автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система для оперативной оптимизации процесса бурения

ю

С71 ~ 22

э

— СО и I

На правах рукописи

ЛЫСЕНКО ОЛЕГ ВАСИЛЬЕВИЧ

ИНФОРМАЦИОННО - ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПЕРАТИВНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные

системы (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара - 1995

Работа выполнена в Самарском государственном техническом ниверситете.

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники

РФ, академик МА РФ, доктор техничес них наук, профессор Куликовский К.Л Официальный оппоненты: доктор технических наук, профессор

Семенов B.C.

кандидат технических наук, доцент Радомский В.М.

Ведущее предприятие: государственный институт по проект

рованию и исследовательским работе в нефтяной промышленности "Гипровс токнефть", г. Самара

Защита состоится 'О0" 1995 г. в "/О часов

в ауд.23 на заседании диссертационного совета Д 063.16.01 Самарского государственного технического университета по адресу: 443010, г. Самара, ул. Галактионовская, 141

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарског государственного технического университета по адресу: ул. Пе вомайская, 18

Автореферат разослан ' '

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент г Жиров В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Благодаря интенсивному развитию информационной и вычислительной техники, а также широкому использованию информационно-измерительных систем (ИИС) в области бурения, значительно облегчается решение многих задач, направленных на повышение технико-экономических показателей строительства нефтяных и газовых скважин. Одной из важных задач применения ИИС является оптимизация процесса бурения с целью сокращения сроков строительства скважин. Особое значение эта цель приобретает в эксплуатационном бурении, где уже известна схема разработки месторождений, и эффект от экономии времени строительства добывающих скважин и, как следствие, материальных ресурсов при таком массовом бурении будет заметнее.

Как известно, наиболее важным показателем темпа бурения скважины является рейсовая скорость проходки ( \/р ). Создание и поддержание условий бурения, позволяющих достичь максимально возможной рейсовой скорости в каждом отдельном рейсе, ведет к уменьшению времени бу-.' рения всей скважины. В связи с этим оптимизация процесса бурения должна быть направлена на выбор таких значений факторов, влияющих на условия бурения, или иначе, режимных параметров бурения, которые позволяют реализовать критерий максимума рейсовой скорости ( \/р - тах). к режимным параметрам относятся: осевая нагрузка на долото ( Р ), частота вращения долота С П. ), расход промывочной жвдкости ( О ) и другие.

В существующих ИИС оптимизации процесса бурения выбор оптимальных режимных параметров осуществляется по максимальному значению другого выходного показателя -механической скорости.

Критерий максимума механической скорости ( \/=тол) не учитывает затараты времени на спуско-подъемные операции для замены долота, возрастающие с глубиной скважины, и не способствует ускорению темпов бурения.

Важными параметрами при поиске оптимального режима бурения являются интервал измерения ( дЪ) выходных показателей процесса бурения и шаг дискретизации осевой нагрузки (д Р ), до сих пор остающейся пока единственной регулируемой в процессе бурения величиной.

В существующих ИИС оптимизации процесса бурения значения величин д1 и &Р устанавливаются эмпирически и остаются постоянными в течение всего рейса. В результате этого растет погрешность измерения выходных показателей в процессе рейса, снижается точность определения момента окончания рейса и повышается вероятность преждевременного выхода долота из строя.

Благодаря использованию в составе современных ИИС оптимизации процесса бурения ЭВМ, значительная роль отводится алгоритмическому обеспечению ИИС, которое базируется на методах оптимизации. Последние можно разделить на неоперативные, которые основаны на предварительном расчете режимных параметров, и оперативные,которые позволяют выбирать оптимальные значения режимных параметров в самом ходе бурения и, следовательно, позволяют учитывать фактические условия бурения и точнее реализовать цель оптимизации.

В связи с этим актуальной задачей является разработка и исследование оперативных методов и средств оптимизации процесса бурения, повышающих точность измерения его выходных показателей и позволяющих сократить сроки строительства скважины.

