Modeling and visualization of oil and gas production systems and processes using CAE programs

Full Text

Нефтегазовая промышленность играет ключевую роль в мировой экономике, обеспечивая энергией и сырьем множество отраслей. Она также является одной из отраслей, где инженерное моделирование и визуализация процессов имеют огромное значение. Современные CAE-программы (Computer-Aided Engineering) стали важным инструментом для разработки, анализа и оптимизации систем и процессов нефтегазового производства. В данной статье мы рассмотрим, как CAE-программы помогают улучшить эффективность и безопасность в этой отрасли. Цель данной статьи дать обзор особенностей применения данного вида программ с учетом специфики нефтегазовой отрасли и продемонстрировать наработки кафедры нефтегазового дела НВГУ в этом вопросе.

Анализ научных источников по данному направлению показал, что моделирование и визуализация систем и процессов нефтегазового производства с использованием CAE- программ активно развиваются как с теоретической, так и с практической точек зрения. Количество и качество программных продуктов растет, и этот прогресс отражается и находит соответствующее теоретическое и методологическое обоснование в научной печати. Так Дмитриев В.М., Ганджа Т.В. рассмотрели общие принципы формирования многоуровневых компьютерных моделей SCADA-систем для управления сложными технологическими объектами [2]. Научная статья Медведева В.И. посвящена возможностям имитационного моделирования систем и процессов в системе Tecnomatix Plant Simulation [3]. Остальные из проанализированных источников концентрируют внимание на тех или иных практических аспектах использования потенциала программных продуктов. В статье Репях Л.П. речь идет о преимуществах, которые обеспечивают CAE-программы для подготовки персонала к ситуациям, связанным с риском, что довольно часто происходит в нефтегазовом производстве [5]. Таким образом, персонал получает опыт в безопасных условиях виртуальной реальности, которые позволяют избежать ошибок в дальнейшем, а значит уменьшает производственные риски и травматизм. Также производственному обучению, но уже с помощью VR технологий посвящена публикация Вейса Ю.В., Алфимова Г.Д. [1]. Активно используются данные технологии и учебном процессе. Причем студенты не только выступают в роли пользователей, но и сами принимают участие в разработке данного программного обеспечения, как об этом говорится в статье Обухова А.Д., Чеботова Н.А., Вехтевой Н.А., Патутина К.И., Прокудиной [4]. На нашей кафедре также активно используются программы для моделирования, и визуализация систем и процессов нефтегазового производства и ведутся собственные разработки в данной области, о чем пойдет речь ниже. Пока же подытожим результаты анализа научной литературы по вопросам разработки и использования CAE-программ в нефтегазовой промышленности. Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы:

 

1. CAE-программ все больше входят в производственную и обучающую деятельность в нефтегазовой промышленности и приобретают в современных условиях очень важное значение для отрасли. Нефтегазовые предприятия подвергаются постоянным вызовам, таким как увеличение требований к безопасности, экологичности и экономической эффективности. CAE-программы предоставляют инженерам и специалистам возможность создавать виртуальные модели и анализировать различные аспекты систем и процессов нефтегазового производства:
   
   • Моделирование оборудования. CAE-программы позволяют создавать 3D-модели нефтегазового оборудования, такого как скважины, насосы, компрессоры и трубопроводы. Это помогает инженерам лучше понимать работу оборудования и оптимизировать его производительность.
   • Анализ течения жидкости и газа. CAE-программы позволяют моделировать и анализировать течение нефти, газа и воды в трубопроводах и резервуарах. Это важно для оптимизации транспорта и обработки сырья.
   • Анализ прочности и безопасности. Инженеры могут использовать CAE-программы для оценки прочности оборудования и трубопроводов при различных условиях эксплуатации. Это помогает предотвратить аварии и снизить риски для персонала.
   • Оптимизация процессов. CAE-программы позволяют проводить симуляции различных сценариев работы систем и процессов, что позволяет оптимизировать производственные процессы и сократить издержки.
2. Существует множество CAE-программ, которые широко используются в нефтегазовой промышленности. Ниже приведены некоторые из них:
   
   • COMSOL Multiphysics – это мощное программное обеспечение для моделирования физических процессов, таких как теплопередача, гидродинамика и химические реакции. Оно может использоваться для моделирования различных аспектов нефтегазовой добычи и обработки.
   • ANSYS предоставляет инструменты для анализа прочности, теплообмена и динамики жидкости, что позволяет инженерам оптимизировать оборудование и процессы.
   • Aspen HYSYS – это программное обеспечение специализируется на моделировании процессов в химической и нефтегазовой промышленности. Оно позволяет анализировать процессы дистилляции, химические реакции и т.д.
   • Autodesk Computational Fluid Dynamics (CFD) предоставляет инструменты для моделирования течения жидкости и газа, что может быть полезно при проектировании трубопроводов и резервуаров.
3. Использование CAE-программ в нефтегазовой промышленности предоставляет следующие преимущества:
   
