автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Математическое и программное обеспечение автоматизированной системы оперативного управления траекторией нефтяных наклонно-направленных скважин

1<^рл\ский государственный авилциоиныи

технические университет

На прапах рукописи

НУГАЕВ Ильдар Фидаилевич

.МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ

ТРАЕКТОРИЕЙ НЕФТЯНЫХ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИН

05.13.06 — Автоматизированные системы управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степей» кандидата технических наук

уфа 1005

Работа выполнена па кафедре «Промышленная электроника» Уфимского государственного авиационного технического университета.

Научный руководитель — доктор технических наук,

профессор Васильев В. И.

Официальные оппоненты — доктор технических паук,

профессор Ковшов Г.Н., кандидат технических наук, доцент Клестов Е. А.

1$едущая организация — Башкирский государственный научно-исследовательский и проектный институт нефтяной промышленности (БашНИПИнефть).

Защита диссертации состоится « -2У » _199 ¿"г.

часов на заседании диссертационного совета К-083.17.03 р Уфимском гсударственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан «. ■>> __1995 года.

Учений секретарь диссертационного совета д. т. н., профессор

Васильев В. И.

ОБОАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность темы. Раввитие топливно-энергетических отраслей народного хозяйства неразрывна связано с увеличением добычи нефти и гаэа. 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 использовании плодородных земель.

Строительство ННГС, в отличие от''вертикальних , влечет за собой значительное поЕьвдение существующих и введение специальных требований к технологии проводки скважины. Одним из таких требо-, ваний является формирование оптимальной пространственной траектории ствола скваяины, обеспечивающей вскрытие продуктивного пласта в заданной области с учетом геологических и технологических ограничений. Качество выполнэнения данного' требования непосредственно определяет эффективность бурения ННГС, включая 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 соответствующая 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 сгаакини 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 , еключэдих в себя высокоточные глубинные.измерительные преобразователи, микропроцессорные устройства обработки информации, каналы передачи цифровых данных на поверхность (ШО/ ОКШ - системы);

- разработкой и внедрением устройств осуществления управления траекторией скважины, в тем числе телеуправляемого бурового инструмента, автоматизированных исполнительных механизмов.

Наряду с развитием вьдоеукаоакных подсистем, имеет место значительное отставание в области решения задачи 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 рзараЗотки математического и программного обеспечения АСУ ТС, основанного на адекватных моделях движения бурового инструмента и методах современной теории управления, с целью псешэям эффективности процесса провод га' ННГС.

На основании сделанного яь-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-.

1. Выбор и обоснование математической модели дзижения бурового инструмента как объекта управления при решении задачи оперативного управления траекторией наклонко-нэлрзвлекных и гориаон-талмш сгаажин (ИКГС).

2. Разработка показателей оценки гффективности оперативного управления траекторией ННГС.

3. Математическая постановка и решение задачи оперативного управления траекторией ННГС на оснме выбранной модели движения бурового инструмента.

4. Разработка математического обеспечения АСУ ТС на основе выбранной математической модели движения бурового инструмента, включая разработку его функциональной и алгоритмической структур.

5. Разработка комплекса прикладного программного обеспечения выработки оперативного управления траекторией ННГС , ориектирова-

иного для применения на базе IBM - совместимой управляющей ЭЗМ, входящей в состав АСУ ТС.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе -¡задач был применен математический аппарат дифферен-. цтлыюй геометрии, системного анализа, теории сложности, математической статистики, теории оптимального управления, теории автоматического регулирования.

Научная новизна:

1. Выбрана и обоснована мяогорежимнвя математическая модель движения бурового инструмента, обеспечивающая эффективное решение задачи оперативного управления траекторией ННГС.

3. Предложен комплекс показателей для оценки эффективности оперативного управления траекторией ННГС, включающий показатели точности и экономичности управления.

4. Сформулирована математическая постановка задачи оператив1-кого управления траекторией ННГС как задача управления траекторией движения бурового инструмента на основе выбранной математической модели.

5. 11а основе предложенной в работе концепции развивающего проектирования ' разработана функциональная структура математического обеспечения АСУ ТС.