Целью настоящей работы является разработка и исследование оперативного метода оптимизации процесса бурения, обеспечивающего максимально возможные темпы бурения скважины и позволяющего повысить точность измерения рейсовой скорости, а также реализация этого метода в автоматизированной ИИС.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- проанализированы информационные потоки процесса бурения и свойства последнего, важнейшими из которых являются экономичность и эффективность;

- проанализированы источники методических погреш-

ностей при оптимизации процесса бурения по критерию максимума механической скорости;

- исследованы статистические характеристики рейсовой скорости по глубине скважины;

- проведена сравнительная оценка методов оптимизации и обоснован метод оперативной оптимизации по рейсовой скорости;

- впервые разработан метод и алгоритм оперативной оптимизации по одному выходному показателю от начала до конца рейса - по рейсовой скорости;

- предложен новый критерий быстрого поиска оптимального режима;

- предложен метод определения интервала осреднения рейсовой скорости и шага дискретизации осевой нагрузки ;

- разработан алгоритм функционировапния и структурная схема ИИС для оптимизации процесса бурения по рейсовой скорости;

- осуществлен синтез ИИС и проанализированы методические погрешности ИИС;

- проведены промысловые испытания ИИС и получены положительные их результаты.

Методы исследований основаны на использовании дифференциального и интегрального исчислений, статистических методов обработки результатов измерений, теории вероятности и теории измерений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые разработан оперативный метод оптимизации процесса бурения по рейсовой скорости;

- предложен критерий быстрого поиска и поддержания оптимального режима бурения;

- предложен и исследован новый метод определения интервала измерения рейсовой скорости и шага дискретизации осевой нагрузки;

- разработан адаптивный алгоритм функционирования ИИС, позволяющий уменьшить погрешность измерения рейсовой скорости и повысить точность поиска и поддержания оптимального режима бурения;

- разработана структурная схема ИИС.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- разработанный метод позволяет оптимизировать процесс бурения по одному выходному показателю от начала до конца рейса - по рейсовой скорости, характеризующей темпы бурения скважины;

- предложен оригинальный метод оределения интервала измерения рейсовой скорости и шага дискретизации осевой нагрузки;

- разработанный алгоритм функционирования ИИС позволяет снизить погрешность измерения рейсовой скорости и повысить точность поиска и поддержания оптимального режима бурения;

- разработана и практически реализована автоматизированная ИИС оптимизации процесса бурения, позволяющая сократить срок строительства скважины.

Реализация и внедрение результатов работы.

Разработанный алгоритм функционирования автоматизированной ИИС оптимизации процесса бурения., а также сама ИИС испытаны в Методической экспедиции геолого-экономических исследований (МЭГЭИ), г. Ташкент и рекомендованы к дальнейшему использованию при разработке оперативных систем оптимизации процесса бурения глубоких скважин.

Акт и протокол испытаний алгоритма приложены к диссертационной работе .

Апробация работы. Основные положения, выводы и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на :

- Всесоюзной научно-технической конференции "Информационно-измерительные системы" (г. Ульяновск, 1939 г.);

- Региональной научно-технической конференции "Совершенствование методов поиска, разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений" ( г.Пермь, 1989г.)

- Всесоюзной научно-технической конференции "Измерительные информационные системы" (г. Санкт-Петербург, 1991 г.) и трех областных научно-технических конференциях в 1987 и 1990 г.г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 2 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, 41 рисунка и 10 таблиц, содержит 103 страницы машинописного текста, список литературы из 77 наименований на 8 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована- актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и задачи исследовани приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе работы проанализированы информационные потоки процесса бурения, исследованы методы оптимизации процесса бурения, определены источники методических погрешностей измерения параметров процесса бурения и приведена содержательная постановка задачи оперативной оптимизации процесса бурения.

Показано, что информация о процессе бурения по отношению к ИИС, как средству информационного обеспечения процесса бурения, может быть представлена потоком информации о расходах ресурсов в процессе бурения, информацией о значениях выходных показателей процесса бурения и потоком информации об управляемых условиях процесса бурения, или иначе, о параметрах режима бурения.

Алгоритм обработки данной информации в ИИС обусловлен целью оптимизации, выбранными критериями оптимальности, а также методами оптимизации процесса буре-• ния. При этом, для реализации цели оптимизации - сокращения времени строительства скважины - предлагается рассмотреть два критерия: критерий Vp = maj. и критерий минимума времени бурения скважины до проектной глубины ( Тс - min). Для обоснования выбора критерия Vp = max . как более просто реализуемого, дана сравнительная оценка методов оптимизации по рассматриваемым критериям. В результате этой оценки показано, что суммарные затраты времени на бурение скважины по критерию ]/p=mat не намного превышают продолжительность бурения по критерию Тс =mLn. Так, при глубине скважины 500м

относительная погрешностьвремени бурения по критерию 1/р= тах может находиться в пределах от 0,7 - 5,5%. С ростом скважины максимальное значение/г уменьшается и при глубине более 2000м составляет менее 1%.

