Розробка методу контролю технічного стану шарошкових доліт в умовах невизначеності процесу буріння

Показано, що у нашій країні і за рубежем питанням контролю технічного стану доліт надається велика увага. Над вирішенням цієї наукової проблеми працюють фірми України, Росії, США, Великобританії, Франції, Канади та інші. Найбільш вагомий внесок в цьому напрямку зроблено такими вченими як Горбійчук М.І., Заміховський Л.М., Карпенко В.П., Міронов В.П., Онищенко В.Г., Політучий О., Сабітов Е.Х., Семенцов Г.Н., Стетюха Е.Х., Турко А.А., Федоров В.С., Бінгхем М.Г., Вудс Х.Б., Габашвілі Н.В., Галле Е.М., Голєв А.О. та іншими.

Наведені загальні відомості про процес буріння і бурові долота як контрольований об'єкт. Показано, що в процесі буріння свердловини основну роль відіграє долото, технічний стан якого зумовлює ефективність самого процесу буріння.

Удосконалена класифікація методів контролю технічного стану бурових доліт. На основі аналізу літературних джерел і тенденцій світового приладобудування визначено, що перспективними для контролю технічного стану доліт при бурінні свердловин є побічні методи, які базуються на контролі зміни механічної швидкості проходки і крутного моменту на долоті і тісно пов'язані зі станом озброєння і опор долота та властивостями гірських порід. Ці методи розробляються на основі статистичного аналізу характеристик процесу буріння і встановленні їх взаємозв'язку із технічним станом доліт.

Проаналізовані засоби контролю технічного стану доліт. З'ясовано, що розробка і впровадження нових засобів, які задовільняють вимоги технологічного контролю, пов'язані з вирішенням комплексу інформаційних, технічних, екологічних і економічних проблем. З врахуванням цих проблем оцінені нові розробки в області контролю технічного стану доліт.

Проведений аналіз існуючих методів та засобів контролю показав, що на даний час відсутні засоби для контролю технічного стану доліт у процесі поглиблення свердловини, які забезпечують прийняття керуючих рішень з високою вірогідністю і швидкодією в умовах невизначеності процесу буріння.

Відзначено, що у зв'язку з розвитком методів теорії нечітких множин створюється можливість організації нового підходу до розробки методів і засобів контролю технічного стану доліт, який полягає в застосуванні нечіткої логіки для розв'язання наукової задачі контролю технічного стану доліт в умовах невизначеності процесу буріння.

У другому розділі розроблені теоретичні положення методу контролю технічного стану шарошкових доліт в умовах невизначеності процесу буріння, розроблена математична діагностична модель шарошкового долота, сформульовані основні поняття і визначення нечіткої логіки, обгрунтована необхідність використання нечіткої логіки для контролю технічного стану шарошкових доліт у процесі буріння свердловин, представлені параметри режиму буріння у вигляді нечітких множин.

Стан долота, як об'єкта контролю, запропоновано характеризувати параметрами його стану (рис. 1),

де (t), g(t) - зношення озброєння і опор долота.

З множини зовнішніх впливів, які діють на долото, вибрані лише ті, які суттєво впливають на стан долота: вхідні керуючі впливи X(t)=[P(t), n(t), Q(t)]; фізико-механічні і абразивні властивості f порід, які є неконтрольованими; контрольовані параметри об'єкта =[d, n_ш, n_з], від яких залежать параметри стану долота. Тут Р(t) - осьове навантаження на долото; n(t) - частота обертання долота; Q(t) - витрата промивального розчину; d - діаметр долота; n_ш - кількість шарошок; n_з - кількість зубців на шарошках. Параметри стану долота Z_i(t) пов'язані з вхідними керуючими впливами X(t), параметрами об'єкта і властивостями гірських порід f залежністю:

, i=1,2.

Вплив стану долота на інші показники процесу буріння характеризується значеннями його вихідних величин Y(t) - проходки h(t) і механічної швидкості проходки v(t), тобто y(t)={h(t), v(t)}. Кожна з вихідних величин визначається через параметри стану z(t) своєю функціональною залежністю

y_j(t)=H_j[Z(t),t], j=1,2.