   • Снижение рисков. Моделирование и анализ с помощью CAE-программ позволяют выявить потенциальные проблемы и риски до их возникновения, что способствует улучшению безопасности.
   • Экономия времени и ресурсов. Инженеры могут проводить виртуальные тесты и оптимизировать процессы без необходимости строительства физических прототипов.
   • Увеличение производительности. Оптимизация систем и процессов позволяет повысить производительность и снизить издержки.
   • Улучшение качества управления. CAE-программы помогают отслеживать состояние и производительность оборудования, что позволяет лучше управлять оборудованием.

Как уже говорилось выше данное программное обеспечение позволяет также повысить эффективность обучения студентов. Огромное по размерам нефтегазовое оборудование невозможно разместить в аудиториях и тут на помощь приходят виртуальные лабораторные работы и тренажеры, моделирующие и визуально наглядно отображающие работу оборудования. Пример, одного из них, используемого у нас на кафедре, приведен на рисунке 1 ниже.

 

Рис. 1. Тренажер, облегчающий изучение машин и оборудования для добычи нефти и газа

 

Также, хочется в качестве иллюстрации привести проект студента Работягова Г.Б., по созданию виртуального учебного комплекса «Рабочее место технолога ЦДНГ» для использования в учебном процессе. Проект получил грант ректора НВГУ, а в данный момент Работягов Г.Б. продолжает обучение на кафедре уже в качестве магистранта. На рисунке 2 показан эскиз главного окна приложения.

 

Рис. 2. Рабочее место технолога. Главное окно программы

 

Чтобы более наглядно продемонстрировать возможности программы, на рисунке 3 ниже показан эскиз начальной страницы рабочего экрана приложения.

 

Рис. 3. Эскиз начальной страницы рабочего экрана приложения

 

На этапе проектирования приложения были выполнены следующие задачи: создана стартовая страница приложения, разработан дизайн производственных объектов, внедрена система авторизации для пользователей, создан интерактивный видеоролик, который объясняет работу объекта и его назначение, а также разработана интерактивная карта центра дистрибуции и навигации по ЦДНГ.

 

Рис. 4. Детализация производственных объектов

 

На рисунке 4 представлена более подробная информация о производственных объектах. Эта информация доступна для трех объектов, и она позволяет более подробно изучить процессы производства, просматривать оборудование и взаимодействовать с объектом для понимания его работы. Пользователь может выбрать объект на карте и получить более подробную информацию о его функционировании.

 

Рис. 5. Функционал просмотра оборудования нефтяного куста

 

На рисунке 5 показан функционал просмотра оборудования нефтяного куста – ЭЦН, ШГН, АГЗУ, ТП, внутриплощадочные трубопроводы, где можно увидеть характеристики оборудования, установленного на скважине и на кусте.

Проект успешно завершен и его результаты сейчас внедряются в учебный процесс. Этот опыт вдохновил нас на поиск новых и интересных решений, и мы планируем продолжить развивать эту образовательную деятельность, привлекая новых заинтересованных студентов- нефтяников к проектам создания моделей работы нефтегазового оборудования и имитации производственных процессов с помощью CAE-программ.

Подведем итоги. Использование CAE-программ в нефтегазовой промышленности является неотъемлемой частью современных технологий. Они позволяют инженерам и специалистам создавать виртуальные модели, анализировать системы и процессы, и оптимизировать их для достижения лучших результатов. Благодаря этим инструментам, нефтегазовая промышленность может справляться с вызовами безопасности, эффективности и экологии, обеспечивая надежное и устойчивое производство. Активно используются данные программы и в обучении, в частности на нашей кафедре активно применяются тренажеры и виртуальные лабораторные работы, позволяющие сделать образовательный процесс более наглядным и эффективным, а также активно ведутся разработки собственного программного обеспечения в рамках научно-исследовательской деятельности преподавателей и проектного обучения студентов и магистрантов.

About the authors

A. A. Soloviev

Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin

Author for correspondence.
Email: uni@nvsu.ru
ORCID iD: 0009-0007-9389-0004
Russian Federation, Omsk

G. B. Rabotyagov

Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin

Email: uni@nvsu.ru
ORCID iD: 0009-0009-0840-3318
Russian Federation, Omsk

A. V. Nekrasov

Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin

Email: uni@nvsu.ru
ORCID iD: 0000-0003-2589-0858

Candidate of Economic Sciences

Russian Federation, Omsk

I. A. Volkova

Nizhnevartovsk State University

Email: uni@nvsu.ru
ORCID iD: 0000-0002-2231-6351

Doctor of Economic Sciences

Russian Federation, Nizhnevartovsk

References

Supplementary files