На основе анализа методов оптимизации процесса бурения, в частности, по рейсовой скорости, установлено, что наиболее перспективными для реализации цели являются оперативные методы, позволяющие выбирать оптимальные значения режимных параметров процесса бурения в ходе рейса, и тем самым, учитывать фактические условия бурения.

В существующих ИИС оперативной оптимизации процесса бурения выбор оптимального режима осуществляется по критерию максимума механической скорости углубления долота (У-тй-х), при котором не учитываются затраты времени на спуско-подъемные операции. Критерий же |/р=тах здесь выполняет вспомогательную функцию и служит лишь для пассивного отслеживания рейсовой скорости в ходе бурения с целью определения момента окончания рейса.

Как показал анализ данных бурения, при таком сочетании критериев вероятность достижения максимума рейсовой скорости мала, т.е. критерий \/р=пгйХ фактически не работает.

Для реализации поставленной цели предлагается метод, позволяющий оптимизировать процесс бурения по одному выходному показателю от начала до конца рейса - по рейсовой скорости.

Б работе показано, что в существующих ИИС оперативной оптимизации процесса бурения измерение выходных параметров - механической скорости, рейсовой скорости, проходки долота - осуществляется при постоянном времени их осреднения. На основании анализа данных бурения установлено, что неизменность величины в течение рейса ведет к росту погрешности измерения выходных показателей в области малых их изменений, особенно к концу рейса.

В работе обосновывается необходимость адаптивного изменеия величины дt в течение рейса с целью повышения точности измерения выходных параметров, в частности, рейсовой скорости.

Показано, что адаптация к состоянию процесса бурения должна осуществляться не только относительно величины д t , но и относительно шага дискретизации режимного параметра - осевой нагрузки. Это позволит повысить точность определения максимума рейсовой скорости и надежность работы долота.

Во втором разделе разрабатывается метод оптимизации процесса бурения, решаются вопросы выбора начальных значений интервала дЬн времени измерения рейсовой скорости и шага дискретизации осевой нагрузки дРч , а также вопросы их адаптации к состоянию процесса бурения.

С целью определения цены импульса датчика проходки, используемого в ИИС для измерения рейсовой скорости и ее приращений на интервале At , а также для определения самого интервала д! исследованы статистические характеристики рейсовой скорости, как в течение рейса, так и по глубине скважины. Показано, что с ростом глубины бурения, или иначе, с ростом времени спуско-подъемных операций ten , уменьшаются текущие значения рейсовой скорости ( fps< Vpb < Vpi < Vpa < Vpi - см. Рис. 1). Соответственно уменьшаются.значения максимумов рейсовой скорости (Vpmax5<Vpn*cu4 <t/pman< Vpwu*2< VpmaH) и увеличивается время их достижения ( tbs >Vs* > t?"* > tSa > tt< ).

Такое изменение рейсовой скорости по глубине скважины не учитывается при ее измерении существующими методами, в которых величина At - константа. На рис.1 показано, что при одном и том же значении at уменьшаются приращения дУр рейсовой скорости с ростом глубины бурения СдУрг « д Vp 1). Это может привести к выходу результата измерения величины ¿Vp на больших глубинах за пределы чувствительности ИИС к измеряемой величине, что вызовет появление методической погрешности измерения рейсовой скорости. С целью снижения этой погрешности предложено адаптивное изменение величины At в зависимости от получаемых в ходе бурения значений дУр .

Анализ зависимостей рейсовой скорости от режимных параметров Р ,П ,Q показал, что в качестве основного информативного признака оптимальности процесса бурения может служить экстремум (максимум) функций 1/р(Р), Vp(rO,

Графики изменения рейсовой скорости в течение рейса и с ростом глубины скважины

Рис. 1

Vp(Q)- Но так как в настоящее время единственным, регулируемым в ходе бурения режимным параметром, является осевая нагрузка, то основное внимание было уделено исследованию зависимости Vp(P).

На рис.2 видно, что в диапазоне изменения осевой нагрузки от Pmia до Рта* существует такое оптимальное ее значение Ропт , при котором достигается Vpmax . на примере двух зависимостей \/р(Р) .(рис.3), соответствующих моментам t-i и 1г времени бурения, показано, что для оперативного поиска Р<»пт можно измерять в процессе рейса приращения aVp рейсовой скорости, которые, как это видно из рис.3, увеличиваются при выборе значений осевой нагрузки ближе к оптимально^ (д\/рт.а*=д\/р4>д\/рз>4\/ру> >дУр2>лУр)) - Тогда критерий оперативного поиска Ропт запишется в виде = тйх .

