Next generation drilling process simulator

Постоянное увеличение в бурении доли высокотехнологичного оборудования, вместе со сложностью оборудования и производственных процессов, закономерно ставит задачи повышения качества подготовки высококвалифицированных специалистов, которые в значительной степени определяют экономическую эффективность производства (напрямую зависят от эффективности действий персонала), а также затрагивает вопросы охраны труда, промышленной и экологической безопасности.

Согласно годовым отчетам о деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор), а также данным независимого федерального агентства по расследованию несчастных случаев в химической промышленности (U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board, CSB), большое количество аварий и несчастных случаев на буровых установках вызвано человеческим фактором. Аналогичные выводы можно получить и из материалов профессиональных баз данных по авариям и инцидентам (MHIDAS, MARS, FACTS и др.). Наиболее характерными причинами являются: низкая технологическая дисциплина; неосторожные или несанкционированные действия при выполнении работ; слабые относительно требований безопасности ведения работ знания персонала, недостаточная психологическая и квалификационная подготовленность персонала; недостаточная эффективность обучения и инструктажа персонала по вопросам безопасности; несогласованные и ошибочные действия персонала в условиях чрезвычайной ситуации; неправильные действия по ведению технологического процесса; ошибки при проведении необходимых измерений; несвоевременное при наличии характерных признаков обнаружение предаварийной ситуации; несвоевременное принятие мер по устранению аварии; нарушение технологии и регламента выполнения работ; заранее не предусмотрены мероприятия для ликвидации возможных аварий; ненадлежащее проведение инструктажа и т.д.

Помимо аварий, неверные действия обслуживающего персонала часто приводят к внеплановым остановкам технологического процесса, что также является источником значительных экономических потерь предприятий.

Указанные причины позволяют сделать вывод о том, что частота их появления напрямую зависит от качества подготовки обучающихся технических специалистов нефтегазового направления в учебных заведениях. Их подготовка тесно связана с обучением для решения следующих задач: получение теоретических знаний на основе обучающего физического эксперимента (процесса получения и обработки экспериментальных данных; применения полученных знаний при решении комплексных задач, связанных со сферой деятельности будущих специалистов (курсовое и дипломное проектирование); оценка навыков и профессиональных умений специалистов для их последующей сертификации или аттестации (сертификация или аттестация); практическое изучение устройства, принципа его работы, наладки, регулировки оборудования, характерного для осваиваемой профессии; формирование и совершенствование у обучаемых профессиональных навыков и умений, необходимых им для управления материальным объектом (тренинг, повышение квалификации).

Проведение обучения на реальных объектах и оборудовании, в свою очередь, часто сопряжено с существенными трудностями технического плана и значительными материальными затратами: высокой стоимостью учебного оборудования и его эксплуатации; наличия морально-устаревшего оборудования, малым спектром по сравнению с условиями производства имеющегося оборудования; большой удаленностью обучаемого от места расположения учебного оборудования; высокой опасностью выполняемых работ и сложностью изменения конфигурации оборудования и параметров среды; длительностью проведения работ; невозможностью визуального наблюдения внутренней структуры изучаемого оборудования, микро- и макрообъектов и процессов, быстрых или медленных технологических и природных явлений; наблюдений абстрактных понятий или концепций (например, визуализация накопления усталостных повреждений); сложностью показа и оценки возможных последствий альтернативных условий и направлений деятельности.

Указанные трудности проведения процесса обучения на реальных объектах предопределили появление новых средств обучения – тренажеров, а наблюдаемый рост вычислительной мощности персональных компьютеров и их доступность позволили использовать его в качестве средства имитации – таким образом появились первые компьютерные тренажеры, а позже и их цифровые двойники. В данной статье предлагается рассмотреть ключевые особенности цифрового двойника буровой установки БУ 5000/320ЭУК-Я для формирования знаний, умений и навыков персонала, а также их переноса на условия реальной работы. Решаемые задачи: приобретение практических навыков безопасного ведения работ при строительстве скважин на нефть и газ; обучение и приобретение практических навыков выполнения работ по предупреждению, локализации и ликвидации газонефтеводопроявлений и открытых фонтанов при строительстве скважин на нефть и газ; непрерывный и периодический контроль и тестирование уровня знаний и навыков ведения технологического процесса и локализации аварийных ситуаций; повышение качества подготовки рабочих и инженерно-технических работников, занятых ведением технологического процесса и эксплуатацией оборудования; снижение вероятности аварийных ситуаций, возникающих вследствие проявления человеческого фактора.

