автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Методы и алгоритмы оперативного управления направленным бурением скважин

с-

^Х-' На правах рукописи

АГЗАМОВ Зуфар Варисович

МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ НАПРАВЛЕННЫМ БУРЕНИЕМ СКВАЖИН

Специальность 05.13.06 — Автоматизированные системы управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

УФА 1998

Работа выполнена на кафедрах промышленной электроники, вычислительной техники и защиты информации Уфимского государственного авиационного технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Васильев В. И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Ковиоз Г.Н. кандидат технических наук, доцент Нигматуллии Р. Г.

Ведущая организация - Башкирский научно- исследовательский и

проектный институт нефти (БашНМПИнефть

Защита диссертации состоится "22. " к^Х/О-З_ 1998 г.

в 44.00 часов на заседании диссертационного совета К-063.17.03 в Уфимском государственном 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

"22 - си^Л^

.1998 Г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.т.н., профессор Ефанов В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. 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 условия!®, 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 существ^т^с* 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 определяет эффективность ННГС, включая затраты на строительство и .эффект от ее эксплуатации.

В современной1 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 управления 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 (ЮТ, дШЮ - 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 ННГС.

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:

1. 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 бурбкком ННГС

2. Разработка математического обеспечения АСОУ КБ, включая разработку алгоритмической структуры АСОУ НБ.

3. Имитационное моделирование и исследование эффективности разработанных алгоритмов прогноза и оперативного управления траекторией ННГС.

4. Исследование возможности применения методов интеллектуального управления для повышения эффективности оперативного управления направленным бурением.

5. Разработка комплекса прикладного программного обеспечения АСОУ КБ, обеспечиваюшего эффективное принятие решений по оперативному управлению бурением КНГС 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:

1. 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.

2. Сформулирована математическая постановка задачи оперативного управления траекторией ННГС как задачи управления траекторией движения бурового инструмента на основе выбранной

математической модели 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.

4. Поставлена и решена задача анализа достижимости траекторией скважины заданной области пространства на основе критерия минимального количества переключений управляющего воздействия.

5. 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 защиту 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 работы. 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 конференция "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, 1996 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность задач исследований, их цель, новизна и практическая ценность выносимых на защиту результатов.

В первой главе рассмотрена проблема повышения эффективности управления технологическим процессом направленного 'бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин (ННГС). Приведены результаты анализа современного уровня развития технического и математического обеспечения в данной области, а также обзор состояния научных исследований в области экспертных систем с целью исследования возможностей их применения в управлении бурением скважин.

Предложена функционально - структурная схема иерархической АСОУ НБ, верхний (стратегический) уровень которой предназначен для планирования оптимальных траекторий (проектных профилей) куста скважин исходя из априорных данных о месторождении, пространственном положении пород и особенностей движения бурового инструмента при их разбуривании. Второй (тактический) уровень управления предназначен для коррекции опорной траектории из текущей точки забоя исходя из оперативных данных . по уже пробуренным скважинам. Третий (исполнительный) уровень регулирующего управления предназначен для обеспечения движения бурового инструмента по опорной траектории.

Поставлена задача проектирования специального программного и математического обеспечения АСОУ НБ с применением методов оптимального к интеллектуального управления. Выбраны направления исследований, сформулированы цель работы и задачи исследования.

Во второй главе построена математическая модель движения бурового инструмента - компоновки низа бурильной колонны (КНБК) -как объекта управления при решении задачи управления траекторией скважины. Математическая модель движения КНБК, определяющей

пространственное положение ствола скважины, имеет вид:

Для режима d<p sirnp d9 da sin<p

бурения с — = -k-; — = k-costp + AF,; — = k —— + AF¡>;

ОКНБК: di tg9 di di slnB

(1)

Для режима tí8 da

бурения с — = ltn + AFj; — = 1ап + AFZ;

НКНБК: di di

dx dy dz

— = cosa ■ sin 0; — = sln8 • slna; — = cos8, di di di

где ОКНБК, НКНБК - соответственно ориентируемая и неориентируемая КНБК; 1 - длина ствола скважины; к - расчетная кривизна траектории на режиме бурения ОКНБК; Ф - угол установки отклонителя (пространственная ориентация

плоскости искривления ННГС) при бурении ОКНБК; itn, 1ап - расчетные интенсивности изменения зенитного и

азимутального углов при бурении НКНБК; Х(1) = {8,о.,х,у,z} - вектор координат состояния объекта управления (КНБК), включающий в себя зенитный угол 8, азимутальный угол а, прямоугольные декартовы координаты х,у.z забоя относительно устья скважины; AFj, ÁF¡¡ - функции, построенные на базе статистических представлений, определяющие ваяние неучтенных геологических и технических факторов на процесс формирования траектории ННГС. При реахнии задачи синтеза управления данные функции представляются как возмущающие воздействия, а при решении задач прогноза идентифицируются на основе накопленной в процессе бурения статистической информации.

