Організація системи автоматизованого управління процесом буріння на основі багатопараметричної інформаційної моделі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МОДЕЛЮВАННЯ В ЕНЕРГЕТИЦІ

ІМ. Г.Є. ПУХОВА

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ОРГАНІЗАЦІЯ СИСТЕМИ АВТОМАТИЗОВАНОГО УПРАВЛІННЯ ПРОЦЕСОМ БУРІННЯ НА ОСНОВІ БАГАТОПАРАМЕТРИЧНОЇ ІНФОРМАЦІЙНОЇ МОДЕЛІ

Карпенко Василь Миколайович

Київ - 2001

Анотація

Карпенко В.М. Організація системи автоматизованого управління процесом буріння на основі багатопараметричної інформаційної моделі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - Системи автоматизованого управління і прогресивні інформаційні технології. Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова Національної академії наук України, Київ, 2001.

Дисертацію присвячено питанням організації і дослідженню АСУ бурінням при спорудженні глибоких свердловин на основі багатопараметричної інформаційної моделі. Система реалізована на прикладі модернізованого бурового верстата з вільною подачею бурильного інструменту на вибій. Верстат оснащений системами стабілізації трьох режимно-технологічних параметрів: витрат промивальної рідини, частоти обертання бурильної колони, навантаження на породоруйнівний інструмент. Всі три параметра контролюються і плавно регулюються управляючою електронною обчислювальною машиною. Основою інформаційної моделі є дані про енергоємність гірських порід, які визначаються за даними сейсморозвідки.

Запропонована АСУ бурінням суттєво поліпшує ергономічні, економічні, технологічні, екологічні експлуатаційні параметри автоматизованих бурових верстатів, які мають дискретні закони управління режимно-технологічними параметрами в АСУ бурінням, в якій не враховується інформація про пружні властивості гірських порід.

Ключові слова: багатопараметрична інформаційна модель, алгоритми обробки інформації, система автоматизованого управління, оптимізація процесу буріння, режимно-технологічні параметри.

Annotation

Karpenko V.N. Arrangement of the automated control system for drilling process as based on multi-parameter information model. - Monuscript.

Thesis for a candidate's degree in speciality 05.13.06 - Automated control systems and advanced information technologies. The Pukhov Institute of Simulation in Power Engineering with the National Academy of Science of Ukraine, - Kyiv, 2001.

The Thesis deals with problems of investigation and arrangement of the automated control systems (ACS) applied in drilling of deep wells and based on multi-parameter information model. The system hes been implemented into an upgraded drilling rig with free drill feed to the bottomhole. The rig was equipped with the system of stabilisation of three operational parameters: mud loss, drill pipe rotation speed, bit weight. All three parameters were controlled and had an option to be gradually adjusted by control computer. The information model was based on the data of rock energy intensity, which had been defined from seismic surveys.

The proposed ACS for well drilling essentially improves ergonomic, economic, technological, environmental and operational parameters of automated drilling rigs that contain discrete laws of control over operational parameters used for drilling ACS, which do not account on information on rock flexibility.

Key words: multi-parameter informаtіоn model, algorithm of processing of informаtіоn, automated control system, optimisation of the drilling process, operational parameters.

Аннотация

Карпенко В.Н. Организация системы автоматизированного управления процессом бурения на основе многопараметрической информационной модели. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - Системы автоматизированного управления и прогрессивные информационные технологии. Институт проблем моделирования в энергетике им. Г.Е. Пухова Национальной академии наук Украины, Киев, 2001.

Диссертация посвящена вопросам организации и исследованию АСУ бурением при строительстве глубоких скважин на основе многопараметрической информационной модели. Система реализована на примере модернизированной буровой установки со свободной подачей бурильного инструмента на забой. Установка оснащена системами стабилизации трёх режимно-технологических параметров: расхода промывочной жидкости, частоты вращения бурильной колонны, нагрузки на породоразрушающий инструмент. Все три параметра контролируются и плавно регулируются управляющей электронной вычислительной машиной.

Автоматизация бурового станка заключалась в:

- замене дискретного электропривода переменного тока ротора на бессту-пенчатый электропривод постоянного тока системы ТП-Д;

- разработке и установке механизма плавной подачи породоразрушающего инструмента (ПРИ) на забой, представляющего собой двухчервячный редуктор, соединяющийся с валом лебёдки;

- разработке и установке электропривода постоянного тока системы ТП-Д к механизму плавной подачи ПРИ на забой;

- замене электропривода переменного тока бурового насоса на электропривод постоянного тока системы ТП-Д;

- разработке состава технических средств системы автоматизированного контроля, обработки, регистрации, отображения и управления тремя режимно-технологическими параметрами типа ТВСО-1, который размещён в автономном передвижном вагончике типа ПДО-4;

- разработке и установке систем стабилизации энергообеспечения и температуры для ТВСО-1 в ПДО-4, а также средств технической связи с датчиками и системами управления ТП-Д, размещёнными на буровой.

