Спосіб оптимізації багатокомпонентних технологічних систем і процесів

Винахід відноситься до систем керування із програмним управлінням та призначений для оптимізації технологічних дисперсних систем (розчини, емульсії, суспензії, піни, інші газорідинні системи та їх суміші) і процесів нафтогазовидобувної промисловості, зокрема, при глушінні нафтових, газових і газоконденсатних свердловин при їх будівництві та проведенні ремонтних робіт з наступним освоєнням і введенням в експлуатацію. Відомі способи оптимізації багатокомпонентних технологічних систем шляхом побудови емпіричних залежностей між значеннями причинних факторів та їх наслідків з використанням методів параметричної оптимізації, зокрема, методу для побудови частинних причинно-наслідкових залежностей y=f 1(xi), I=1,...,n як складових функції Брандона [1] - y=Yf 1(x1)f 2(x2)...f n(xn). При цьому кожна з функцій f i(xi) вважається функцією тільки одного аргументу хi і підбір емпіричних формул функції однієї незалежної змінної здійснюють методом найменших квадратів [2]. Недоліком цього способу є обмеженість гіпотетичної причинно-наслідкової залежності між множиною причинних факторів та наявністю багатокритеріальності наслідкових факторів y1,y2,…,ym, тобто зведеня задачі до розв'язку однокритеріальної задачі оптимізації багатокомпонентної технологічної системи. Найбільш близьким з відомих розв'язків за сукупністю ознак, вибраного нами за прототип, є спосіб оптимізації технологічного процесу за множиною критеріїв у1, у2,…yN з використанням "параметричного" методу [3], в якому вихідні критерії у , у ,…y згортаються у їх зважену суму F(y1, y 2,... y N ) = åI=1...N wiy i , 1 2 N åI=1...N wi = 1 , wi ³ 0 , з подальшим знаходженням оптимального розв'язку для зваженого критерію оптимальності F і визначенням єдиного розв'язку із множини Парето за допомогою мінімізації відстані ||yymin|| до вибраного "найбільш бажаного" значення уmin. Недоліком цього способу є неможливість адекватного визначення вагових коефіцієнтів wi для різнорідних критеріїв у1, у2,…yN, необхідність та проблематичність визначення "найбільш бажаного" значення уmin. Технічний результат - врахування наявної багатокритеріальності наслідкових факторів у1,у2,…,ym, для підвищення ефективності оптимізації багатокомпонентних технологічних систем і процесів без підбору вагових коефіцієнтів оптимізації. Технічний результат досягається тим, що відшукання оптимальних параметрів багатокомпонентної технологічної системи здійснюється з використанням індексу ефективності багатокритеріальної оптимізації на ефективній підмножині параметрів. Суть запропонованого способу полягає у розрахунках значень індексів ефективності I=I(Xi,Yi) кожної системи (Xi,Yi), i=1..N, де Xi - складові вхідних параметрів, а Yi - вектор вихідних параметрів i-ої системи. Для відшукання оптимальної системи (Xi_opt,Yi_opt) розв'язується оптимізаційна задача (Xi_onm,Yi_onm)=ArgmaxiI=I(Xi,Yi) з використанням індексу ефективності I(Xi,Yi), що дає порівняльну оцінку ефективності на всій множині апробованих складових x1, х2,...,хк системи, обчисленого за формулою: ( ) ( I(Xi, Yi ) = max n,w n T Y i /w T X i / max k =1,2,...,N n T Y k /w T X k i i ), де Ι(Χ , Υ ) - значення індексу ефективності при використанні Xі i-го складу системи і процесу глушіння свердловини з якісними характеристиками Yi, ( T i T i ) ( T k T k ) maxv,w - операція максимізації величини n Y /w X / max k= 1,2,...,N n Y /w X , яка здійснюється за допомогою підбору значень вагових коефіцієнтів ν та w, vt - транспонований вектор, складений із вагових коефіцієнтів ν, що використовуються для оцінювання кількісних характеристик Xi і-го складу системи і процесу глушіння свердловини, Yi - числові значення якісних характеристик Χ i і-го складу системи і процесу глушіння свердловини, wT - транспонований вектор, складений із вагових коефіцієнтів w, що використовуються для оцінювання характеристик якості Yi системи і процесу глушіння свердловини Yi і-го складу, Xі - значення кількісних характеристик і-го складу системи і процесу глушіння свердловини, mахk=1,2,…,N ( T k T k ) операція максимізації величини n Y /w X , Yk - вектор значень якісних характеристик Xk k-гo складу системи і процесу глушіння свердловини, Xk - вектор значень кількісних характеристик k-го складу системи і процесу глушіння свердловини. Ознакою способу є те, що процес глушіння проводиться послідовним помпуванням в зону перфорації високов'язкої тіксотропної емульсії з мінімальною фільтрацією з наступним заповненням трубного і затрубного просторів