Оптимальне керування процесом буріння нафтових і газових свердловин з дискретно-неперервною зміною керувальних дій

Abstract

Дисертація присвячена питанням розробки методів і алгоритмів оптимального керування процесом буріння нафтових і газових свердловин з дискретно-неперервною зміною керувальних дій. У дисертації комплексно вирішуються питання побудови узагальненої математичної моделі, ідентифікації параметрів моделі, оптимального керування процесом буріння з дискретно-неперервною зміною керувальних дій та відпрацювання долота як за опорою, так і за озброєнням, які в сукупності розв’язують значну наукову та прикладну задачу в галузі спорудження глибоких та газових свердловин. Розроблені методи та алгоритми оптимального керування дозволяють створити комп’ютерну систему оптимального керування процесом з дискретно-неперервною зміною ксрувальних дій, що дає можливість досягти вищих техніко-економічних показників при бурінні свердловин. Основні результати праці знайшли промислове впровадження в системі контролю і керування процесом буріння СКУБ-М2, а також в учбовому процесі.

Диссертация посвящена вопросам разработки методов и алгоритмов оптимального управления процессом бурения нефтяных и газовых скважин с дискретно-непрерывным изменением управляющих воздействий. В диссертации комплексно решаются вопросы математического моделирования, идентификации параметров модели, оптимального управления процессом бурения с дискретно-непрерывным изменением управляющих воздействий и отработки долог, как по вооружению, так и по опоре, которые в совокупности решают важную научную и прикладную проблему в области сооружения глубоких нефтяных и газовых скважин. Характеристика процесса сооружения скважины с точки зрения управления показала, что буровая установка является сложной динамической системой со многими каналами передачи как управляющих воздействий, так и возмущений, которые обусловлены взаимодействием системы с окружающей средой и качеством бурильной установки. В связи с неопределенностью, сложной взаимосвязью показателей и параметров, невозможно дать строгое математическое описание процесса бурения, чем и объясняется большое количество приближенных моделей. Экспериментальное исследование моделей разного вида показало, что не существует единственной модели, которая бы наиболее точно описывала изменение механической скорости во времени на всем интервале бурения. С целью охвата целого класса моделей, адекватных разным условиям бурения, была создана обобщенная математическая модель процесса углубления скважин в пространстве состояний, координатами которой являются проходка на долото и переменные, характеризируюшие состояние вооружения и опор долота. Разработаны стратегия и алгоритмы идентификации, обеспечивающие определение параметров обобщенной математической модели в изменяющихся условиях бурения. Решение задачи идентификации на первом этапе включает в себя определение чувствительности алгоритма идентификации к изменениям параметров модели, на основании чего оценивается влияние точности определения этих параметров на вычисление значений проходки. В работе сделан сравнительный анализ методов оптимального управления скважин, который показал, что по технико-экономическим показателям наиболее эффективным является метод оптимального управления процессом бурения нефтяных и газовых скважин с дискретнонепрерывным изменением управляющих воздействий. Суть предложенного метода в том, что управляющие воздействия - осевая нагрузка на долото и скорость его вращения - поддерживаются постоянными на протяжении некоторого интервала времени, а в определенный момент времени одно или два управляющих действия скачкообразно изменяют свои значения на другие, которые будут постоянными для следующего интервала времени. В этом случае задача оптимального управления сводится к определению моментов переключения времени с одного уровня на другой, для решения которой был использован безградиентный метод поиска минимума функции (алгоритм Нелдера-Мида). Для решения задачи оптимального управления с дискретно-непрерывным изменением управляющих воздействий в качестве критерия оптимальности был использован критерий минимизации метра проходки скважины, поскольку он учитывает прямые экономические показатели процесса бурения. Так как в структуру критерия оптимальности, согласно которому совершается процесс бурения, входит время спуско-подьемных операций, то для его прогнозирования был проведен сравнительный анализ постоянной, линейной, квадратической моделей, а также модели, разработанной на базе нейросетей, который показал, что наиболее точно время спуско-подьемных операций описывает квадратическая модель. Для реализации разработанных методов и алгоритмов оптимального управления с дискретно-непрерывным изменением управляющих воздействий предложена компьютерная система контроля и управления, базирующаяся на использовании аппаратных средств системы управления процессом бурения СКУБ-М2. Оптимальная компьютерная система управления имеет двухуровневую иерархическую структуру. Самый нижний уровень представляет собой контроллер, исполняющий функции локального управления. На верхнем уровне в масштабе реального времени решаются задачи идентификации параметров математической модели, вычисление прогнозируемого времени бурения, моменты переключения управляющих воздействий с одного уровня на другой, определение оптимальных значений осевой нагрузки на долото и скорости его вращения; организация и поддержка базы данных с информацией об объекте управления; оперативная регистрация и отображение информации о состоянии технологического процесса на экране монитора. Для реализации функций верхнего уровня разработано программное обеспечение в виде прикладного программного модуля, в который интегрирована серия программных продуктов, объединенных интегратором написанным на языке С++, что позволяет отображать информацию на экране монитора автоматизированного рабочего места в виде видеокадров параметров, графиков, дневников событий и др.

The dissertation is devoted to the investigation of methods and algorithms development problems of optimal management in hole drilling process with digital-to-analogue change in control actions. The thesis runs the questions of generalized mathematical model construction, authentication of model parameters, optimal management of process of the bore drilling with digital-to-analogue change in control actions and a chisel working off both after its equipment and its support, which in common decide a considerable scientific and applied task put in industry for construction of deep oil and gas mining holes. The developed methods and algorithms of optimal management is used to create the computer based optimal control system of bore drilling process with digital-to-analogue change of control actions that enables to attain much higher technical and economical indexes at the bore drilling. Main results of this work were industrially introduced in the control system and management process of the bore drilling system SCUB-M2, as well as into educational process.