Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ
Державний університет “Львівська політехніка”
УДК 62-503.57:622.24
Горбійчук Михайло Іванович
АДАПТИВНЕ КЕРУВАННЯ ПРОЦЕСОМ БУРІННЯ ГЛИБОКИХ СВЕРДЛОВИН
05.13.07. Автоматизація технологічних процесів
АВТОРЕФЕРАТ
ДИСЕРТАЦІЇ НА ЗДОБУТТЯ НАУКОВОГО СТУПЕНЯ ДОКТОРА ТЕХНІЧНИХ НАУК
ЛЬВІВ - 1999
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Івано-Франківському технічному державному університеті нафти і газу, Міносвіти України.
Науковий консультант –доктор технічних наук, академік УНГА, професор Семенцов Георгій Никифорович, Івано-Франківський технічний державний університет нафти і газу, завідувач кафедрою автоматизації технологічних процесів і моніторингу в екології.
Офіційні опоненти –
Гінзбург Михайло Давидович, д.т.н., проф. (філія НДПІАСУтрансгаз ДК Укртрансгаз НАК “Нафтогаз України”, м. Харків).
Лозинський Орест Юліанович, д.т.н., проф. (Державний університет “Львівська політехніка”, Міносвіти України).
Огородников Петро Іванович, д.т.н., проф. (Київський міжнародний науково-технічний університет).
Провідна установа –
Національна гірнича академія України, Міносвіти України (м. Дніпропетровськ).
Захист відбудеться “ 10 ”лютого ” 2000 р. о 14 годині на засіданні Спеціалізованої Вченої ради Д 35.052.04 у Державному університеті “Львівська політехніка” (290646, м. Львів, вул. С. Бандери, 12, ауд. 51 корпусу 10).
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного університету “Львівська політехніка” (м. Львів, вул. Професорська, 1).
Автореферат розісланий “29” грудня” 1999 р.
Вчений секретар Спеціалізованої Вченої ради Ю.З. Вашкурак
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. У відповідності з Комплексною програмою ”Нафта і газ України до 2010 року” в найближчі 3-4 роки передбачається стабілізація рівня видобутку нафти і газу з наступним його збільшенням. Вирішити ці завдання неможливо без збільшення об’єму бурових робіт та підвищення темпів і якості спорудження свердловин.
Буріння в нашій країні ведеться на території Донецько-Дніпровської западини, Карпатського регіону і на шельфі Чорного моря. Головна особливість спорудження свердловин в цих регіонах полягає в тому, що буріння ведеться в складних геологічних умовах і на значних глибинах. Це ускладнює проводку свердловин, вимагає значних матеріальних, енергетичних та фінансових затрат.
За умов, коли необхідно збільшувати об’єми буріння при обмежених фінансових та матеріальних ресурсах важливого значення набуває проблема оптимального керування процесами спорудження свердловин.
Незважаючи на те, що питанням оптимального керування процесом буріння присвячено багато теоретичних і експериментальних робіт, а також накопичений значний промисловий досвід, до теперішнього часу відсутні однозначні науково обгрунтовані уявлення про механізм руйнування гірських порід, на базі яких можна було би створити математичні моделі придатні для керування таким процесом. Тому в практиці буріння найширше застосування знайшли емпіричні моделі, ідентифікація яких здійснюється за результатами апріорних даних, що отримані при бурінні попередніх свердловин. Такий підхід до проблеми керування процесом буріння дає задовільні результати на стадії проектування свердловин, але не забезпечує його оптимальності для конкретної бурової і в конкретних умовах. Це обумовлено тим, що процес буріння є нестаціонарним, розвивається в часі і протікає в умовах значної апріорної невизначеності, яка обумовлена наявністю високого рівня шумів в каналах передачі інформації “вибій –гирло свердловини” та зміною фізико-механічних властивостей гірських порід (умов буріння).
Аналіз промислових даних буріння свердловин на родовищах південно-західної частини Донецько –Дніпровської западини показав, що тільки 60 % з них закінчена успішно.
Тому проблема створення математичних моделей, ідентифікації їх параметрів, синтезу алгоритмів виявлення змін умов буріння та відпрацювання доліт, а на цій основі розроблення методів та принципів побудови адаптивних систем керування є вельми актуальною для нафтогазовидобувного комплексу України і потребує подальшого розвитку.
Зв’язок роботи з науковими планами.Дисертаційна робота виконанау відповідності з основним науковим напрямком діяльності кафедри автоматизації технологічних процесів і моніторингу в екології ІФДТУНГ “Аналіз і синтез автоматизованих систем керування технологічними процесами буріння, видобутку, транспортування і переробки нафти і газу”. Основні розділи роботи склали основу при виконанні держбюджетних та госпдоговірних тем №№ Г- 13/8/92, 13/82, 63/82, 45/81, 229/88 в науково –дослідному інституті нафтогазових технологій Івано –Франківського державного технічного університету нафти і газу, а також використані у навчальному процесі (навчальні посібники, лекції, дипломне та курсове проектування) при вивченні профілюючих дисциплін студентами спец. 7.092501 –Автоматизація технологічних процесів та виробництв.
Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка методів і алгоритмів адаптивного керування процесом буріння глибоких свердловин на нафту і газ для здешевлення і прискорення будівництва свердловин та.зниження аварійності в бурінні.
Досягнення цієї мети вимагає розв’язання таких взаємозв’язаних задач:
. Формалізувати процес буріння і на цій основі розробити основні принципи оптимального керування процесом буріння в умовах апріорної невизначеності.
. Розробити методи і алгоритми ідентифікації параметрів математичної моделі, які враховували б зміну умов буріння.
. Синтезувати алгоритми виявлення зміни умов буріння з використанням апостеріорної інформації про процес поглиблення свердловини.
. Розробити спосіб вибору критеріїв оптимальності у відповідності зі зміною умов буріння і глибиною свердловини.
. Розробити методи і на їх основі синтезувати алгоритми адаптивного керування процесом буріння.
. Розробити методи і адаптивні алгоритми відпрацювання шарошкових доліт.
. Провести дослідження розроблених алгоритмів і показати ефективність адаптивного керування процесом буріння.
Наукова новизна одержаних результатів.
2. На основі гіпотези про те, що швидкість об’ємного зносу зубів долота є постійною величиною, вперше розроблена математична модель процесу поглиблення свердловини, яка враховує різні форми зносу зубів долота і має вимірювальні фазові координати.
. Розроблена стратегія ідентифікації параметрів математичної моделі, в основі якої лежить
критерій лінеаризації математичної моделі процесу буріння свердловини і показано за яких умов нелінійні МНК- оцінки можна замінити лінійними МНК- оцінками.
.Вперше одержаний аналітичний розв’язок задачі визначення зміни умов буріння. Запропоновано критерій зміни умов буріння і на його основі синтезовано комбінований GZ- алгоритм, який ефективно працює при значному рівні шумів; розроблено методику визначення порогу спрацювання GZ- алгоритму і оцінена його точність та ефективність.
. Вперше розроблено Т-правило вибору критерію оптимальності в залежності від глибини свердловини та зміни умов буріння,
. Розроблені методологічні основи вибору типу долота для заданого інтервалу буріння та стратегію адаптивного керування процесом буріння для випадку двох керуючих впливів і на їх основі синтезовані алгоритми обчислення опорних і коректуючих впливів. Розроблений спосіб і алгоритми адаптивного керування процесом буріння для випадку одного керуючого впливу.
