Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ В ОБЛАСТИ
АППАРАТНОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
АВТОМАТИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ
ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ СКВАЖИН СО СЛОЖНОЙ
ТРАЕКТОРИЕЙ 17
1.1. Особенности процесса бурения скважин как объекта
18
автоматизации
Параметры траектории ССТ 20
Общий подход к решению проблемы формирования
21
траектории ССТ
1.2. Структура современной системы управления движением
23
бурового инструмента
1.3. Алгоритмы принятия решений по формированию
26
управляющих воздействии
1.3.1. Требования, предъявляемые к математической модели
29
движения бурового инструмента
1.3.2. Анализ математических моделей движения бурового
29
инструмента
Прогнозирование движения бурового инструмента в процессе принятия решений по выбору управляющих воздействий 37
Подсистема исполнения решений 39
Средства контроля параметров траектории ССТ 40
Каналы передачи данных 49
Выводы и результаты по первой главе. Постановка зада-
54
чи исследования
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
ДВИЖЕНИЯ КНБК И АЛГОРИТМОВ ПРОГНОЗА
ТРАЕКТОРИИ СТВОЛА СКВАЖИНЫ В ПРОЦЕССЕ
БУРЕНИЯ 57
Общие положения и принципы построения математической модели движения КНБК 57
Выбор и обоснование системы уравнений, положенных в основу модифицированной кинематической модели движения КНБК 61
Алгоритмы прогноза траектории ССТ 73
2.3.1. Алгоритмы прогноза траектории на основе регресси
онного анализа и кинематической модели 74
2.3.2. Алгоритмы долгосрочного прогноза на основе матема
тической модели движения КНБК с отклонителем 94
2.4. Результаты и выводы по второй главе 97
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ
УПРАВЛЕНИЯ НАПРАВЛЕННЫМ БУРЕНИЕМ
Алгоритм управления слежением за текущей траекторией движения КНБК с использованием нечеткой логики 99
Уровень управления с прогнозирующей обратной связью 107
Математическая постановка задачи управления с прогнозирующей обратной связью 107
Алгоритмы решения задач уровня управления с прогнозирующей обратной связью 109
Разработка алгоритмов оперативного управления на участке набора зенитного угла 113
3.2.4. Исследование алгоритмов терминального программ
ного управления на участке набора зенитного уг
ла 116
3.3. Аппаратная и программная реализация алгоритмов
управления бурением 120
3.4. Результаты и выводы по четвертой главе 124
5 ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА
СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ И АВТОМАТИЗАЦИИ
УПРАВЛЕНИЯ БУРЕНИЕМ ССТ 127
4.1. Разработка средств контроля параметров траектории
ССТ на базе инклинометров 127
Анализ погрешности инклинометрических преобразователей в условиях воздействия температурных полей 128
Анализ погрешности инклинометрических преобразователей в условиях механических воздействий в процессе измерений 134
Анализ основных факторов, влияющих на достоверность контроля параметров траектории скважин 136
Повышение точности и достоверности контроля на основе конструкторско-технологических решений 140
Повышение точности и достоверности контроля на основе структурно-схемотехнических и алгоритмических подходов 141
Разработка и исследование гидроакустического канала связи 145
Структуры телеметрических систем для контроля угловых параметров траектории скважины 159
Кабельная телеметрическая система для управления бурением скважин по заданной траектории 161
Телеметрическая система с передачей информации
по гидравлическому каналу связи 165
4.4. Основные результаты и выводы к третьей главе 170
ГЛАВА 5. РЕАЛИЗАЦИЯ, ИСПЫТАНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ
РАЗРАБОТАННЫХ УСТРОЙСТВ И СРЕДСТВ
АВТОМАТИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ
БУРЕНИЕМ 173
5.1. Общая характеристика проведенных работ 173
5.2. Экспериментальные исследования с использованием
173
автономных инклинометров
5.3. Экспериментальные работы с использованием
179
телеметрических систем с проводным каналом связи