Разработанная многопараметрическая информационная модель для АСУ бурением решает задачи автоматизированного управления и оптимизации процесса бурения по критерию - минимальная стоимость одного метра бурения тремя режимно-технологическими параметрами в течении всего рейса. В основу модели положена информация о прочностных свойствах горных пород, которая определяется по данным сейсморазведки. На основе этой информации разработаны информационные модели: процесса породоразрушения, в которой определяется проходка на ПРИ; оптимального управления процессом бурения при изменениях физико-механических свойств разбуриваемых горных пород.

Опыт строительства скважин глубиной до 2000м с использованием разработанной АСУ бурением показал, что использование предложенной многопараметрической информационной модели оптимального управления процессом бурения позволяет: снижать стоимость 1 м бурения на 12%; повышать производительность на 35%, механическую скорость бурения на 20%.

Предложенная АСУ бурением существенно улучшает эргономические, технические, экологические, эксплуатационные параметры автоматизированного бурового станка, имеющего дискретные законы управления режимно-технологическими параметрами в АСУ бурением, не использующей информацию о прочностных свойствах горных пород.

Ключевые слова: многопараметрическая информационная модель, алгоритмы обработки информации, система автоматизированного управления, оптимизация процесса бурения, режимно-технологические параметры.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Автоматизоване і автоматичне управління процесами спорудження і буріння глибоких свердловин є найбільш економічним управлінням, яке, за досвідом світових фірм, зменшує всі види витрат даного виробництва на 40-50%.

Передовий міжнародний науково-технічний рівень спорудження глибоких свердловин характеризується застосуванням бурових верстатів, які керуються автоматизованими системами, що виконують контроль режимно-технологічних параметрів процесу буріння; обробку техніко-економічної інформації; оптимізацію процесу буріння; передачу необхідної інформації на прилади реєстрації, відображення і теле-радіозв'язку, які мають плавнорегульовані режимно-технологічні параметри: оберту бурильної колони, подачі бурильного інструменту на вибій, витрат промивальної рідини.

Для бурових верстатів глибокого буріння в наш час не існують системи автоматизованого управління із розв'язанням задачі оптимізації процесу буріння трьома режимно-технологічними параметрами за комплексним критерієм:,,Мінімальна вартість одного метра буріння протягом рейсу”, тому що інформація про фізико-механічні параметри геологічного середовища і зношування породоруйнівного інструмента на вибої не відома, що знижує ефективність використання існуючих АСУ бурінням. Тому, задача підвищення ефективності використання АСУ бурінням є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов'язана з виконанням наступних відомчих тематичних планів за рахунок державного бюджету: НДР НАН України (тема: ,,Бар'єр” №0100V004705), НДДКР Державного геологічного комітету України (теми: ,,Розробка експрес-методу для визначення вартості будівництва глибоких свердловин на нафту і газ на стадії їх проектування і оцінки ефективності технологічного процесу буріння” № 0198V001958; ,,Розробка технічних засобів контроля і оптимізації технологічного процесу колонкового буріння” №0196V012506; ,,Розробка та виготовлення модулів вдосконаленої системи контролю основних режимно-технологічних параметрів процесу буріння” №0197V006044; ,,Автоматизація процесу буріння за допомогою верстатів плавнорегульованого електропривода 7 і 8 класів”; ,,Автоматизація процесу буріння за допомогою верстатів плавно-регульованого електропривода і обчислювального термінала” ІІ і ІІІ етапи;) в Інституті проблем моделювання в енергетиці ім Г.Є. Пухова НАН України, м. Київ, Полтавському відділенні Українського державного геолого-розвідувального інститута, м. Полтава, Державному геологічному підприємстві ,,Донбасгеологія”, м. Артемівськ.

Мета і задачі дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є підвищення ефективності процесу буріння шляхом вдосконаленої організації АСУ бурінням глибоких свердловин на основі багатопараметричної інформаційної моделі, яка відрізняється від відомих: використанням геофізичної інформації для оптимального управління процесом буріння трьома вихідними режимно-технологічними параметрами за комплексним критерієм.

Мета досягається шляхом розв'язання наступних задач:

1. Встановити залежності техніко-економічних показників процесу буріння від геологічних і технологічних факторів, які відрізняються від відомих використанням інформації про енергетичні параметри гірських порід, що дозволить розробити інформаційні моделі процесу буріння.