спорідненою емульсією з меншою густиною і в'язкістю. Запропонований винахід пояснюється прикладами. Розглядається задача оптимізації технологічного процесу глушіння свердловин в умовах високопроникних колекторів і низьких пластових тисків, яка включає оптимізацію багатокомпонентної емульсійно-суспензійної системи за її складом (вхідні параметри хі) і чисельними властивостями (вихідні параметри уі) та оптимізацію самого процесу глушіння оптимальними складами емульсійно-суспензійних систем. Оптимізація складів систем з визначеними, відповідно до умов застосування, властивостями полягає в підборі інвертних емульсій з мінімальною густиною, фільтраційними втратами і міжфазовим натягом, високою стійкістю проти розділення фаз і оптимальною в'язкістю, в залежності від їх місцезнаходження в свердловині. Процес глушіння проводиться послідовним помпуванням в зону перфорації високов'язкої тіксотропної емульсії з мінімальною фільтрацією з наступним заповненням трубного і затрубного просторів спорідненою емульсією з меншою густиною і в'язкістю. Виходячи із сформульованої задачі оптимізація всього процесу поділяється на дві підзадачі: 1. Оптимізація двох складів емульсійно суспензійних систем 2. Оптимізація технологічного процесу глушіння свердловини. Приклад 1 Відповідно до підзадачі 1, розглядається задача оптимізації багатокомпонентної емульсійносуспензійної системи за її складом (вхідні параметри хі) та чисельними властивостями (вихідні параметри уі). Емульсійно-суспензійна система складається з водної та вуглеводневої фаз, емульгатора і стабілізатора емульсії, алюмосилікатних мікросфер. Відповідно, вхідними параметрами хі є наступні кількісні характеристики складових емульсійно-суспензійної системи: X1 - вода в кількості від 10 до 30% об.; Х2 - конденсат в кількості від 40 до 20% об.; Х3 - емультал (емульгатор) в кількості від 0,5 до 3,0% об.; Х4 - фосфатиди (стабілізатор) в концентрації від 0,3 до 5,0% об.; X5 - алюмосилікатні мікросфери в кількості від 40 до 55% об.; Найважливішими властивостями розглядуваної емульсійно-суспензійної системи є в'язкість, густина, відділення вуглеводневої фази протягом доби, електростабільність, міжфазовий натяг, фільтрація. Виходячи із умов ефективного глушіння свердловин з високопроникним колектором і низьким пластовим тиском емульсійно-суспензійні системи повинні характеризуватися наступними властивостями. Перша система: У1 - в'язкість - 1,5Па×с; У2 - густина - 600кг/м3; У3- відділення вуглеводневої фази - 0% об./добу; У4 - електростабільність 350В; У5 - міжфазовий натяг на межі поділу "водний розчин-олійна фаза" - 0,1мН/м; У6 - фільтрація - 0см3/30хв. Друга система: УІ - в'язкість -1,0Па×с; У2 - густина - 530кг/м3; У3 - відділення вуглеводневої фази - 0% об./добу; У4 - електростабільність 300В; У5 - міжфазовий натяг на межі поділу "водний розчин-олійна фаза" - 0,1мН/м; У6 - фільтрація - 0,2см3/30хв. Розв'язком задачі багатокритеріальної оптимізації є відшукання причинно-наслідкових залежностей між вхідними та вихідними параметрами. Пошук оптимальної системи композицій дисперсних систем (Xi_onm,Yi_nm) на множині {(Xi,Yi), i=1...N}, здійснюється за допомогою методу і алгоритму ефективного розв'язання багатокритеріальної задачі оптимізації (Xi_onm,Yi_onm)=ArgmaxІ(Хi,Yi) з використанням індексу i i ( T i T i ) ( T k T k ) ефективності І(Хi,Yi), обчисленого за формулою: I(X , Y ) = max n,w n Y /w X / max k = 1,2,...,N n Y /w X , що дає порівняльну оцінку ефективності на всій множині апробованих складових х1,х2,...,xk системи. Результати розрахунків по відбору найкращих вхідних параметрів та порівняння з прототипом наведені в таблиці 1. Таблиця 1 Оптимальний склад емульсійне суспензійних систем Електро №п/п Вода, Конденсат, Олія, Фос Мікро В'язкість, Густина, Відділення Міжфазовий Фільтрація, стабільність, натяг, мН/м см3/30хв. сис %об. %об %об. фатиди, сфери, Па.