5.4. Опытно-экспериментальные работы по созданию бес-
189
проводного гидроакустического канала связи
5.5. Опытно-практические работы по созданию элементов
автоматизированной системы управления траекторией
скважины на базе телеметрической системы с гидравличе-
195
ским каналом связи
5.6. Общие выводы по материалам пятой главы 199
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 201
ЛИТЕРАТУРА 203
Введение к работе
Актуальность темы. Практика бурения на нефть и газ имеет международный характер и получила широкое распространение в самых различных регионах мира. Еще в недавнем прошлом, в 50-60-х годах прошлого столетия нефть и газ добывались из несложных и легкодоступных месторождений, что слабо стимулировало развитие и внедрение совершенных технологий бурения. Только в 60-х годах оптимизация процесса бурения скважин, особенно в США, начала приносить прибыли. Процесс оптимизации был обусловлен необходимостью снижения затрат на бурение для повышения конкурентоспособности нефтяных компаний. В современных условиях, при наличии достаточно высоких и относительно стабильных ценах на нефтегазовое сырье, просматривается устойчивая тенденция к росту объемов бурения. Так, в 2000г. [52] всего в мире было пробурено 64158 скважин общей длиной 103221,562 км, из них в нашей стране 3405 скважин общей длиной 9305,856 км, в 2001 г. прирост объемов бурения составил порядка 20%. Эта тенденция сохраняется и поныне [51]. Следует отметить также качественные сдвиги в современном бурении в части, касающейся траектории скважин. Все большая часть скважин по своим траектор-ным параметрам относится к скважинам со сложными траекториями (ССТ), включая наклонно-направленные, наклонно-горизонтальные, а также многоствольные скважины. Строительство ССТ обусловлено, в свою очередь, такими объективными причинами, как истощение основных нефтяных месторождений, что приводит к необходимости освоения труднодоступных залежей (шельфо-вые месторождения, извлечение сырья из тонких пластов, уплотнение сетки скважин при кустовом бурении и др). Применение в данном случае эффективной автоматизированной системы управления позволит существенно сократить сроки бурения и затраты. Кроме того, создаются весомые предпосылки для значительного повышения нефтегазоотдачи разбуриваемого месторождения.
Создание современных автоматизированных систем управления траекторией скважин возможно на основе применения компьютеризированных техно-
8 логий управления в процессе бурения. Основными функциями таких систем являются:
информационное обеспечение технологического процесса бурения;
определение текущих координат бурового инструмента;
принятие управляющих решений;
автоматизированная поддержка действий оператора на основе системы автоматического управления реального времени;
осуществление управления - автоматизированное, оперативное изменение параметров бурового инструмента, соответствующее принятым управляющим решениям.
За рубежом к настоящему времени известно более 200 систем управления траекторией ствола скважин, разработанных фирмами Schlumberger, Sperry -Sun, Mobil Development, General Electric, Exxon Production Research, Gerhart -Owen Industries и др., которые относятся, в основном, к классу телеизмерительных (Measurement While Drilling - MWD) систем. Они обеспечивают измерение во время бурения основных параметров направления ствола скважины (азимут, зенит, угол установки отклонителя), оценки пласта, параметров процесса бурения (скорости бурения, давления бурового раствора и т.д.). Имеющиеся за рубежом экспериментальные установки управления бурением посредством телеуправляемых с поверхности земли компоновок, изменения режима бурения, поворота ротора бурильной колонны изготовлены в единичных образцах, дорогостоящи (1,8 - 2,0 млн. долларов) и не обеспечивают возможность непрерывного, полностью автоматического (без вмешательства оператора) управления движением бурового инструмента на основе замкнутых систем с обратной связью.