2. Розробити інформаційні моделі систем об'єктів і процесу буріння, які відрізняються від існуючих, використанням інформації про руйнівні параметри гірських порід, що дозволить розробити закони оптимального управління процесом буріння.

3. Розробити багатопараметричну інформаційну модель системи автоматизованого управління і оптимізації процесу буріння глибоких свердловин трьома режимно-технологічними параметрами, яка відрізняється від відомих: а) використанням даних сейсморозвідки; б) рішенням задач оптимального управління процесом буріння; в) методами управління трьома режимно-технологічними параметрами, що дозволить будувати моделі АСУ бурінням з підвищеною ефективністю їх використання в даному технологічному процесі.

4. Розробити АСУ бурінням, яка відрізняється від відомих: а) багатопараметричною інформаційною моделлю обробки технологічної інформації при оптимізації управління процесом буріння; б) системами управління трьома режимно-технологічними параметрами, що дасть можливість замінити ручне і автоматизоване управління бурінням протягом рейса на автоматичне.

Методи дослідження. Для розв'язання поставлених задач використовувались методи: теорії автоматичного управління, математичної теорії планування експерименту, варіаційного обчислення, рішення інтегральних рівнянь, математичної фізики. Достовірність наукових результатів підтверджена результатами моделювання та експериментальними даними. буріння автоматизований свердловина управління

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Розроблена методика формування значень параметрів процесу породоруйнування для функціонування системи автоматизованого управління процесом буріння, яка відрізняється від відомої запропонованою інформаційною моделлю обробки даних сейсморозвідки, що дозволяє визначати інформацію про фізико-механічні параметри геологічних систем, яка необхідна для управління даним технологічним процесом.

2. Розроблена методика організації системи автоматизованого управління процесом буріння, яка відрізняється від відомої багатопараметричною інформаційною моделлю, що дозволяє здійснювати оптимальне управління процесом буріння трьома режимно-технологічними параметрами за комплексним критерієм:,,Мінімальна вартість одного метра буріння протягом рейсу”.

3. Запропоновано використовувати в системі автоматизованого управління процесом буріння, підсистеми плавного регулювання і стабілізації трьох режимно-технологічних параметрів, що дозволяє підвищити ефективність управління процесом буріння.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблений алгоритм підготовки вхідних даних, який відрізняється від відомих врахуванням результатів сейсморозвідки і функціональною схемою їх обробки, що дозволяє визначити руйнівні параметри геологічного середовища з метою розширення системи апріорних даних АСУ бурінням.

2. Розроблені алгоритм і програма обробки інформації при управлінні процесом буріння, які відрізняються від існуючих комплексним урахуванням технічних, технологічних, економічних і геофізичних даних, що дає можливість вирішувати задачу оптимального управління трьома режимно-технологічними параметрами водночас за комплексним критерієм:,,Мінімальна вартість одного метра протягом рейсу” в АСУ бурінням.

3. Розроблені алгоритм і програма управління і стабілізації вихідних режимно-технологічних параметрів, які відрізняються від існуючих використанням інформації про параметри процесу породоруйнування, що дозволяє підвищити точність управління в АСУ бурінням.

4. Розроблено пересувний комплекс АСУ бурінням, який відрізняється від аналогічних використанням: а) багатопараметричної інформаційної моделі оптимального управління процесом буріння; б) підсистемами управління трьома плавнорегульованими режимно-технологічними параметрами, що дозволило підвищити ефективність використання АСУ даним процесом на основі критерія: ,,Мінімальна вартість одного метра буріння протягом рейса”.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці моделей обробки інформації в багатопараметричній інформаційній моделі АСУ бурінням [2, 5, 6, 7] і засобів ії практичної організації [1, 3, 4], які впроваджені у виробництво (див. дисертація, додаток В).

Апробація роботи. Основні положення дисертації доповідались на міжнародній науково-технічній конференції ,,Новые информационные технологии в САПР и АСУ”, Київ, 2001р.; на науковому семінарі з проблем систем автоматизованого управління і нових інформаційних технологій ІПМЕ ім. Г.Є Пухова НАН України, Київ, 2000р.; на засіданні кафедри техніки і технології розвідки корисних копалин Дніпропетровської гірничої академії, Дніпропетровськ, 2000р.; на 5-й міжнародній конференції,,Нафта-Газ України - 98 ”, Полтава, 1998р.; на 7-й міжнародній конференції,,Нові методи і технології в геології, бурінні і видобутку нафти і газу”, Краков, 1996р.; Всесоюзній науково-технічній конференції,,Оптимізація буріння свердловин у складних умовах”, Донецьк, 1991 р.;

Публікації. Тема дисертації висвітлена в 6 основних і 8 додаткових надрукованих роботах.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, основних висновків, списку використаних джерел з 120 найменувань, 10 додатків, 62 рисунків і 15 таблиць - всього 195 сторінок. Основний текст дисертації містить 147 сторінок.