В рамках общей задачи управления формообразованием траектории скважины сформулирована математическая постановка задачи оперативного управления траекторией ННГС как задачи управления движением КНБК. Данная задача решается в следующей постановке: требуется определить закон изменения управляющих воздействий

U(X, 1) = { k(X, 1), ф(Х, 1) }, для ОКНБК;

(2)

U(X.l) - { itn(X. 1), 1ап(Х, 1) }, для НКНБК,

обеспечивающий перевод КНБК, движение которой описывается уравнениями (1), из заданного начального состояния Х0 в конечную

точку Хц по траектории Х(1) с учетом ряда интегральных и терминальных ограничений (см. рис.1), определяющих требуемую точность проводки скважины.

й Наземное оборудование

Проектная траектория

щ

Действительная' траектория

Буровой / инструмент Прогнозируемая' траектория

Е(хк. Ук. 2к) Круг допуска

'Криволинейный конус

F(x кп> Укл! )- Проектная точка вскрытия продуктивного пласта

Ч(бк„аКП)

1 (бк.ак)

РКС. 1.

Данные ограничения принимают следующий вид: 1) интегральные ограничения Си:

^х-хпи))Му-уп(1))г + (2-2п(1))г < Еа {!)):

de da dp

— < W — < <

dl dl dl

(3)

< i

Od •

где хп(1),уп(1),гп (1) - координаты проектной траектории-бурения;

^аа.^аЛоа -допустимые интенсивности зенитного, азимутального и пространственного искривления;

(1) - допустимый радиус круга допуска на длине 1; 2) терминальные ограничения Ст:

/(xk-xkn)2 + (Ук-Ук„)г + (zk-zkn)2 < R,

kd

(4)

| <ь - аКп| < Дсс^; | вк — 6кп | < А0Ы,

где хк> ук, гк, ак, 0к - фактические значения координат управляемой траектории в конечной точке в прямоугольной и

цилиндрической системе координат;

Хкп.Укп.гцп-^п.бкп ~ значения соответствующих координат проектной траектории'в конечной точке;

Кка- Л9ка>Аака " допустимые радиус круга допуска, отклонения зенита и азимута от проектных значений в конечной точке.

В третьей главе делается выбор методов управления траекторией бурения ННГС, разрабатываются соответствующие алгоритмы управления, проводится имитационное моделирования процессов управления с- целью оценки эффективности выбранных алгоритмов.

С учетом рассмотренной постановки задачи предложен подход к решению задачи оперативного управления, согласно которому оперативное управление траекторией применяется на участках набора и стабилизации зенитного угла. При этом участки интенсивного набора-падения зенита бурятся только на режиме ОКНБК, участок стабилизации - с помсцью КННБК и, в случае коррекции, ОКНБК. Для остальных участков характерно неуправляемое двинение. Алгоритмическая структура уровня терминального управления представлена на тс. 2.

¡¿Щ.

Блок формирования программы терминального управления

ип(1)

X, 1

Блок выработки текущего управления

и

=>-г=>

и(1)

ьлок идентификации параметров модели движения КНБК

—4-

Блок прогноза траектории ННГС

Щ)

=>=

-5-| Много-реясимная модель движения ККЕК

Чфгз

(1)

Рис.2.

Блек принятия решения о коррекции программы управления

J.Q

Здесь: С - интегральные и терминальные ограничения; Б - вектор идентифицируемых параметров модели движения бурового инструмента;

Х - вектор состояния (угловых и декартовых координат); Тп(1). хпргз(1> ~ проектная и прогнозируемая траектории; U„(l), U(l) -проектная и моделируемая программы управления ка участок бурения; U - вектор текущего управления (угол установки и перекоса отклонителя, интенсивности измейения зенита и азимута); J -обобщенный терминальный показатель ' качества; Q - переменная, характеризующая необходимость поиска новой программы управления.