6. разработана алгоритмическая структура математического обеспечения АСУ ТС, включавдая алгоритмы оптимального терминального и регулирующего управления траекторией движения бурового инструмента , алгоритмы краткосрочного и долгосрочного прогноза

• траектории ИНГС на основе идентифицируемой в процессе бурения модели

у

Практическая ценность и реалиаацкя результатов работы. Разработан комплекс программных средств, реализующих разработанное алгоритмическое обеспечение оперативного управления траекторией

Б

ННГС, ориентированный для применения на Сазе IBM - совместимой управляющей ЭВМ. Данный программный комплекс.является универсальным инструментальным средством л может быть применен на Сазе универсальной ЭВМ инженерного-зкчислителмгаго центра, автономной ЭВМ на буровой, ЭВМ.на Суревой,сопряженной с телеметрической системой и исполнительными механизмами.

Результаты проведенного имитационного моделирования процессов оперативного управления траекторией ННГС с применением данного комплекса свидетельствуют "с повышении точности управления и прогноза траектории ствола скважины в 1.5 раза, что обеспечивает г.ОЕЬваенке прскзЕсд'.'.тельности процесса бурения на 10-2QX ва счет уменьшения длина корректирующего участка ствола сквахинк.

Базовые алгоритмы разработанного математического обеспечения управляющей ЭВМ внедрены в з ГНПП "Пилот" для использования в составе перспективной ACT ТС. -

Работа выполнена на кафедре" промышленной электроники Уфимского государственного авиационного технического университета в соответствии с планами хоздоговорных научно-исследогателъских работ Уфимского государственного авиационного технического университета' по темам: АЛ ПЭ-12-93-ГО, АП-ПЭ-04-94-ГР, АП-ПЭ-Б9-95-03.

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 ссеративяого 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 бурового инструмента с прогнозирующей обратной связью;

- алгоритмы регулирующего управления движением бурового инструмента по отклонение от проектной траектории;

- елгоритмы краткосрочного и долгосрочного прогноза траектории движения бурового инструмента на основе идентифицируемой в процессе бурения модели;

- алгоритм контроля входной шклинометрической информации.

Б. Алгоритмы комплекса прикладного программного обеспечения АСУ ТС, реализующие разработанное математическое обеспечение,

Апробация^эайсти. Основные положения и результаты работы докладывались и. "обсуждались на следующих научно-технических конференциях и совещаниях '

- 2-ой Межреспубликанской' научно-технической конференция "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 контроле технологических процессов изготовления деталей авиакосмической техники", г.Уфа, 1994 г.;

- Международной научной конференции "Интеллектуальные автономные сцстемц (НАС-4)", г.Карлсруэ, Германия, март 1995 г.

Ш^Щации- Основные материалы диссертационной работы опуб-

ликосаны d 10 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из 18? страниц машинописного текста , включающего в себя введение, четыре главы, заключение, список литературы из 105 наименований и приложения.

СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ

Во введении формулируется актуальность задач исследований, их цель , ьсвизна и практическая ценность ссчозных положений, выносимых на защиту.

Е первой главе рассмотрена проблема оперативного управления траекторией наклонно-направленных и горизонтальных сква*;ин. Приведены результаты анализа современного уровня развития автоматизированных систем оперативного управления траекторией скважин (АСУ ТС), обобщенная техническая структура которой представлена на рис.1 и включает измерительную подсистему (Щ), подсистему осуществления (НОУ), подсистему выработки управления (ПВУ), колонну бурильных труб (КВТ), • компановку низа бурильной колонны (КНБК). На основе дачного анализа сделан вывод о возможности по-выаения эффективности оперативного управления траекторией ННГС путем разработки специального математического и программного обеспечения управляюцей ЭВМ АСУ Т.е. Сформулированы задачи исследований, проведенных в работе, связанных с разработкой математического и программного обеспечения и содержании следующие основные этапы: 1) математическая постановка задачи оперативного управления траекторией ННГС, включая выбор и обоснование модели движения буревого инструмента и разработку показателей эффективности управления; 2) разработка функциональней- структуры математического обеспечения АСУ ТС; 3) разработка алгоритмической структуры математического обеспечения АСУ 1С; 4) разработка прикладного программного обеспечения управляюцей РНМ-АСУ тс.

ПВУ

га ,

УВР

Канал связи

~1Г

Оператор

буровой

уст-ки

Ж

Удрав -7 лкющая ЭВМ.

