Оптимизация систем управления для многоскважинных кустов: модульный, масштабируемый подход

Данные и требования управления определяют необходимость модульной, масштабируемой контрольной архитектуры.

Прогресс в бурении стимулировал эволюцию нефтегазовых операций от простых полей с однскважинными кустами к более сложным многоскважинным кустам.

Сегодня многие производители используют фракинг и горизонтальное бурение для размещения 10 и более скважин на одном кусте. Некоторые операторы даже толкают свои операции до 52 скважин на одном кусте. Эти достижения не только увеличили коэффициент добычи со скважин, но и создали совершенно новые производственные возможности в неконвенциональных районах. Они также позволили нефтегазовым производителям сократить свой операционный след.

Для всех преимуществ многоскважинных кустов, их значительное увеличение размера и масштаба создало новый вызов. Более высокая плотность множества скважин на одном кусте увеличивает необходимое на месте оборудование и приводит к гораздо более высоким требованиям к данным и управлению.

Традиционные контрольные архитектуры, использовавшиеся десятилетиями, доведены до пределов и просто могут больше не быть устойчивыми. Вместо этого нужны более передовые системы управления для обработки масштабируемых архитектур, требуемых современными кустами скважин.

В результате и операторы, и производители оборудования, поддерживающие их, теперь должны модифицировать — если не радикально менять — свой подход к системам управления для этих многоскважинных кустов.

Эволюция технологии RTU

Нефтегазовые производители апстрима десятилетиями полагались на технологию удаленных терминальных блоков (RTU) для управления на скважине. Изначально стоимость внедрения RTU и сложности их программирования ограничивали устройства простым сбором данных и управлением.

Со временем RTU включили больше функций, включая ввод-вывод, коммуникации и программирование IEC-61131. Эти возможности позволили операторам нефти и газа мониторить больше точек данных, логировать историю и аварии, и добавлять более сложные расчеты в RTU. Производители оборудования и инженерные фирмы также начали разрабатывать специальные приложения для управления искусственным подъемом на устье скважины с проприетарными микропроцессорными контроллерами.

В конечном итоге практически каждый производитель искусственного подъема разработал свой RTU для контроля и оптимизации своих решений. Инженерные фирмы также разработали свои методы с немного другими RTU-приложениями, а производители приборов представили новые инструменты для измерения практически любой требуемой процессной точки.

Однако недавно увеличенные требования, связанные с операциями многоскважинных кустов, начали превышать возможности технологии RTU.

Устройства доведены до предела

Каждая скважина в многоскважинном кусте требует искусственного подъема, измерения расхода, управления оборудованием и измерения уровня. Это создает больше ввода-вывода и спрос на управление, чем может справиться один RTU. В результате нефтегазовые производители вынуждены покупать дополнительные RTU и распределять приложение и управление площадкой по нескольким блокам.

Нефтегазовые производители успешно внедряли множественные RTU-контроллеры на кусте скважин, но они сталкиваются с некоторыми распространенными проблемами таких архитектур. Некоторые из этих проблем включают:

• Управление изменениями множественных конфигураций или программ на каждом кусте скважин.
• Управление коммуникациями множества RTU на месте (например, peer-to-peer коммуникации).
• SCADA-коммуникации с оборудованием множества вендоров.
• Ненадежное выполнение пользовательских программ в RTU.

Конечное требование к RTU-устройствам наступает, когда нужен контроль гораздо более крупных многоскважинных кустов. Это может включать операцию с 10 или даже несколькими десятками скважин на одном кусте. Более высокая плотность скважин на кусте также увеличивает оборудование на месте. Например, многие из этих кустов имеют свой сепаратор.

Также становится более экономичным установку трубопроводного сжатия, блоков парорекуперации (VRU) и башен VRU из-за высокой скорости добычи природного газа с куста. Единицы автоматической передачи владения арендой (LACT), водоперекачка и химические дозирующие машины также обычно видны на этих кустах.