. Досліджено процес утворення і розповсюдження автоколивань в колоні бурильних труб для випадку, коли долото знаходиться в передаварійному стані, на основі якого отримана стохастична модель поширення автоколивань від вибою свердловини до її гирла. Визначені закони розподілу амплітуди і фази автоколивань, що дало можливість розробити ефективні критерії , а на їх базі алгоритми відпрацювання доліт.
Практичне значення одержаних результатів.
1. Розроблені техніко –економічні рекомендації, направлені на зниження вартості бурових
робіт та зменшенню аварійності в бурінні. Рекомендації прийняті для впровадження при будівництві свердловин на площах Надвірнянського, Долинського та Крестищенського УБР.
а їх програмна реалізація –зменшити вартість буріння.
і передані в Держ. ФАП, інв. № 50870000945 (м Київ).
Особистий внесок здобувача. Автором науково обгрунтовані та розроблені основи адаптивного керування процесом буріння глибоких свердловин; методологія моделювання, ідентифікації, виявлення зміни умов буріння, вибору режимних параметрів в умовах невизначеності та адаптивні алгоритми безаварійного відпрацювання доліт.
Здобувач приймав безпосередню участь в експериментальних дослідженнях, а також розробці та впровадженні технічних засобів вимірювання і керування; їм розроблено більшість методик і програмних продуктів, які вирішують задачі адаптивного керування буровим процесом.
Промислові дослідження проводились на бурових підприємствах Долинського, Надвірнянського та Крестищенського УБР у співпраці з НДПІАСУтрансгазом (м. Харків).
Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідались і обговорювались на наукових семінарах кафедри Автоматизації технологічних процесів та моніторингу в екології (1990-1999). На науково - технічних конференціях професорсько-викладацького складу Івано - Франківського державного технічного університету нафти і газу (1984-1998), на Всесоюзному семінарі“ Оптимізація складних систем“ (м. Вінниця, 1983), на Республіканській конференції “Актуальні науково технічні проблеми підвищення швидкості буріння нафтових і газових свердловин в УРСР “ (м. Київ, 1985), на Республіканській науково - технічній конференції “Інформатика і автоматизація в регіоні” (м. Вінниця, 1988), на 2-й Українській конференції з автоматичного керування “Автоматика-95” (м. Львів.1995), на 3-й Українській конференції з автоматичного керування ”Автоматика-96” ), (м. Севастополь, 1996), на Науково-технічній конференції присвяченій 25-річчю кафедри технологія і техніка геологорозвідувальних робіт Донецького державного технічного університету, на 12-й Міжнародній конференції ICAMC 95 (м. Глівіце, Польща, 1995), на 13-th International Commitee on Automation in Mining Conference on Process Control and Simulation ICAMC 98/ASRTP 98, High Tatras, Slovak Republic, 1998, на 5-й Міжнародній конференції “Нафта - Газ України-98” (м. Полтава, 1998); на Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию Уфимского государственного нефтяного технического университета, Российская Федерация, г. Уфа, 1998.
Матеріали дисертації доповідались при захисті звітів з науково - дослідних робіт в Івано-Франківському державному технічному університеті нафти і газу в 1984 –рр.
Публікації. За результатами досліджень, які викладені в дисертації, опубліковано 33 роботи в учбовому посібнику, науково - технічних журналах та збірниках; в тому числі 28 статей, 3 доповіді на Міжнародних науково - технічних конференціях, 1 учбовий посібник для студентів спец. 7.092501, 1 авторське свідоцтво.
Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, семи розділів і загальних висновків, викладених на 399 аркушах машинописного тексту, в т. ч. 77 рисунків, 23 таблиці, списку використаних джерел 256 найменувань і додатків на 49 аркушах.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульована мета і задачі роботи, наукова новизна і практична цінність, відображені основні результати роботи, що виносяться на захист.
В першому розділіохарактеризований процес спорудження свердловини з точки зору керування цим процесом,
Показано, що бурова установка як об’єкт керування є складною динамічною системою з багатьма каналами передачі як керуючих впливів так і збурень, які зумовлені взаємодією системи з навколишнім середовищем і унікальними властивостями самої бурової установки.
Виявлені керуючі впливи процесу поглиблення свердловини - осьове навантаження на долото F та швидкість його обертання Nд повинні задовольняти умовам керованості і незалежності. Першій вимозі задовольняють всі способи буріння - роторне, турбінне та електробуріння, а другій - тільки роторне та електробуріння. Для турбінного буріння характерним є те, що величини F і Nд функціонально зв’язані між собою їх зв’язок носить стохастичний характер внаслідок зміни фізико-механічних властивостей гірських порід і наявності тертя в системі ”колона бурильних труб - турбобур - долото“.
Характерною особливістю бурового процесу є те, що на теперішній час відсутні серійні прилади для вимірювання режимних параметрів на вибої свердловини, що в значній степені і обумовлює унікальність процесу спорудження свердловини. Це приводить до необхідності використовувати природні канали зв’язку (колона бурильних труб, стовп промивної рідини) і оцінювати режимні параметри за показами наземних приладів. Природні канали зв’язку породжують адитивні шуми, які в загальному випадку є нестаціонарними. Дослідження ряду авторів (В.А.Бражников, С.С.Торопов, Г.Н.Семенцов, Є.О. Козловський, В.М. Пітерський та ін.) показали, що осцилограми адитивних шумів можна розбити на окремі ділянки, в середині яких виконуються умови стаціонарності і ергодичності.
Дія керуючих впливів і збурень на об’єкт приводить до зміни його стану, який характеризується проходкою на долото h(t), станом озброєння породоруйнівного інструменту та опор шарошок. Прямому вимірюванню (спостереженню) доступна лише проходка на долото. Про стан озброєння долота і опор шарошок можна судити лише опосередковано за механічною швидкістю буріння та моментом на долоті.
Складність процесу буріння, його значна невизначеність, обумовили різні способи керування таким процесом - ручний, автоматичний, оптимальний і адаптивний.
При ручному способі керування процесом буріння керує бурильник, спираючись на технологічний регламент, здобутий досвід і інтуїцію.
Автоматичний спосіб керування процесом буріння передбачає, як правило, стабілізацію одного з режимних параметрів - осьового навантаження на долото.
В наукових дослідженнях, які проводяться в області автоматизації та оптимального керування, можна виділити два напрямки - оптимізація на стадії проектування свердловин (“оптимізаційне проектування”) і оперативна оптимізація (“оперативний метод оптимізації буріння”).Характерною особливістю методів розрахунку режимних параметрів на стадії проектування будівництва свердловин є те, що процес буріння розглядається як детермінований. Поте в дійсності процес буріння є нестаціонарним, стохастичним і таким, що розвивається в часі. Необхідність врахування зміни умов буріння як з глибиною свердловини так і при переході від однієї свердловини до іншої дало поштовх до розвитку оперативного способу оптимального керування.
Способи оперативної оптимізації керування процесом буріння детерміновані, в них використовуються математичні моделі, структура і коефіцієнти яких, в кращому випадку, визначені на початок чергового рейсу. Але нестаціонарність і стохастичність процесу буріння приводить не тільки до зміни параметрів математичної моделі, але й з ростом глибини свердловини свою структуру повинні змінювати й критерії оптимальності.