В нашей стране сложилась ситуация, при которой за последние 15 лет, наряду с резким сокращением финансирования собственных научных исследований и опытно-конструкторских работ, закуплено за рубежом около 50 различных телеметрических систем на общую сумму порядка 75 млн. долларов США. Однако подобный подход не привел к созданию и внедрению эффектив-
ных систем управления траекторией бурения ССТ. Это прежде всего обусловлено следующими факторами:
применяемые сегодня методы принятия решений в процессе бурения основываются на упрощенных моделях, опыте и интуиции технологов бурения и не рассчитаны на эффективное применение вычислительной техники. Существующая система принятия решений громоздка, субъективна и неоптимальна;
решение задачи информационного обеспечения на базе отечественных телеметрических систем затруднено из-за низкой достоверности контроля измерительными преобразователями угловых параметров траектории скважины, отсутствием каналов связи с достаточной пропускной способностью, инвариантных к строению горных пород, технологии бурения. Зарубежные системы дороги, обладают низким ресурсом и несовершенны.
Из всей совокупности задач, требующих своего решения, следует выделить первоочередные - это разработка структуры автоматизированной системы управления бурением, алгоритмов прогноза и управления траекторией бурения на основе динамических моделей движения компоновки низа буровой колонны (КНБК), исследование особенностей построения гидроакустических каналов связи, повышения точности и достоверности определения параметров траектории. Необходимость решения этих задач обусловлена недостаточной изученностью или отсутствием доступа к соответствующей информации, что, в свою очередь, служит препятствием для создания эффективных систем управления бурением ССТ, базирующихся на использовании возможностей современной техники и компьютерных технологий.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать однозначный вывод об актуальности и своевременности исследований, составляющих тему диссертации.
Целью работы диссертационной работы является повышение эффективности управления движением бурового инструмента при формировании сложной траектории ствола скважины на основе разработки алгоритмов управления с использованием прогнозирующих моделей и их программно-аппаратной pea-
10 лизации в составе автоматизированной системы управления процессом бурения.
Задачи исследования.
Разработать математическую модель движения бурового инструмента как объекта управления.
Разработать и исследовать алгоритмы многоуровневого управления траекторией ствола скважины с использованием прогнозирующих моделей.
Разработать алгоритмы обработки измерительной информации в забойной части с целью повышения точности и достоверности контроля параметров траектории скважины.
Разработать методику оценки эффективности гидроакустического канала связи, основанную на анализе уравнений распространения акустических волн в многослойных средах, позволяющую аналитически определить параметры и характеристики канала связи, обуславливающие качество передачи глубинной информации в процессе бурения.
Обеспечить техническую реализацию и внедрение предложенных решений в составе системы управления траекторией движения бурового инструмента.
Методы исследования. !
При решении поставленных задач в работе были применены методы системного анализа, идентификации динамических систем, математической статистики, теории автоматического контроля и оптимального управления, интеллектуального управления с использованием нечеткой логики, теории связи и акустики, обработки информации и моделирования на ЭВМ, проектирования систем автоматизированного управления.
Результаты, выносимые на защиту.
Математическая модель движения бурового инструмента, основанная на объединении кинематического и динамического подходов к ее формированию и используемая для долгосрочного прогноза траектории ССТ.
Алгоритмы многоуровнего управления траекторией движения бурового инструмента, основанные на использовании предложенных в работе прогнози-
рующих моделей.
Алгоритмы комплексной обработки измерительной информации, обеспечивающие повышение точности и достоверности контроля параметров траектории скважины.
Методика оценки эффективности гидроакустического канала связи, основанная на анализе уравнений распространения акустических волн в многослойных средах.
Технические решения, позволяющие создать и внедрить автоматизированную систему управления траекторией движения бурового инструмента.
Научная новизна.
Новизна модели движения бурового инструмента заключается в объединении кинематического и динамического подходов к ее формированию, что позволяет учитывать действующие на компоновку низа буровой колонны силы и оценивать изменение её параметров в процессе движения бурового инструмента.
Новизна алгоритмов многоуровневого управления траекторией ствола скважины состоит в совмещении программного управления слежением за траекторией движения бурового инструмента с использованием алгоритмов нечеткой логики и прогнозирующего управления, на основе разработанной модели движения бурового инструмента, что позволяет при необходимости оперативно корректировать проектную траекторию ствола скважины.
