Волоконно-оптические технологии для решения задач газовой промышленности

Проблема экологической безопасности при использовании трубопроводного транспорта газа приобретает особую остроту, как для отдельных организаций, так и для общества в целом. Аварии на газопроводах наносят чувствительный экологический урон. Разрушение газопроводов по своему характеру вызывает техногенное воздействие, затрагивающее биохимические процессы в атмосфере, почве и водоемах. При разрушении газопровода и мгновенном высвобождении энергии газа возникают механические повреждения природного ландшафта и рельефа, нарушение целостности почвенно-растительного покрова. Аварии на газопроводах часто сопровождаются возгоранием газа, огромной тепловой радиацией и как следствие масштабными пожарами.

Главное условие минимизации экономических потерь и катастрофических последствий – это быстрое и точное определение места возникновения аварии, характера и масштаба угрозы безопасности. В случае если авария уже случилась, то точная локализация места утечки с помощью систем распределенного мониторинга способна сократить время реакции на событие, снизить потери продукта, минимизировать простой производства и вредное воздействие на окружающую среду.

Современные волоконно-оптические технологии делают возможным мониторинг таких параметров, как деформация, температура и акустика непрерывно по всей длине оптоволокна, на десятки километров, обеспечивая неоспоримое преимущество - пространственную непрерывность измеряемого параметра.

При необходимости контроля состояния трубопроводов с целью обнаружения и локализации мест утечек газа, использование систем распределённого мониторинга, как правило, является более эффективным и экономичным решением, чем установка огромного числа температурных датчиков вдоль всей области измерения.

Пространственное разрешение анализатора составляет 1 м., что позволяет средствами ПО разбить контролируемый участок длиной 50 км. на 50 тыс. датчиков.

Волоконно-оптические технологии также позволяют создавать современные программно-аппаратные измерительные комплексы мониторинга скважин, добыча из которых осложнена, для регистрации температуры и других параметров (акустических шумов и забойного давления) в режиме реального времени. Что обеспечивает высокую информативность, оперативное поступление данных в распоряжение специалистов и максимально удобные условия для реализации технологических исследований и диагностики нештатных ситуаций.

В оптическом волокне рассеяние может происходить на акустических волнах (вынужденное рассеяние Мандельштамма-Бриллюэна (ВРМБ), Бриллюэновское рассеяние), молекулярных колебаниях (Комбинационное рассеяние света (Рамановское рассеяние)) и неоднородностях материала (Рэлеевское рассеяние).

Системы DTSX от Yokogawa, построенные на комбинационном рассеянии света, вычисляют температуру на основе регистрации фотоприемником анализатора 2-х компонент в обратном рассеянном свете, причем амплитуда стоксовой компоненты и особенно антистоксовой – зависят от температуры, а значения температуры определяются как отношение интенсивностей этих компонент.

Таким образом, используя излучение лазерного импульсного источника, DTSX определяет температурно-зависимые изменения в частоте сигнала, которые возникают вдоль всей длины оптоволокна. И вычисляет точное местоположение изменений температуры, анализируя время, за которое обратно рассеянный свет возвращается к анализатору.

В линейную часть волоконно-оптической системы (ВОС) входит волоконно-оптический кабель (ВОК), являющийся одновременно и датчиком и волоконным световодом (ВС). ВС может быть, как многомодовым, так и одномодовым, т.е. различаться в конструктивном отношении диаметром сердцевины. ВОД (волоконно-оптические датчики) пассивны и не требуют электропитания. Передаваемое по оптическому волокну световое излучение не подвержено наводкам, т.е. электромагнитные возмущения, грозовые разряды, близость к линии электропередачи, импульсы тока в сети не искажают сигнал. ВОД взрывобезопасны, устойчивы к химическим, механическим и коррозионным воздействиям, расчетный срок службы превышает 25 лет. ВОД работоспособны в широком диапазоне температур (для стандартных от минус 60 до плюс 80 °С, для специальных до плюс 300 °С). Предусмотрено широкое разнообразие конструкций с различной степенью защиты от внешних воздействий и возможностью установки в грунте, бетоне, на поверхности конструкции, внутри электрического кабеля. Точное размещение, например, на трубопроводе будет определяться предполагаемой областью возникновения температурного перепада при появлении утечки.

ВОД в ряде случаев - это стандартный телекоммуникационный волоконно-оптический кабель, который можно использовать для организации технологической связи.

ПО включает: интерфейс, геоинформационную систему (ГИС), самодиагностические и аналитические модули. В список функциональных возможностей ПО входят конфигурирование (возможно удаленное) режимов автоматических измерений, разбиение зон мониторинга на участки, настройка уровней сигналов тревоги и задание вариантов автоматического оповещения.

ВОС имеет встроенные функции самодиагностики, обнаружения неисправности оптоволокна и др. Со встроенной поддержкой протокола Modbus, DTSX можно подключить к SCADA и РСУ.

ВОС распределенного измерения температуры для исследования скважин в режиме реального времени

Достигнутый уровень развития волоконно-оптических технологий позволяет построить на их основе системы долговременного мониторинга ряда технологических параметров газовых скважин на постоянной основе. Внедрение технологий дает возможность перевести систему контроля за разработкой месторождений и эксплуатацией ПХГ на качественно новый уровень как по объемам и периодичности получаемой информации, так и по снижению затрат на ее получение.