У зв'язку з тим, що показники групи y не дають однозначної відповіді про стан долота, особливо опор, ввели додатково групу комплексних показників: потужність на долоті N(t), момент на долоті M(t), питомі енергозатрати a(t) та інші. Ця група показників контрольованого об'єкта визначається як деяка функція від вхідних і вихідних величин, тобто, k=1,...,d. Для правильного вибору контрольованих величин визначили клас задачі контролю технічного стану долота і в зв'язку з тим, що процес поглиблення свердловини є нестаціонарним випадковим процесом, що розвивається в часі, і між точками простору параметрів стану Z і простору спостережень Y_c немає однозначної відповідності, цей варіант контролю відповідає визначенню подій в умовах невизначеності. З'ясовані основні джерела невизначеності.

Структура досліджуваних функцій визначена методом аналізу розмірностей. При побудові критерію контролю технічного стану доліт згідно з відомими положеннями аналізу в системі одиниць L, M, T вибрані величини: момент на долоті М, частота обертання долота n, осьове навантаження на долото Р і механічна швидкість проходки v, розмірності яких повинні об'єднуватися деякою функціональною залежністю f(M,n,P,v)=0. З цих змінних можна утворити тільки одну безрозмірну величину

,

яка є відношенням потужності, що витрачається на обертання долота, до потужності, що витрачається на просування долота вздовж свердловини.

Величина буде постійною на стадії нормальної експлуатації долота при бурінні в ізотропних породах і зростатиме при переході долота в режим катастрофічного технічного стану.

Показник (1) піддається безперервному контролю і прийнятий за критерій контролю технічного стану доліт за опорою і озброєнням.

Наведені різновиди критерію (1): і , де - оцінка відносного зношення озброєння долота, - постійний коефіцієнт для даного рейсу долота.

Показник покладений в основу створення методу контролю технічного стану шарошкових доліт у процесі буріння свердловин. Він дозволив визначити перелік контрольованих параметрів і цілеспрямовано провести дослідження основних статистичних характеристик цих параметрів. Показано, що для впевненого визначення на тлі значних перешкод моменту завершення буріння за технічним станом долота необхідно додатково використати один із алгоритмів кумулятивних сум.

Аналіз алгоритмів визначення зміни властивостей випадкових величин показав, що у випадку апріорної невизначеності, яка має місце у буровій практиці, ефективний розв'язок поставленої задачі можна отримати за допомогою рекурентного G-алгоритму або GZ-алгоритму кумулятивних сум, який був запропонований раніше Г.Н. Семенцовим і М.І. Горбійчуком.

Показано, що цей алгоритм ефективний у випадку роботи долота в ізотропних породах. Однак під час поглиблення свердловини долото може перейти в гірські породи з іншими фізико-механічними властивостями, в зону АВПТ, може утворитися, так званий, “сальник”, статися прихоплення долота, осипання і обвал порід, ознаками яких є також зміна крутного моменту і механічної швидкості проходки. Тому, користуючись тільки детермінованими алгоритмами і алгоритмом кумулятивних сум, здійснити ефективний контроль технічного стану долота в умовах такої невизначеності процесу буріння неможливо.

Сформульовані основні поняття і визначення нечіткої логіки (Fuzzy Logic), яка є ефективним шляхом розробки, оптимізації і побудови дуже складних систем контролю на основі системного аналізу і базується, головним чином, на інтуїції експерта і досвіді інженера.

Показано, що інформаційна обробка вихідної інформації складається з наступних основних процедур:

фазіфікації - отримання із нечітких величин чітких діапазонів;

інференціювання - логічної обробки правил;

дефазіфікації - перетворення лінгвістичних змінних виходу у неперервний вихідний сигнал.

Обгрунтована необхідність використання нечіткої логіки для контролю технічного стану доліт у процесі буріння, виходячи з наявності двох основних типів невизначеності: випадковості та нечіткості.