КРУ

Буровой * мастер '

I и . ■ .. 1,1 —

Буровая бригада

Средства формирования структ. и геом. параметров КНВК

Средства пространственной ориентации КНБК

КНБК .КВТ

ш

Наземная) ситэма

— Канал передачи

дачных

НГлубинное измер.устр.

Риа.1 Обобщенная техническая структура АСУ ТС

Во второй главе осуществлена математическая постановка задачи операгюного управления траекторией ННГС • как задачи управления траекторией движения компоновки низа бурильной колонны (КНБК).

Сформулированы требования к математической модели движения бурового инструмента как многорежимного объекта управления, включая режимы бурения ориентируемой и неориентируемой КНБК.

Обоснован выбор модели движения бурового инструмента на основе комбинации кинематического и статистического способов описания , определяемой следующими соотношениями:-

сЦ

= Р^Х.и.З) + ДР4< X, А ,1), 1=1,...Б,

(1)

где X = (6, й, к, у, г) - ьектор координат состояния КНБК,

определяемый положении подвижной системы прямоугольных координат, связанной с центром тяжести КНЕК, относительно неподвижной системы , связанной с уотьзм скважины: 8-эенитний угол, ¿-азимутальный угол, х, у, z - прямоугольные «ординаты ;

1 -текущая длина ствола скважины;

Fi - функции, построенные на базе кинематических представлений движения КНБК, определяющие основные закономерности этого движения и включающие в себя в явном виде управляющие параметры (U) J

AFj - функции, достроенные на базе статистических представлений, определяющие влияние неучтенных геологических и технических факторов на процесс формирования траектории'ННГС;

А - коэффициенты, идентифицируемые в процессе бурения по текущим ииклиноЫетрическим дачным.

U » (к(1), ?(1)) - вектор управляющих параметров;

к(1) - расчетная кривизна траектории ННГС при Сурении ориентируемой КНБК (ОКНЕК);

ф(1) - угол установки отклонигеля (пространственная ориентация плоскости искривления ННГС) при бурении DKHEK.

Выбранная многорежимная модель представлена в табл. 1., где (d9/dl)n, (dct/dl)п - расчетные интенсивности искривления зенитного я азимутального углов на режимах бурения неориентируемой КНБК.

рассмотрены два аарианта построения аппроксимирующих выражений ДЛЯ ÜF1, ÄF2 :

1) алгебраические, многочлены 2-го порядка в- функции длины-скважины 1:

AFi - ао + ail + aal2; (2)

№2 = Ьо + Ьа1 + Ьг1й;

2) алгебраические многочлены 2-го порядка в функции зенитного угла О:

ДР1 « со + Саё + С28г; Д.Ге = ¿о + С1х0 + с1202, (3)

где в1, Ьх, ¿1, с! 1 - идентифицируемые в процессе бурения коэффициенты.

Таблица 1

с1ХУс11 окнвк НКНБК

с! 8 а! к ссзф + ДР1 ( ЙВ ^

а« <П~' к ——— + АРг 51П0 ■(■£)' + Др£

с1х/с11 ■ СОБ« 31П 8 СОЗС* 31Г,8

dy/dl

dz/dl' соз8 созв

На основании.результатов исследований принят комбинированный .способ определения функций ЛРь соответствии с рассматривавши интервалом лрогноаа:

1) краткосрочный прогноз (1 - до 30 м) - модели (2).

2) долгосрочный прогноэ (1 - свыше 30 м) - модель (3). -

Предложен комплекс показателей . эффективности оперативного

управления траекторией ННГС, включающий показатели точности и экономичности управления.

Для оценки точности управления, в смысле близости траекторий проектной траектории к управляемой , введен следующий показатель: расстояние от ' точки Хл=(0л><*п.Хп.Уп.гп) на проектной траектории до управляемой траектории Хи(1) в пространстве состояний Я5, определяемое следующей метрикой:

<И5КХп(Хи(1)) • Я Х'с - ХпП- (4)

гц/ (хр-хп)й-|-(ур-уп)г+(2р-2п)г + ггкр - вп1 + ез!8в - 8П1.

где Хр « (6р,йр,хр,ур,2р,) - точка, соответствующая пересечению управляемой траектории Хи(1) в пространстве (х,у,г) с плоскостью Р(ХП), проходящей через точку Хп и перпендикулярную к касательной к проектной траектории; г, - весовые коэфицкенты .