Застосування способу адаптивного керування дає можливість зняти початкову невизначеність параметрів математичної моделі при зміні умов буріння і при дії на режимні параметри перешкод з невідомими статистичними характеристиками. Запропоновані різними авторами адаптивні системи керування процесом буріння можна розділити на дві групи - пошукові і безпошукові. Пошукові системи передбачають пошук керуючих впливів (як правило, осьового навантаження на долото) на об’єкті, які б мінімізували (максимізували) вибраний критерій оптимальності, яким в більшості випадків виступає механічна швидкість проходки або величини, які функціонально пов’язані з нею. Практична реалізація таких систем викликає значні труднощі, які пов’язані з особливістю вимірювання швидкості подачі бурового інструменту ( за дискретно - неперервним переміщенням верхнього кінця колони бурильних труб) і необхідністю постійного пошуку, який передбачає наявність спеціальних пробних кроків для отримання інформації про зміну умов буріння, що знижує швидкодію системи. Крім того, такий спосіб керування не вирішує такого важливого питання як раціональне відпрацювання доліт як за озброєнням так і за опорою. В безпошукових системах керування стратегія керування виробляється в залежності від апріорної інформації про адитивні шуми, що діють на об’єкт, але така інформація на практиці недоступна і тому є актуальною проблема створення методів і алгоритмів адаптивного керування на базі апостеріорної інформації про процес буріння. Синтезувати такі алгоритми можливо лише тоді, коли відома математична модель процесу поглиблення свердловини.
Зусиллями як зарубіжних так і вітчизняних вчених визначені основні закономірності, які притаманні процесу буріння свердловин.
Аналіз робіт в цій області виявив, що математичні моделі можна розділити на два основні класи: технологічні і кібернетичні. Кібернетичні моделі, на відміну від технологічних (вивчення теоретичних основ технологічних процесів з метою їх апаратурної реалізації),.кількісно та якісно відтворюють взаємозв’язки між керованою та керуючою підсистемами, а також між системою керування і навколишнім середовищем.
Характерною особливістю кібернетичних моделей є те, що вони описують керований об’єкт в просторі станів. Критичний розгляд таких моделей показує, що відомі моделі (Galle E.M.,Woods H.B.) малопридатні для синтезу адаптивних систем керування внаслідок того, що із трьох змінних стану (проходка на долото, стан озброєння долота та його опори) лише проходка на долото піддається вимірюванню, а інші можуть бути визначені лише за результатами закінченого буріння.
Показано, що перспективним є напрямок створення адаптивних математичних моделей процесу поглиблення свердловини з вимірювальними фазовими координатами, що є необхідною передумовою розробки ефективних методів і алгоритмів адаптивного керування процесом буріння свердловин.
Другий розділ роботи присвячений формалізації процесу буріння свердловин та ідентифікації параметрів математичної моделі.
Виходячи із висунутої гіпотези, що швидкість об’ємного зносу зубів доліт є постійною величиною, отримана математична модель процесу заглиблення тришарошкових доліт для найбільш загального випадку плоскопаралельного зносу зубів доліт з загостренням і показано, що математична модель для інших типів зносу(плоскопаралельний відносно основи зуба, плоскопаралельний під кутом знос) може бути отримана як частковий її випадок.
Така математична модель отримана при наступних допущеннях.
1. Буріння свердловин здійснюється роторним способом або електробуром, так що керуючі впливи - осьове навантаження на долото F і частота його обертання Nд- взаємно незалежні величини.
2. Вся глибина свердловини розбита на інтервали, в середині яких фізико-механічні властивості порід постійні.
.Буріння ведеться шарошковими долотами з призматичними зубами.
Висунута гіпотеза і сформульовані допущення дали можливість встановити, що при незмінних умовах буріння, коли F=const і Nд=const, стан озброєння долота оцінюється функцією
(1)
де - швидкість буріння; v– початкова швидкість буріння, значення якої визначається як станом озброєння долота так і профілем зносу зубів долота.
Величину, обернену значенню(t), нами названо оцінкою стану озброєння долота
(3)
Оцінка стану озброєння долота, як функція часу t, в загальному випадку виражається формулою
(4)
Значення коефіцієнтів, які входять в формулу (4), наведені в табл. 1.
Таблиця 1- Значення коефіцієнтів, що входять в формулу (4).
|
Тип зносу долота |
Коефіцієнти |
Формули для обчислення коефіцієнтів |
|
Плоскопаралельний відносно основи знос озброєння |
a |
|
|
b |
||
|
a |
||
|
a |
av |
|
|
Плоскопаралельний під кутом знос озброєння |
a |
|
|
b |
||
|
a |
||
|
a |
av |
Продовження табл.1
Промислові дослідження, проведені на бурових Прикарпаття та Донецько-Дніпровської западини показали, що найхарактернішим є плоскопаралельний відносно основи та під кутом знос зуба долота (див. табл. 1). Для умов буріння на родовищах України показник степеня n=2.
Взаємозв’язок між фізичним зносом зуба долота і його оцінкою дає формула (2).
Враховуючи те, що і рівняння (3), можемо записати
, (5)
де - біжуче значення проходки на долото.
Швидкість зміни оцінки зносу озброєння долота насить складний характер і в загальному випадку має такий вигляд:
, (6)
де - вектор параметрів моделі; .
Величина є швидкістю зміни оцінки стану озброєння долота і носить назву - показника.
Для оцінки стану опори вводиться величина g(t), яка може бути визначена як відносна оцінка стану опор долота (для нового долота g(0)=0; для долота, яке перебуває в передаврійному стані g(tб)=1) або за відносною зміною обертового моменту на долоті
, (7)
де М– обертовий момент холостого обертання долота; М(t) –загальний момент на долоті; Мд,0 –момент, який виникає при руйнуванні породи новим долотом. В цьому випадку g(0)=1.
В роботі показано, що
(8)
Отже, рівняння (5), (6), (8) утворюють математичну модель процесу поглиблення свердловини.
Величини v, K, Kgзалежать не тільки від режимних параметрів F іNд, але й від фізико-механічних властивостей гірських порід, ступеня очистки вибою, типу долота та ін. Врахувати всі ці фактори і отримати аналітичні вирази для залежностей v, K, Kg при існуючому рівні розвитку теорії руйнування гірських порід неможливо.
Якщо узагальнити дослідження цілого ряду авторів, то вказані функціональні залежності будуть мати такий вигляд
, i=1,2,3 , (9)
де y=v, y=K,y=Kg.
Оскільки процеси руйнування породи і зносу озброєння долота мають однакову фізичну природу, то функції yi,i=1,2,3 мають подібні математичні структури; відмінність їх тільки в різних значеннях параметрів математичної моделі.
Методи ідентифікації, які використовуються для визначення параметрів математичної моделі процесу буріння, можна розділити на дві групи. Змістом першої групи є детермінований підхід, коли бурять на так звані інформаційні свердловини, плануючи програму буріння так, щоб на основі отриманої інформації отримати залежність між режимними параметрами і показниками буріння. Для математико-статистичної групи методів характерним є те, що алгоритми ідентифікації будують так, щоб вони враховували нестаціонарність і стохастичність об’єкта ідентифікації.
В усіх методах ідентифікації поза увагою дослідника залишається одне із вузлових питань - якщо математична модель отримана для певних умов, то коли слід проводити повторну ідентифікацію параметрів моделі, щоб врахувати зміну фізико-механічних властивостей порід, що розбурюються. Вирішуючи цю проблему, ми спирались на такі допущення.
. Ввесь інтервал буріння розбивається на пачки, всередині яких фізико-механічні властивості порід залишаються незмінними.
. Для кожної пачки порід ідентифікуються всі параметри моделі; частина з них уточнюється при зміні режиму буріння - зміна долота, зміна властивостей бурового розчину та ін.
. Ідентифікація параметрів математичної моделі ведеться з використанням інтегрального показника - проходки на долото h(t), тому миттєві значення режимних параметрів F іNд замінюються їх середніми значеннями.