Следует отметить, что тренажеры для подготовки специалистов в области бурения, в частности, тренажеры отработки действий при газонефтеводопроявлениях (ГНВП), показали высокую эффективность и их использование является уже не рекомендацией, а требованием Ростехнадзора (Требования к подготовке устанавливает приказ Ростехнадзора № 534). В силу этого при создании тренажера были учтены требования к учебным центрам повышения качества обучения персонала нефтегазовой отрасли – уровню международных стандартов IWCF (International Well Control Forum) и IADC, а также требования стандарта Национальной ассоциации по управлению скважиной (НАУС), требованиянационального стандарта «Ассоциация Нефтегазовый Кластер», «Правилам безопасности в нефтяной и газовой промышленности» (утверждены приказом № 534 от 15 декабря 2020) и может использоваться для обучения в ВУЗах, колледжах и подготовительных центрах по программе «Контроль и управление скважиной при ГНВП» для любых категорий персонала (рис. 1.).

Обучение персонала большинства учебных подразделений действиям при ГНВП предполагает его работу в течении 30-50 минут на одно упражнение. Наличие копии управления (кабины бурильщика) в единственном экземпляре не дает возможности быстрой и качественной подготовки даже небольшой группы специалистов поскольку 30-50 минут обучения проводится непосредственно на тренажере, другие вынуждены ждать его освобождения. В компьютерном же классе за счет масштабирования обучающиеся могут обучатся одновременно, используя планшеты, компьютеры, ноутбуки и даже могут запускать тренажер удаленно через сеть интернета (рис. 2.). Все определяется количеством лицензий на тренажер.

Для обеспечения подготовки всех категорий работников потребуется выполнить имитацию и визуализацию всех основных и вспомогательных систем буровой установки, включая инструменты и приспособления, реализацию различных вариантов конфигурации оборудования (рис. 3. роторное бурение, верхний привод, варианты АБК, насосов, комплекты датчиков) с учетом климата Крайнего Севера (климатическое исполнение имитируемого оборудования). В результате тренажер содержит модели следующего оборудования (табл. 1–2). Модель подземной части (рис. 4.) с учетом широкого спектра геологических разрезов месторождений РФ и типов скважин (наклонные; вертикальные; скважины с горизонтальным окончанием; многозабойные; многоствольные;) с возможностью задания точных параметров, характерных для условий бурения заказчика.

Таблица 1

Оборудование и инструмент, используемый в процессе бурения a) Наземного оборудования

Таблица 2

Оборудование и инструмент, используемый в процессе бурения b) Подземного оборудования

Создание имитационных моделей «надземной» и «подземной» частей потребовало, в свою очередь, реализовать модели применяемых инструментов и приспособлений, что способствует возможности как условного выполнения операций, так и реального процесса выполнения операций (для предметного обучения, рис. 5.).

При создании имитационных моделей со столь внушительным перечнем оборудования был привлечен широкий круг экспертов ведущих отечественных компаний-производителей оборудования, буровых и сервисных компаний, ведущие специалисты СПО и ВПО. Именно их профессиональные знания в предметной области и ценные советы в значительной степени определили показатели эффективности тренажера.

Самая сложная часть тренажера – это математическая модель. Она скрыта от инструкторов и обучаемых, но от ее точности и количества учитываемых факторов зависит достоверность работы тренажера в целом. Рассматриваемый тренажер содержит в своем составе мультифизическую модель, описывающую, с требуемой точностью, имитируемый объект или процесс. Адекватность и универсальность модели тренажера определяет соответствие поведения реальной системы и поведения модели в штатном и аварийном режимах. При необходимости модель может учитывать деформирование твердых тел (акустическое воздействие, устойчивость, механику разрушения), теплоперенос (теплопроводность, конвекция и излучение), акустические явления, химические реакции, электромагнитные эффекты, воздействие на экосистему и т. д. Использована как аналитическая (основанные на экспериментальных данных отношения), так и численные методы конечных элементов (МКЭ) и метод решеточных уравнений Больцмана (численный метод моделирования гидродинамики Lattice Boltzmann Method, LBM). LBM использован для моделирования многофазных потоков, потоков в пористых средах, имитации поведения бурового раствора в трубном и затрубном пространстве, а МКЭ для расчета напряженности конструкции и деформаций (рис. 6).

