Введение к работе
Актуальность темы. Раввиїие топливно-энергетических отраслей народного хозяйства неразрывна связано с увеличением добычи нефти и гаэа. Большая роль в решении этой проблемы отводится бурении наклонно -направленных и горизонтальных скважин (ННГС), что связано с освоением месторождений со сложными геологическими условиями, повышенными глубинами валегания продуктивных пластов, увеличением объема кустового бурения, а также с ужесточением требований к экологической безопасности и рациональному использовании плодородных земель.
Строительство ННГС, в отличие от''вертикальних , влечет за собой значительное поЕыиение существующих и введение специальных требований к технологии проводки скважины. Одним из таких требо-, ваний является формирование оптимальной пространственной траектории ствола скважины, обеспечивающей вскрытие продуктивного пласта в заданной области с учетом геологических и технологических ограничений. Качество выполнэнения данного' требования непосредственно определяет эффективность бурения ННГС, вклвчая аатраты на строительство и аффект от ее эксплуатации.
8 современной практике бурения ННГС применяется двухуровневый подход к решению данной задачи : 1) предварительное проектирование^) оперативное управление.
На предварительном этапе проектирования рассчитывается оптимальная, проектная траектория ННГС и соогветствующая ей программа управления технологическим процессом.
Сложность проводки ННГС по проектной программе в реальных условиях обуславливается трудкопредскавуемым характером внешних возмущающих воздействий (геологических, технических), вызывающих "естественное" отклонение ее геометрических параметров от расчетных .
Одним из путей решения данной проблемы является использование второго уровня управления - оперативного управления траекторией ННГС, под которым понимается процесс выработки и осуществления корректирующего управления в процессе бурения по результатам оценки текущего положения точки забоя, обеспечивающего проводку траектории .ствола скьакини с минимальным отклонением от проектной.
Повышение качества оперативного управления связано с внедрением автоматизированных систем управления траекторией скважин {АСУ ТС). Проведенный анализ современного уровня развития отечественных и зарубежных АСУ ТС свидетельствует о . значительных достижениях в данной области, которые'характеризуются:
внедрением телеметрических систем , включающих в себя высокоточные глубинные.измерительные преобразователи, микропроцессорные устройства обработки информации, каналы передачи цифровых данных на поверхность (MWD,- DMWD - системи);
разработкой и внедрением устройств осуществления управления траекторией скважины, в тем числе телеуправляемого бурового инструмента, автоматизированных исполнительных механизмов.
Наряду с развитием вышеуказанных подсистем, имеет место значительное отставание в области решения вадачи формирования оперативного управления АСУ ТС, -современный уровень которой характеризуется .ручным способом вычисления корректирующего управления. Центральным звеном при этом является оператор (технолог) буроЕой установки, вычисляющей корректирующее управление траекторией на основе упрощенных представлений о процессе движения бурового инструмента, представленных в веде таблиц, номограмм, а также предыдущего опыта бурения. При этом имеющаяся на буровой вычислительная техника применяется г качестве интерфейса с измерительными подсистемами и не выполняет задачу выработки управления. Низкая
эффективность использования управляющей ЭВМ обуславливается отсутствием специального математического и программного обеспечения выработки оперативного управления траекторией ННГС.
Вшескаэанисе определяет акту&емгозгь проблемы разработки математического и программного обеспечения АСУ ТС, основанного на адекватных моделях движения бурового инструмента и метолах современной теории управления, с целью псешэяия эффективности процесса проводи* ННГС.
На основании сделанного вь-вода сформулирована цель и задачи диссертационной работы.
Цель работы. Разработка математического и программного обеспечения автоматизированной системы оперативного управления траекторией нефтяных . наклонно-направленных скважин, обеспечивающего повышение эффективности процессов направленного бурения.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач-.
-
Выбор и обоснование математической модели дзижения бурового инструмента как объекта управления при решении задачи -оперативного управления траекторией наклонно-направленных и гориасн-талышх скважин (ННГС).
-
Разработка показателей оценки гффективности оперативного управления траекторией ННГС.
-
Математическая постановка и решение задачи оперативного управления траекторией ННГС на основе выбранной модели движения бурового инструмента.
-
Разработка математического обеспечения АСУ ТС на основе выбранной математической модели движения бурозого инструмента, включая разработку его функциональной и алгоритмической структур.
-
Разработка комплекса прикладного программного обеспечения выработки оперативного управления траекторией ННГС , ориентирова-
иного для применения на 6ase IBM - совместимой управляющей ЭЗМ, входящей в состав АСУ ТС.