Существующие методы и технологии исследований скважин позволяют получать информацию о состоянии скважины и призабойной зоны пласта только в период проведения самих исследований. Поэтому отсутствие полноты и корректности информации в режиме реального времени при эксплуатации газовых 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 и другие параметры в режиме реального времени в скважинах, добыча из которых осложнена (выпадением жидкости на забое, выносом песка и др.).

Регистрируемые данные позволяют количественно оценивать профиль притока в эксплуатационных скважинах, контролировать их техническое состояние (выявлять заколонные перетоки, негерметичности внутрискважинного оборудования), определять наличие механических примесей, гидратов и параметры обводнения скважин. ВОС позволяет определять продуктивные характеристики скважины по структуре разреза и в режиме реального времени выполнять адаптацию постоянно действующей геолого-технологической модели месторождения, а также принимать оперативные решения о проведении геолого-технических мероприятий.

Мировой опыт применения показал работоспособность и эффективность термометрии, ее применение позволяет выйти на качественно новый уровень полноты и достоверности интерпретации данных геофизических измерений, отказаться от классических периодических геофизических измерений, для которых необходима остановка работы скважины, и получать актуальные данные на реальных режимах работы скважины.

Установка ВОС на скважине не требует использования сложного специализированного оборудования и выполняется традиционными методами КРС, таким образом является масштабируемой, доступной, легко воспроизводимой и контролируемой.

Характеристики ВОС:

• пространственное разрешение – от 1 м.;

• диапазон измерения температуры от -60 до + 300 °С;

• абсолютная погрешность – 1,0 °С;

• разрешение по температуре

(в зависимости от длины оптоволокна и времени измерения) – от 0,03 °С;

• в зависимости от условий эксплуатации применяются различные материалы при изготовлении кабелей (в т.ч. стойкие к сероводороду);

• возможность спуска внутрискважинного оборудования системы с другим внутрискважинным оборудованием;

• мониторинг параметров в режиме реального времени;

• передача данных замеров в службу Главного геолога и отдел по добыче;

• возможность комплексной интерпретации данных замеров с целью предоставления информации о техническом состоянии скважин, контроля профиля притока, интервалов обводнения и выноса песка;

• мониторинг в режиме реального времени позволяет своевременно принимать решения о проведении геолого-технических мероприятий, оптимизации технологических режимов работы скважин и промысла в целом.

• на верхних уровнях управления система может быть использована в технологиях интеллектуализации разработки месторождений.

ВОС DTSX от Yokogawa уже на протяжении пяти лет успешно справляется с поставленными задачами постоянного мониторинга скважин на одном из предприятий Группы компаний Газпром (Новопортовское НГКМ) Внедрение ВОС DTSX от Yokogawa в том числе позволило выявить заколонные перетоки, интервал притока газа, а также отслеживать профиль притока. Компания Yokogawa выражает надежду на продолжение взаимовыгодного сотрудничества и тиражирование успешного опыта.

Выводы

Повышение промышленной безопасности и экономической эффективности процессов добычи и транспортировки газа основные задачи, стоящие перед газодобывающими и газотранспортными организациями.

Перечисленные возможности и характеристики ВОС позволяют создавать эффективные системы контроля, мониторинга и безопасности сложных распределенных (протяженных) инфраструктурных объектов и успешно их эксплуатировать.

ВОС детектирует аномальные события и потенциальные угрозы на основе анализа малейших изменений в оптическом кабеле и оповещает оператора об утечке и месте ее возникновения путем подачи аварийного сигнала в единый диспетчерский центр. Экономическая эффективность транспортировки углеводородов растет благодаря уменьшению стоимости ущерба от аварий, а также повышению уровня защищенности.

ВОС также зарекомендовали себя как одно из наиболее действенных решений для оптимизации процесса добычи. ВОС отличается простотой конструкции, надежностью и обеспечивает одновременный сбор температурных данных по всей длине скважины в режиме реального времени. Такая информативность метода позволяет повысить уровень понимания состояния системы «пласт-скважина» и повышать уровень добычи за счет быстрого реагирования на различные проблемы.

При этом надо отметить, что многие международные нефтедобывающие компании активно внедряют волоконно-оптические технологии, рассчитывая благодаря этому в перспективе добиться повышения эффективности добычи до 10%.

Литература:

1. Волоконно-оптические системы мониторинга состояния инфраструктурных объектов/ сб. статей под ред. Дмитриева С.А. и Слепцова Н.Н. — М.: Экслибрис-Пресс, 2015. — 304 с.

2. Скрытый потенциал оптоволоконной термометрии при мониторинге притока в горизонтальных скважинах/ А.И. Ипатов, М.И. Кременецкий, И.С. Каешков [и др.]// Нефтяное хозяйство. — 2014. — № 5. — С. 96-100.

3. Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности для опасных производственных объектов магистральных трубопроводов»: Приказ Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 6.11.2013 г. № 520. URL= http://docs.cntd.ru/document/499058128.

Keywords: fiber-optic monitoring systems, gas pipeline leaks, gas well monitoring