Введение к работе
Актуальность темы. Развитие топливно-энергетических отраслей народного хозяйства неразрывно связано с увеличением добычи нефти и газа. Большая роль в решении этой проблемы отводится бурению наклонно-направленных и горизонтальных скважин (ННГС), что связано с освоением месторождений со сложными геологическими условиями, повышенными глубинами залегания продуктивных пластов, увеличением объема кустового бурения, а также с ужесточением требований к экологической безопасности и рациональному использованию плодородных земель.
Строительство ННГС, в отличие от вертикальных, влечет за собой значительное повышение сущвств^їГ'чх и введение специальных требований к технологии проводки скважины. Одним из таких требований является формирование оптимальной пространственной траектории скважины, обеспечивающей вскрытие продуктивного пласта в заданной области с учетом геологических и технологических ограничений. Качество выполнения данного требования непосредственно оггоеделяет эффективность ННГС, включая затраты на строительство и .оффект от ее эксплуатации.
В современной практике бурения ННГС применяется двух -уровневый подход к решению данной задачи:
1) предварительное проектирование; 2) оперативнее управление.
На этапе предварительного проектирования рассчитывается оптимальная проектная траектория ННГС и соответствующая ей программа упразления технологическим процессом Сложность проводки ННГС по проектной программе в реальных условиях обуславливается труднопредоказуемым характером геологических и технических воздействий, вызывающих "естественное" отклонение ее геометрических параметров от расчетных.
Одним из путей репения данной проблемы является оперативное управление траекторией ННГС. т. е. формирование и реализация корректирующего управления в процессе бурения по результатам оценки текущего состояния точки забоя, обеспечивающего проводку траектории скважины с минимальным отклонением от проектной. Одной из ведущих тенденций, обеспечивающей повышение качества оперативного управления, является внедрение автоматизированных систем оперативного управления направленным бурением скважин
(АСОУ НБ). Проведенный анализ современного уровня развития отечественных и зарубежных систем свидетельствует о значительных достижениях в данной области, которые характеризуются следующим:
внедрение измерительных телеметрических систем, включающих высокоточные глубинные измерительные преобразователи, микропроцессорную технику обработки информации, непрерывные каналы передачи данных на поверхность (MWD, DMWD - системы);
разработка и внедрение устройств осуществления управления, включая телеуправляемый буровой инструмент, автоматизированные исполнительные механизмы.
Наряду с этим имеется значительное отставание в области формирования оперативного управления, современный уровень
которого характеризуется ручным способом вычисления
корректирующего управления на основе упрощенных представлений о процессе движения бурового инструмента, представленного в виде таблиц и номограмм. При этом имеющаяся вычислительная техника применяется для обработки и регистрации измерительных данных и не решает задачу формирования управления, что обуславливается прежде всего отсутствием специального математического и программного обеспечения оперативного управления траекторией ІШГС.
Повышение требований по точности, '' высокий уровень неопределенности процесса управления, наличие сильных возмущений, опасность возникновения внештатных ситуаций обуславливают необходимость применения для этих целей методов интеллектуального управления, которые повышают гибкость управления проводкой скважины и улучшают ее качество. Под интеллектуальным управлением в данном случае понимается такое нетрадиционное для области бурения управление, как использование аппарата экспертных систем (ЭС) и правил нечеткой логики.
На основании вышесказанного можно сделать вывод об актуальности проблемы разработки математического и программного обеспечения автоматизированной системы управления направленным бурением ННГС, основанного на прогнозировании движения бурового инструмента с использованием математических моделей и методов современной теории управления, с целью повышения эффективности проводки скважин.
На основании сделанного вывода сформулированы цель и задачи данной диссертационной работы.
Цель работы. Разработка математического и прикладного программного обеспечения автоматизированной системы оперативного управления направленным бурением (АСОУ НБ) с применением методов оптимального и интеллектуального управления, обеспечивающего повышение эффективности управления траекторией движения бурового инструмента при .формирования ННГС.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:
-
Математическая постановка задачи оперативного управления направленным бурением ННГС, включая построение математической модели движения бурового инструмента как объекта управления для решения задачи прогноза и оперативного управления направленным
-
Разработка математического обеспечения АСОУ НБ, включая разработку алгоритмической структуры АСОУ НБ.
-
Имитационное моделирование и исследование эффективности разработанных алгоритмов прогноза и оперативного управления траекторией ННГС.
-
Исследование возможности применения методов интеллектуального управления для повышения эффективности оперативного управления направленным бурением.