Методы исследования, Для решения поставлений* в диссертационной работе -оадач был применен математический аппарат дифферен-. циалыюй геометрии, системного анализа, теории сложности, математической-статистики, теории оптимального управления, теории автоматического регулирования.
Научная новизна:
1. Выбрана и обоснована мяогорешмнвя математическая модель движения бурового инструмента, обеспечизаюаіая эффективное решение задачи оперативного управления траекторией ННГС.
-
Предложен комплекс показателей для оценки эффективности оперативного управления траекторией ННГС, включающий показатели точности и экономичности управления.
-
Сформулирована математическая постановка задачи оператив1-кого управления траекторией ННГС как эадача управления траекторией движения бурового инструмента на основе выбранной математической модели.
-
На основе предложенной в работе концепции развивающего проектирования ' разработана функциональная структура математического обеспечения АСУ ТС.
-
Разработана алгоритмическая структура математического обеспечения АСУ ТС, включающая алгоритми оптимального терминального и регулирующего управления траекторией движения бурового инструмента , алгоритмы краткосрочного и долгосрочного прогноза траектории ННГС на основе идентифицируемой в процессе бурения модели '.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Pas-работая комплекс програшних средств, реализующих разработанное алгоритмическое обеспечение оперативного управления траекторией
ННГС, ориентированный для применения на Оазе IBM - совместимо* управляющей ЭВМ. Данный программный комплекс.является универсальным инструментальным средством л может быть применен на Оазе универсальной ЭВМ инженерного-зычислительного центра, автономной ЭВМ на буровой, ЭВМ.ча Су ревой, сопряженной с телеметрической системой и исполнительными механизмами.
Результаты проведенного имитационного моделирования процессов оперативного управления траекторией ННГС с применением данного комплекса свидетельствуют о погашении точности управления и прогноза траектории ствола скважины в 1.5 раза, что обеспечивает г.ОЕЬваенке прскзЕсд'.'.тельнооти процесса бурения на 10-2QX ва счет уменьшения длина корректирующего участка ствола сквахинк.
Базовые алгоритмы разработанного математического обеспечения управляющей ЭВМ внедрены в з ГНШІ "Пилот" для использования в составе перспективней ACT ТС. -
Работа выполнена на кафедре" промышленной электроники Уфимского государственного авиационного технического университета в соответствии с планами хоздоговорных научно-исследовательских работ Уфимского государственного авиационного технического университета' по темам: АЛ ПЭ-12-93-ГО, АЯ-ПЭ-04-94-ГР, АП-ПЭ-59-95-03.
На заду.ту выносятся:
1. Математическая постановка, задачи оперативного управления траекторией ННГС на основе выбранной многережимной математической модели движения бурового инструмента.
Z. Комплекс показателей эффективности сеєративаого управления траекторией ННГС, вкшечаиций показатели точности и экономичности управления.
3. Функциональная .структура математического обеспечения АСУ ТС, разработанная на основе- предложенной концепции развивающего проектирования
4 . Алгоритмическая структура математического обеспечения АСУ ТС, включающая:
алгоритм оптимального терминального управления траекторией движения Сурового инструмента с прогнозирующей обратной связью;
алгоритми регулирующего управления движением бурового инструмента по отклонение от проектной траектории;
алгоритми краткосрочного и долгосрочного прогноза траектории движения Сурового инструмента на основе идентифицируемой в процессе Суренил модели;
алгоритм контроля входной ииклинометрической информации.
Б. Алгоритми комплекса прикладного программного обеспечения АСУ ТС, реализующие разработанное математическое обеспечение,
і5Р2&9ЦМ_Еа5сти. Основные положения и результати работы
докладывались и."обсуждались на следующих научно-технических кон
ференциях и совещаниях '
2-ой Межреспубликанской' научно-технической конференции "Методы и средства управления технологическими процессами", г. Саранск ", 1591 г.; ......
Всероссийской научно-технической конференции "Автоматизация технологического проектирования", г. Пенза, 1991 г,;
3-й Межреспубликанской конференции "Методы и средства управления технологическими процессами" , г. Саранск, 1993 г.;
1-м Всероссийском совещании "Новые направления в теории систем с обратной связью" , г. Уфа, 1993 г.;
Всероссийской научно-технической конференции "Управление и контрою технологических процессов изготоеления деталей авиакосмической техники", г.Уфа, 1994 г.;
Международной научной конференции "Интеллектуальные автономные сцетемц (ЙАС-4)", г.Карлсруэ, Германия, март 1995 г.
ШШ^ШШУ.' Основные материалы диссертационной работы опуб-
линованы d 10 печатних работах.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из 18? страниц машинописного текста , вклкчаюЕего в себя введение, четыре главы, заключение, список литературы из 105 наименований и приложения.
