Системы автоматического управления процессом бурения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Системы автоматического управления процессом бурения

А. Шенгальц

Штутгарт Германия

Существующий уровень управления процессом бурения не отвечает растущим требованиям к управлению технологическими процессами. Это несоответствие проявляется в неспособности человека осуществлять оптимальное управление процессом бурения в режиме реального времени, а также в отсутствие социальной привлекательности профессии бурильшика.

Приступая к изложению вопроса, охарактеризуем технологический объект управления (ТОУ). Состояние ТОУ характеризуется совокупностью управляющих переменных, совокупностью управляемых переменных, возмущениями и обратной связью

Применительно к процессу бурения к совокупности управляющих переменных относятся нагрузка на забой, частота вращения и расход промывочной жидкости.

К возмущениям относятся воздействия на ТОУ не зависящие от данного уровня системы управления ТОУ. Различают два вида возмущений: нагрузка и помехи. Нагрузкой называется управляемое внешнее воздействие на ТОУ не зависящее от управляющего устройства данного уровня (конструкция скважины, тип породоразрушающего инструмента, конструкция бурильной колонны и т.д). Помеха-это внешнее воздействие на ТОУ не содержащее информации необходимой для управления в режиме реального времени ( тип горной породы, степень работоспособности антивибрационных средств, состояние породоразрущающего инструмента и т.д). В результате экспертной оценки определено 17 наиболее существенных возмущающих факторов с уровнями состояния от 2 до 10. Сочетание возмущений приводит к возникновению более 1 000 000 различных технологических ситуаций оказывающих влияние на результативность процесса бурения.

Обратная связь является индикатором эффективности процесса бурения с точки зрения выбранного критерия управления процессом бурения.

бурение геологоразведочный автоматизация

Управляемые переменные зависят от критерия оптимизации положенного в основу системы управления процессом бурения (механическая скорость бурения, стоимость метра бурения, углубление за оборот и т.д)

В общем случае значения управляемых переменных являются нелинейной функцией управляющих переменных и возмущений. Эту функцию можно представить в координатах нагрузка на забой, частота вращения и критерия оптимизации в виде поверхности отклика в трехмерном пространстве рис. 2 Форма поверхности отклика определяется текущей технологической ситуацией. Под текущей технологической ситуацией понимается совокупность технико-технологических и горно-геологических факторов существующих в каждый момент времени. Совокупность технологических ситуаций могущих быть в конкретной реализации технологического процесса бурения определяется управляющими переменными и возмущениями из которых нагрузка остается в течение рейса постоянной а помехи могут непредсказуемо и неизменяемо измениться.

Область изменения управляющих переменных определяется областью допустимых значений (ОДЗ) критерия оптимизации. Необходимо отметить, что в общем случае внутри ОДЗ могут быть зоны недопустимых значений по частоте вращения и нагрузки на забой с точки зрения критерия оптимизации. Другим важным случаем , касающегося структуры поверхности отклика, является наличие двух и более локальных максимумов на поверхности отклика, которые могут одновременно находиться как в ОДЗ так и за ее пределами. Как следует из вышесказанного, поверхность отклика и ОДЗ не являются стационарными в течении рейса. Исходя из вышесказанного управление процессом бурения сводиться к определению в каждый момент времени значений частоты вращения и нагрузки на забой соответствующих максимальной точке на поверхности отклика функции критерия в пределах ОДЗ и определению границ ОДЗ.

В основу систем автоматического управления могут быть положены три принципиально разных подхода к построению модели процесса бурения:

1. На базе детерминированных зависимостей

2. На основе статистических зависимостей

3. В основу положены адаптивные методы поиска оптимума в режиме реального времени

Первый подход для бурения неприемлем в силу невозможности построения детерминированных зависимостей между управляющими переменными и управляемыми переменными с учетом возмущений.

На основе второго подхода было построено много моделей бурения в частности широко использовался метод группового учета аргументов (МГУА). К сожалению эти модели не достаточно адаптивны к конкретной технологической ситуации. Это связано с тем, что при построение этих моделей используется ограниченное количество технологических ситуаций реально оказывающих влияние на процесс бурения ( их больше 1 000 000) с одной стороны, а с другой стороны при усреднение результатов происходит потеря информации присущей конкретной технологической ситуации, что приводит в конечном итоге к нерациональному управлению процессом бурения в режиме реального времени с точки зрения критерия оптимизации. Следует еще отметить, что этот подход не в состояние принципиально учесть ту часть возмущений, которая называется нагрузкой, а потеря этой информации существенно снижает ценность таких моделей технологического объекта управления.

