Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства

 
 
 
 
 
О. О. Горшкова  
 
 
 
 
ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ  
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ  
НЕФТЕГАЗОВОГО ПРОИЗВОДСТВА 
 
Учебник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК 62-52:665.61 
ББК 32.966+33.36 
Г70 
 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор Исаков Г. Н.; 
доктор технических наук, профессор Бахарев М. С. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Горшкова, О. О. 
Г70   
Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства : учебник / О. О. Горшкова. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 204 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-2028-0 
 
Содержит теоретический материал по основным принципам построения систем автоматизации производственных процессов, а также по техническим средствам автоматизации, на базе которых строятся упомянутые системы. Даны сведения об основах автоматизации измерительных процессов, видах и методах измерения, устройстве и особенностях эксплуатации конкретных устройств автоматизации, датчиков основных 
технологических параметров, вторичных приборов и микропроцессорной техники. 
Для студентов высших учебных заведений всех форм обучения, обучающихся по 
направлению подготовки 21.03.01 «Нефтегазовое дело», уровень бакалавриат; по специальности 21.05.06 «Нефтегазовые техника и технологии», уровень специалитет. 
 
УДК 62-52:665.61 
ББК 32.966+33.36 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-2028-0 
© Горшкова О. О., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 6 
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ 
.......................................................................................... 10 
ГЛАВА 1. ЭЛЕМЕНТЫ УСТРОЙСТВ АВТОМАТИЧЕСКОГО  
УПРАВЛЕНИЯ .......................................................................................................... 12 
Тахогенераторы 
...................................................................................................... 12 
Магнитоупругие датчики ...................................................................................... 13 
Потенциометрические преобразователи ............................................................. 14 
Импульсные преобразователи .............................................................................. 14 
Сельсины 
................................................................................................................. 16 
Вторичные приборы .............................................................................................. 18 
Автокомпенсатор переменного тока 
.................................................................... 19 
Регистрирующие приборы .................................................................................... 21 
Электромагнитные реле ........................................................................................ 22 
Усилители ............................................................................................................... 23 
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ  
И МЕХАНИЗМЫ 
....................................................................................................... 28 
Исполнительные электрические двигатели постоянного и переменного  
тока .......................................................................................................................... 28 
Тяговые электромагниты и электромагнитные муфты 
...................................... 30 
ГЛАВА 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ В БУРЕНИИ СКВАЖИН ....... 32 
Буровой технологический комплекс 
.................................................................... 32 
Классификация буровой контрольно-измерительной аппаратуры, условия 
эксплуатации и требования к аппаратуре 
............................................................ 33 
Аппаратура для контроля параметров процесса бурения.................................. 39 
ГЛАВА 4. АППАРАТУРА КОНТРОЛЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРЕНИЯ 
СКВАЖИН 
................................................................................................................. 72 
Измерители механической скорости бурения .................................................... 72 
Измеритель скорости проходки ИСП .................................................................. 75 
Регистратор механической скорости бурения РСБ-ТПУ .................................. 76 
Определители рейсовой скорости бурения ......................................................... 77 
ГЛАВА 5. КОМПЛЕКСНАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ КОНТРОЛЯ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ  
ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ 
.............................................................. 79 
Методика обработки диаграмм записи параметров технологического  
процесса бурения ................................................................................................... 81 
ГЛАВА 6. АППАРАТУРА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ  
В СКВАЖИНАХ ....................................................................................................... 84 
Аппаратура для замера дебита при откачках воды из скважин 
........................ 84 
Расходомеры (дебитомеры) переменного уровня .............................................. 84 
Комплексная аппаратура СДУ-ТПУ .................................................................... 85 
ГЛАВА 7. АППАРАТУРА ДЛЯ КОНТРОЛЯ СТАТИКИ И ДИНАМИКИ 
ПОДЗЕМНЫХ ВОД .................................................................................................. 88 
Классификация и общая схема скважинных уровнемеров 
................................ 88 
 
