Адаптивне керування процесом буріння глибоких свердловин

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).

буріння глибокий свердловина керування

ВИСНОВКИ ДО РОБОТИ

Проведений аналіз галузевої проблеми керування процесом буріння виявив, що не існує загальної теорії процесу руйнування гірських порід, на основі якої можна було би отримати аналітичним способом математичну модель процесу буріння, придатну для синтезу ефективних алгоритмів оптимального керування таким процесом. З цією метою застосовують здебільшого емпіричні моделі, які будують шляхом узагальнення даних при спорудженні багатьох свердловин. Проте промислові дослідження та аналіз процесу буріння виявили, що він є нестаціонарним, стохастичним і таким, що розвивається в часі. На цій основі обґрунтовані вимоги до системи керування процесом буріння. З врахуванням цих вимог оцінені нові розробки в області керування процесом буріння і показано, що перспективними є методи адаптивного керування процесом спорудження, що базуються на подоланні невизначеності, яка притаманна процесу буріння і яка характеризується високим рівнем шумів в каналах передачі інформації та зміною умов буріння, і на виявленні зв'язків між режимними параметрами і змінними, які характеризують як ефективність руйнування породи так і стан долота, яке знаходиться на вибої свердловини.

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.

Створена кібернетична модель процесу буріння глибоких свердловин, яка відображає причинно-наслідкові зв'язки між керуючими впливами і змінними стану об'єкта, які, на відміну від фазових координат в інших моделях, є спостережливими, що дає можливість ефективно розв'язувати задачі ідентифікації параметрів моделі.

Вибрано і обґрунтовано 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%.

Обґрунтовано і вибрано критерій зміни умов буріння, на основі якого синтезовано GZ-алгоритм виявлення таких змін.

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.

Запропоновано вести процес спорудження глибоких свердловин не за одним, а за сукупністю критеріїв, які змінюють один одного в певній послідовності в залежності від глибини свердловини; отримано Т-правило відбору таких критеріїв, яке включає глибину свердловини і техніко-економічні показники буріння.

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 ґрунтуються 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.

Показано, що для досягнення високих техніко-економічних показників проводки свердловин і безаварійної роботи бурової установки долота, необхідно відпрацьовувати як за опорою, так і за озброєнням.

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.

Методи та алгоритми ідентифікації, виявлення зміни умов буріння та адаптивного керування пройшли всебічну перевірку на бурових підприємствах України, що доказало їх високу достовірність, а комп'ютерне моделювання таких алгоритмів дало можливість підтвердити їх збіжність та ефективність.

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.

9. 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 геофізичних 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 обґрунтовані 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 обґрунтованість 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

Автоматизація процесів переробки нафти і газу. Учбовий посібник. / Г.Н. Семенцов, М.И. Горбійчук, Л.І. Жуган, С.А. Чеховський. - Львів: Світ, 1992.- 257 с.

Семенцов Г. Н., Горбийчук М. И., Телышева Т. А. Алгоритм вычисления относительного износа шарошечных долот. // Нефтяная промышленность. Серия: Нефтегазовая геология, геофизика и бурение. - 1984. - №6.- с. 45-47.

Семенцов Г. Н., Горбийчук М. И., Телышева Т. А. Способ и алгоритмы оперативного управления процессом углубления скважин. // Нефтяная промышленность. Серия: Автоматизация и телемеханизация в нефтяной промышленности. - 1984.- №1. - с. 32-35.

Семенцов Г. Н., Горбийчук М. И., Телышева Т. А. Оптимизация управления непрерывно - дискретным случайным процессом на примере бурения. // Автоматические системы оптимального управления технологическими процессами. - Тула: Тульский политех. ин-ут, 1985.- с. 88-94.

Семенцов Г. Н., Горбийчук М. И., Телышева Т. А. Определение момента подъема долота в условиях неопределенности. // Известия вузов. Горный журнал. - 1985 - №8 - с. 102-104.

Семенцов Г. Н., Горбийчук М. И. Об одном алгоритме оптимального управления процессом углубления скважин. // Известия вузов. Горный журнал. - 1985 - №11 - с. 72-78.

Семенцов Г. Н., Горбийчук М. И., Телышева Т. А. Система оптимизации процесса углубления скважины с дискретным идентификатором в цепи обратной связи. // Нефтяная промышленность. Серия: Автоматизация и телемеханизация в нефтяной промышленности. - 1986.- №1. - с. 10-13.

Семенцов Г. Н., Горбийчук М. И., Телышева Т. А. Алгоритм идентификации параметров математической модели процесса углубления скважин. // Нефтяная промышленность. Серия: Автоматизация и телемеханизация в нефтяной промышленности. - 1986.- №1. - с. 17-19.

Семенцов Г. Н., Горбийчук М. И., Телышева Т. А. Микроконтроллер для управления процессом бурения скважин как многосвязным объектом. // Нефтяная промышленность. Серия: Бурение. Отечественный опыт. - 1986. - Вып.10. - с. 3-7.

Семенцов Г. Н, Горбийчук М. И., Телышева Т. А. Некоторые аспекты изучения геологического разреза скважин в процессе бурения. // Известия вузов. Горный журнал. - 1986 - №7 - с. 79-83.

Семенцов Г. Н, Горбийчук М. И., Телышева Т. А. Об одном алгоритме вычисления - показателя (d-экспоненты). // Нефтяная промышленность. Серия: Бурение. Отечественный опыт. - 1986. - Вып.9. - с. 13-16.