Стратегія ідентифікації параметрів математичної моделі полягає в тому, що за результатами пробного буріння синтезується функція нев’язки
(10)
де Hn –біжуче значення проходки; hn –обчислене значення проходки у відповідності з моделлю (5), (6), мінімізація якої дає можливість визначити МНК-оцінки величин v і K як функції змінних F іNд. Так як змінні F іNд в процесі пробного буріння змінюються за певним планом, то це дає можливість визначити невідомі параметри залежностей yi(F,Nд),i=1,2,3.
Задача ідентифікації параметрів залежності yi(F,Nд) є нелінійною МНК-задачею. Але за певних умов залежності yi(F,Nд) можна лінеаризувати і отримати простішу МНК-задачу. Доведено, якщо дисперсії
(11)
не перевершують деякого заданого порогу, то лінеаризація залежностей yi(F,Nд) можлива.
В співвідношенні (11) - дисперсії, які породжує процес вимірювань величин yi.
Показано, що критерієм лінеаризації служить величина
(12)
де - величина, що відповідає ймовірності */2 і визначається за –розподілом; *- величина, що характеризує довірливу ймовірність; i =Ni–, Ni- число проведених експериментів за вибраним планом.
Експериментальні дослідження, які проведені на бурових України і імітаційне моделювання показало ефективність і збіжність синтезованих алгоритмів ідентифікації.
В третьому розділі розроблені метод і алгоритми виявлення моменту зміни умов буріння. Констатується, що математична модель поглиблення свердловини отримана із допущення, що фізико-механічні властивості порід не змінюються в процесі буріння. Таке допущення відповідає дійсності лише в тому випадку, коли інтервал буріння розбитий на інтервали (пачки), всередині яких властивості порід практично не змінюються. Між пачками існує межа, перехід через яку приводить до зміни властивостей гірських порід. Тому виникає необхідність в розробці методу і синтезі алгоритму виявлення меж гірських порід (моменту зміни умов буріння).
Сформульована задача відноситься до класу задач виявлення моменту “розузгодження”. Розв’язок цієї задачі ведеться в двох напрямках. До першого відносяться алгоритми, які базуються на допущенні, що відомі статистичні характеристики випадкового процесу до і після “розузгодження”. Другий напрямок передбачає розробку таких алгоритмів, в яких використовується мінімальна інформація про статистичні характеристики випадкового процесу (математичне сподівання, дисперсія) і які вимагають для свого функціювання лише апостеріорної інформації.
Алгоритми, які запропоновані нами, базується на ідеях як першого так і другого напрямків. Це дало можливість, з однієї сторони зменшити об’єм апріорної інформації, а з другої - досягти вищої точності у визначенні моменту зміни характеристик випадкового процесу. Такий комбінований алгоритм названий нами GZ- алгоритмом.
Він грунтується на дослідженнях, які показали, що найбільш інформативним показником, який характеризує фізико-механічні властивості системи “порода-долото” є K-показник, а при бурінні незатуплюючим долотом швидкість буріння v. Всередині пласта цей показник в середньому залишається постійним, а при переході долота із пласта в пласт він стрибкоподібно змінює своє значення. Оскільки величинаK, яка спостерігається, спотворена перешкодою, то момент розузгодження може маскуватися цією перешкодою.
Отже, актуальною задачею є розробка методу і синтез такого алгоритму виявлення моменту зміни умов буріння, щоб при високому рівні перешкод визначити момент переходу долотом межі пластів.
Оскільки до моменту часу k функція Gk коливається біля нульового середнього значення, а коли k>k послідовність в середньому зростає з плином часу, тому для виявлення зміни умов буріння запропонована процедура порівняння на кожному кроці вимірювань (обчислень) значення Xk з деяким порогом l. За оцінку моменту k зміни властивостей пласта береться значення k, для якого виконується умова
(20)
Для зручності реалізації співвідношення (17) на ЕОМ воно подано в рекурентній формі і названо намиG- алгоритмом.
Дослідження, проведені на бурових Прикарпаття, а також результати комп’ютерного моделювання показали, що G- алгоритм можна значно спростити, з точки зору необхідного об’єму апріорної інформації, якщо допустити, що перешкода k є дискретним білим шумом, який підпорядкований нормальному законові розподілу з нульовим математичним сподіванням і дисперсією
З точки зору простоти обчислень і кількості необхідної інформації бажаним є G - алгоритм, коли gk –величина обчислюється за формулою (21), але він і має більшу похибку у визначенні моменту зміни умов буріння у порівнянні з випадком обчислення значення gk за формулою (16).
Похибку у виявленні зміни умов буріння можна зменшити, якщо разом з G - алгоритмом використовувати алгоритм, який названий нами Z - алгоритмом. Такий комбінований алгоритм виявлення зміни умов буріння дістав назву GZ - алгоритм.
У відповідності з цим алгоритмом разом обчислюються G - функція і функція
(29)
Зміна умов буріння вважається виявленою, якщо одночасно виконуються дві умови: функція Gk перетне поріг l і де Am- максимальне значення функції Zm; і с - параметри алгоритму, що визначаються із умови .5<c<1.
Використання GZ- алгоритму дало можливість зменшити похибку визначення моменту зміни умов буріння з 11.8% (при використанні G- алгоритму) до 5.2%.
Четвертий розділприсвячений аналізу критеріїв оптимального керування процесом буріння свердловин.
Встановлено, що критерії оптимальності процесу спорудження свердловин розділяють на глобальні і локальні або критерії оперативного керування процесом буріння.
На стадії проектування вибирають глобальні критерії оптимальності, які є оцінкою ефективності всіх робіт, що мають місце при бурінні свердловини від спорудження бурової вежі до випробування і здачі свердловини в експлуатацію. Глобальні критерії оптимальності мають обмежене застосування, оскільки вони не враховують зміну умов буріння.
Локальні критерії оптимальності розділені на дві групи - критерії відпрацювання доліт і критерії вибору режимних параметрів буріння.
Критерії відпрацювання доліт пов’язані зі зносостійкістю озброєння і визначають такий час tб роботи долота, при якому досягається найбільша ефективність буріння, в розумінні мінімуму (максимуму) критерію оптимальності. Тобто критерії оптимальності J(tб) цієї групи залежать тільки від часу буріння tб . Природно, що вони будуть мати певний зміст лише тоді, коли існує екстремум функції J(tб) за змінною tб .
З цієї точки зору проаналізовані відомі критерії відпрацювання доліт, результати якого відтворює табл. 3, де прийняті такі позначення: - рейсова швидкість проходки; Таблиця 3 - Необхідні і достатні умови існування екстремумів критеріїв відпрацювання
доліт.
-вартість метра проходки свердловини; tб-буріння в одному рейсі; tсп-тривалість спуско-підіймальних операцій (СПО); сб-вартість години роботи бурової установки; vк-кінцева швидкість буріння; d-вартість долота;h(tб)-проходка на долото за рейс; vc-середня швидкість буріння; - приведена рейсова швидкість буріння; -приведені затрати часу, які не залежать від tб; -функція, що визначає темп падіння механічної швидкості.
Із табл. 3 і проведених досліджень витікає ряд суттєвих висновків, які визначають область застосування критеріїв відпрацювання доліт:
критерійmin:q найповніше відтворює техніко-економічні показники буріння;
одинакові результати відпрацювання доліт за критеріями min:q і max:vp можуть бути лише у випадку низької вартості долота чи малого значення рейсової швидкості буріння або при дії цих факторів одночасно;
використання критеріїв max:hvp і max:hvc може привести до недопустимої перетримки доліт на вибої свердловини;
критерій max:vpvc приводить до перетримки доліт у порівнянні з критерієм max:vp ;
при бурінні незатуплюючим буровим інструментом умови закінчення рейсу буріння, які визначаються критеріями відпрацювання доліт, не виконуються.