3

Уровнемер УНВ-ТПУ 
............................................................................................ 90 
Скважинные расходомеры .................................................................................... 91 
ГЛАВА 8. НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ БУРОВОГО 
................................ 94 
ОБОРУДОВАНИЯ И ИНСТРУМЕНТА ................................................................. 94 
Классификация основных методов неразрушающего контроля 
....................... 94 
Аппаратура для контроля технического состояния буровых труб 
................... 94 
ГЛАВА 9. БУРОВЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ 
................................. 101 
Общие понятия о буровых автоматических системах ..................................... 101 
Автоматизация подачи бурового инструмента 
................................................. 103 
Построение структурных схем буровых автоматических регуляторов ......... 105 
ГЛАВА 10. РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРИВОД БУРОВЫХ УСТАНОВОК  
И БУРОВЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ ...................................... 114 
Регулирование частоты оборотов вала асинхронных электрических 
двигателей 
............................................................................................................. 114 
Регулирование частоты оборотов вала электрического двигателя  
постоянного тока 
.................................................................................................. 116 
Привод постоянного тока по системе генератор – двигатель (Г–Д) .............. 117 
ГЛАВА 11. АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ ПОДАЧИ  
ИНСТРУМЕНТА В БУРЕНИИ СКВАЖИН НА НЕФТЬ И ГАЗ ....................... 119 
Электромашинные БАР с исполнительным электродвигателем  
постоянного и переменного тока 
........................................................................ 119 
Буровой автоматический регулятор ХЭМЗ с червячным редуктором  
силового узла 
........................................................................................................ 122 
Дифференциальный редуктор в буровых автоматических регуляторах ....... 124 
Упрощенная схема бурового автоматического регулятора БАР-150  
для управления работой электробура ................................................................ 125 
Упрощенная схема БАР-150 для турбинного бурения .................................... 126 
Автоматы веса электрические типа АВЭ .......................................................... 128 
Автоматизированный электропривод регулятора подачи долота  
типа АЭПД-2 ........................................................................................................ 129 
Электромашинные БАР с исполнительным электродвигателем  
переменного тока ................................................................................................. 130 
Фрикционные буровые автоматические регуляторы подачи  
инструмента 
.......................................................................................................... 132 
Гидравлические регуляторы подачи инструмента ........................................... 133 
Автомат подачи инструмента (долота) АПД-1 
................................................. 135 
ГЛАВА 12. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ 
............................................................... 138 
Полупроводниковые активные элементы ......................................................... 138 
Полупроводниковые диоды ................................................................................ 142 
Полупроводниковые транзисторы ..................................................................... 144 
Тиристоры 
............................................................................................................. 150 
Операционные усилители ................................................................................... 152 
ГЛАВА 13. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ .... 154 
Автоматизация подготовки и откачки товарной нефти 
................................... 154 
 
4

Автоматизированные блочные установки для очистки сточных вод  
и автоматизация водозаборных скважин 
........................................................... 156 
Автоматизированные блочные кустовые насосные станции .......................... 159 
Автоматизация добычи и промыслового сбора нефти и нефтяного газа ...... 163 
ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ 
........................................................ 175 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 178 
ТЕСТЫ 
...................................................................................................................... 181 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
....................................................................................... 203 
 
 
 
 
 
5

ВВЕДЕНИЕ 
Индустриальный переворот, именуемый как четвертая промышленная революция (Индустрия 4.0), ориентирован на инновационный подход к организации производства на основе автоматизации, цифровизации производственных 
процессов. В современных условиях конкурентоспособность страны определяется уровнем развития технологий, науки, инноваций, успешность которых обеспечивается инженерными кадрами, готовыми к развитию стратегических производственных отраслей, обеспечивающих технологическую, экономическую независимость страны. Автоматизация технологических процессов ориентирован 
на переход производства на цифровые технологии, соответствующие Индустрии 4.0. Повышается производительность процессов, сокращаются рабочие 
места с опасными условиями труда, повышается конкурентоспособность, расширяется номенклатура и повышается качество продукции. 
Автоматизация технологического процесса – совокупность методов и 
средств, предназначенная для реализации системы или систем, позволяющих 
осуществлять управление самим технологическим процессом без непосредственного участия человека, либо оставления за человеком права принятия 
наиболее ответственных решений. Как правило, в результате автоматизации технологического процесса создаётся АСУ ТП. 
Основными целями автоматизации технологического процесса являются: 
- повышение эффективности производственного процесса; 
- повышение безопасности производственного процесса. 
Цели достигаются посредством решения следующих задач автоматизации 
технологического процесса: 
- улучшение качества регулирования; 
- повышение коэффициента готовности оборудования; 
- улучшение эргономики труда операторов процесса; 
- хранение информации о ходе технологического процесса и аварийных ситуациях. 
Решение задач автоматизации технологического процесса осуществляется 
при помощи: 
- внедрения современных методов автоматизации; 
- внедрения современных средств автоматизации. 
Автоматизация технологических процессов является решающим фактором 
в повышении производительности труда и улучшении качества выпускаемой 
продукции. Технологические процессы современных промышленных объектов 
требуют контроля большого числа параметров и сложны в управлении. В связи 
с этим при проектировании и эксплуатации промышленных установок исключительное значение придается вопросам профессионализма специалистов, работающих на предприятиях топливно-энергетического комплекса. 
За годы развития переработки нефти и нефтехимической промышленности 
наблюдается усложнение процессов, что требует более четкого управления ими. 
В первой половине XX века, появились приборы регистрации и контроля пара 
6