Разработаны алгоритмы стратегического и тактического уровней управления НБ:'

1) алгоритм краткосрочного и долгосрочного прогноза траектории ННГС на основе численного интегрирования модели движения КНБК с идентификацией параметров статистических составляющих в процессе бурения;

2) алгоритм проектирования проектного профиля пространственного типа на основе алгоритма прогноза по априорной информации о движении КНБК-на данном месторождении;

3) поставлены задачи формирования оптимального программного управления на участках набора и стабилизации зенита и разработаны алгоритмы решения ка основе принципа редукции задачи оптимального управления к задаче нелинейного программирования.

Решение задачи терминального управления проводится с использованием экспертной систем и алгоритмов идентификации параметров математической модели, прогноза траектории на основе методов ■ статистической классификации. поиска необходимых управляющих воздействий исходя из требуемой точности управления.

В практике бурения часто встречается задача коррекции траектории на режиме бурения ОКНБК с фиксированным углом перекоса отклонителя. В работе ■ исследована теоретическая постановка задачи, сводящаяся к определению алгоритма терминального управления на участке набора зенитного угла в изотропной среде. На основании результатов имитационного моделирования процесса бурения построено множество достижимости конечных точек терминальной области при кусочно-постоянной программе управлении. Результаты вычислительного эксперимента показали, что множества достижимости программ 3-х, 4-х и более интервального управления совпадают. Анализ эффективности разработанных алгоритмов управления в виде приведенных в работе таблиц и графиков значений допустимых погрешностей по угловым и декартовым координатам, а

и

также сравнение полученных результатов с ■ известными подходами позволили сделать следующие выводы:

- для обеспечения требуемой точности достижения проектной точки забоя не хуже 0. Зм на участке набора зенитного угла до 1=300..400 м достаточно не более трех интервалов управления (1=Ь1+Ь2+Ь3), т.е. на участке бурения требуется не более трех раз настроить угол установки отклонителя и далее его не изменять на протяжении текущего интервала управления.

- применение разработанных ,алгоритмов оптимального управления в сравнении с известными методами позволяет повысить точность проводки скважины в среднем на 20..30%, а также снизить на 30.. 50% затраты на формирование управляющих воздействий в процессе бурения.

В четвертой главе приведено описание разработанного при участии автора комплекса прикладного программного обеспечения (ШЛО) управляющей ЭВМ, реализующего предложенное математическое обеспечение оперативного управления траекторией ННГС. Функциональная структура КППО приведена на рис.З..

Оперативные данные

--— ■ 1 ■ 11

Диспетчер ПО <=>

II1

Контроль входной <=> информации |

Вычисление текущих | I значений декартовых <=> координат I

Идентификация | параметров <=> модели' движения КНБК[| |

Прогноз траектории <=> движения КНБК ||

Формирование <=> управления I движения КНБК |

Контроль аварийных <=> ситуаций II

Обработка данных куста скважин

Расчет проектных профилей пространственного типа

<=> Формирование файлов документации

11| -

<=> Поддержка справочной информации 1■ <=> Поддссжка редактирования II "файлов данных

Ввод-вывод •

и

<=> Интерфейс стандартных устройств:

11| монитор, принтер, клавиатура

<=> Кнтецфейс ввода

11[ инклкнометрической информации

<=> Интерфейс управления

| приводом ротора

Рис.З.

Разработанный комплекс ориентирован для его использования на базе IBM - совместимой ЭВМ и является инструментальным средством, применение которого возможно в следующих вариантах: на базе универсальной ЭВМ инженерно-вычислительного центра (ИВЦ); на базе универсальной ЭВМ, расположенной на буровой; на базе универсальной ЭВМ, сопряженной с телеметрической системой; на базе специальной ЭВМ, входящей в состав автоматизированной системы управления, сопряженной с телеметрической системой и исполнительным механизмами.

В пятой главе исследуются возможности создания на базе разработанной АСОУ IIB перспективной экспертной управляющей системы (ЭУС) с использованием более совершенных методов прогноза на основе теории статистической классификации, построения программного управления с использованием динамических баз данных и опыта экспертов, представленного в виде правил нечеткой логики.