Новизна алгоритмов обработки глубинной измерительной информации состоит в том, что, помимо обработки информации основных измерительных преобразователей угловых параметров, производится оценка механических вибраций, температуры и намагниченности буровой колонны, на основе чего осуществляется оперативный контроль непрерывный контроль достоверности измерительной информации.
Новизна методики оценки эффективности гидроакустического канала связи заключается в получении оценок параметров и характеристик гидроакустического канала связи на основе аналитических зависимостей, полученных в
12 результате решения уравнений распространения акустических волн в скважин-
ной системе
Практическая значимость и внедрение результатов работы.
На основании полученной модели движения бурового инструмента, инвариантной к технологии бурения и горно-геологическим условиям, обеспечивается эффективный долгосрочный прогноз траектории, используемый при организации многоуровневого управления траекторией ствола скважины. Таким образом, создана основа для выработки эффективных управляющих решений при проводке скважин непосредственно в процессе бурения.
Использование предложенных алгоритмов обработки глубинной измерительной информации и методики оценки эффективности гидроакустического канала связи создают условия для разработки автоматизированных средств контроля параметров траектории скважины, обеспечивающих высокую точность и достоверность их функционирования при разработке в составе программно-технических средств телеметрических систем.
Предложенные технические решения реализованы в виде опытных телеметрических систем «Пилот БП26»; «Пилот БПА26»; «Пилот ББ-65», прошедших успешные испытания на ряде скважин страны (скважина 1ЭС - Лемезы, ГС в шахте «Сомпа», Мутновская геотермальная электростанция, НГКМ Оренбургской области, Сахалина и др.).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно - технических конференциях и совещаниях.
IV республиканской научно-технической конференции (г. Минск, 1983г.);
Научно-технической конференции Московского городского правления НТО Приборостроительной промышленности и МИЭМ (г. Москва, 1984г.);
Республиканской межотраслевой научно-производственной конференции по автоматизации и механизации трудоемких производственных процессов на предприятиях республики (г. Уфа, 1984г.);
Научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (г.Гурзуф, 1996г.);
Международной научно-технической конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России» (г.Уфа, 1998г.);
Научно-технической конференции «Новые информационные технологии - разработка и аспекты применения» (г.Таганрог, 1998г.);
Республиканской научно-технической конференции «Интеллектуальное управление в сложных системах - 99» (г.Уфа, 1999г.);
Научном симпозиуме «Новые технологии в геофизике» (г.Уфа, 2001г.);
Конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления «Датчик - 2001» (г. Москва, 2001г.);
V Международном симпозиуме по бурению скважин в осложненных условиях (г. Санкт-Петербург, 2001 г.);
IV Международном семинаре «Компьютерные науки и информационные технологии» (г. Патры, Греция, 2002г.).
Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 26 печатных работах, в том числе в 3-х статьях, в 14 материалах научно-технических конференций, получено 14 патентов и авторских свидетельств на изобретения.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из 211 страниц машинописного текста, включающего введение, 5 глав, заключение, список литературы из 82 наименований.
Содержание работы.
В первой главе рассмотрены особенности процесса бурения скважин как объекта автоматизации с акцентом на навигационный аспект данного процесса. С учетом современного уровня рассмотрена обобщенная структура системы управления движением бурового инструмента (СУДБИ). Подсистемы СУДБИ представляющие наибольший интерес рассмотрены более подробно: подсистема принятия решений, глубинные средства контроля параметров траектории
14 скважин, каналы передачи данных,. При этом рассмотрено состояние развития
данных подсистем, отмечены проблемы и вопросы нуждающиеся в разрешении. На основании материалов главы выбраны направления исследований, сформулированы цель работы и задачи исследований.
Во второй главе рассматриваются вопросы построения модели движения бурового инструмента и алгоритмы прогноза траектории бурения.