Умови відпрацювання доліт за критеріями, що наведені в табл. 3, дають найбільший ефект, якщо певним чином вибрані керуючі впливи F іNд на основі критеріїв вибору режимних параметрів. Аналіз показує, що керування процесом буріння недоцільно вести за одним критерієм. Необхідно зі збільшенням глибини свердловини почергово використовувати критерії
відбору режимних параметрів в такій послідовності
. (30)
Для відбору критеріїв оптимальності у відповідності зі схемою (30) сформовано Т- правило у вигляді співвідношення
(31)
де H-глибина свердловини на момент чергового рейсу; vc, vп- відповідно, середні швидкості підйому і спуску колони бурильних труб.
Допустимо, що порівнюються два альтернативних критерії J* іJ . Нехай з точки зору вартості метра проходки виконується співвідношення , де - вартість метра проходки при бурінні, відповідно, за критеріями J* іJ . Якщо виконується умова
(32)
де то буріння за критерієм J* ефективніше ніж за альтернативним критерієм J.
Перехід від одного критерію до іншого здійснюється за схемою (30) тоді, коли глибина свердловини досягне значення:
(33)
Встановлено, що величина tсп, яка входить в критерії min:q, max:vp і визначається за результатами попереднього рейсу, носить випадковий характер. Тому виникає необхідність в прогнозуванні значення tсп для наступного рейсу. Розроблена методика і наведені алгоритми такого прогнозування значень tсп.
В п’ятому розділі показано, що для реалізації адаптивного керування процесом буріння необхідно розв’язати такі взаємозв’язані задачі.
. Розробити методику вибору типу породоруйнівного інструменту для заданого інтервалу глибин.
. Синтезувати алгоритми визначення оптимальних керуючих впливів (двох і одного), виходячи з вибраного критерію оптимальності.
Вибір типу долота здійснюється шляхом мінімізації вартості метра проходки свердловини. При цьому допускається, що вибраний інтервал буріння L можна пробурити декількома типами доліт.
Для визначення потенціального ресурсу долота розв’язана проміжна задача, суть якої в наступному. Інтервал L необхідно пробурити долотами вибраного типу за умови, що кількість доліт Nd відома. При цьому необхідно вибрати такі значення проходок hi, i=1 … Nd на долото, щоб загальні витрати на буріння інтервалу L були б мінімальними.
Задача розв’язана за таких допущень:
процес поглиблення свердловини в i-ому рейсі описується системою диференціальних рівнянь (5), (6);
для кожного i-го рейсу величини voi, Ki відомі і постійні;
середні швидкості спуску і підйому колони vc іvп відомі і постійні для заданого інтервалу L.
За таких умов формалізований запис проміжної задачі має такий вигляд
(36)
де
Проходки hi між собою зв’язані співвідношенням
(37)
Розроблена методика і алгоритми розв’язку проміжної задачі для випадків, коли випереджаючим зносом є знос озброєння чи опори долота або буріння ведеться незатуплюючим долотом.
Стратегія адаптивного керування побудована, виходячи із концепції дворівневого опису керованого об’єкта. На першому рівні процес буріння характеризується детермінованою математичною моделлю, а на другому –враховані його стохастичні властивості. У відповідності з цією концепцією керуючий вплив на об’єкт синтезований як лінійна комбінація двох величин –прогнозуючого (опорного) впливу і локальної керуючої дії (коректуючого впливу). Опорні коректуючі впливи вибираються таким чином, щоб вибраний критерій оптимальності за схемою (30) набув екстремального значення при виконанні обмежень де AU –допустима область керування. Задача розв’язана для двох випадків є функцією часу t (задача з термінальним критерієм) і (задача нелінійного програмування).
Зміна умов буріння враховується за допомогою коректуючих впливів, які вибираються так, щоб функція ризику, яка визначається як математичне сподівання від функції втрат, набула мінімального значення. Функція втрат визначається як зважена сума квадратів відхилень дійсної фазової траєкторії від розрахункової.
Зміна умов буріння приводить до того, що величини v i K відхиляються від розрахункових , тобто і . Допускається, що v i K такі, що рівняння (5), (6) можна лінеаризувати і дискретизувати. Отримана при цьому стохастична лінеаризована дискретна модель (в подальшому стохастична модель) визначається виразом
(38)
де - значення фазових координат в дискретні моменти часу tk ; - вектор коректуючих впливів ; , - матриці, що залежать від дискретного часу tk; G- постійна матриця шуму;- дискретний вінеровський процес.
Безпосередньому спостереженню доступна тільки частина фазових змінних, що визначається умовою
(39)
де С- матриця; - послідовність незалежних нормальних випадкових величин.
Виходячи із критерію оптимальності і стохастичної моделі (38), (39) синтезований коректуючий алгоритм, який можна трактувати як алгоритм адаптивного комбінованого керування
(40)
де - динамічні оператори, які визначаються структурою функції ризику і параметрами стохастичної моделі (38), (39). Аналіз алгоритму керування (40) показав, що адаптивна система керування має три контури - зворотного зв’язку за станом, оцінки стану об’єкта і компенсації збурень, діючих на об’єкт.
В розв’язку задачі оцінювання стану об’єкта можна виділити два напрямки - фільтрація з використанням фільтра Калмана і алгоритми точкового оцінювання, в основі яких лежить метод еліпсоїдів. Перший ймовірнісний підхід базується на тому, що відомі статистичні характеристики шумів об’єкта і спостережень. Реалізація стохастичної фільтрації для умов буріння наштовхується на значні труднощі, оскільки відсутня апріорна інформація про статистичні властивості шумів. Метод гарантованого оцінювання (еліпсоїдів) допускає, що вся інформація, яка необхідна для розв’язку задачі фільтрації, зосереджена в результатах спостережень за випадковою величиною , а апріорна інформація зведена до завдання початкового еліпсоїду, якому повинні належати координати початкового стану .
Структурна схема адап-тивного керування процесом буріння при двох керуючих впливах показана на рис. 1, де прийняті такі позначен-ня: -матричні коефіцієнти фі-льтра Калмана;-блочні ма-триці матриці , -затрим-ка на такт.
Комп’ютерне моделювання алгоритмів (41), (42) показало їх високу збіжність і ефективність навіть при високому рівні перешкод в каналах об’єкта і спостереження.
Реалізація синтезованого ал-горитму керування ускладнюється тим, що плавно змінювати швидкість обертання долота можливо лише при електробурінні, яке має обмежене застосування. Тому актуальною є задача знаходження такого керуючого впливу - осьового навантаження на долото - із допустимої області , щоб вибраний критерій оптимальності за схемою (30) набув екстремального значення.
Розроблена методика розв’язку поставленої задачі передбачає таку послідовність дій:
ідентифікація параметрів і . Для цього необхідно пробурити свердловину на глибину ;
обчислення прогнозованого часу буріння ;
обчислення критерію оптимальності за відомими,і.
Ця послідовність дій виконується на k-ому кроці пошуку. В залежності від досягнутого результату на k-ому кроці осьове навантаження на долото змінюють в бажаному напрямку до досягнення критерієм оптимальності J свого екстремального значення. З цією метою викорис-товують алгоритми пошуку з суміщеними пробними і робочими кроками.
Алгоритм пошуку екстремуму критерію оптимальності організує кроковий одновимірний пошук безпосередньо в процесі буріння. Розрізняють три типи крокових алгоритмів - з парними і непарними пробами, а також алгоритми з суміщеними пробними і робочими кроками. Перші два типи алгоритмів вимагають наявності спеціальних пробних кроків, які дають можливість отримати необхідну інформацію про об’єкт керування, що зменшує їх швидкодію.