с кг/м3 вугле теми %об. % об. водневої В фази %об./добу Х1 Х2 Х3 Х4 Х5 У1 У2 У3 У4 У5 У6 1 15 35 7 3 40 1,5 590 0 350 1 0,0 2 10 30 6 4 50 1,0 530 0 300 1 0,2 Прототип 1 10 40 5 5 40 2,0 590 10 150 1,2 2 2 15 25 5 5 50 2,1 530 5 170 1,4 1 Як видно з даних таблиці, запропонований спосіб оптимізації емульсійно-суспензійних систем у порівнянні з прототипом дозволяє отримати технологічні системи з бажаними параметрами: підвищеною стійкістю, регульованою в'язкістю, пониженою густиною, міжфазовим натягом на межі поділу "водний розчин-олійна фаза", що знижують практично до нуля фільтрацію технологічних рідин. Розрахунок за прототипом зводиться до розв'язку задачі оптимізації багатокомпонентної технологічної системи за одним критерієм F(y1,..., yN ) = åI= 1...N wi yi åI=1...N wi = 1 wi ³ 0 Використання такого методу дозволило отримати бажані значення густини У2=590 та У2=530 відповідно для першої та другої систем. Проте отримані значення інших параметрів, а саме У1=2,0; У3=10; У4=150; У5=1,2; У6=2 для першої системи та У1=2,1; У3=5; У4=170; У5=1,4; У6=1 для та другої системи не відповідають технологічним вимогам, а запропонований новий спосіб оптимізації дисперсних систем дозволив комплексно оптимізувати склад технологічних систем з урахуванням усіх вимог технологічного процесу глушіння свердловин на основі багатокритеріальної оптимізації. Приклад 2 Відповідно до підзадачі 2, розглядається оптимізація самого технологічного процесу глушіння свердловин в умовах високопроникних колекторів і низьких пластових тисків оптимізованими (приклад 1) багатокомпонентними емульсійно-суспензійними системами. Процес глушіння проводиться послідовним помпуванням в зону перфорації високов'язкої полегшеної тіксотропної емульсії з нульовою фільтрацією (система 1) з наступним заповненням трубного і затрубного просторів спорідненою облегшеною емульсією з меншими густиною і в'язкістю (система 2). Відповідно, вхідними параметрами хi є наступні кількісні характеристики процесу глушіння свердловини. Для системи 1: Х11 - в'язкість - 1,5Па.с; Х21 - густина - 600кг/м3; Х31 - відділення вуглеводневої фази - 0%об./добу; Х41 - електростабільність 350В; X51 - міжфазовий натяг на межі поділу "водний розчин-олійна фаза" – 0,1мН/м; Х61 - фільтрація - 0см3/30хв. Для системи 2: Х12 - в'язкість - 1,0Па.с; Х22 - густина - 530кг/м3; Х32 - відділення вуглеводневої фази - 0%об./добу; Х42 - електростабільність 300В; X52 - міжфазовий натяг на межі поділу "водний розчин-олійна фаза" - 1,0мН/м; Х62 - фільтрація - 0,2см3/30хв. Ефективність процесу глушіння свердловин з високопроникним колектором і низьким пластовим тиском полегшеними емульсійно-суспензійними системами характеризуються якістю глушіння, що полягає у відсутності поглинання рідини глушіння і переливі рідини на гирлі свердловини і визначається, відповідно, зміною рівня рідини в свердловині (H1 - H0 = D H) і тиску на гирлі свердловини (P1 - P0 = DP ) , витратами часу на сам процес глушіння і освоєння свердловини після проведення ремонтних робіт та післяремонтним дебітом свердловини. Відповідно до цього процес глушіння характеризується наступними вихідними параметрами: У1 - мінімізувати зміну рівня рідини в свердловині, м/добу; У2 - зміна тиску на гирлі свердловини, атм, повинна становити - 0; У3 - мінімізувати час глушіння, вахто/год; У4 - мінімізувати час освоєння, вахто/год; У5 - махсимізувати дебіт, м3/добу. Результати розрахунків по відбору найкращих вихідних параметрів наведені в таблиці 2. Таблиця 2 Оптимальний технологічний процес глушіння свердловини Зміна Відділення Міжфазовий Електро В'язкість, Густина, углеводневої Фільтрація, рівня №п/п стабільність, натяг, . 3 3 рідини, фази Па с кг/м см /30хв В мН/м м/добу %об./добу 1 Х11 1,5 Х12 Х21 Х22 1,0 590 530 Х31 0 Х32 0 Х41 350 Х42 300 Х51 1 Х52 1 Х61 0,0 Х62 0,2 У1 10 Зміна Час Час тиску на Дебіт, гирлі лушіння, освоєння, м3/добу свердло вахто/год. вахто/год. вини, атм У2 У3 У4 У5 0 4 36 800 Таким чином, як випливає з даних таблиці 2, підбір оптимального складу компонентів двох емульсійносуспензійних систем в прикладі 1 задовольняють значення оптимальних параметрів на всій ефективній підмножині технологічного процесу глушіння свердловини. Запропонований спосіб дозволяє оптимізувати емульсійно-суспензійні системи з урахуванням усіх вимог комплексного технологічного процесу щодо приготування дисперсій, визначення рівня рідини в свердловині, тиску на гирлі сверловини, часу глушіння та освоєння свердловини і визначення економічного стану свердловин (дебіт). Новий спосіб науково-обгрунтованого підбору інгредієнтів дисперсних систем і технології проведення процесу сприятиме підвищенню ефективності прийняття рішень та спрямування інвестиції на розвиток найбільш сприятливих техніко-технологічних процесів за допомогою прогнозування їх кінцевої практичної результативності. ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА: 1. Пиріг О.Б., Чайківський Т.В., Піх З.Г. Оптимізація процесу епоксидування олій. - Вопросы химии и химической технологии. - 1999, №2. - С.20-22. 2. Закгейм А.Ю. Введение в моделирование химико-технологических процессов.-М..Химия. - 1973. 224с. Островский Г.М. Оптимизация химико-технологических процессов. - М.:Химия. - 1984. - 240с.