2. Основний зміст дисертації

У вступі викладені проблема і актуальність ії вирішення, поставлені задачі і методи їх розв'язання, викладені наукові і практичні результати розв'язання поставлених задач.

В першому розділі представлений аналіз існуючих систем автоматизованого управління і інформаційних технологій оптимізації процесу буріння глибоких свердловин, який дозволив зробити наступні висновки.

1. Існуючі системи автоматизованого управління процесом буріння глибоких свердловин виконують багатометричний контроль і управління одним режимно-технологічним параметром процесу буріння.

2. Задача оптимального управління процесом буріння за комплексним критерієм ,,Мінімальна вартість одного метра буріння протягом рейсу” в існуючих АСУ бурінням розв'язується некоректним аналітичним або просто експериментальним шляхами.

3. Некоректність розв'язання задачі оптимального управління в АСУ бурінням протягом рейсу полягає у застосуванні методів позарейсової регуляризації режимно-технологічних і технічних параметрів процесу породоруйнування при пошуку мінімальної вартості одного метра буріння, кінцеве значення якої точно не відоме, тому що відсутня інформація про руйнівні властивості гірських порід і зношування породоруйнівного інструменту (ПРІ) під час буріння.

4. Некоректність розв'язання задачі оптимального управління в АСУ бурінням протягом рейсу знижує іх ефективне застосування при управлінні даним технологічним процесом.

На основі виконаного аналізу сформульовані задачі подальшого дослідження для даної роботи.

В другому розділі представлені дослідження основних інформаційних факторів, які впливають на роботу АСУ бурінням і методів обробки технологічної інформації при оптимальному управлінні даним процесом. За результатами досліджень було встановлено, що для оптимального управління процесом буріння за комплексним критерієм необхідно поєднання інформації наступних факторів: економічного, технічного, технологічного і геологічного, з яких геологічний - ергоємність руйнування гірських порід, найменш визначений.

З метою підвищення визначеності руйнівних властивостей гірських порід були запропоновані дві інформаційні моделі геологічних середовищ (ІМ-СС і ІМ-ГС), які базуються на даних неруйнівного контролю і сейсморозвідки. Перша модель встановлює співвідношення між загальною внутрішньою механічною енергією з потенційною і кінетичною енергіями в пружному середовищі за даними його щільності, модуля Юнга і швидкості розповсюдження поздовжньої звукової хвилі в ньому на поверхні Землі. Друга модель формалізує зміну загальної внутрішньої механічної енергії геологічного середовища, напружений стан якого в процесі осадконакопичення змінюється за глибиною свердловини. Відомості про енергетичний стан геологічного середовища надає сейсмічний годограф швидкості розповсюдження поздовжньої звукової хвилі.

Загальна внутрішня механічна енергія геологічного середовища ідентифікується як енергоємність при руйнуванні кристалічної структури гірської породи.

На основі запропонованих моделей геологічних середовищ була розроблена багатопараметрична інформаційна модель для системи автоматизованого управління процесом буріння, яка виконує обробку інформації при оптимальному управлінні даним процесом за комплексним критерієм, який має математичну постанову у вигляді

, (1)

А - вартість часу буріння;

В-вартість часу спуско-підіймальних операцій; - час буріння за рейс;

- функція проходки на ПРІ; Р- коефіцієнт вартості ПРІ; D0, D1 - параметри зношування ПРІ;

- механічна швидкість буріння і рейсова проходка відповідно.

В формулі (1) невідомими параметрами є: і при , оскільки ці параметри, крім зміни у часі, залежать від режимно-технологічних параметрів буріння: , де Н - навантаження на ПРІ, - витрати промивальної рідини, - частота обертання бурильної колони, і від руйнівних параметрів гірських порід.

З метою вивчення функцій і були проведені експериментальні дослідження. За результатами цих досліджень і

запропонованих моделей виникла можливість розробки статистичних і детермінованих моделей: і відповідно. Дані моделі дозволяють розв'язати задачу оптимального управління процесом буріння протягом рейсу за багатопараметричним критерієм - .

В третьому розділі представлена розробка математичних і методичних основ інформаційних моделей процесу породоруйнування, оптимального управління ним і елементів системи автоматизованого управління процесом буріння, модель якої представлена на рис.1.