Питання швидкодії алгоритмів особливо актуальне, оскільки процес буріння обмежений в часі. Третій тип алгоритму передбачає відмову від пробних кроків, сумістивши їх з робочими кроками. В цьому випадку виконують лише робочі кроки, запам’ятовуючи отримане значення термінального критерію оптимальності на кожному кроці пошуку для визначення напрямку наступного пошуку.
Таким чином, запропонований алгоритм з суміщеними пробними і робочими кроками дає можливість реалізувати два етапи - прямий пошук з суміщеними пробними і робочими кроками; обчислення оптимального осьового навантаження на долото і очікуваного часу буріння .
Реалізація розробленої методики і програмного забезпечення привело до зменшення вартості метра проходки на 20- 25%.
В шостому розділірозроблені методи і алгоритми визначення моменту закінчення процесу буріння в черговому рейсі.
Момент закінчення процесу буріння визначається станом озброєння долота або його опори.
Відпрацювання доліт за озброєнням визначає його потенційні можливості і обчислення часу буріння tб за вибраним критерієм є однією з основних проблем в загальній задачі оптимального керування процесом буріння.
Правило (алгоритм) визначення моменту закінчення рейсу за станом опор долота є
залежним від алгоритму обчислення tб, оскільки стан озброєння визначає потенційні можливості долота, а стан його опори забезпечує безаварійну роботу породоруйнівного на вибої свердловини. У випадку зносу опор, долото необхідно підняти аварійно і безвідповідно до того чи досягне оптимального значення вибраний критерій оптимальності керування процесом буріння свердловини.
Відпрацювання доліт за озброєнням здійснюється за розробленою методикою і алгоритмом, який передбачає, що режимні параметри F іNд постійні на протязі рейсу, а долото послідовно проходить Ns пластів.
Аналіз існуючих методів відпрацювання доліт за опорою показав, що вони носять суб’єктивний характер, погано піддаються формалізації і їх практичне застосування, як правило, малоефективне.
Тому є необхідність в розробці методів і алгоритмів відпрацювання доліт за опорою, які в максимальній степені позбавлені вказаних недоліків, застосування таких алгоритмів є передумовою успішної реалізації вцілому системи адаптивного керування процесом буріння свердловин.
Для умов роботи долота в завершальній фазі буріння, коли долото знаходиться в передаварійному стані, внаслідок заклинювання опори однієї з шарошок, виникає збільшення обертового моменту M(t) на долоті. Можна виділити два типи залежностей M(t).
Для першого типу залежності M(t) остаточне заклинювання опор шарошок долота приводить до того, що момент M(t) на долоті збільшується і залишається на високому рівні досить тривалий час. Показано, що для цього випадку ефективним критерієм виявлення передаварійного стану долота є величина
(49)
де а-масштабний коефіцієнт.
В той момент, коли долото переходить в передаварійний стан, КМ різко збільшує своє значення. Оскільки процес обчислення vt генерує стохастичний шум, то значення КМ спостерігається на фоні значних перешкод. Тому для впевненого визначення моменту закінчення буріння за станом опори запропоновано використовувати G- функцію.
Другий тип залежності M(t) як функції часу t виникає тоді, коли, починаючи з моменту заклинювання шарошок, в колоні бурильних труб виникають автоколивання.
Виходячи із допущення, що колона бурильних труб еквівалентна пружному сердечнику, який має постійні параметри за довжиною - однорідністю матеріалу, незмінність поперечного січення, отримана математична модель
(50)
яка описує передачу обертового моменту від вибою свердловини до її гирла. В рівнянні (50) ; Н- глибина свердловини; Rc- коефіцієнт тертя, віднесений до одиниці
довжини колони; J –момент інерції одиниці довжини колони; Gc- модуль зсуву.
При виводі диференціального рівняння (50) до уваги прийнятий той факт, що колона бурильних труб є фільтром низьких частот і її динамічні властивості апроксимовані виразом (50).
Як показали дослідження різних авторів, заклинювання опор шарошок породжує широкополосний випадковий процес M(t). Оскільки привід долота має значну потужність, то слід сподіватись, що спектральна густина в певній полосі частот буде мати постійне значення. З іншого боку колона бурильних труб розглядається як фільтр низьких частот і з цієї точки зору несуттєвим є значення спектральної густини поза виділеним інтервалом частот . За таких умов стохастичний процес M(t) апроксимується білим шумом з спектральною густиною Nc. Це дало можливість показати, що автоколивання M(t) мають випадкові амплітуду і фазу.
Доказано, що амплітуда А розподілена за законом Релея
(51)
а фаза розподілена згідно рівномірного закону на відрізку .
Отже, при автоматичному визначенні моменту закінчення рейсу буріння за станом опори долота, коли має місце другий тип залежності M(t), необхідно за спостереженнями моменту на долоті визначити наявність та відсутність автоколивного процесу. Ця задача відноситься до широкого класу задач, який носить назву - статистичної перевірки гіпотез. Показано, що у випадку апріорної невизначеності, яка має місце у буровій практиці, ефективний розв’язок поставленої задачі можна отримати, якщо використати G- функцію.
Розроблена методика є теоретичною базою алгоритмів виявлення моменту закінчення чергового рейсу буріння, ефективність яких доведена імітаційним комп’ютерним моделюванням та промисловими дослідженнями.
В сьомому розділівисвітлені питання алгоритмічного та інформаційного забезпечення адаптивної системи керування процесом буріння свердловин.
Показана взаємодія алгоритмів ідентифікації параметрів моделі, виявлення моменту зміни умов буріння, адаптивного керування та відпрацювання доліт як за опорою так і за озброєнням.
Методика обчислення керуючих впливів розглянута в випадку, коли опорні керуючі впливи не змінюються з плином часу. Одним із основних складових цієї методики є подання в моделі (38) компонентів багатовимірного вінерівського процесу як входів формуючих фільтрів, виходами яких є випадкові величини і . Обчислення цих величин вимагає числового диференціювання функції h(t) і , що приводить до розширення частотного спектру відповідних шумів. Для пониження рівня шуму в стохастичні процеси і попередньо відфільтровують за допомогою низькочастотних цифрових фільтрів. Розглянута методика їх синтезу і показано, що синтезовані низькочастотні цифрові фільтри забезпечують ефективну фільтрацію випадкових процесів і .
Показано, що інформація, яка необхідна для реалізації функції адаптивної системи керування, розділена на три групи –постійну, оперативну і змінну. Постійна інформація залишається незмінною на протязі всього часу спорудження свердловини, оперативна залишається незмінною лише для чергового рейсу, а змінна відтворює стан процесу буріння в кожний момент часу.
Показано, що такт вимірювання технологічних параметрів (змінної інформації) повинен вибиратись, виходячи із кроку дискретизації параметрів, які змінюється найінтенсивніше. Таким параметрами є процес автоколивань M(t) та механічна швидкість проходки, для яких отримані відповідні співвідношення кроків дискретизації.
Розроблена система адаптивного керування процесом буріння глибоких свердловин за одним керуючим впливом (осьовим навантаженням на долото) складається із трьох основних частин (рис. 2) –комплексу засобів наземного контролю і керування (СКУБ М1), інтерфейсу вводу-виводу і ЕОМ типу IBM PC.
Датчики комплексу СКУБ встановлюються на технологічному обладнанні бурової установки і з’єднуються з блоком живлення і комутації (БПК), який забезпечує живлення датчиків і передачу сигналів до пристроїв –блоку спостереже ння (БН), пульту контролю і керування (ПКУ) і пристрою реєстрації (УР). Для первинної обробки інформації в складі комплексу СКУБ є, розміщений в БПК, блок обробки сигналів (БОС), який підсилює і порівнює сигнал для видачі команд на пристрої сигналізації.