. Рассмотрена особенности построения на исполнительном уровне АСОУ НБ регулирующего управления на основе нечеткой логики. Возможная структура системы управления НЗ имеет в данном случае следующий вид'

Рис.4.

При данном подходе используются так называемые "лингвистические" переменные (Ш. Вх, \'К) вместо числовых переменных (а, хд) или в дополнение к ним. Управление осуществляется на основе базы правил, приводимых к виду матричного описания или таблицы решений. Правила, составленные экспертами, формулируются следующим образом:

- "Если отклонение Дх по декартовым координатам -большое отрицательное и.отклонение Да по азимуту -большое отрицательное, то значение угла перекоса отклонителя у -большое положительное";

- "Если отклонение Дх по декартовым координатам -малое положительное и отклонение Да по азимуту -малое положительное, то значение угла перекоса отклонителя у -среднее отрицательное";

- "Если отклонение Лх по декартовым координатам -большое положительное, отклонение Да по азимуту-среднее отрицательное, то значение угла перекоса отклонителя "¡[-малое отрицательное", и т.д.

Для сценки эффективности предложенного алгоритма управления рассматривалась задача движения КНБК в горизонтальной плоскости. Были введены в базу правил 3 лингвистические переменные: "Ошибка по азимуту" Са, "Ошибка по положению" Вх, и "Угол перекоса отклонителя" УК- Поскольку особенно большое значение уделяется изменению переменных "Ошибка по азимуту" Бос и "Угол перекоса отклонителя" Уу, то для них было введено 7 возможных значений (термов): ЛЬ - "большое отрицательное",

КМ - "среднее отрицательное", МБ - "малое отрицательное", 1 - "нулевое (нормальное)", РБ - "малое положительное", РМ -"среднее положительное", РЬ -"большое положительное".

Для входной переменной Бх определено 5 возможных значений: НЬ, N3, Ъ, РЗ, РЬ. При этом база правил нечеткого регулятора определяется с помощью 35 правил, заданных в виде таблицы решений. В качестве механизма логического вывода используется метод максимума-минимума. Для упрощения процедуры дефаззкфикации Функция принадлежности д(з') выходной лингвистической переменной "угол перекоса" Ч\ представлена конечным множеством точек (сингл-тонами). Функции принадлежности д(Да) и д(Дх) для переменных "ошибка по азимуту" Ба и "ошибка по положению" Вх выбирались треугольной и трапецеидальной формы.

Результаты исследования эффективности алгоритма

регулирующего управления на основе нечеткой логики для выхода траектории на заданное направление по сравнению с линейным и адаптивным алгоритмам управления показали примерно одинаковое качество управления для рассмотренных систем при небольших рассогласованиях по координатам. Регулятор на основе нечеткой логики обеспечивает при этом значительное улучшение качества при значительных величинах рассогласования, что позволяет в конечном итоге в 1.5..2 раза расширить диапазон воздействия внешних возмущений без ухудшения качества управления.

Сформулированы рекомендации к применению ЭУС на различных режимах бурения ННГС, а таксе при проектирования проектных профилей. В заключении приведены основные выводы и результаты, полученные в диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Построена многорежимная математическая модель двикения бурового инструмента на основе концепции объединения кинематического и статистического подходов, определяющая основные закономерности двикения и влияние неучтенных геологических факторов на процесс формирования траектории ННГС.

2. Сформулирована математическая постановка задачи управления траекторией ННГС как задачи оперативного управления движением бурового инструмента на основе выбранной математической модели на различных участках проектной траектории и режимах бурения. Предложен подход к ее решению 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.

4. Поставлена и ревена задача достижимости в процессе оперативного упразления траекторией скважины заданной области пространства на основе критерия минимального количества переключений управляющего воздействия. Показано, что для обеспечения требуемой точности не хуже 0.3 м, на участке набора зенитного угла до 300..400 м достаточно не более трех интервалов переключений управления.

5. Показано, что применение новых подходов к построению математического обеспечения АСОУ НБ на основе использования алгоритмов прогноза и управления движением, применения методов нечеткой логики, статистической классификации и теории экспертных систем позволяет расширить в 1.5..2 раза диапазон воздействия 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.

6. Разработан комплекс прикладного программного обеспечения перспективной АСОУ НБ на основе предложенного математического и алгоритмического обеспечения, сформулированы требования и рекомендации к построению экспертной системы реального времени для управления проводкой ННГС.