На основании данной метрики предлагается использовать также метрики в пространствах пониженной размерности:

1) в 3-х мерном пространстве декартовых координат :

С^оСХп.Хц(1)) - /(Хр-Хп)2 + (Ур-Уп)2 + (2р-2п)2! (б)

2) в одномерных пространствах угловых координат: сИ51а(Хл,Хи(1)) - |сгР - вл1; (б) сИзШХп.ХцЦ)) = ]вр - в„|.

3) в двухмерном пространстве угловых координат: dlstat.CXn.XuCD) «1ц|вв- 8п[+Ь2!«0- «п1, (7) где Ьи - весовые коэффициенты .

Полученный комплекс показателей, • основанный на приведенных метриках,нормированных по предельно допустимым отклонениям,пред -ставлен в табл. 2, где АаД9а - предельно-допустимые отклонения угловых координат, - предельно-допустимый радиус отклонения, Й! - весовые коэффициенты.

Математическая постановка задачи оперативного управления траекторией ННГС принимает следующий вид.

Требуется определить закон управления и(Х,1) , обеспечивающий перевод КНБК из произвольного начального состояния Хо в конечную точку Хк по траектории Х(1), удовлетворяющей определенным интегральным и терминальным ограничениям , в соответствий с моделью движения (табл.2).

Ограничения заданы следующими соотношениями:

1) интегральные ограничения:

пвх(сН^о(Хя,>ч1(1)) ~ МШ <'0; Хп 6 Хп(1); .

с!8 с!«

— <• —■ < ПсЬ

с!1 с!1

где - допустимая интенсивность.зенитного искривления} ¡ка-" допустимая интенсивность ааимуталького искривления;

Таблица г

Оцени -ваемые Пространства Показатели точности управления

Интегральные показатели Терминальные покаватеди

Декартовых координат пт(«1151с(Хп,Хи(Ш К<з . . сИз1о(Хпк,Хи(1)) - --- йа

Азимутального угла шах(с11з1а(Хп,Хц(1)) •^ла?-------- ",--------■■'""----------- сИзЬа(Хпк.Хи(1)) ^та " * , --------------- ¿су

Зенитного угла пах(<Цзи(ХП,Хи(1)) •а1зМХпк,Хи(1)) я - Дба

Угловых координат Лга^ЗтаЪа^а^ЗтаЬг ЛтЪ

Полное пространство = ^ИО + Зиг Лига

2) терминальные ограничения: ((Кк-хпк)2 + (Ук'Упк)2' +(21с-2пк2))1/г < Яка, (9)

1«К-«кп I < Лад. 10К - 8кп1 < Л8ка. где Xk.yR.2t;, «к, вк, Хпк. Улк, Злк, аПк, влк - соответственно прямоугольные и цилиндрические координаты управляемой и проектной траекторий в конечных точках;

ЯкаI йЭкс! - конечные допустимые отклонения ссответс- •

твенно по декартовым и цилиндрическим координатам.

В третьей глааэ решается задача формирования функциональной

и алгоритмической структур математического обеспечения АСУ ТС.

Предложенный подход к формированию функциональной структуры АСУ ТС включает в себя способ ее формализованного описания в виде дерева целей и концепцию развивающего проектирования иерархических структур, использование которой позволило сформировать модель функциональной структуры, продставлоиую на рис,2.

1-ый уровень

2-ой уровень

3-ий уровень

4-ый уровень

5-ый уровень

Рис.2 Функциональная структура математического обеспечения АСУ ТС

Первый уровень детализации содержит подсистемы управления отдельными режимами бурения, второй уровень - подсистемы выработки отдельных управлявших воздействий, третий уровень - подсистемы управления отдельными координатами состояния КНБК, четвертый уровень - подсистемы реализации отдельных видов управления, пятой

Подсистема стабилизации зенитного угла

Подсистема набора

зенитного угла

Подсистема управления движением ОКНБК

Подсистема формирования кривизны траектории

Подсистема формирования угла установки отклонитоля

У е й

Подсистема терминального корректирующего (программного) управления

Подсистема регулирующего управления з малых отауюнениях от. программы

Подсистема адаптации. Подсистема идентификации Подсистема прогноэируюй щей обратной связи. Подсистема выработки програшы управления.