Кроме того, многие нефтегазовые производители инвестируют в электротехнические здания, известные как E-houses. Эти здания размещают главное распределение питающей сети, центры управления двигателями (MCC), сетевые коммутаторы и источники бесперебойного питания (ИБП), и они часто экологически контролируются.

Все эти увеличения — в оборудовании, полевой инструментарии и приложениях — только усугубляют общие проблемы с RTU-архитектурами.

Они также создают новые проблемы сервиса и поддержки. Использование множественных RTU привело к множественным конфигурациям приложений и программам для их поддержки. Это также заставило нефтегазовых операторов работать с множеством вендоров.

Кроме того, наличие нескольких устройств от множества вендоров также требует, чтобы рабочие имели больше обучения и опыта для их поддержки. Хотя некоторые производители полностью укомплектованы достаточным количеством обученного персонала для обработки обслуживания систем управления скважинами, многие не являются таковыми. Эти производители должны полагаться на поддержку производителя или контрактную инженерную поддержку для поддержания своих систем управления.

Переход к модульным, масштабируемым системам управления

RTU выполнили свою роль десятилетиями в обработке простых требований управления, простого взаимодействия с полевыми устройствами и простых коммуникаций. Но они больше не достаточны в сегодняшних более сложных операционных средах.

Многие нефтегазовые производители, пережившие общие проблемы RTU, нашли жизнеспособное альтернативное решение в виде модульного и масштабируемого программируемого логического контроллера (ПЛК). Технология ПЛК годами доводилась до ума в промышленных средах процессного управления, которые так же суровы, как апстримовое нефтегазовое производство.

ПЛК предлагают ряд преимуществ по сравнению с RTU:

• Модульность: Некоторые RTU поддерживают модульное железо. Но балансировка требований модулей с приложением и управлением в RTU намного сложнее, чем в ПЛК. Кроме того, сторонние модули для RTU обычно недоступны, потому что RTU — не открытые архитектуры, в то время как ПЛК — открыты.
  
  Широкая разнообразие модулей доступны для ПЛК, позволяющие мониторинг и управление широкой разновидностью полевых приборов. Поддержка коммуникаций для многих разных типов сетей также поддерживается через модульную конфигурацию.
  
  
• Масштабируемость: Это важно при рассмотрении того, как собирается многоскважинный куст. Одиночная скважина часто устанавливается на многоскважинном участке, и это не до месяцев или даже лет позже, что дополнительные скважины и оборудование выйдут в онлайн.
  
  В этих случаях производители оборудования хотят иметь возможность строить оборудовательные скиды вне площадки и затем просто подключать и конфигурировать их на кусте скважин. Они хотят снизить необходимость в прокладке траншей, тяге проводов, терминации проводов, установке панелей и приборов в поле для сокращения затрат. Масштабируемость и в программировании, и в железе требуется в этом случае, и именно это предлагает технология ПЛК.
  
  
• Простота программирования: Исторически ПЛК рассматривались как чистый холст для автоматизации и управления. Только инженерные фирмы или опытные программисты знали, как начать с нуля и разработать необходимый контроль в ПЛК.
  
  Однако современные ПЛК имеют библиотеки предварительно разработанного и документированного кода, который можно быстро добавить почти в режиме drag-and-drop. Некоторые вендоры ПЛК также имеют предварительно разработанные апстримовые нефтегазовые библиотеки, которые можно конфигурировать на месте. Нефтегазовые производители должны только включить и сконфигурировать необходимые данные с HMI для запуска ПЛК или добавления скидного железа в существующую систему.
  
  Это может устранить необходимость в ком-то вроде скважинного техника со специализированной экспертизой, чтобы знать среду программирования и писать новый код при добавлении железа.
  
  Более того, изменения программы и конфигурации можно вносить онлайн в ПЛК без остановки процесса. RTU традиционно не могут принимать такие изменения без вывода из строя и загрузки. Это критический дифференциатор в современной среде многоскважинного куста, потому что остановка системы управления приводит к потере добычи.
  