При создании математической модели создан специальный редактор – специальная система автоматизированного синтеза технологической схемы систем буровой установки (рис. 7). Этот способ значительно повышает качество и технико‑экономический уровень создаваемых математических моделей, адекватность и универсальность получаемых моделей, не уступает уровню ведущих мировых компаний.

Уникальность решения заключается в последовательной схеме расчетов – на базе решения линейных уравнений для нахождения начальных условий с последующим использованием прямых численных итерационных методов на основе найденного приближенного решения и величины шага, что обеспечило возможность выполнить высокоточное моделирование и симуляцию физических процессов, происходящих в запорно-регулирующей арматуре, гидро- пневмо- трубопроводах, СРД, пластах и скважинах, насосах и компрессорах. Также имитируются и системы автоматики (АСУ ТП нижний и верхний уровень) – управляющие устройства, алгоритмы контроллеров, системы верхнего уровня (SCADA). Кроме того, модель позволяет выполнять расчет с учетом нескольких протекающих одновременно процессов, имеющих при этом различную природу: гидродинамика, электродинамика, механика, термодинамика жидкостей и газов доступны термодинамические модели:

• Идеального газа;
• Пенга-Робинсона;
• Пенга-Робинсона (с модификацией Тву);
• Соаве-Редлиха-Квонга и др.

Для обеспечения точности расчетов редактор технологической схемы систем буровой установки имеет в своем распоряжении и необходимые базы данных – фазовых состояний веществ, плотности, теплоемкости, молекулярной массы, компонентного состава нефти и попутного газа – фракционный состав нефти от C₁ до С40⁺; газа ж Метан CH₄; Этан C₂H₆; Пропан C₃H₈; И‑Бутан iC₄H₁₀; Бутан C₄H₁₀; И‑Пентаны iC₅H₁₂; Пентан C₅H₁₂; И‑Гексаны; Гексан C₆H₁₄; Углекислый газ CO₂; Азот N₂; Сероводород H₂S и др.

Созданы все необходимые инструменты и для инструктора, создан виртуальный, на базе ИИ, инструктор, рис. 8. Список созданных учебных сценариев достаточно обширен и может быть расширен, так как инструктор может создавать свои сценарии и менять любые параметры.

Основные сценарии тренажера:

• Изучение конструкции буровой установки;
• Изучение конструкции скважины и бурильной колонны;
• Спускоподъемные операции;
• Замена поршней/втулок на насосе;
• Выявление неисправностей и замена клапанов насоса;
• Проходка (бурение) верхним приводом;
• Спуск обсадной колонны и цементирование;
• Правила безопасности (выявление нарушений при бурении);
• Правила безопасности (выявление нарушений при производстве работ на высоте);
• Правила безопасности (выявление нарушений при производстве грузоподъемных работ);
• Закрытие скважины;
• Глушение методом бурильщика, объемным методом, утяжеления и ожидания (с различными вариантами);
• Заполнение листа глушения;
• Действия персонала при выполнении ПЛАС:
• Проверка в начале работы смены;
• ГНВП во время бурения (промывки) скважины;
• ГНВП при СПО;
• ГНВП при спуске обсадной колонны;
• ГНВП при отсутствии бурильных (обсадных) труб в скважине и ГФР;
• ГНВП, открытый фонтан;
• Глушение после ГНВП;
• Проходка (бурение) роторное;
• Проходка (бурение) роторное + забойный двигатель (ВЗД);
• Замена долота и компоновки бурильной колонны (определение износа, замена);
• Промывка скважины;
• Ремонтные/ловильные работы;
• Вышкомонтажные работы;
• Дополнительные сценарии – для помощников бурильщика и механиков;
• Замена поршней/втулок на насосе;
• Выявление неисправностей и смена сеток в виброситах;
• Выявление неисправностей и замена элементов песко/ило отделителей;
• Замена каната;
• Текущее обслуживание и ремонт система БУ;
• Геофизические исследования скважины в процессе бурения;
• Отбор керна и др.