-
Разработка комплекса прикладного программного обеспечения АСОУ КБ, обеспечизаюшэго эффективное принятие решений по оперативному управлению бурением ННГС на базе управляющей ЭВМ.
Методы исследования. При решении поставленных задач в работе был применен математический аппарат дифференциальной геометрии, системного анализа, математической статистики, теории оптимального управления, автоматического регулирования, теории искусственного интеллекта.
Научная новизна:
-
Построена многорежимная математическая модель движения бурового инструмента на основе объединения кинематического и статистического подходов, определяющая основные закономерности движения и влияние неучтенных геологических факторов на процесс формирования траектории ННГС.
-
Сформулирована математическая постановка задачи оперативного управления траекторией ННГС как задачи управления траекторией движения бурового инструмента на основе выбранной
математической моделі на различных участках проектной траектории и режимах бурения. Предложен подход к решению данной задачи с использованием прогнозирующей обратной связи, формирования алгоритмов управления на отдельных участках траектории и оперативной коррекции их в процессе бурения.
3. Предложена алгоритмическая структура математического
обеспечения АСОУ НБ, включающая в себя:
алгоритмы расчета проектного профиля пространственного типа;
алгоритмы краткосрочного и долгосрочного прогноза траектории ННГС на основе модели, идентифицируемой в процессе бурения;
алгоритмы терминального управления траекторией ННГС;
алгоритмы регулирующего управления движением бурового инструмента.
-
Поставлена и решена задача анализа достижимости траекторией скважины заданной области пространства на основе критерия минимального количества переключений управляющего воздействия.
-
Разработана функциональная-структурная схема иерархической интеллектуальной автоматизированной системы оперативного управления направленным бурением скважин.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Показано, что применение новых подходов к развитию математического обеспечения АСОУ НБ, основанных на построении алгоритмов прогнозирования траектории и управления движением бурового инструмента с использованием нечеткой логики, статистической классификации и теории экспертных систем позволяет расширить в 1.5..2 раза диапазон действия внешних возмущений на движение бурового инструмента, повысить на 20.. 30% точность оперативного управления траекторией, снизить на 30.. 50% затраты на формирование управляющих воздействий в процессе бурения ННГС.
Разработан комплекс прикладного программного обеспечения выработки оперативного управления траекторией ННГС ориентированный на IBM - совместимую управляющую ЭВМ. Данный комплекс внедрен в ГНПП "Пилот" (г.Уфа) в качестве программного обеспечения управляющей ЭВМ в составе перспективной АСОУ НБ.
На зашиту выносятся:
1. Многорежимная математическая модель движения бурового инструмента.
2. Алгоритмическая структура математического обеспечения
АСОУ НБ, включающая:
алгоритмы расчета проектного профиля пространственного типа;
алгоритмы краткосрочного и долгосрочного прогноза траектории движения бурового инструмента на основе идентифицируемой в процессе бурения модели;
алгоритмы оптимального терминального управления траекторией движения бурового инструмента;
алгоритм регулирующего управления движением бурового инструмента на основе нечеткой логики.
3. Комплекс прикладного программного обеспечения АСОУ НБ.
реализующий разработанное математическое обеспечение.
Апробация работа. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно технических конференциях и совещаниях:
Всероссийской научно - технической конференции "Автоматизация технологического проектирования", г.Пенза, 1991г.;
2-ой и 3-й Межреспубликанских научно-технических конференциях "Методы и средства управления технологическими процессами", г.Саранск, 1991 г., 1993 г.;
1-м Всероссийском совещании "Новые направления в теории систем с обратной связью", г. Уфа, 1993 г.;
Международной конференции "Интеллектуальные автономные системы (ИАС-4)". г.Карлсруэ, Германия, 1995 г.;
Всероссийской научно - технической конференции "Проблемы нефтегазового комплекса России", г. Уфа, 1995 г.;
Всероссийской молодежной научно-технической конференции "информационные и кибернетические системы управления и их элементы", г. Уфа, 1995 г.;
Международной конференции "Методы и средства управления технологическими процессами", г. Саранск, 1995г.;
Молодежной научной конференции "XXII Гагаринские чтения", Москва, 1996 г.;
Всероссийской научной конференции "Фундаментальные проблемы нефти и газа", ГАНГ им. Губкина, Москва, 1S96 г;
Конференции "Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий", г.Уфа, 1997 г.
Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 16 печатных работах.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из 176 страниц машинописного текста, включающего в себя введение, пять глав, заключение, список литературы из 83 наименований.