метров, так называемые контрольно-измерительные приборы – КИП. Зарождение, становление и развитие приборов измерения и контроля, процесс от автоматического регулирования до АСУ и управление на макро- и микроуровне является неотъемлемой частью процессов нефтегазового производства, нефтепереработки и нефтехимии. Дальнейшее совершенствование приборов регистрации, 
контроля и управления параметрами привело к автоматизации и телемеханизации нефтепереработки и нефтехимии. Последнее привело к компьютеризации и 
управлению процессами, то есть к автоматизированным системам управления 
(АСУ). Прогресс в приборостроении и аппаратостроении в АСУ является интересной задачей, решение которой необходимо для определения дальнейших перспектив развития на основе преодоления глобальных проблем управления  
в нефтегазовой сфере. 
Автоматизация технологических процессов в нефтегазовом производстве 
нацелена на решение основных современных проблем оперативного управления 
производством: 
- учет добычи, движения и использования углеводородного сырья, нефти, 
газа, нефтепродуктов. При решении этой проблемы необходимо обеспечить возможность мониторинга учетных операций, в том числе с лицензионных участков, а также обеспечивать проведение внутренних и внешних аудитов по учету 
нефти, что в свою очередь требует разработки соответствующих измерительных 
средств, а также программно-информационной системы; 
- управление территориальными активами, организация технического обслуживания и ремонта оборудования, обеспечение безопасности производства и 
персонала. Для решения данной проблемы требуется разработка программно-информационных средств, обеспечивающих учет, планирование технического обслуживания и ремонтов, контроль состояния производственных активов и выполненных работ; контроль заключения и выполнения договоров с подрядчиками на выполнение работ; контроль за нахождением персонала на производственных объектах; возможность обучения персонала по месту на тренажерах; 
наличие на рабочих местах актуальной документации на использование оборудования, на технологию выполнения процедур и операций; 
- высокий уровень энергопотребления производства и необходимость мероприятий по энергосбережению и энергоэффективности. Для решения указанной проблемы требуются программно-информационные средства, обеспечивающие учет, планирование технического обслуживания и ремонтов, контроль состояния энергопотребления по элементам технологического процесса; выявление объектов энергопотребления со сверхнормативным уровнем потребления 
электроэнергии; контроль за выполнением мероприятий по энергосбережению; 
- разнообразие средств АСУ ТП, моделирующих и информационных систем. Данная проблема требует разработки программно-информационных 
средств, обеспечивающих формирование массива исходной информации  
для стратегического (планы развития и размещения производства), среднесрочного (годовые и месячные планы) и оперативного (суточные и сменные планы) 
планов управления; удовлетворения требований к составу и структуре докумен 
7

тов в соответствии с внутренним регламентом предприятия, требованиями стандартизации акционеров; унификации доступа и разграничения полномочий  
при работе с документами; 
- минимизация затрат на эксплуатацию системы при максимальном уровне 
информационного сервиса, предоставляемого лицам, принимающим решения. 
Для решения проблемы требуются: разработка методологии выполнения работ 
по развитию MES-уровня, автоматизации неавтоматизированных ранее производственных объектов и программно-информационных средств обеспечивающих: поддержание в актуальном состоянии баз данных и работоспособном состоянии программных средств системы; контроль функционирования программных средств системы (по обмену информацией с системами АСУТП, ERP и др.); 
фиксация действий персонала, включенного в работу системы; 
- увеличение средств и труда на добычу каждой тонны нефти, обусловленное тем, что месторождения дешевой нефти в Западной Сибири, открытые  
в конце 1950-х годов, постепенно истощаются. В нефтеносном регионе остались 
в основном запасы со сложной добычей, требующие новых технологических решений и дополнительных капитальных вложений. Для решения данной проблемы необходимо повысить эффективность капитальных вложений и облегчить 
управление извлечением нефти; повысить эффективность капитальных вложений и облегчить управление извлечением нефти из недр за счет подхода, получившего название «умные месторождения», «интеллектуальные месторождения», «интеллектуальные нефтепромыслы», «интеллектуальные скважины»; оптимизировать работы всех промысловых объектов: скважин, коллекторов, трубопроводов и других наземных объектов. 
Известно, что нефтегазовая отрасль играет ключевую роль в экономике 
России, обеспечивая платежный баланс страны, поддерживая курс национальной 
валюты и формируя инвестиционные ресурсы, необходимые для стабильного 
развития промышленности в соответствии со стандартами Индустрии 4.0. Благодаря стабильному спросу на российские энергоносители в настоящее время 
нефтегазовый комплекс (НГК) формирует до половины федерального бюджета 
страны. 
Под НГК следует понимать экономически наиболее значимую часть топливно-энергетического комплекса, представленную совокупностью организаций 
и предприятий, осуществляющих:  
- поиск, разведку и добычу углеводородов; 
- переработку нефти и газа; 
- транспортировку, распределение и реализацию нефти, газа и продуктов 
их переработки. 
Поскольку от состояния НГК напрямую зависит стабильность экономики 
страны, вопрос модернизации нефтегазовой отрасли всегда характеризовался 
высокой актуальностью. Для качественного ее развития в России требуется решить ряд важных вопросов, в число которых входит: 
- расширенное и рациональное использование ресурсной базы; 
- достижение максимальной эффективности процессов переработки; 
 