Основные научные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Васильев В.И., Ивановский A.C., Нугаев И.Ф., Агзамов З.В. Моделирование процесса управления бурением нефтяных скважин // Автоматизация технологического проектирования: Тез. докл. науч.-тех. конференции, Пенза, 1991.-С. 7-8.

2. Ивановский A.C., Нугаев И.f., Агзамов З.В. Алгоритм автоматического управления процессом бурения нефтяных наклонно-направленных сквакин // Методы и средства управления технологическими процессами: Тез. дохл. 2-ой йенреспубл. науч.-техн. конференции, Саранск, 1991.-С. 21.

3. Ивановский А. С.Нугаев И.Ф., Агзамов З.В. Оптимизация управления траекторией нефтяных наклонно-направленных скважин б процессе бурения // Методы и средства управления технологическими процессами: Сб. научных трудов, Саранск, 1991.-С.77-85.

4. Ивановский A.C., Агзамов З.В. Адаптивное оптимальное управление траекториями нефтяных скважин в процессе бурения // Новые направления в теории систем с обратной связью: Тез. докл. 1 Российского совещания, Уфа, 1993. - С. 10'1-105.

5. Ивановский A.C., Нугаев И. Ф., Агзамов З.В. Прогнозирование траектории нефтяной скватаны по идентифицируемой дифференциальной модели //Методы и средства управления технологическими процессами: Тез. 3-ей Менреспубл. науч.-тех. конференции, г.Саранск, 1993. - С.34.

6. Алимбеков Р.И., Васильев В.И., Семеран В.А., Нугаев И.Ф., Агзамов 3.В. Проблема автоматизации управления траекторией ствола наклонно-направленных сквашн // Проблемы механики и управления: Сб. трудов Ин-та механики УНЦ РАН, Уфа, 1994.-С. 153-163.

7. Нугаев И.Ф., Агзамов З.В. Интеллектуальная нечеткая система управления траекторией нефтяных скважин // Информационные и кибернетические системы управления и их элементы: Тез. докл.

Всероссийской молодежной науч.-тех.конференции, УГАТУ,1995.-С.4-5

8. Васильев В.И., Нугаев И.Ф., ' Аполов О.Г., Агзамов З.В. Интеллектуальное управление сложными динамическими объектами // Методы и средства управления технологическими процессами: Тез. докл. Международной научной конференции, Саранск, 1995.-С.43.

9. Васильев В.И.. Нугаев И.Ф., Агзамов З.В. Интеллектная система управления траекториями нефтяных скважин во время бурения // Проблемы нефтегазового комплекса России: Тез. докл. Всероссийской науч.-тех. конференции, УГНТУ, Уфа, 1995.-С.15.

10. Vasilyev V.l., Hugaev I.F., Agzamov Z.V. Automatic Control With Prediction For Autonomous Robot - Drill, Proc.of the Intern. Conference "Intelligent Autonomous Systems", Karlsruhe, Geriüäüiy, March 27-30, 1995, IOS Press, 1995, pp. 461-464.

И. Васильев E.И., Нугаев И.Ф., Агзамов З.В. Управление направленным движением бурового инструмента на основе нечеткой логики // Вопросы управления и проектирования в информационных и кибернетических системах:Межвуз. науч. сборник, Уфа, 1996.-С.94-98.

12. Старцева Е.В., Агзамов 3.В., ЕернаковС.В. Экспертная система реального врс-кени для управления процессом наклонно-направленного бурения//Сб.тезисов докл. Молоденной научн. конференции "XXII Гагаринские чтения", Москва, 1996.-С.100-101.

13. Алимбеков Р.И.,-Васильев В.И., Нугаев И.Ф., Агзамов З.В. Автоматическое управление с прогнозированием для автономного робота-бура// Интеллектуальные автономные системы: Международное научное издание, Уфа-Карлсруэ, 1996.-С.51-56.

14. Алимбеков Р.И., Васильев В.И.. Нугаев И.Ф., Агзамов З.В. Система автоматизированного управления траекторией движения бурового инструмента // Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий:Сб.трудов, Уфа: "Гилем", 1997.-С.122-130.