Відмічено, що: тільки використання нечіткої логіки дозволяє здійснити контроль технічного стану долота в процесі буріння свердловини в умовах невизначеності, оскільки має місце значна кількість параметрів і показників процесу буріння (в тому числі і нелінійних), які вимагають враховування у математичній моделі; побудувати адекватну математичну модель для поставленої задачі контролю технічного стану долота в процесі буріння свердловини в умовах невизначеності неможливо; задача ефективного контролю технічного стану долота не розв'язується класичними методами.

Використання нечіткої логіки для розробки методу контролю технічного стану долота передбачає наступні етапи: формалізацію поставленої задачі контролю - визначення змінних, співставлення мовного опису з конкретними фізичними значеннями; розробки бази правил, які визначають стратегію контролю - ввід початкових правил і задання методу дефазіфікації вихідних даних; оптимізація розробленої системи контролю - інтерактивний аналіз поведінки системи з використанням заздалегідь підготовлених промислових даних або за допомогою програмної моделі контрольованого об'єкту; реалізацію методу контролю.

Кількість термів, за допомогою яких експерти оцінювали параметри режиму буріння, прийнята рівною трьом: низький (Н), середній (С), високий (В).

Функції належності параметрів, що входять у нечіткі правила-продукції, були побудовані методом статистичної обробки експертної інформації. Математична формалізація експертних знань, покладених в основу роботи алгоритму, здійснена в рамках теорії нечітких множин. У результаті обробки експертної інформації були отримані аналітичні вирази функцій належності для кожного параметра, що розглядався:

де u - відображення конкретного параметру на універсальну множину U;

- функції належності нечіткого параметра u до нечіткої підмножини: - “низький”; - “середній”; -“високий”.

Збір і обробка інформації здійснювалася згідно розробленої методики.

У третьому розділі наведено методичне, технічне і програмне забезпечення методу контролю технічного стану доліт.

Оскільки принциповою особливістю контрольованого об'єкту є недоступність контролю за станом долота шляхом прямих спостережень у процесі буріння, а також постійне віддалення об'єкта в міру поглиблення свердловини в роботі прийнята методика досліджень об'єкта, яка використовує пасивний план промислових експериментів з наступною обробкою експериментальних даних за допомогою кореляційно-регресивного аналізу та інших методів математичної статистики. Враховуючи, що контрольовані параметри пошкоджені завадами, особлива увага приділялась питанням вірогідності результатів експериментів.

Для отримання інформації про роботу долота в процесі поглиблення свердловин використовувався комплекс засобів наземного контролю і управління процесом буріння нафтових і газових свердловин СКУБ-М1 і система контролю “Карпати”, які пройшли повірку органами держнагляду.

Запис головних параметрів і показників процесу буріння проводився на діаграмну стрічку реєструючих приладів ДИСК-50, КСУ-2, Н3092. Одержані в результаті досліджень експериментальні дані оброблялися на ЕОМ за допомогою середовища Mathcad 7.0 стандартними програмами, що відповідали поставленим в роботі задачам.

Експериментальні дослідження технічного стану доліт проводилися на бурових установках Долинського УБР ВАТ “Укрнафта”, які характеризуються великою складністю і різноманітністю умов буріння, використаної техніки і технології буріння свердловин.

Запропоновані методика і вимірювальна апаратура дозволили отримати безперервну інформацію про технологічні параметри і показники процесу буріння, що була використана для розробки і дослідження методу контролю технічного стану доліт.

Четвертий розділ присвячено розробці методу контролю технічного стану доліт в умовах невизначеності процесу буріння на основі лінгвістичного опису і аналізу промислових даних про роботу долота в режимі катастрофічного зношення, вибору частоти опитування давачів, DynStar і Реміконт - реалізації розробленого методу контролю, розробці алгоритмічної структури пристрою контролю технічного стану доліт.

Промислові дані отримані при бурінні свердловини №45 Танява Долинського УБР ВАТ “Укрнафта” долотами типів ІІІ 215.9С-ГВ, ІІІ 215.9СЗ - ГВ, ІІІ 215.9МС-ГНУ, ІІІ 215.9С-ГВУ в породах поляницької свити Берегового зсуву при роторному способі буріння.