  
• Функциональность удаленного ввода-вывода: RTU традиционно не имеют нативной функциональности удаленного ввода-вывода, но ПЛК имеют. Это может снизить затраты на установку. Также, когда оборудовательные скиды добавляются на площадку, они могут приходить с предустановленными и проводящими ввод-вывод и приборами. Запуск этих скидов настолько же прост, как вставить Ethernet-кабель в коммутатор и сконфигурировать ввод-вывод в контроллере.

Улучшение управления жизненным циклом

Управление жизненным циклом куста скважин может быть большой головной болью для операционных команд. Скважины могут проходить через много разных потоковых состояний, включая естественное течение, электроцентрифугальный насос (ESP) или винтовой насос (PCP), и штанговый насос. И тип потока и жизненный цикл могут варьироваться по скважинам.

Множественные RTU часто используются просто для управления различными жизненными циклами скважины. Смена RTU означает смену коммуникационных драйверов к SCADA-системе, потому что физический RTU на скважине — это железо от нового вендора. И конфигурирование RTU для контроля приложения и настройка этого железа на системе часто является трудоемким процессом.

ПЛК-базированный куст скважин может обеспечить значительное облегчение в этой области, доставляя выгоды эффективности и оптимизации, которые операторы, возможно, никогда не считали возможными.

Используя модульные и масштабируемые аппаратные архитектуры ввода-вывода, которые предоставляет ПЛК, операторы могут устанавливать модули ввода-вывода прямо там, где находится инструментарий, и отправлять эти данные в ПЛК. И независимо от того, какой подход к дизайну ввода-вывода использует нефтегазовый производитель, железо в системе управления останется постоянным, коммуникации с SCADA-системой будут использовать те же драйверы, и система останется онлайн и в контроле всех приложений по мере внесения обновлений. При этом остается только одна ПЛК-программа для поддержки.

Также есть вопрос поддержки вендорских приложений. Как уже упоминалось, многие вендоры делают свои приложения для различных апстримовых производственных потребностей, и каждый вендор обычно использует другой тип RTU. В результате вендоры обычно могут поддерживать только несколько специфических приложений, не все.

Поддержка вендоров ПЛК для дизайнов многоскважинных кустов растет ежедневно. Это включает поддержку приложений управления оборудованием, искусственного подъема и измерения расхода. Автоматизация оборудования легко обрабатывается через богатые среды программирования и широкую разновидность модулей ввода-вывода и коммуникаций. Измерение расхода также поддерживается с AGA- и API-совместимым измерением расхода, поддержкой калибровки и отчетностью о передаче владения в SCADA-системы. Приложения искусственного подъема, хотя не так распространены в ПЛК, также быстро разрабатываются для поддержки всех типов искусственного подъема.

Наконец, многие нефтегазовые производители выразили фрустрацию по поводу RTU-приложений, являющихся «черным ящиком». Это означает, что система спроектирована с определенными входами, предназначенными только для управления определенными выходами.

Подход черного ящика предотвращает гибкость, так как он не позволяет нефтегазовым производителям менять то, как система функционирует. В результате им либо нужно сменить вендоров для поддержки своих нужд, либо просто жить с технологией, которую они имеют, зная, что она не функционирует так эффективно, как они требуют.

ПЛК-базированная система, с другой стороны, может быть модифицирована в поле с общими промышленными инструментами (IEC-61131), доставляя гораздо большую гибкость.

Принятие новой нормы

ПЛК долгое время рассматривался как решение, более подходящее для производственных объектов, чем для управления кустом скважин. Но сегодняшние современные кусты скважин, по сути, являются небольшими заводами. У них есть экологически контролируемые здания, питающая сеть или генераторная мощность, и гораздо более высокие требования к данным и управлению.

Это делает их идеальным подходом для ПЛК. Система управления многоскважинным кустом, использующая модульные и масштабируемые возможности ПЛК, может снизить затраты и время установки, улучшить время бесперебойной добычи и облегчить управление жизненным циклом.

Зэк Манк — менеджер по развитию бизнеса оншора апстрима нефти и газа для Rockwell Automation.