Инструктору доступен встроенный редактор учебных сценариев, в котором поддерживается линейная и нелинейная структура учебного задания, развитые механизмы ветвления сценария и различные механизмы задания последствий действий/условий.

Имеется возможность как индивидуального, так и группового обучения. Для отработки совместный действий на буровой установке реализован многопользовательский режим, который дает возможность обучения полного состава вахты (бурильщик + помощники бурильщика + супервайзер + мастер + механик). При отсутствии одного или нескольких участников – его функции выполняет модель агентов в соответствии с регламентом. Это является достаточно важной особенностью, т.к. в условиях реальной работы коллектив должен действовать как одна команда, а индивидуальный тренинг не всегда может выполнить эту задачу.

Работа на тренажере возможна как в полуавтоматическом режиме обучения и экзамена, где инструктор может передать свою работу автоматике, так и в ручном режиме, при котором все действия обучаемых контролируются и оцениваются инструктором самостоятельно. В режиме «Обучение» доступны указания по правильному выполнению работ (подсказки), неверные действия не допускаются и обучаемый получает указания о том, как правильно выполнить действия. В режиме «Экзамен», в отличие от режима «Обучение», в процессе выполнения учебного задания, обучаемый не получает дополнительной информации (подсказок), результат выполнения задания (оценка) выставляется автоматически. В режиме без использования сценариев инструктор может выбрать любое ранее сохраненное стартовое состояние и ставить задачу самостоятельно. Оценка результатов в данном случае также происходит самостоятельно. Присутствует и возможность изучения оборудования, его состава, принципа действия, процедур настройки, диагностики и ремонта. Для этого тренажер включает все необходимые интерактивные методические материалы и нормативно-техническую документацию (рис. 9.).

Обучение осуществляется с использованием платформы, позволяющей реализовать точную копию кабины бурильщика в нескольких вариантах – от полномасштабной кабины, настольного исполнения (рис. 10.), многомониторного исполнения и простого планшета.

Цифровой двойник БУ является полностью Российским программным обеспечением и работает на базе операционных систем Windows/Linux, в т.ч. Астралинукс, ALT Linux, RED OS и др., отличается широкими возможностями интеграции за счет встраиваемого мультипарадигменного языка LUA, поддержке стандартов и спецификаций (OPC, IEEE1516, XAPI), возможностью интеграции с OpenModelica. Поддержка международных стандартов на самом деле предоставляет достаточно большое количество возможностей, например, интеграция с другими компонентами учебного процесса – виртуальными лабораторными работами, например, в рамках лабораторной работы при изучении «буровых растворов» и тут же применить его в той или иной технологической операции на буровой установке. Результаты работ передаются в «емкости» тренажера – для возможности их применения при имитации процессов скважины. И наоборот, пробы раствора, изъятые в процессе реального бурения/ремонта скважин, можно передавать на вход, в качестве исходных образцов лабораторных исследований (в лабораторные работы и далее на тренажер). Это позволяет обучаемым проверить «в деле» разработанные ими рецептуры (как непосредственно самим, так и другими обучаемыми). А это уже именно тот процесс, который реально происходит в реальных рабочих условиях в буровых и сервисных компаниях. Все это значительно увеличивает эффективность подготовки специалистов.

Таким образом, использование цифрового двойника буровой установки, совместно с комплексом лабораторных работ, позволяет обучаемым специалистам не только провести эксперимент и получить необходимые данные, но и оценить степень влияния этих факторов на реальном процессе бурения.

Вывод

Полномасштабный тренажерный комплекс позволяет эффективно формировать знания, умения и навыки для всех категорий персонала при выполнении ими необходимых технологических операций. Его внедрение может одновременно существенно повысить качество и объемы подготовки, снизить расходы на обучение.