Наиболее полно требованиям эффективного управления процессом бурения в режиме реального времени отвечает третий подход. В этом случае управление процессом бурения происходит с учетом конкретных технико-технологических и горно-геологических условий в режиме реального времени . В основу метода управления процессом бурения положена работа Шерстюка. О. И. управление процессом алмазного бурения по диаграммам затрат активной мощности. В данном исследование показано, что интенсивность износа алмазного инструмента однозначно определяется характером изменения затрат активной мощности потребляемой при бурении. Исходя из этого была предложена система критериев .

Vмех Vм.в

Q Q

где Vмех - текущая механическая скорость бурения

Vм.в -- максимально возможная механическая скорость бурения в пределах ОДЗ

Q -- текущая интенсивность износа алмазной коронки

Q -- допустимая интенсивность износа алмазного инструмента

Важной особенностью этого метода является то, что он позволяет приборными методами в режиме реального времени однозначно идентифицировать интенсивность износа алмазной коронки (Q) по следующим факторам:

1. Режимом предприжоговой ситуации алмазной коронки (SM)

2. Уровнем вибрации буровой колонны (В)

Анализируя характер изменения затрат активной мощности, мы получаем возможность в режиме реального времени для конкректной технологической ситуации определять предельные величины управляющих переменных при которых начинается аномальный износ алмазной коронки и очень важно, что граница перехода от допустимого уровня износа к аномальному определяется не заранее установленным числовым значением какого-то параметра, а по качественному изменению формы затрат активной мощности, которая интегрирует в себе в каждый момент времени горно-геологические и технико-технологические условия процесса бурения.

Дополнительными параметрами определяющими границу ОДЗ являются: предельный крутящий момент, предельная нагрузка на забой, предельная частота вращения, предельное значение величины активной мощности.

Данный подход удовлетворяет следующим условиями предъявляемым к методу управления процессом бурения:

1. Должен обеспечить построение адекватной модели процесса бурения для текущей технологической ситуации в режиме реального времени

2. Должен обеспечить поиск оптимума критерия оптимизации в области допустимых значений управляющих переменных

3. Должен обеспечить определение области допустимых значений управляющих переменных в режиме реального времени

4. Должен быть максимально инвариантен к горно-геологическим и технико-технологическим условиям бурения

5. Должна существовать экономически оправданная возможность реализации.

Для поиска максимума на поверхности отклика функции критерия оптимизации используется один из поисковых методов (метод наискорейшего спуска, метод крутого восхождения, метод Гаусса-Зайделя и т.д мы использовали поисковый симплекс метод ПСМ) при помощи которого осуществляется последовательное движение по поверхности отклика в направление оптимального значения критерия. Если оптимум критерия находится внутри области допустимых значений , то тогда эта точка локализуется и поиск прекращается. В дальнейшем через определенные промежутки, через обратную связь, осуществляется сравнение текущей ситуации с предыдущей. В случае несовпадения из-за изменения условий бурения (изменился тип горной породы, ухудшилось состояние алмазной коронки и т.д) снова осуществляется поиск оптимума критерия. На каждом шаге производиться проверка на нарушение граничных условий. Эта ситуация возникает в случае, когда глобальный оптимум критерия находится за пределами ОДЗ или когда из-за изменения технологической ситуации глобальный оптимум оказался за пределами ОДЗ, или когда в пределах ОДЗ возникла локальная область недопустимых значений критерия оптимизации. В случае нарушения граничных условий при очередном шаге система локализует точку оптимума , лежащую на границе допустимых значений.

Основные технологические вопросы, подлежащие разработке:

1. Изучить вопрос о полноте соответствия предложенной системы критериев критерию минимум стоимости одного метра бурения.

2. Разработать параметры алгоритма определения предприжоговой ситуации

3. Разработать алгоритмы идентификации аварийных ситуаций.

4. Провести исследование по определению степени инвариантности влияния уровня вибрации на износ алмазного инструмента в зависимости от горно-геологических и технико-технологических условий.

5. Определить допустимый уровень вибрации с точки зрения износа алмазного инструмента.

6. Провести исследование по изучению распределения уровня удельного износа алмазного инструмента в пределах ОДЗ

7. Провести исследование по изучению переходных процессов в бурильной колонне для определения длительности переходного процесса по параметру механическая скорость бурения.

8. Определение интервала усреднения механической скорости бурения.

9. Выбор поискового метода и разработка алгоритма изменения параметров поискового метода.

10. Разработка алгоритма движения поискового метода по поверхности отклика функции критерия оптимизации.

Список литературы

1. О.И. Шерстюк и др. Методические рекомендации по использованию диаграмм затрат мощности для регулирования процесса алмазного бурения. ВИТР. 1984

2. Тема 5/207. Разработка методики автоматизированного сбора и обработки информации (АСОИ) для оптимизации процесса бурения. ВКТГУ. Усть-Каменогорск. 1983

Размещено на Allbest.ru