Задача оптимального управління процесом буріння в рейсі складається з трьох взаємно зв'язаних задач, які умовно розподілені на три класи:

І-й клас - задача економічної оптимізації ;

ІІ-й клас - задача технологічної оптимізації ;

ІІІ-й клас-задача оптимального управління (критерій-точність координат стану системи).

Задача оптимізації І-го класу полягає у розв'язанні функціоналу (1).

В результаті розв'язання функціоналу (1) отримуємо функцію оптимальної швидкості буріння впродовж рейсу, яка відповідає критерію (1)

, (2)

де - поточна та кінцева рейсові проходки, відповідно;

- швидкість буріння, яка відповідає максимальному ресурсу ПРІ.

В формулі (2) інформація про параметри , відома в результаті статистичної обробки експериментальних даних, але з метою регулювання параметром необхідно визначити закон проходки на ПРІ, який враховує режими буріння і руйнівні властивості гірських порід. Значення Vopt(t) є координатою стану АСУ бурінням.

Задача оптимізації ІІ-го класу моделюється інформаційно-пошуковим методом, в результаті якого визначається функція відгуку

, (3)

де і=1,2,3; j=1,2,3;

; , з якої, при умові визначаються відповідні режимно-технологічні параметри: .

В результаті рішення задач І-го і ІІ-го класів визначаються дві координати стану системи автоматизованого управління в процесі буріння

, , (4)

які характеризують два режими буріння: оптимальний і максимальний.

Задачею ІІІ-го класу є переведення існуючого режиму буріння з вільною

координатою стану V в заданий режим буріння із координатою стану- або - .

Оптимальне управління в задачі ІІІ-го класу визначається функціоналом точності управління при варіаціях V у вигляді

, (5)

де - середньоквадратична розбіжність координат стану.

Необхідні умови оптимального управління (5) визначаються рівнянням

, (6)

де = argmin-оптимальне рішення;

-множник Лагранжа; -функції управління систем стабілізації;

- знак градієнта.

Виконуючи умови (6) і враховуючи задані функції управління підсистем стабілізації: і - функцію зв'язку параметрів стану АСУ бурінням

, (7)

де - поточне і початкове значення режимно-технологічного параметра;

b - параметр підсистем стабілізації, знаходяться оптимальні координати режимно-технологічних параметрів - і - час переведення окремих координат режимно-технологічних параметрів, які відповідають переводу режиму буріння з механічною швидкістю в .

Переведенням повільного стану АСУ бурінням в заданий ,

завершується задача оптимального управління процесом буріння за комплексним критерієм - мінімальна вартість 1м буріння протягом рейса, яка є математичною основою інформаційної моделі оптимального управління бурінням.

З метою реалізації інформаційної моделі оптимального управління процесом буріння в реальній АСУ бурінням необхідно вирішити ще дві окремі задачі: задачу плавної установки і стабілізації заданих вихідних режимно-технологічних параметрів і задачу оцінки проходки на ПРІ - .

Для вирішення першої задачі необхідні підсистеми з плавним управлінням і стабілізацією заданих режимно-технологічних параметрів буріння.

Для параметрів наявність таких підсистем є необхідним і достатнім технічним рішенням. Для параметру Н такої підсистеми не достатньо, тому що даний параметр має складну технологічну систему ,,Колона-Різець-Порода” (К-Р-П), яка складається із двох технологічних підсистем: ,,Різець-Порода” (Р-П) і ,,Колона-Свердловина” (К-С), параметри яких змінні в часі і за глибиною свердловини. Тому для достатніх умов стабілізації заданого значення параметра Н на вибої необхідна адаптивна підсистема управління даним параметром.

З метою вирішення задачі управління вихідним параметром Н в АСУ бурінням в даному розділі розроблені інформаційні моделі обох технологічних підсистем окремо і як єдиного об'єкта управління (ОУ). Основою моделі ОУ є загальна передаточна функція у вигляді

, (8)

де - час запізнення сигналу управління і відгуку в системі ,,К-С”;

k0 - передаточний коефіцієнт між швидкістю подачі і навантаженням на ПРІ в технологічній підсистемі ,,Р-П”;

T0 - постійна часу в підсистемі,,Р-П”.

Параметри , k0, T0 відображають водночас змінні технічні, технологічні і геологічні фактори ОУ, тому для достатньої точності стабілізації параметра Н була розроблена адаптивна підсистема регулювання - САР - .

Підсистема САР - моделюється передаточною функцією виду

(9)

Синтез САР - полягає у визначенні параметрів до параметрів , k0, T0 і проводиться за критерієм максимального ступеню стійкості.