На основі промислових даних отримані стійкі кореляційні залежності енергетичних і технологічних параметрів процесу буріння шарошковими долотами, що дозволяють за зміною енергетичних показників процесу буріння визначити технічний стан опор і озброєння долота та попереджувати аварійні ситуації.

Методом найменших квадратів встановлено, що на стадії катастрофічного зношення опор долота зміна моменту М_кр у часі для різних типорозмірів доліт на різних глибинах апроксимується рівнянням експоненти з похибкою =0.015-0.01

,

де - момент на долоті на почату стадії катастрофічного зношення,

=0.2-0.6 - показник степеня, який залежить від типорозміру долота, властивостей гірських порід і параметрів процесу буріння.

Аналогічним чином доведено, що закономірність зміни механічної швидкості проходки в часі при випереджуючому зношенні опор долота апроксимується рівнянням прямої лінії:

,

де - початкове значення механічної швидкості проходки на стадії випереджуючого катастрофічного зношення опор долота,

^* - коефіцієнт пропорційності.

Моделі (2) і (3) були використані для дослідження розробленого методу в режимі off-line.

Отримані багатофакторні залежності енергетичних і технологічних параметрів і показників процесу буріння свердловин, які дозволили визначити, що на формування потужності N, яка споживається двигуном приводу роторного столу, найбільший вплив мають осьове навантаження на долото P і крутний момент на долоті M:

N=24.4510^-5M+49.2610^-5P+0.37v+226.3

Розрахункові коефіцієнти Фішера вище табличних для рівня значущості 0.01, що підтверджує адекватність моделі досліджуваному процесові.

Проведений аналіз оцінок автокореляційних функцій контрольованих параметрів і дисперсій похибок вимірювання, що дозволило визначити період опитування давачів у межах 16-22 с, який забезпечує ефективний контроль технічного стану доліт у процесі буріння. Показано, що максимальна похибка вимірювання механічної швидкості проходки спостерігається при співпадінні кроку дискретизації t із закінченням чергової подачі бурильного інструмента.

Доведено, що зменшити відносну похибку вимірювання механічної швидкості проходки можна шляхом вибору адаптивного кроку дискретизації механічної швидкості проходки v(t) і визначення приросту проходки h в моменти загальмування барабана бурової лебідки. В цьому випадку досягається зменшення відносної похибки від нерівномірності подачі бурильного інструмента практично до нуля і сумарна відносна похибка стає рівною відносній динамічній похибці вимірювання, що підвищує точність контролю технічного стану доліт.

Встановлено, що оптимальним, з точки зору мінімуму систематичної похибки вимірювання механічної швидкості проходки, є крок дискретизації проходки, що дорівнює часу між двома черговими подачами бурильного інструмента. Експериментальними дослідженнями доведено, що цей час коливається в межах 10-30 с, що задовольняє вимоги точності вимірювання інших параметрів, крок дискретизації яких 16-22 с визначено за допомогою оцінок автокореляційних функцій .

Здійснено DynStar - реалізацію методу контролю технічного стану доліт, який базується на розробленому нечіткому алгоритмі контролю. Це дозволяє ідентифікувати в умовах невизначеності процесу буріння катастрофічне зношення долота, перехід долота в зону АВПТ, зміну сил опору обертанню долота.

Запропонована Реміконт-реалізація розробленого методу контролю технічного стану доліт, яка дозволяє створити систему контролю на серійних мікропроцесорних контролерах, що забезпечує надійний контроль технічного стану доліт і попередження аварійних ситуацій.

З врахуванням характеру задач контролю і форми взаємодії з технологічним процесом буріння запропонована і розроблена структура пристрою контролю технічного стану долота і його програмна частина, що містить базу знань БЗ, блок логічного виводу БЛВ, блок зв'язку з контрольованим об'єктом БЗКО (рис.3).

Запропонована структура не є автономно функціонуючим програмним продуктом, а розроблена, як інтелектуальна надбудова існуючої на буровій системи контролю і керування. БЗ і БЛВ визначають дві основні характеристики контролю: спроможність зберігати знання і вміння керувати ними. При розробці БЗ враховувались такі особливості процесу буріння: наявність відносно незалежних блоків обладнання, динамічність функціонування, часта зміна ситуацій, поповнення масивів вимірюваних даних, що характеризують відробку долота.

