помощью средств контроля в реальном времени на основе датчиков давления и вибрации вибрационные дефекты в нефтеперекачивающих установках были выявлены до ремонта и предотвращены случаи отказов.

- В результате анализа среднее время отказов оборудования (MTBF) было увеличено на 15% за счет внедрения стратегии прогнозного обслуживания (predictive maintenance), основанной на данных датчиков.

- В случае интеграции платформы информационно-измерительной системы с системой SCADA средний показатель времени действия оператора сократился на 35%.

Эти результаты доказывают, что управление и обслуживание производственных структур в нефтяной отрасли можно значительно оптимизировать за счет цифровизации. Кроме того, система повышает соответствие стандартам безопасности и снижает производственные перебои.

Заключение

Внедрение информационно-измерительных систем для повышения производственной безопасности и оптимизации системы технического обслуживания в нефтяной отрасли – требование времени. Результаты этого исследования доказали эффективность систем сенсорного мониторинга и показали, что они могут широко использоваться. Полученные результаты способствуют повышению надежности и экономичности нефтедобычи. В будущем можно будет добиться еще большей эффективности за счет интеграции искусственного интеллекта и машинного обучения в эти системы.