При зміні параметрів ?, k0, T0 іх нові значення визначаються на основі аналізу динаміки сигналу в поточному часі за розробленим алгоритмом, після чого синтез параметрів відновлюється.

Для вирішення другої задачі розроблена інформаційна модель технологічної підсистеми,,Р-П” на основі ІМ-СС і ІМ-ГС, основою якої є модель процесу породоруйнування, який описується системою рівнянь

, (10)

де - витрати потужності на буріння, руйнування породи і ПРІ, відповідно;

- к.к.д. процесу буріння;

- енергетичні параметри різця і породи, які визначаються ІМ-СС і ІМ-ГС, відповідно;

- коефіцієнт зношування від нагріву різця;

- одинична функція з фізичною інтерпретацією - ресурс ПРІ;

- коефіцієнт зношування різця, пропорційний часу буріння.

Ця модель враховує режимно-технологічні параметри буріння, руйнівні параметри гірської породи і самого ПРІ.

Рішення системи рівнянь (10) дає інформацію про проходку на ПРІ в залежності від заданих параметрів підсистеми,,Р-П'' і параметрів ії стану у вигляді

, (11)

де - відомі коефіцієнти.

Експериментальні дослідження роботи інформаційної моделі оптимального управління процесом буріння показали, що перехідні процеси в САР - відбуваються тривалий час при установці нового заданого значення Н0, який залежить від довжини бурильної колони, що приводить, при роботі моделі (4), до тривалого часу рішення задачі пошука оптимального режима буріння.

З метою прискорення роботи алгоритмів у пошуку оптимального режиму буріння були проведені дослідження в напрямку розробки нових інформаційних моделей управління процесом породоруйнування в підсистемі ,,Р-П”, які дозволяють більш швидко визначати режимно-технологічні параметри.

Однією з таких моделей був визнаний процес ,,вибурки”. В основу фізичної моделі ,,вибурки” покладено уявлення про лінійне та нелінійне проникнення різця коронки (зуба долота) в породу, а також лінійне деформування довжини бурильної колони при навантаженні на ПРІ.

Процес ,,вибурки” в технологічній системі,,К-Р-П” описується рівнянням енергетичного балансу

, (12)

де q - узагальнена координата (проникнення різця в породу);

П(q) - потенційна енергія стиснутої частини колони;

Е(q) - підведена енергія до обертання колони;

К(q) - кінетична енергія колони при вибурці;

AР(q) - робота руйнування породи на вибої; АІ(q) - робота руйнування різця (долота).

Використовуючи метод Ейлєра, щодо аналізу параметрів стану технологічної системи,,К-Р-П” при заданих її параметрах, знайдені диференційні рівняння для лінійного проникнення різця в породу у вигляді

, (13)

де D1, D0 - коефіцієнти параметрів системи ,,К-Р-П”, - початкові параметри її стану (- задана швидкість подачі ПРІ на вибій).

Рівнянню (13) задовільняє функція

, (14)

де С1, С0 - відомі параметри системи і її стану,,К-Р-П”.

Функція (14) описує динаміку осьового навантаження на ПРІ в часі при лінійному проникненні різця в породу.

З метою пошуку оптимального осьового навантаження на ПРІ, процес ,,вибурки” розглядається за критерієм-мінімальних витрат потужності на буріння

, (15)

де Кк - конструктивний коефіцієнт підсистеми ,,Р- П” з якого при

(16)

визначається диференційне рівняння траекторій зміни в часі оптимального осьового навантаження на ПРІ у вигляді

, (17)

якому при задовільняє функція оптимального осьового навантаження, змінного в часі, у вигляді

, (18)

де А - відомий загальний параметр підсистеми і ії стану.

Враховуючи рівняння (14) разом з (18) для лінійного закону проникнення різця в породу, розраховується оптимальне значення осьового навантаження на ПРІ, яке відповідає найефективнішому руйнуванню гірської породи.

Розроблені математичні і методичні основи обробки інформації і управління вихідними трьома режимно-технологічними параметрами процесу буріння дозволили розробити багатопараметричну інформаційну модель оптимального управління даним процесом ії структуру, алгоритми і програми для АСУ бурінням.

В четвертому розділі представлені результати розробки структури, алго-ритмів і програми обробки інформації в багатопараметричній інформаційній моделі АСУ бурінням.

За результатами робіт, викладених в розділах 2-3, в представленій структурній схемі введені наступні зміни: в системі підготовки даних додана геофізична інформація про руйнівні параметри геологічних середовищ, які визначаються за запропонованими алгоритмами обробки сейсмічних даних; в системі обробки інформації - алгоритми рішення задачі оптимального управління процесом буріння за критерієм,,Мінімальна вартість 1 м буріння”; в системі передачі інформації об'єкту управління додані підсистеми стабілізації вихідними режимно-технологічними параметрами процесу буріння.