Показано, что поиск Ропт может быть осуществлен путем пошагового изменения осевой нагрузки с ее фиксацией на каждом шаге и поддержанием в течение времени At , за которое будет измерено очередное приращение рейсовой скорости. Затем, в результате сравнения двух приращений

игД/рг , лVp2 и л 1/рз и т.д. (см. рис.4) будет получена информация о размере шага дР осевой нагрузки, а также о направлении ее изменения, соответствующих возрастарию величины л Vp . При этом, для уменьшения методической погрешности определения дУр предложено адаптивно изменять величину дР в кратное число раз в диапазоне от начального лРнач значения до а Рнач /4 в зависимости от размера получаемых приращений рейсовой скорости.

Для пояснения метода оптимизации на рис.5 показаны пять зависимостей 1/pCt). Кривые 1 ? 4 соответствуют различным способам выбора и поддержания осевой нагрузки. Из них только зависимость 1 является оптимальной по критериюлУр=max , т.к. здесь достигается наивысший максимум рейсовой скорости, причем за наименьшее время (t*) <Vss.<\%i < tfo ). Зависимость 5 иллюстрирует поиск Ропт по предложенному методу и показывает переход процесса из начального состояния ( при начальных значениях t и Р ) в точку % пересечения с кривой 1 за время Тп поиска Ропт .

Vp(P)

- 12 -

Общий вид зависимости Vp(P)

l/pmüx

rrritn

гопт

Ртах

Рис. 2

Зависимости в моменты ti и времени бурения,

поясняющие критерий оперативного поиска Ропт

так

РИС. 3

Иллюстрация к методу поиска Ропт по критерию д\/р = тах

}д\/рЗ

. 6.VfZ /

-1 ■1

Ьз и

Ро Р, Р2 Рз Р^

Рис. 4

Иллюстрация вывода процесса бурения на оптимальный режи

В работе показано, что данный метод позволяет осу ществлять выбор и поддержание Ропт , а также определять момент 1.5 окончания рейса по одному выходному показателю - по рейсовой скорости, что упрощает его реализацию в ИИС.

В результате практического исследования метода установлено, что он позволяет активно влиять на темп роста рейсовой скорости и не требует повторного поиска как в существующих подобных ИИС. Причем в данных системах выбор величин д!, и л Р осуществляется бездоказательно, эмпирически. Необходимость обоснования их выбора заключается в том, что пошаговый способ поиска и поддержания Ропт , а также дискретизация функции УрО;) по времени вызывают методическую погрешность измерения рейсовой скорости и ее приращений. С целью уменьшения данной погрешности в работе предложен способ определения начльных значений дРнИ основанный на методах дисперсионного анализа. При этом, измереннное значение величины лЛ/р рассматривается в виде суммы составляющей полезного сигнала ¿УрСР,), как результата существенного влияния на величину дУр только осевой нагрузки, и составляющей помехи й)/рЫ): дУр = д\/р(Р) + лУрС\д/)

С целью однозначного определения существенности влияния д Р на лУр предложен критерий, позволяющий повысить точность поиска и поддержания Ропт .

Третий раздел посвящен вопросам технической реализации метода оперативной оптимизации процесса бурения, синтезу ИИС и анализу ее погрешностей.

Разработанный метод служит основой для построения ИИС и разработки алгоритма ее функциониования.

Так как данная ИИС должна использоваться в контуре системы автоматического выбора и поддержания Ропг , то выдвинуто требование обработки информации о процессе бурения в реальном масштабе времени. Выполнению данного требования способствует применение в составе ИИС микропроцессорных средств, управляемых ЭВМ типа "Электроника 60М".

Обоснованы принципы построения ИИС и разработана е< структурная схема.

В состав ИИС (см. рис.6) входят: модуль центрального процессора (МЦП), модуль оперативной памяти (МОП), модуль постоянного запоминающего устройства (МПЗУ), интерфейсные модули: модуль МС сопряжения пультового терминала (ПТ) с датчиком проходки (ДП), модуль аналого-цифрового преобразования (МАЦП), модуль цифро-аналогового преобразования (МЦАП), а также ПТ, ДП, датчик веса бурильной колонны (ДВ) и блок управления исполнительным органом (БУИО).

Исследованы погрешности ИИС и получены их оценки, характеризующие точность измерения рейсовой скорости с помощью число-импульсного датчика проходки.

Основные технические характеристики ИИС представлены в таблице 1.

В четвертом разделе разрабатывается алгоритм и программа функционирования ИИС, приведены результаты промысловых испытаний алгоритма и ИИС.

В закдючении отмечены основные научные результаты, приведены сведения об апробации работы.