В работе предложено рассматривать уравнения движения компоновки низа буровой колонны в подвижной системе координат. Используя данный подход получена кинематическая модель движения КНБК. Пространственная кривизны траектории бурового инструмента, входящую в упомянутую модель, получена из уравнения, учитывающее все действующие силы и изгибающие моменты и составленное в предположении, что низ буровой колонны от забоя до точки первого касания представляет собой жесткую упруго деформированную балку.
При разработке алгоритмов прогноза предложен комбинированный подход к прогнозированию траектории скважины: долгосрочный прогноз, основанный на применении разработанной математической модели движения КНБК- на длине до 1000 м, и краткосрочный прогноз с использованием регрессионной модели, полученной на основе данных о пробуренной траектории скважины, на длине до 100м.
Оценка предложенных алгоритмов показала их эффективность.
В третьей главе предложена трехуровневая организация СУБДИ, включающей в себя заданную программу управления движением бурового инструмента (проектный уровень), уровень управления с прогнозирующей обратной связью (прогнозирующее управление) и уровень слежения за текущей траекторией бурения (уровень слежения).
Алгоритмы управления уровня слежения основаны на непрерывной компенсации отклонений фактической траектории движения КНБК от проектной. В работе предложен нелинейный алгоритм управления движением КНБК, основанный на использовании нечеткой логики решающих правил, обеспечи-
15 вающих одновременное снижение отклонений азимутального (а) и зенитного
(в) углов. Результаты моделирования процессов управления движением КНБК
показали высокую работоспособность предложенного алгоритма.
Предлагаемые алгоритмы коррекции проектной траектории и программы управления строятся на основе прогноза траектории бурения, т.е. по принципу использования прогнозирующей обратной связи. Расчет требуемой программы управления базируется на принципах оптимального управления. Оптимальная программа управления определяется из условия минимизации обобщенного критерия, определяющего интегральное отклонение скорректированной траектории от проектной и характеризующего отклонение конечной точки траектории от заданной проектной точки вскрытия продуктивного пласта. Исследования разработанных алгоритмов оперативной коррекции проектной траектории и программы управления движением бурового инструмента на участке набора зенитного угла показали их высокую эффективность.
В конце главы предложена структура СУДБИ, реализующей разработанные алгоритмы управления направленным бурением.
В четвертой главе рассмотрены технические решения, предложенные на этапе практической реализации средств контроля глубинной информации «* СУДБИ.
На основе анализа основных влияющих факторов (воздействие температурных полей, механических вибраций, магнитных помех) разработана методика повышения точности и достоверности оперативного контроля геометрических параметров ствола скважины.
При исследовании гидроакустического канала связи выявлены закономерности формирования и распространения акустических колебаний в сква-жинной системе, образуемой колонной бурильных труб, буровым раствором и разбуриваемой породой, с целью оценки физической возможности организации канала связи «забой - поверхность» в широком частотном диапазоне. Для анализа процессов, лежащих в основе передачи информации в гидроакустическом канале связи, принята модель в виде трехслойного акустического волновода с
цилиндрическими границами раздела, описываемого классической системой волновых уравнений при условии, непрерывности смещений и напряжений на границах раздела сред.
На основании предложенной в работе методики получены теоретические оценки параметров гидроакустических каналов. Показано, что возможна реализация гидроакустического канала связи, использующего как высокочастотные, так и низкочастотные сигналы. Получены априорные оценки характеристик и параметров каналов связи.
Использование разработанных подходов и теоретических положений позволило разработать структуры телеметрических систем СУДБИ с различными каналами связи.
В пятой главе изложены основные этапы работ, связанных с испытаниями и внедрением разработанных в НИИ ТС «Пилот» устройств и средств автоматизации управления бурением.
На первом этапе внедрения испытывались средства измерения на основе автономных инклинометров, на втором - элементы системы управления с использованием кабельных телесистем. Третий этап содержал опытно-экспериментальные работы по созданию элементов СУДБИ с беспроводным гидроакустическим каналом связи.
Результаты практических исследований подтвердили разработанные теоретические положения и перспективы применения автоматизированных СУДБИ на нефтегазовых месторождениях страны.
В заключении приведены основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе.