На основі розроблених алгоритмів багатопараметричної інформаційної моделі була створена система автоматизованого управління процесом буріння, яка здатна виконувати оптимальне управління даним процесом за критерієм ,,Мінімальна вартість одного метра буріння” трьома режимно-технологічними параметрами, результати дослідження якої викладені в наступному розділі.

В п'ятому розділі дисертації наведені результати розробки технічних засобів системи автоматизованого управління процесом буріння (САУОПБ).

В склад розроблених технічних засобів САУОПБ ввійшли:

система контроля, управління, відображення, обробки і накопичення технологічної інформації термінала обчислюваного зв'язку з об'єктом;

підсистема ТП-Д регулювання частоти обертання бурильної колони, яка замінила ступінчастий регулятор з асинхронним приводом, що дозволило стабілізувати і плавно регулювати оберти ПРІ і автоматизувати управління даним параметром;

підсистема ТП-Д регулювання навантаженням на ПРІ, яка замінила ручне управління даним параметром, що дозволило стабілізувати і плавно регулювати навантаження на ПРІ і автоматизувати процес управління ним;

підсистема ТП-Д регулювання витратами промивальної рідини, яка замінила нерегульований асинхронний привод, що дозволило плавно регулювати витрати промивальної рідини на вибої і автоматизувати процес управління даним параметром.

Дослідження роботи системи автоматизованого управління процесу буріння на основі багатопараметричної інформаційної моделі були проведені методами експериментальних випробовувань САУОПБ при бурінні свердловин.

Всі результати експериментальних досліджень приведені в додатках А-М.

Висновки

1. Розроблені дві інформаційні моделі геологічного середовища, які визначають інформацію про енергоємність гірських порід з точністю 93%. Моделі відрізняються від відомих застосуванням неруйнівного метода аналізу пружних фізико-механічних параметрів суцільних середовищ на етапі сейсморозвідки, що дозволило розширити систему підготовки даних в АСУ бурінням геофізичною інформацією і розробити інформаційну модель процесу породоруйнування.

2. Розроблена інформаційна модель процесу породоруйнування, в якій визначається інформація про проходку на породоруйнівний інструмент і яка відрізняється від відомих: застосуванням інформації про енергетичні параметри гірської породи і алмазного різця, про три режимно-технологічні параметри процесу буріння; математичною моделлю взаємодії різця і породи, представленою у вигляді інтеграла типа ,,згортка”, яка враховує нагрів різця; моделлю об'єкта управління, що дозволило розробити інформаційну модель оптимального управління процесом буріння.

3. Розроблена інформаційна модель оптимального управління процесом буріння, яка відрізняється від аналогічних: а) інформаційно-пошуковим методом вибору законів управління трьома режимно-технологічними параметрами; б) коректним розв'язанням задачі оптимізації даного процесу за комплексним критерієм,,Мінімальна вартість одного метра буріння протягом рейсу”; в) використанням інформації про енергетичні параметри процесу породоруйнування, що дозволило розробити багатопараметричну інформаційну модель АСУ бурінням.

4. Розроблена багатопараметрична інформаційна модель АСУ бурінням, яка відрізняється від відомих: а) розширеною системою підготовки даних; б) методами розв'язання задач оптимального управління даним технологічним процесом трьома режимно-технологічними параметрами, що дозволяє підвищити ефективність застосування АСУ бурінням глибоких свердловин.

5. Розроблено АСУ бурінням, яка відрізняється від відомих: а) багатопараметричною інформаційною моделлю оптимізації процесу буріння;

б) трьома плавнорегульованими режимно-технологічними параметрами, що дало можливість замінити ручне і автоматизоване управління бурінням протягом рейсу на автоматичне.

6. Проведені експериментальні дослідження САУОПБ показали адекватність інформаційних моделей фізичним процесам породоруйнування: а) інформаційно-пошукова модель визначення інформації про максимальну механічну швидкість буріння справедлива на 95% для варіації параметрів процесу буріння у межах від оптимальних їх значень, б) алгоритм адаптивного управління навантаженням на ПРІ забезпечує стабілізацію заданого значення навантаження з точністю до , в) інформаційна модель визначення проходки на ПРІ справедлива на 92%, г) модель пошука оптимального навантаження на ПРІ скорочує час обробки інформації з 45 хв. до 5 хв., д) технологічна ефективність процесу буріння підвищується за рахунок рішення задачі оптимізації на 35%, економічна при вартість буріння знижується на 10-12%, що для свердловини глибиною 1500м складає 20 тис.ум.од., при оптимізації буріння за критеріями - тільки на 3-4 %; е) механічна швидкість буріння підвищена на 20%, а споживання електричної енергії знижено на 35-50%; ж) витрати ПРІ зменшуються в 1,5-1,8 рази.