Семенцов Г. Н., Горбийчук М. И. Алгоритм вычисления - показателя (d-экспоненты) для турбинного бурения. // Известия вузов. Горный журнал. - 1987 - №8 - с. 51-54

Семенцов Г. Н, Горбийчук М. И., Телышева Т. А. Программа определения оптимальной осевой нагрузки на долото по критерию “стоимость метра проходки“. // Приборы, средства автоматизации и системы управления. ТС-3: Автоматизированные системы управления. Реферативный сборник. - 1987. - № 10.- с. 5.

Оперативный контроль процесса бурения скважин с помощью системы “Карпаты”. Г. Н Семенцов., М.И. Горбийчук., С.В Юдин, Когуч Я.Р. // Средства автоматизации технологических процессов в нефтяной промышленности. -Уфа: Уфимский нефт. ин-ут, 1987. - с. 8-12.

Семенцов Г. Н., Горбийчук М. И. Многостадийная оптимизация процесса углубления скважин. // Известия вузов. Горный журнал. - 1987 - №7 - с. 105-109.

Семенцов Г. Н., Горбийчук М. И., Телышева Т. А.Определение оптимальной осевой нагрузки на долото по критерию “стоимость метра проходки”. - ГОСФАП, Инв. № 50870000945 - Киев, 1987. - 37 с.

Семенцов Г. Н., Горбийчук М. И., Юдин С.В. Методика выбора оптимальной нагрузки на долото в процессе бурения скважин. // Нефтяная промышленность. Серия: Техника и технология бурения скважин - 1988.- №5. - с. 3-5.

Семенцов Г. Н., Горбийчук М. И., Юдин С.В. Программное обеспечение задачи оптимизации управления процессом углубления скважин. // Измерительные элементы и системы управления в нефтяной и газовой промышленности. -Уфа: Уфимский нефт. ин-ут, 1988. - с. 3-7.

Семенцов Г. Н., Горбийчук М. И., Телышева Т. А. Идентификация параметров математической модели процесса углубления скважин. // Известия вузов. Нефть и газ. - 1989 - №9 - с. 79-83.

Семенцов Г. Н., Горбийчук М. И. О структуре критериев рациональной отработки долот. // Разведка и разработка нефтяных и газовых месторождений. - 1989.-№ 26.- с. 70- 73.

Семенцов Г. Н., Горбийчук М. И., Юдин С.В. Компьютеризованная технология бурения нефтяных и газовых скважин. // Приборы и устройства автоматики для нефтяной и газовой промышленности.- Уфа: Уфимский нефт. ин-ут, 1989.- с. 3-6.

Семенцов Г. Н., Горбийчук М. И., Юдин С. В. Вычисление скорости проходки с помощью микро- ЭВМ.. // Известия вузов. Горный журнал. - 1990 - №10 - с. 89-92.

Семенцов Г. Н., Горбийчук М. И., Юдин С.В. Комбинированный алгоритм обнаружения повторения поиска оптимальных управляющих воздействий в адаптивной системе управления технологическим процессом бурения нефтяных и газовых скважин. // Автоматизация технологических и объектов нефтяной и газовой промышленности. - Уфа: Уфимский нефт. ин-ут, 1991. - с.3-8.

Горбійчук М. І. Спосіб відбору критеріїв оптимальності при адаптивному управлінні процесом буріння. // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Технічна кібернетика та електрифікація об'єктів паливно-енергетичного комплексу. - 1997.- Вип. 34 (5).- с.18-23.

Горбійчук М. І. Метод і алгоритми оптимального вибору доліт при бурінні глибоких свердловин// Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Технічна кібернетика та електрифікація об'єктів паливно-енергетичного комплексу. - 1997.- Вип. 34 (5).- с.76-82.

Горбійчук М. І. Адаптивне управління процесом відпрацювання доліт за опорою // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Технічна кібернетика та електрифікація об'єктів паливно-енергетичного комплексу. - 1997.- Вип. 34 (5).- с. 43-51.

Семенцов Г.Н., Горбійчук М. І. Концепція адаптивного керування процесом буріння глибоких свердловин. // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Технічна кібернетика та електрифікація об'єктів паливно-енергетичного комплексу. - 1997.- Вип. 34 (5).- с. 3-14.

Горбійчук М. І. Адаптивне управління процесом поглиблення свердловин. // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Технічна кібернетика та електрифікація об'єктів паливно-енергетичного комплексу. - 1998.- Вип. 35 (6).- с. 3-9.

Горбійчук М.І. Методика і алгоритми визначення меж пластів гірських порід у процесі проводки глибоких свердловин. // Методи та прилади контролю якості. - 1999.- № 3.- с.28-30.

Sementzov G. N., Gorbiychuk M. I. Optimization Control of the Drillings Hole Process //Доклады 12-ой Международной конференции ICA MC95 - Польша, Гливице, 1995. - с.106-114.

Горбийчук М. И. Адаптивное управление процессом бурения скважин на нефть и газ. //13^th International Commitee on Automation in Mining Conference and 13^th International Conference on Process Control and Simulation ICAMC 98/ASRTP 98 - High Tatras, Slovak Republic, 1998.-p.167-170.

Горбійчук М. І. Методи і алгоритми адаптивного керування процесом буріння свердловин. // Матеріали 5-ої Міжнародної конференції “Нафта - Газ України - 98 ”. - Полтава, 1998. - Т.2.- с. 100-101.

А.с. 1186789 СССР. Стабилизация веса бурильного инструмента. / Г.Н. Семенцов, В.П. Петренко, М.И. Горбийчук, Н.М. Саух. (СССР). - Заявл. 22.05.1984; Опубл. 23.10. 1985, Бюл. № 39.

Размещено на Allbest.ru