15. Васильев В.И., Нугаев И.Ф., Агзамов З.В. .Алимбеков Р.И., Шулаков А. С. Автоматизация управлением нефтяным бурением на основе новых информационных технологий // Вычислительная техника и новые информационные технологии: Межвуз. сб. научн. трудов, Уфа, 1997.-С.146-151.

16. Alimbekov R. I., Vasilyev V.l., Nugaev I. F., Agzamov Z.V. Automatic Control with Prediction for Autonomous Robot-Drill // Eeiji University: International Exchange Рг'оетятя Guest Lecture Series, No.7, 1997, pp. 14-15.

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫИ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Агзамов Зуфар Варисович

МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ НАПРАВЛЕННЫ БУРЕНИЕМ СКВАЖИН

Специальность 05.13.06 - Автоматизированные системы управления

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, зав.каф.ВТиЗИ, профессор Васильев В. И.

Уфа 1997

СПИСОК ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АСОУ НБ - автоматизированная система оперативного управления направленным бурением; ГИУ - глубинное измерительное устройство; ГПИ - графический пользовательский интерфейс; ИВВД - интерфейс ввода-вывода данных;

ИС - измерительные системы; НБУ - наземная буровая установка; КБТ - колонна бурильных труб; НКНБК - неориентируемая компоновка низа бурильной колонны; КНБК - компоновка низа бурильной колонны; КПД - канал передачи данных; КППО - комплекс' прикладного программного обеспечения; КС - канал связи; МЛВ - механизм логического вывода; ННГС - наклонно-направленная и горизонтальная скважина; НПУ - наземное приемное устройство; ОКНБК - ориентируемая компоновка низа бурильной колонны;

СОУ - система осуществления управления; СУ РБ - система управления режимом бурения; СУ ТПБ - система управления технологическим процессом бурения; СУТС - система управления траекторией скважины; СФУ - система формирования управления; УБТ - утяжеленная бурильная труба; УОКНБК - управляемая ориентируемая компоновка низа бурильной колонны;

ФОКНБК - ориентируемая компоновка низа бурильной колонны с фиксированным углом перекоса отклонителя; ЭС РВ - экспертная система реального времени; ЭУС - экспертная управляющая система;

MWD - (Measurement While Drilling) System - система непрерывного измерения непосредственно в процессе бурения.

- 3 -ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ ............................ ...........................7

ГЛАВА 1.ПРОБЛЕМА ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ Н.НГС . 15 1.1.Анализ современного состояния, в области систем

управления искривлением ствола ННГС ................ 15

1.1.1.Параметры траектории ННГС ..'...................... 15

1.1.2.Общий подход к решению проблемы формирования

траектории ННГС ................................... 17

1.1.3.Анализ современного состояния в области систем управления технологическим процессом бурения ННГС (СУ ТПБ) ............................ 20

1.1.4.Современный уровень развития СУ НБ. Проблема

. внедрения АСОУ НБ ................................ 21

1.1.5.Измерительные системы АСОУ НБ .................... 22

1.1.6.Система осуществления управления................ 24

1.1.7.Система формирования управления СУНБ ............. 25

1.2.Обзор современного состояния научных

исследований, в области экспертных систем с целью исследования возможностей их применения в

управлении бурением нефтяных скважин ................ 27

1.3. Выводы и результаты по первой главе.

Постановка задачи исследования ...................... 34

ГЛАВА 2.РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

ТРАЕКТОРИИ СКВАЖИНЫ ННГС ............................. 36

2.1.Буровой инструмент как объект управления при

формировании ствола ННГС ........................... 36

2.1.1.Существующие подходы к построению модели

движения КНБК .................................... 36

2.1.2.Обобщенный подход к описанию медленных движений

КНБК......................'........................37

2.1.3.Режимы бурения ННГС по типу применяемой КНБК ..... 40

2.1.4.Требования к модели движения КНБК как объекта оперативного управления .......................... 44

2.1.5.Общий подход к построению модели движения КНБК ... 44

2.1.6.Модель движения на режиме бурения ОКНБК .......... 45

2.1.7.Учет геометрической закрутки ..........................47

2.1.8.Модель движения на режиме бурения НКНБК ....................49

2.1.9. Многорежимная модель движения КНБК как объекта управления..........................................................49

2.2. Алгоритмы прогноза движения бурового инструмента '

при формировании траектории ННГС ....................................50

2. 2.1. Общий подход ..............................................................50