Подсистема программного регулирования с обратной связью по отклонении от программной траектории

уровень - подсистемы реалиеации отдельных принципов управления.

Алгоритмическая структура математического обеспечения АСУ ТС разработана на основе сформированной функциональной ртруктуры.

В качестве общего принципа проектирования применен принцип последовательного раскрытия неопределенностей , впадающий в себя этапы: синтеза топологии, синтеза структур операторов алгоритмических блоков, синтеза параметров математических операций.

Укрупненная топология алгоритмической структуры реализует виды управления, определенные функциональной структурой АСУ 1С,' включая подсистему алгоритмов терминального управления ("управление в большом") и подсистему алгоритмов регулирующего управления ("управление в малом") .

Разработан комплекс алгоритмов, входящих в подсистему терминального управления, структура которой представлена на рис.3, где Хп - проектная траектория; Х(1), Щ1) - корректирующая траектория и программа управления; X,и - текущие значения корректирующей траектории и программы управления; Хпр - прогнозируемая траектория; XI - измеряемые координаты состояния КНБК; % - признак необходимости выработки корректирующего управления.

Рис.3 . Алгоритмическая структура подсистемы терминального управления АСУ ТС.

Алгоритм выработки программы теры1!нальтго управления решает задачу вычисления программы управления ип(1) для участка бурения в режиме ОКНБК, обеспечивающей попадание траектории ННГС в заданную область Sk из произвольного начального состояния Хо о учетом ограничений (8)-(9) и минимизирующую обобщенный терминальный показатель качества оперативного управления Jt (см.табл. 2).

Решение даяной задачи осуществляется на основе редукции задачи оптимального управления к задаче нелинейного программирования с применением идентифицируемой модели прогноза двиления КНБК.

Разработаны алгоритмы краткосрочного и долгосрочного прогноза траектории ННГС на основе численного интегрирования модели движения КНБК с идентификацией параметров статистических составляют!«, получаемых в процессе бурения с помощью метода наименьших квадратов. .

В работе представлены результаты сравнительного анализа эффективности разработанных алгоритмов и,известных методов коррекции траектории ННГС, построенных на базе упрощенных представлений о движении ККБК. На основании полученных результатов сделан вывод о том, что применение разработанных алгоритмов оптимального терминального управления с применением идентифицируемых в прс'цессе бурения моделей позволяет повысить точность оперативного управления траекторией ННГС не менее чем в 1,5 раза.

Алгоритмы подсистема регулирующего управления решают задачу непрерывного слежения за проектной траекторией при малых отклонениях на основе линеаризованной модели движения ОКНБК, представленной в работе в следующей форма:

ÜX = А-ДХ + вди + Й1, (10)

где ÄX * (fiß.&d, Ах, йу, Дг) - вектор переменных состояния ОКНБК;

ДО - (Лк, Дф) - вектор управляющих воздействий ОКНЕК;

где А,В - числовые матрицы;

Д1(1) » (ДН. Д1а) * вектор воэыущашда воздействий;

Л1а> ДЦ * воэмушвдаэ интенсивности изменения соответственно азимутального и венитного углов.

Значения элементов матриц А,В определяются из соотношений, полученных путем • разложения правых частей исходных нелинейна уравнений (табл, 1) в ряд Тейлора в окрестности текущей точки проектной траектории. Структура линеаризованной модели движения ' ОКНБК представлена.на рис.' 4,

Ди(1)

Д1а(1)

Рис. 4 Линеаризованная модель движения ОКНБК

Рассмотрен синтез алгоритмов двух вариантов функцинальных структур подсистемы регулирующего управления:

1) ПР1 - подсистема регулирования азимутального (а) и венитного углов (6);

й) ПР2 - подсистема регулирования декартовых координат (х,у).

Топология алгоритмических структур данных подсистем построена на основе принципа автономности сепаратных каналов по вовмуде-ниям представлена на рис. б, где «о, 8о, хо, Уо. - программные значения соответственно азимутального, зенитного углов и декартовых координат.