Інтерфейс вводу-виводу інформації від комплексу СКУБ в персональну ЕОМ типу ІВМ РС дозволяє організувати збір інформації про параметри буріння в реальному часі. Інтерфейс представляє собою системну плату, яка встановлюється на базовій платформі комп’ютера і включає в себе комутатор аналогових сигналів з дешифратором каналів (КАС), десяти-розрядний АЦП послідовного наближення, паралельний адаптер (ППА), що забезпечує ввід цифрового еквіваленту рівня аналогового сигналу в ЕОМ. Часова синхронізація роботи АЦП забезпечується програмованим інтервальним таймером (ПІТ).
Основні положення роботи апробовані та впроваджені на бурових підприємствах Прикарпаття (Долинське, Надвірнянське УБР, Івано-Франківське, Прикарпатське ЕГДС).
ВИСНОВКИ ДО РОБОТИ
Особливої уваги заслуговує ідея створення адаптивної системи, яка базується на почерговій зміні критеріїв оптимальності в залежності від глибини свердловини та алгоритмах адаптивного керування з еліпсоїдною оцінкою стану об’єкта.
В результаті виконання дисертаційної роботи розроблена математична модель процесу поглиблення свердловин для різних форм зносу зубів доліт, методи та алгоритми ідентифікації, виявлення зміни умов буріння, Т-правило вибору критеріїв оптимальності в залежності від глибини свердловини, сукупність яких вирішує важливу наукову галузеву проблему –адаптивного керування процесом буріння глибоких свердловин, завдяки чому досягається здешевлення і прискорення будівництва свердловин та зменшення аварійності в бурінні.
Вибрано і обгрунтовано критерій лінеаризації математичної моделі, що дозволяє спростити процес ідентифікації і підвищити точність обчислення МНК-оцінок регресійної моделі.
Синтезовані алгоритми ідентифікації параметрів математичної моделі, відмінною особливістю яких є використання, як вихідної інформації-проходки на долото і обертового моменту на роторі, що забезпечує високу їх ефективність і мінімальну похибку МНК-оцінок при існуючих засобах вимірювання режимних параметрів; комп’ютерне моделювання алгоритмів показало, що похибка в обчисленні МНК-оцінок лежить в межах 5-10%.
Сформульована та доведена теорема про ширину порогу G-алгоритму, яка дає можливість отримати надійне правило зупину GZ-алгоритму.
Показано, що застосування комбінованого GZ-алгоритму дає можливість збільшити точність (в порівнянні з G-алгоритмом) і зменшити вірогідність помилок (в порівнянні з Z-алгоритмом) визначення моменту зміни умов буріння. Використання GZ-алгоритму зменшує похибку визначенні межі між пластами до 5.2% при 11.8%, якщо використовувати тільки G-алгоритм.
Доказано, що для реалізації GZ-алгоритму немає необхідності в апріорній інформації; це дає можливість віднести комбінований GZ-алгоритм до класу адаптивних.
5. Розроблений спосіб адаптивного керування процесом буріння, на основі якого синтезована адаптивна система керування, яка повинна мати три контури –зворотнього зв’язку за станом, оцінки стану об’єкта і компенсації збурень, діючих на об’єкт.
Запропонована еліпсоїдна оцінка вихідних координат стохастичної дискретної моделі, яка, на відміну від відомих методів, для своєї реалізації вимагає мінімальної апріорної інформації про початковий стан процесу буріння; комп’ютерне моделювання алгоритмів еліпсоїдної оцінки показало їх високу ефективність і збіжність при значному рівні перешкод.
Показано, що реалізація алгоритмів адаптивного керування за двома керуючими впливами вимагає застосування приводів долота з плавним регулюванням швидкості його обертання, що неможливо здійснити при сучасному рівні розвитку бурової техніки (за винятком електробуріння). Тому синтезовані алгоритми адаптації для випадку, коли керування ведеться за одним керуючим впливом - осьовим навантаженням на долото і які грунтуються на методі пошуку з суміщеними робочими та пробними кроками і на прогнозуванні термінального критерію оптимальності.
Розроблені принципи створення алгоритмічного та інформаційного забезпечення адаптивної системи процесу буріння свердловин, що дало можливість визначити необхідний об’єм інформації для функціонування системи, взаємодію алгоритмів адаптивного керування та організацію обчислювального процесу.
Створено математичну модель передаварійного стану долота, що працює на вибої свердловини, на основі якої сформульовані критерії відпрацювання доліт як за опорою так і за озброєнням та синтезовані адаптивні алгоритми виявлення моменту закінчення процесу буріння в черговому рейсі, які дозволяють запобігти як передчасного підйому долота, так і його перетримки, що підвищує техніко-економічні показники буріння та забезпечує безаварійну проводку свердловин.
8. Програмне забезпечення, яке розроблене на базі алгоритмів ідентифікації, виявлення зміни умов буріння, відпрацювання доліт та адаптивного керування процесом буріння за одним керуючим впливом, прийнято в фонд програм - м. Київ Держ. ФАП (інв. № 50870000945). Економічний ефект від впровадження результатів роботи на бурових підприємствах Прикарпаття становить близько 800 тис. руб.
Матеріали дисертаційної роботи використанні при написанні двох учбових посібників для спец. 7.092501- “Автоматизація технологічних процесів та виробництв”, в лекційних курсах з таких дисциплін як “Автоматизація технологічних процесів”, “Ідентифікація та моделювання технологічних об’єктів”, “Основи оптимального керування об’єктами галузі”, а також при виконанні дипломних та курсових проектів.
. Методи і алгоритми адаптивного керування процесом буріння можна рекомендувати для розробки систем адаптивного керування процесом спорудження глибоких свердловин, а методи розрахунку опорних керуючих впливів можна використати як на стадії оперативного керування буровим процесом, так і на стадії проектування режиму проводки свердловин. Такі алгоритми як відпрацювання доліт за опорою та озброєнням і GZ-алгоритм мають самостійне значення; перший з них можна використати при проектуванні систем безаварійної проводки свердловин, а другий може знайти широке застосування при проведенні гео-фізичних досліджень таких як розбивка гірських порід на пласти за певними фізико-механічними властивостями та виявлення зон аномально високих і аномально низьких пластових тисків.
Цінність алгоритмів адаптивного керування зростає у зв’язку з тенденцією використання давачів режимних параметрів (MWD- систем), які розміщенні на вибої свердловини і створення на
їх базі комп’ютерного моніторингу процесу буріння глибоких свердловин.
Отже, здійснені нові науково обгрунтовані розробки в галузі адаптивного керування процесом буріння глибоких свердловин, що забезпечують ефективний вибір режимних параметрів та безаварійне відпрацювання доліт в умовах значної апріорної невизначеності.
Доведено обгрунтованість висунутих вихідних положень аналізу бурового процесу як об’єкта керування, які в своїй сукупності вирішують проблему адаптивного керування і як наслідок здешевлення одиниці довжини пробуреної свердловини.
ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ РОБОТИ
Крім цього результати роботи висвітлені в інших публікаціях, список яких наведений в дисертації. Особистий внесок автора в роботах, виконаних в співавторстві, полягає в розробці теоретичних положень та побудові математичних моделей, методів та алгоритмів зміни умов буріння [10, 11, 12, 30], обгрунтуванні критеріїв відпрацювання доліт та зміни умов буріння [2, 5, 17-23], розробці стратегії, методів і алгоритмів ідентифікації та управлінні буровим процесом [3, 6-9, 13, 15-18, 27, 30, 33].