В приложении приведены программа работы ИИС и документы о вред1>ении.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проанализированы информационные потоки процесса бурения, как объекта оптимизации, а также существующие методы оптимизации.

2. Исследованы источники методических погрешностей изме^зения параметров процесса бурения и указаны пути их уменьшения.

3. Обоснован метод оптимизации процесса бурения по рейсовой скорости с целью сокращения времени строительства скважины.

4. Впервые разработан оперативный метод оптимизации по одному выходному показателю процесса - по рейсовой скорости.

5. Предложен критерий быстрого поиска оптимального режима бурения.

6. Преложен метод определения величин л!, и лР, а

Структурная схема ИИС для оптимизации процесса бурения

М Ц П

С

МОП

И П 3 у ——

Системный канал ЭВМ

---рг;—

п т С

Т—г^"

J_L

Оператор

м С

д п

М А Ц П

д в

М Ц А П

Б У И 0

Рис. 6

Основные технические характеристики ИИС

Таблица 1

Номер рейса по глубине скважины Цена импульса датчика проходки, 1Ч/ИМП. Модуль максимальной приведенной погрешности измерения Vp %

10 0,052 - 0,098

50 0,065 - 0,107

100 0,0025 - 0,0125 0,11 - 0,162

150 0,187 - 0,267

200 0,329 - 0,45

также метод их адаптации к состоянию процесса бурения.

7. Обоснованы принципы построения ИИС и разработана ее структурная схема.

8. Осуществлен синтез ИИС, разработаны алгоритм и программа функционирования ИИС.

9. Проанализированы погрешности ИИС.

10. Проведены промысловые испытания ИИС и получены положительные их результаты.

Публикации по теме диссертации:

1. A.c. 1351240 СССР, МКИ4 Е 21 В 44/00. Устройство для регулирования осевой нагрузки на долото при турбинном бурении /В.А.Бражников, О.В.Лысенко (СССР).

2. A.c. 1452945 СССР, МКИ4 Е 21 В 45/00. Устройство для определения осевой нагрузки на долото при турбинном бурении /В.А.Бражников, О.В.Лысенко (СССР).

3. Бражников В.А., Лысенко О.Б. Методы управления процессом бурения / СФ КПтИ.-Сызрань, 1986.-Деп. в ВНИИОЭНГ 20.09.об, N1305-Hr.

4. Бражников В.А., Лысенко О.В. Управление процессом бурения глубоких скважин по рейсовой скорости / СФ КПтИ.-Сызрань, 1986.-Деп. в ВНИИОЭНГ 10.11.86, Ы1331-НГ.

5. Бражников В.А., Лысенко О.В. Алгоритм оптимального управления процессом роторного бурения по критерию максимума рейсовой скорости / СФ КПтИ.-Сызрань, 1990.-Деп. в ВНИИОЭНГ 22.06.90, N1883-Hr90.

6. Бражников В.А., Лысенко О.В. Оптимизация процесса бурения по рейсовой скорости //Проблемы комплексного освоения астраханского газоковденсатного месторождения: Тез. докл. научн.-практ. конф.- Москва, 1987.-С. 23-24.

7. Бражников В.А., Лысенко О.В. ИИС для управления процессом бурения по рейсовой скорости //Информационно-измерительные системы - 89: Тез. докл. Всесоюзн.научн.-техн. конф.- Ульяновск, 1S89.-C.96.

8. Бражников В.А., Лысенко О.В. ИИС для управления процессом бурения скважины // Измерительные информационные системы - 91: Тез. докл. Всесоюзн. научн.-техн. конф.-Санкт-Петербург, 1991.- С.153

9. Лысенко О.В. Оперативное управление процессом

бурения по рейсовой скорости //Тез. докл. обл. научн.-техн. конф. "Автоматизация и комплексная механизация технических производств".-Сызрань, 1987.-С.6-7.

10. Лысенко О.В. Процесс бурения как объект оптимального управления // Тез. докл. обл.научн.- техн. конф. "Автоматизация и комплексная механизация технических производств".-Сызрань, 1987.-С.9.

11. Лысенко О.В. Динамическое управление процессом бурения по рейсовой скорорсти //Тез. докл. региональн. научн.-техн. конф. "Совершенствование методов поиска, разведки и разработки нефтяных и газовых месторовдений". -Пермь, 1989.-С.17.

12. Лысенко О.Б. Алгоритм управления процессом бурения скважины //Тез. докл. обл. научн.-техн. конф., посвященной 60-летию КЛтИ.-Куйбышев, 1990.-С.175.