На основании результатов имитационного моделирования процессов регулирующего управления на базе синтезированных алгоритмов, сделан вывод о той, что наиболее эффективной при выбранной топологии является подсистема регулирующего управления по декартовым координатам ОКНБК, обеспечивающая устойчивость по всем координатам состояния в условиях действия возмущений по интенсивности искривления траектории ствола скважины.

ко

в

W

а

(У)

90

Рис. 5 Структура подсистемы регулирования угловых (декартовых) координат 0К1ШК

В четвертой главе приведено описание разработанного комплекса прикладного программного обеспечения управляющей ЭЕМ АСУ ТС, реалиэукцего разработанное алгоритмическое обеспечение оперативного управления траекторией ННГС. Комплекс'ориентирован для использования на базе IBM - совместимой ЭВМ.

Входной информацией для работы комплекса являются: текущие инклинометрическяе данный (азимутальный угол (а), зенитный угол (6), угол установки отклонителя (q>), приращение длины траектории ствола скважины (Й1)); параметры проектной траектории ННГС; «ара-метры КНБК,

1В*

Комплекс является инструментальным средством, решающим следующие задачи: оперативная выработка вначений управляющих воздействий; прогноз траектории бурящейся скважины; контроль критических ситуаций. •

Комплекс может быть применен в следующих вариантах:

- на базе универсальной ЭВМ инженерно-вычислительного центра;

- на базе автономной универсальной ЭВМ, расположенной на буровой;

- на базе универсальной ЭВМ,сопряженной о телеметрической системой ;

- на базе специальной ЭВМ, входящей в состав автоматизированной системы управления, сопряженной о телеметрической системой и исполнительными механизмами.

Структура комплекса представлена на рис.6,

Рис.6 Структура комплекса программного обеспечения АСУ ТС

Вычислительный блок осуществляет численное решение задач управления траекторией ННГС на основе текущей инклинометрической информации и содержит следующие функциональные модули:

1) выработки значений управляющих воздействий;

2) расчета текущих декартовых координат;

3) расчета прогнозируемой траектории бурящейся скважины;

4) идентификации параметров модели движения КНБК.

Блок ввода-выводз осуществляет взаимодействие ПО с внешними

системами и включает в себя:

- модуль интерфейса со стандартными устройствами: монитор, клавиатура, принтер, внешняя память (ГМ£, винчестер).

Подсистема обработки данных осуществляет выполнение сервисных функций: документирование (формирование, редактирование, печать, хранение документации); ведение бааы данных параметров бурящейся и ранее пробуренных скважин; поддержка справочной информации.

Блек контроля критических ситуаций включает в себя следующие функциональные модули:

- модуль контроля геометрических параметров траектории ствола сквашш,осуществляющий контроль опасного превышения интексив-ностей азимутального, зенитного и пространственного искривления ствола скважины , контроль опасного отклонения забоя от проектно-

• го профиля и пересечения стволов;

- модуль контроля входной инклинометрической информации, осуществляющий оперативный контроль критических ситуаций, связанных с откааом или сбоем в одном ив каналов измерительной подсистемы.

Для контроля отказов и сбоев в измерительных каналах разработан алгоритм, йспольэущий свойство аналитической избыточности математической модели движения КНБК (см. табл.1). Алгоритм обеспечивает отказоустойчивость комплекса к единичным отказам в каналах измерения венитного я азимутального углов, при этом информация отказавшего канала заменяется косвенно вычисленной.

Подсистема - диспетчер осуществляет управление взаимодействием всех подсистем между собой и с внешними системами.

Результаты проведенного имитационного моделирования процессов оперативного управления траекторией ННГС на базе данного комплекса свидетельствуют о повышении точности управления и прог-

нова траектории ствола скважины не менее чем в 1.6 раза, что-обеспечивает повышение производительности процесса бурения на 10-20Х за счет уменьшения длины корректирующего участка ствола скважин«.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Сформулирована математическая постановка задачи оперативного управлений траекторией ННГС как аадачи управления траекторией движения бурового инструмента на основе выбранной математической модели.

2. Предложен комплекс, показателей, для оценки эффективности оперативного управления траекторией ННГС.

3. На основе предложенной концепции развивающего проектирования иерархических структур разработана функциональная структура математического обеспечения автоматизированной системы оперативного управления траекторией ННГС (АСУ ТС).

