Введение к работе
Актуальность работы
На сегодняшний день одной из передовых технологий в области создания и ремонта инженерных коммуникаций является бестраншейная прокладка трубопроводов. Бестраншейная технология, по сравнению с открытым способом прокладки труб, позволяет значительно снизить объемы земляных работ, сократить сроки строительства, свести к минимуму риск возникновения аварий и вмешательство в экологию и ландшафт. Наиболее распространенным методом бестраншейной прокладки трубопроводов является горизонтально направленное бурение. Одним из важных этапов при использовании этого метода является протягивание трубопровода в стволе пробуренной скважины, когда плеть трубопровода крепится к расширителю на шарнирах, не передающих вращения расширителя, и протягивается по направлению, обратному при бурении скважины.
Многочисленные исследования показали, что большая заболоченность некоторых районов строительства трубопроводов (Аплонов С. В., Шмелев Г. Б., Краснов Д. К., Мандель А. Я., Чеховский А. Л.) приводит к увеличению протяженности переходов, а, следовательно, и к росту сил сопротивления протягиванию трубопровода в скважине (Александров М. М., Иорданов Д. С., Джонсон К., Демкин Н. Б., Розенблат Г. М.). Это является причиной повышения стоимости строительства переходов, так как требуется более мощное буровое оборудование. В ряде случаев, в частности при страгивании трубопровода после его неподвижного контакта со стенками скважины, свинчивании бурильных труб, резкий рост сил сопротивления становится причиной возникновения прихватов трубопровода, что влечет дополнительные финансовые затраты на строительство переходов.
Существующие методы, направленные на снижение сил сопротивления протягиванию трубопровода в стволе скважины, такие, как балластирование трубопровода водой (Кулагин В. П., Лебедев Е. А., Богданов Е. П., Петров Н. А., Кониев Т. В.), введение смазывающих добавок в буровой раствор (Конесев Г. В., Спивак А. И., Мавлютов М. Р., Прокопьев Г. А., Григорян А. А.), лишь частично решают эту проблему, не обеспечивая требуемый уровень снижения сил сопротивления протягиванию трубопровода в стволе пробуренной скважины, а также, не устраняя возможности возникновения прихватоопасных ситуаций.
Одним из путей решения этой проблемы является применение вибрации при бестраншейной прокладке трубопроводов. Гусев Б. В., Гончаревич И. С., Дейв Рунт исследовали процесс бурения скважин фрезой с виброприводом. Баркан Д. Д., Блехман И. И., Бромберг Г. И., Минаев В. И. в своих работах исследовали применение вибропрокола для снижения сил сопротивления при проходке горизонтальных скважин в бестраншейной технологии прокладки трубопроводов. Кершенбаум Н. Я., Костылев А. Д., Лускин А. Я., Ренди Лонг в своих исследованиях использовали оборудование для виброударного горизонтального продавливания труб большого диаметра с целью снижения сил трения при контакте трубы с грунтом.
Анализ результатов, полученных отечественными и зарубежными исследователями в области применения вибрационных воздействий при бестраншейной прокладке трубопроводов, показывает, что вибрация способствует снижению сопротивления при внедрении трубы в грунт, а также преодолению этого сопротивления за счет перехода сухого трения в условно вязкое. Однако вопрос научно обоснованного применения вибрационных технологий для снижения сил сопротивления при бестраншейной прокладке трубопроводов остается недостаточно изученным, что диктует необходимость построения систем анализа такого сложного объекта, как управление процессом протягивания трубопровода в стволе скважины при наложении вибрационных воздействий. Практика показывает, что применение вибрационных технологий требует создания инструментария для расчета частоты вибрационных воздействий и автоматизированной системы поддержки принятия решений (далее АС ППР) для управления процессом протягивания трубопровода в стволе скважины, что, учитывая ежегодно возрастающие объемы строительства переходов с применением бестраншейных технологий прокладки трубопроводов, является актуальной научно-технической задачей.
Объект исследования
Процессы управления бестраншейной прокладкой трубопровода при наложении на него локального вибрационного воздействия.
Предмет исследования
Методы системного анализа, управления и обработки информации при построении автоматизированной системы поддержки принятия решений, обеспечивающей эффективный процесс прокладки трубопровода при наложении локального вибрационного воздействия.
Цель работы
Повышение эффективности управления процессом бестраншейной прокладки трубопроводов при наложении вибрационных воздействий путем создания автоматизированной системы поддержки принятия решений.
Задачи исследования
-
Обзор и анализ существующих методов снижения сил сопротивления при управлении процессом бестраншейной прокладки трубопроводов.
-
Получение и анализ экспериментальной зависимости, описывающей процесс взаимодействия трубопровода со стенками скважины в области факторного пространства, определяемого условиями:
- непрерывного протягивания трубопровода в стволе пробуренной скважины;
- страгивания трубопровода после его неподвижного контакта со стенками скважины - при наложении вибрационных воздействий на локальную зону контакта трубопровода со стенками скважины.