Таким чином, підтверджена підвищена ефективність запропонованої організації АСУ бурінням на основі багатопараметричної інформаційної моделі оптимального управління процесом буріння.

Основні положення дисертації опубліковані у працях

1. Мишин В.Ю., Карпенко В.Н. Автоматизация буровых установок колонкового бурения // Оптимизация технологии разведочного бурения (стратегия, теория, практика): Сб. науч. тр. - М: ИГП ,,Геоинформмарк”, -1991. - С. 123-132.

2. Карпенко В.М. Математична модель системи автоматичного управління і оптимізації процесу буріння//Моделювання та інформаційні технології: Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України: Зб. наук. пр. - К. Випуск 6. -2000. - С. 160-169.

3. Дудля М.А., Карпенко В.М. Автоматизований буровий верстат 7-го класу//Науковий вісник: Зб. наук. пр. Національної гірничої академії №3. - Дніпропетровськ. -2000. - С. 88-90.

4. Дудля М.А., Карпенко В.М. Алгоритм адаптивної стабілізації навантаження на долото//Науковий вісник: Зб. наук. пр. Національної гірничої академії №4.- Дніпропетровськ. -2000. - С. 79-81.

5. Карпенко В. М., Політучий О. І. Оцінка ресурса доліт по енергетичних витратах на руйнування гірських порід при спорудженні свердловин на нафту і газ. Зб. наук. пр. ІФДНГА. - Івано-Франківськ. - 2000.

6. Карпенко В.М. Фундаментальні закони енергетичного метаморфізму// Науковий вісник: Зб. наук. пр. Національної гірничої академії №5. - Дніпропетровськ. -2000. - С.74-75.

7. Карпенко В.Н. Многопараметрическая информационная модель автоматизированного управления процессом бурения//Материалы международной научно-технической конференции. Украинский дом экономических и научно-технических знаний. - Киев. - 2001. - С. 49-50.

8. Карпенко В.М. Фундаментальні закони енергетичного метаморфізму в суцільних середовищах з пружними властивостями//Зб. наук. пр.: Матеріали 6-ої Міжнародної науково-практичної конференції ,,Нафта і газ України - 2000”. - Івано-Франківськ. Факел. - Том 2. - 2000. - С. 290-292.

9. Політучий О.І., Карпенко В.М. Методика розрахунку проходки породоруйнівного інструменту при бурінні свердловин//Нафта і газ України/ Зб. наук. пр. Матеріали 6-ї Міжнародної науково-практичної конференції ,,Нафта і газ України”. - Івано-Франківськ. - Факел. - Том2. -2000. - С. 18-20.

10. Карпенко В.М., Політучий О.І. Автоматизація процесу буріння - Сб.: Нафта і газ України. Матеріали науково-практичної конференції (Київ, 17-19 травня 1994 р.), у 2-х томах. -Львів: УНГА. -1995. Том 2-й, -16 С.

11. Політучий О.І., Голєв А.О., Карпенко В.М. Математична модель спрацювання породоруйнівного інструменту при бурінні свердловин. - Сб.: Нафта і газ України. Матеріали науково-практичної конференції (Київ, 17-19 травня 1994 р.), у 2-х томах. - Львів: УНГА. -1995. Том 2-й, -17 С.

12. ZIEBA A., DUDLA N., POLITUCZIJ A., KARPENKO V. Ulad аutomatiycz- nego sсerowania і optymalizacji wiercenia glebokich otworow//7-th internatinal scientific and technical conference. “New Methods and Technologiest in Petrole-um Geology, Drilling and Reservoir Engineering”. - Cracov, 20-21 June 1996.

13. Карпенко В. М., Політучий О. І. Моделювання процесу породоруйнування в системі колона - різець - порода// Технологія будівництва нафтових і газових свердловин та автоматизація виробничих процесів: Зб. наук. пр. -К.: ,,Наукова думка”. -1999. - С. 153-160.

14. Винахід. Система контролю та вимірювання технологічних параметрів процесу буріння /Політучий О.І., Карпенко В.М., Миргородський М.М., Нагорний А.П., Ткачов М.І., Іващенко Р.О./ №99052627; Заявл. 12.05.1999.

Размещено на Allbest.ru

...