8

- совершенствование энергетических систем, систем транспортировки и 
хранения углеводородных ресурсов и др. [2]. 
Современный мир развивается в контексте требований Индустрии 4.0, 
предусматривающей переход на цифровые технологии, обеспечивающие перспективы роста компаний, отраслей и национальных экономик, поэтому во многих странах на нефтегазовых предприятиях сейчас активно применяются ITтехнологии. Нефтегазовой отрасли во всем мире всегда были присущи сложность и высокая технологичность производственных процессов, качественно 
шагнувшая вперед с появлением новых IT-продуктов. Компаниями British Petroleum и Shell внедрение цифровых технологий началось еще в 2000-е гг., в России 
проект «Умные месторождения», предполагающий оснащение фонда скважин 
системами удаленного управления и мониторинга, был реализован в 2008 г.  
на Салымской группе месторождений. 
Началом интенсивной цифровой трансформации НГК можно считать переход к цифровой экономике как ключевому элементу повышения конкурентоспособности нефтегазовой отрасли. В 2017 г. Правительство РФ утвердило программу «Цифровая экономика Российской Федерации», рассчитанную до 2024 г. 
В 2016 г. Указом Президента РФ утверждена Стратегия научно-технического 
развития РФ, установившая основные направления, приоритеты и принципы политики государства в этой области и определяющая вектор развития НГК в долгосрочной перспективе. 
Основой цифровой модернизации НГК является применение инновационных технологий, интеллектуальных систем управления, отечественных «сквозных технологий» и больших геоданных в цифровом виде. 
 
 
 
 
9

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ 
Объект управления – устройство, осуществляющее технологический 
процесс, показателями которого нужно управлять или регулировать. 
Система автоматического управления – совокупность объекта управления и управляющего устройства называется.  
Автоматический регулятор – автоматическое устройство, осуществляющее автоматическое регулирование. 
Исполнительный механизм предназначен для перемещения регулирующего органа под воздействием сигнала от управляющего устройства. 
Система автоматического регулирования – совокупность регулируемого объекта и автоматического регулятора.  
САР по отклонению – система, при работе которой измеряется отклонение регулируемой величины от заданного значения и в функции от значения отклонения вырабатывается такое регулирующее воздействие, которое сводит это 
отклонение к минимуму. Системы регулирования по отклонению всегда содержат главную отрицательную обратную связь. 
Замкнутая система регулирования, в которой происходит поддержание постоянства регулируемой величины называется системой стабилизации. 
Следящая система – это система, в которой регулируемая величина в замкнутой системе изменяется по неизвестному произвольному закону, определяющемуся некоторым внешним задающим воздействием (произвольно). 
В зависимости от характера регулирующего воздействия на исполнительный элемент системы автоматического регулирования подразделяют на системы непрерывного, импульсного и релейного регулирования. 
Автоматическое регулирование, при котором регулируемая величина  
при различных постоянных внешних воздействиях на объект регулирования принимает по окончании переходного процесса различные значения, зависящие  
от величины внешнего воздействия (например, нагрузки), называют статическим. 
Статической системе регулирования характерны следующие свойства: 
- равновесие системы возможно при различных значениях регулируемой 
величины; 
- каждому значению регулируемой величины соответствует единственное 
определенное положение регулирующего органа. 
Астатическое регулирование – это автоматическое регулирование, при котором при различных постоянных значениях внешнего воздействия на объект 
отклонение регулируемой величины от заданного значения по окончании переходного процесса становится равным нулю. 
Астатической системе регулирования характерны следующие особенности: 
- равновесие системы имеет место только при одном значении регулируемой величины, равном заданному; 
- регулирующий орган имеет возможность занимать различные положения 
при одном и том же значении регулируемой величины. 
 
10