4. Разработана алгоритмическая структура математического обеспечения АСУ ТС, включающая в себя следующие алгоритмы:

- алгоритм терминального управления траекторией движения бурового инструмента с прогнозирующей обратной связью,позволяющий повысить терминальную точность управления по сравнению с существующими методами не менее, чем в 1.5 раза;

' - алгоритмы регулирующего управления движением бурового инструмента г.о отклонению от проектной траектории;

- алгоритмы краткосрочного и долгосрочного прогноза траектории движения бурового инструмента на основе идентифицируемой в процессе бурения модели, повыааакпй точность прогноза по сравнению с традиционными подходами по углсвкм координатам не менее чем на 50 X, по декаргозым координатам ¡¡е менее,, чем на 40 7.-,'

' -.алгоритм контроля входной инклкисмгтркческой информации

на основе использования модели движения бурового инструмента.

В. Разработан комплекс прикладного программного обеспечения управляющей ЭЕМ АСУ ТС на основе разработанного математического и алгоритмического обеспечения , позволяющий повысить точность оперативного управления в 1.5 раза и повысить производительность процесса бурения на 1Q-E0X,'

Основные научные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Моделирование процесса управления бурением нефтяных скважин / В.И. Васильев , A.C. Ивановский , Й.Ф.Нугаев, З.В.Агзамов // Автоматизация проектирования: Тезисы докладов Всесоюзной науч-но-тэхн. конференции, Пзнаа, 1991. - С.7-8.

2. Ивановский A.C. нугаев И.Ф..Агзамоа Э.В. Алгоритм автоматического управления процессом бурения наклонно-направленных скважин-// Методы и средства управления технологическими процессами: Тезисы докладов 2-й Межреспубликанской научно-технической конференции, г.Саранск,1991. - С. 21.

3. Оптимизация управления траекторией нефтяных наклонно-направленных скважин в процессе бурения / В.И.Васильев ,А.С.Ивановский, И.Ф.Нугаев^ Э.В.Агвавдв // Методы и средства упразления технологическими процессами: Сборник научных трудов 2-й Межреспубликанской научно-технической конференции, г.Саранск,1991.-С.7?.

4. Нугаев И.Ф. Топологический синтез систем автоматического управления процессом бурения нефтяных наклонно-направленных скважин .обладающих свойством иибучести // Надежность, живучесть и безопасность автоматизированных комплексов: Теаисы докладов V Всесоюзного совещания, Суздаль,1991. - С. 19-20;

5. Васильев В.И.,Ивановский A.c. .Нугаев М.Ф, Многорежимкое управление траекториями не&тяньм скважин //Методы и средства управления технологическими процессами : Тэейсы докладов з-ей Межреспубликанской научно-теякаческсй юнфергнцки,г.Сгфш5ск,1533.- С. 16.

гг

6. Ивановский A.C., Нугаев И.Ф., Агаамов Э.В. Прогнозирование траектории нефтяной скважины по идентифицируемой дифференциальной модели //Методы и средства управления технологическими процессами : Тезисы докладов 3-ей Межреспубликанской научно-технической конференции, г.Саранск, 1993. - С. 34.

7. Васильев В.И.,' Нугаев И.Ф. Структурный синтез робастных МСАУ на осноге концепции развивающего, проектирования // Новые направления ' в теории систем с обратной связью: Тезисы докладов 1-го Российского"совещания (г. Уфа, май-июнь 1933). - М.: ИПУ РАН. - С.104.

8. Проблема автоматизации управления траекторией ствола наклонно- направленных скважин / Р.И,Алимбеков, В.И. Васильев. З.А, Семерач, И.Ф. Нугаев, З.В. Агэамов // Проблемы механики и управления . Сборник трудов Института механики УНЦ FAh. - Уфа, 1994. -С. 1.53-158.

9. Нугаев И.Ф. Синтез функциональной структуры на основе концепции развивающего проектирования // Управление и контроль технологических процессов изготовления деталей авиакосмической техники : Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции, Г.Уфа, 1994. - С. 14.

10. V. I.Vasilyev,l.F.Nugaev.Z.V.Agzamov, Automatic Control with Prediction for Autonomous Robot - Drill, Proceedings of the 4-th International Conference "Intelligent Autonomous Systems" (Carlsruhe, Germany, March 27-30, 1995), IOS Press, 1995, pp. 461-464.

/¡I

/