-
Разработка вычислительной модели для расчета требуемой частоты вибрационного воздействия в процессе протягивания трубопровода в стволе пробуренной скважины, учитывающей его взаимодействие со стенками скважины, параметры труб, пространственное положение трубопровода и состав промывочного раствора.
-
Разработка алгоритмов расчета требуемой частоты вибрационных воздействий и функционирования автоматизированной системы поддержки принятия решений при управлении процессом протягивания трубопровода в стволе пробуренной скважины.
Методические основы и достоверность исследования
В представленной работе использованы методы системного анализа, аппарат теории управления, механики, колебаний механических систем, методы экспертной оценки, численные методы, методы теории принятия решений. Для имитационного моделирования применяется среда матричного программирования Simulink системы компьютерной математики MATLAB.
Достоверность и обоснованность научных положений, основных выводов и полученных в работе результатов основаны на корректном применении математических методов, фундаментальных положений физики, механики, теории управления и принятия решений, а также апробацией основных теоретических положений диссертации в печатных трудах и докладах на научных конференциях. Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается использованием большого объема экспериментального материала и подтверждается совпадением результатов моделирования и вычислительного эксперимента с результатами испытаний в промысловых условиях.
Научная новизна
-
Впервые установлена экспериментальная зависимость коэффициента трения трубопровода о глинистую корку от параметров промывочного раствора и частоты вибрационных воздействий, накладываемых на зону их контакта, которая позволяет производить адаптацию разработанной вычислительной модели реальному процессу протягивания трубопровода (2, 3 пункты паспорта специальности 05.13.01).
-
Впервые получена экспериментальная зависимость доли адгезионной составляющей силы сопротивления страгиванию труб в стволе скважины от времени их неподвижного контакта с глинистой коркой, содержания смазывающей добавки в промывочном растворе и частоты накладываемых на зону их контакта вибрационных воздействий, которая позволяет производить адаптацию разработанной вычислительной модели реальному процессу протягивания трубопровода при наличии его неподвижного контакта со стенками скважины (2,3 пункты паспорта специальности 05.13.01).
-
Разработана вычислительная модель для расчета требуемой частоты
вибрационного воздействия, накладываемого на локальную зону контакта трубопровода со стенками скважины в процессе его протягивания в стволе пробуренной скважины (5 пункт паспорта специальности 05.13.01).
-
Разработаны алгоритмы расчета требуемой частоты вибрационных
воздействий и функционирования автоматизированной системы поддержки принятия решений при управлении процессом протягивания трубопровода с учетом наложения вибрационных воздействий (4,9 пункты паспорта специальности 05.13.01).
Основные защищаемые положения
1. Экспериментальная зависимость коэффициента силы трения трубопровода о стенки скважины при его бестраншейной прокладке от содержания смазывающей добавки в промывочном растворе и частоты вибрационных воздействий.
2. Экспериментальная зависимость доли адгезионной составляющей сил сопротивления страгиванию трубопровода в скважине от времени неподвижного контакта трубопровода со стенками скважины, содержания смазывающей добавки в промывочном растворе и частоты вибрационных воздействий.
3. Вычислительная модель процесса прокладки трубопровода в стволе скважины, позволяющая производить расчет требуемой частоты вибрационных воздействий.
4. Автоматизированная система поддержки принятия решений при управлении процессом протягивания трубопровода в стволе скважины с учетом наложения вибрационных воздействий на локальную зону их контакта.
Практическая ценность
1. Разработанная вычислительная модель процесса прокладки трубопровода позволяет количественно оценить эффективность вибрационных воздействий с учетом параметров трубопровода, бурового раствора и пространственного положения трубопровода.
2. Разработанные алгоритмы расчета требуемой частоты вибрационных воздействий и автоматизированная система поддержки принятия решений позволяют участникам проекта по бестраншейной прокладке трубопровода принимать управляющие решения в процессе протягивания трубопровода в стволе скважины.
Результаты исследований представляют интерес для буровых предприятий при управлении процессом прокладки трубопровода путем наложения вибрационных воздействий. Предложенные алгоритмы и автоматизированная система поддержки принятия решений апробированы при сооружении перехода через реку Тура.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы и результаты исследований были представлены для обсуждения на научно-технических конференциях различного уровня:
1. Доклад на III Международной научно – технической конференции «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании», Тюмень, 2008 г.
2. Доклад на XVI Всероссийской научно – практической конференции молодых ученых и студентов «Инновации. Интеллект. Культура», Тобольск, 25 апреля 2008 г.
3. Доклад на Всероссийской конференции по математике и механике, посвященной 130-летию Томского государственного университета и 60-летию механико-математического факультета, «Вычислительная математика и компьютерное моделирование», Томск, 2008 г.
Опубликовано по теме диссертации 5 статей, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК России, 3 тезиса докладов, получено 3 авторских свидетельства на изобретение.
Структура и объем работы
Диссертационная работа изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц, 39 рисунков. Состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 134 наименований и трех приложений.