АНОТАЦІЯ
Горбійчук М. І. Адаптивне керування процесом буріння глибоких свердловин. –Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.07 –автоматизація технологічних процесів. –Державний університет “Львівська політехніка”, Львів, 1999 р.
Дисертація присвячена питанням розробки методів і алгоритмів адаптивного керування процесом буріння глибоких свердловин.
В дисертації комплексно вирішуються питання математичного моделювання, ідентифікації параметрів моделі, виявлення зміни умов буріння, адаптивного керування та відпрацювання долота як за опорою так і за озброєнням, які в совокупності розв’язують значну наукову та прикладну проблему в галузі спорудження глибоких нафтових та газових свердловин.
Розроблені методи та синтезовані алгоритми адаптивного керування дають можливість досягти вищих техніко-економічних показників та безаварійно бурити свердловини в умовах апріорної невизначеності.
Основні результати праці знайшли промислове впровадження на бурових підприємствах України, а також в учбовому процесі.
Ключові слова: буріння, математичне моделювання, ідентифікація, зміна умов, критерії оптимальності, адаптивне керування, відпрацювання доліт.
АННОТАЦИЯ
Горбийчук М. И. Адаптивное управление процессом бурения глубоких скважин. –Рукопись.
Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук по специальности 05.13.07 –автоматизация технологических процессов –Государственный университет “Львівська політехніка”, Львов, 1999 г.
Диссертация посвящена вопросам разработки методов и алгоритмов адаптивного управления процессом бурения глубоких скважин.
В диссертации комплексно решаются вопросы математического моделирования, идентификации параметров модели, обнаружение смены условий бурения, адаптивного управления и отработки долот, как по вооружению, так и по опоре, которая в совокупности решает важную научную и прикладную проблему в области сооружения глубоких нефтяных и газовых скважин. Разработанная методика и синтезированные алгоритмы адаптивного управления дают возможность достичь более высоких технико-экономических показателей и уменьшить аварийность при бурении скважины в условиях априорной неопределённости. Основные результаты роботы нашли промышленное внедрение на буровых предприятиях Украины, а также в учебном процессе.
Диссертация состоит из вступления, семи разделов и приложений.
Во вступлении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и практическая ценность работы, отображены основные результаты работы, которые выносятся на защиту.
В первом разделе охарактеризован процесс сооружения скважины с точки зрения управления этим процессом. Показано, что буровая установка является сложной динамической системой со многими каналами передачи, как управляющих воздействий, так и возмущений, которые обусловлены взаимодействием системы с окружающей средой и способом передачи информации от забоя к устью скважины. Анализ работ в области математического моделирования и управления буровыми работами показал, что перспективным является направление создания методов и алгоритмов, а на их основе, синтез адаптивных систем управления, которые решают важную отраслевую проблему –уменьшение стоимости бурения, ускорения строительства скважин и уменьшения аварийности в бурении.
Во втором разделе получена математическая модель процессом углубления, исходя из гипотезы, что скорость объемного износа зубьев долота постоянная величина. Математическая модель описывает процесс углубления скважины для наиболее общего случая –плоскопараллельного износа зубьев долота с заострением и показано, что остальные случаи износа могут быть получены как частные случаи. Разработана стратегия и алгоритмы идентификации, которые в своей совокупности обеспечивают определение параметров математической модели в изменяющихся условиях бурения. Показано, что задача идентификации является нелинейной МНК-задачей, которую при определенных условиях можно заменить более простой линейной МНК-задачей. Получен критерий такой замены.
В третьем разделе показано, что успешная реализация методов и алгоритмов адаптивного управления требует решения задачи обнаружения момента смены условий бурения. Указанная задача отнесена к классу задач об “розладке”. Проанализированы методы решения этих задач и на этой основе предложен эффективный алгоритм момента смены пласта разбуриваемой породы, который назван нами GZ-алгоритмом. Исследованы свойства этого алгоритма, которые дали возможность определить точность и его сходимость. Итогом исследований стала теорема о ширине интервала алгоритма.
Четвертый раздел посвящен исследованию критериев отработки долот и управления процессом бурения. Показано, что критерии отработки долот тесно связаны с их износостойкостью. И только в том случае, когда вооружения долот изнашиваются с течением времени, существует такое время бурения, что определенный критерий достигает своего экстремального значения. Анализ методов оптимального управления процессом бурения показал, что существует необходимость в поочередной смене критериев управления процессом бурения в зависимости от глубины скважины. Сформулировано Т-правило такой смены.
В пятом разделе показано, что успешная реализация системы адаптивного управления возможна в том случае, когда решены такие взаимосвязанные задачи как выбор типа породоразрушающего инструмента и синтез адаптивных алгоритмов управления процессом бурения. Выбор типа долота осуществляется путем минимизации стоимости метра проходки скважины. При этом допускается, что выбранный интервал бурения можно пробурить несколькими типами долот. Сформулированная задача решена методом динамического программирования. Стратегия адаптивного управления построена, исходя из концепции двухуровневого описания управляемого объекта. На первом уровне процесс бурения характеризуется детерминированной математической моделью, а на втором учтены его статистические свойства. В соответствии с этой концепцией управляющие воздействия синтезированы как линейная комбинация двух величин –прогнозирующего воздействия и локального управляющего воздействия. Реализация синтезированного алгоритма управления усложнена тем обстоятельством, что плавно изменять скорость вращения долота возможно только при электробурении, которое имеет ограниченное применение. Поэтому синтезирован адаптивный алгоритм управления, в основе которого лежит поиск с совмещенными рабочими и пробными шагами. При этом используется один из терминальных критериев оптимальности, который выбирается в соответствии с Т-правилом.
В шестом разделе показано, что эффективность процесса бурения определяется не только оптимальными режимными параметрами, но и правильной отработкой долот. Разработана методика отработки долот по вооружению при условии, что долото последовательно проходит N пластов. Для отработки долот по опоре предложено использовать критерии, в основе которых лежит информация о моменте на долоте. Предложенная методика учитывает два случая изменения момента в заключительной фазе бурения –резкое его увеличение и наличие автоколебаний.
Седьмой раздел посвящен вопросам информационного и алгоритмического обеспечения адаптивной системы управления процессом бурения глубоких скважин. На этой основе разработана адаптивная система управления и показано, что экономический эффект от внедрения основных результатов работы составил около 800 тыс. руб.
Ключевые слова: бурение, математическое моделирование, идентификация, смена условий, критерии оптимальности, адаптивное управление, отработка долот.
ABSTRACT
Gorbiychuk M.I. Adaptive controls in process of drilling of deep holes. - Manuscript.
Thesis on competition of a scientific degree of the doctor of engineering science on a specialty 05.13.07 - automation of technological processes. - State university “Lvivska plytechnika ”, Lviv, 1999.
The thesis is devoted to problems of development of methods and algorithms of adaptive control inprocess of drilling of deep holes.
In a thesis the problems of mathematical simulation, identifications of parameters of a model, detection of change of conditions of drilling, adaptive control and wear of chisels are complexly decided, both on arms, and on a support, which in aggregate decides the important scientific and applied problem in the field of a building of deep oil and gas holes. The developed technique and the synthesized algorithms of adaptive control enable to reach higher technological indexes and safety drilling of holes in conditions of a priori indeterminacy. Basic outcomes the robots have found industrial introduction at the drilling enterprises of Ukraine, and also in educational process.
Key words: drilling, mathematical simulation, identification, change of conditions, criterions of optimality, adaptive control, wear of chisels.
Здобувач М.І. Горбійчук