Запропоновано структурувати знання, що дозволяє пристрою ефективно працювати в реальному масштабі часу, оскільки це прискорює процес прийняття рішень. БЗ розбита на незалежні блоки, кожен з яких дозволяє вирішувати певну задачу. Таким чином, глобальна база

знань ГБЗ структурно містить локальні бази знань, які в свою чергу містять блоки логічних правил і блоки нечітких даних.

При розробці методу контролю враховували, що при великому обсязі знань може виникнути проблема вибору локальної бази знань, яка безпосередньо бере участь у прийнятті рішень. У зв'язку з цим запропоновано використати метазнання, тобто знання пристрою контролю про себе, про свою структуру і про свою роботу. Блок метазнань БМЗ, що входить додатково в базу знань, дозволяє при зміні режиму буріння свердловини, виникненні аварії на буровій або при виході будь-якого контрольованого параметра за межі допустимих значень, вибрати необхідну для рішення проблеми локальну базу знань.

У п'ятому розділі проведений аналіз і узагальнення результатів дослідження методу контролю технічного стану доліт в умовах невизначення процесу буріння. На основі методів теорії ймовірностей досліджена точність і вірогідність контролю технічного стану шарошкових доліт, а також ефективність використання пристрою в промислових умовах.

Досліджена повна похибка вимірювань, що складається з похибок апаратури контролю, динамічної, похибки опитування давачів і похибки квантування за рівнем.

Показано, що похибки апаратури контролю вимірювальних трактів визначаються головним чином похибками давачів і перетворювачів, що входять до складу пристрою контролю технічного стану доліт. Границі допустимих значень приведеної основної похибки апаратури контролю, використаної в розробленому пристрої, змінюються в межах ( 0.5 - 2.5)%.

Відносна дисперсія динамічної похибки давачів незначна і не перевищує 0.02%. Динамічні похибки всіх давачів розподілені нормально і корелюють з похибкою квантування.

Оскільки глибина квантування в розробленому пристрої контролю технічного стану доліт і контрольована величина розподілена за нормальним законом, то оцінка математичного сподівання похибки квантування М_н =0, дисперсія похибки квантування

,

де q - інтервал дискретності. Поправки до цих значень при зміні глибини квантування від 1.0 до 0.33 дуже малі і коливаються в межах для М_н і в межах для Д_н, тобто фактичне значення дисперсії і похибки квантування залежить тільки від інтервалу дискретності q і має досить мале значення.

Враховано, що точність контролю технічного стану доліт залежить ще і від нестаціонарної методичної похибки, що виникає при опитуванні давачів. Оцінки математичного сподівання похибки і середньої дисперсії Д визначені графо-аналітичним шляхом з використанням оцінок автокореляційних функцій .

Розглянуто вплив похибки заокруглення при обчисленнях на ЕОМ на точність рішення задачі контролю технічного стану доліт при умові, що похибки заокруглення, які виникають в окремих операціях, є взаємно незалежними випадковими величинами. Доведено, що похибка заокруглення незначна і суттєво менша за похибку апаратури контролю.

Досліджена вірогідність контролю технічного стану доліт, яка є мірою визначеності результатів контролю і основною характеристикою пристрою контролю, що оцінює якiсть інформації про технічний стан доліт.

Числове значення вірогідності контролю технічного стану доліт за допомогою розробленого методу складає , що дає можливість отримати надійну інформацію про технічний стан шарошкових доліт у процесі буріння свердловин в екстремальних умовах і попереджувати аварійні ситуації.

Розрахована ефективність контролю технічного стану доліт за допомогою розробленого методу, яка складає 0.87 і підтверджує економічну доцільність застосування розробленого методу на бурових підприємствах.

Випробування методу контролю технічного стану доліт проведені на промислових даних, отриманих на свердловині №45 площі Танява Долинського УБР ВАТ “Укрнафта” і матеріалах інших дослідників. Крім того розроблений метод впроваджений у навчальний процес у вигляді лабораторного стенду для студентів спеціальності 7.092501 - Автоматизоване управління технологічними процесами.