2.2.2.Выбор аппроксимирующих функций ......................................55

2. 2.3.Идентификация математической модели движения

КНБК при направленном бурении.........................57

2.2.4.Алгоритм прогноза движения с постоянными

интенсивностями......................................58

2.2.5.Обобщенный алгоритм прогноза движения бурового инструмента на основе модели в дифференциальной

форме ..............................................................................61

2.2.6.Оценка эффективности алгоритма прогноза...............63

2.3.Выводы и результаты по второй главе...................66

ГЛАВА 3.РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ

ДВИЖЕНИЕМ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ БУРЕНИИ ННГС ...... 67

. 3.1.Задача управления формообразованием траектории

скважины........................................... 67

3.2.Общая математическая постановка задачи

оперативного управления траекторией ННГС ........... 70

3.3.Комплекс показателей эффективности управления траекторией ННГС ................................... 72

3.3.1.Показатели точности управления траекторией ННГС .. 72

3. 3.2.Показатель экономичности управления

траекторией ННГС ................................. 75

3.4. Концепция решения задачи оперативного управления движением бурового инструмента при бурении ННГС .... 76

3. 5. Разработка алгоритмов оперативного управления на

участке набора зенитного угла........:.............. 81

3.5.1.Особенности управления на участке набора

зенитного угла................................... 81

3.5.2.Общая математическая постановка задачи

оперативного управления на участке набора зенитного угла................................... 82

3.5.3.Определение множества достижимости конечных

точек для ФОКНБК ................................. 84

3.5.4.Исследование алгоритмов терминального управления

на участке набора зенитного угла................. 89

3.5.5.Анализ эффективности обобщенного алгоритма терминального управления .......................... 94

3.6.Разработка алгоритмов оперативного управления на участке стабилизации зенитного угла ................ 95

3.6.1.Особенности управления на участке стабилизации

зенитного угла................................... 95

. 3.6.2.Общая математическая постановка задачи

оперативного управления на участке стабилизации зенитного угла......"......!....,.................. 97

3.6.3.Разработка алгоритма оперативного управления на участке стабилизации зенитного угла.............. 100

3.6.4.Анализ эффективности алгоритма оперативного управления на участке стабилизации зенитного угла.102

3.7.Выводы и результаты по третьей главе ............... 103

ГЛАВА 4.КОМПЛЕКС ПРИКЛАДНОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ НАПРАВЛЕННЫМ БУРЕНИЕМ ННГС ... 105

4.1.Обзор программных средств управления стволом

скважины...........................................105

4.2.Функциональная структура ПО АСОУ НБ ................106

4.3.Алгоритмическая структура КППО АСОУ НБ .............109

4.4.Расчет проектных профилей ..........................110

4.4.1.Обзор методик расчета проектного профиля .........110

4.4.2. Общий подход к построению алгоритма расчета проектного профиля пространственного типа для анизотропной среды...............................ИЗ

4.4.3.Алгоритм расчета проектного профиля пространственного типа с постоянными интенсивностями ................•...................117

4.4.4.Анализ эффективности алгоритма расчета пространственного профиля........................ 120

4. 5.Выводы и результаты по четвертой главе ............. 125

1 ГЛАВА 5.НОВЫЕ ПОДХОДЫ К УПРАВЛЕНИЮ ДВИЖЕНИЕМ БУРОВОГО

ИНСТРУМЕНТА С ПРИМЕНЕНИЕМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ........................, . ................. 126

5.1.Новые подходы к прогнозированию траектории

скважины ...........................................129

5.1.1. Нечеткое прогнозирование .........................129

5.1.2. Вероятностное прогнозирование....................132

5.2.Концепция прогнозирующего управления с

сохранением текущего управления.....................138

5. 2.1. Режимы бурения ННГС по характеру искривления

траектории........................................139

5.2.2.Концепция оперативного управления на проектных

1 сильноискривленных участках......................141

5.2.3.Концепция оперативного управления на проектных слабоискривленных участках ....................... 143

5.2.4.Управление направленным движением бурового инструмента на основе нечеткой логики ............ 146

5.3.Разработка структуры АСОУ НБ с экспертной управляющей системой............................... 151

5. 3.1. Постановка задачи разработки ЭУС АСОУ НБ . .........151

5.3.2.Анализ предметной области процесса бурения

скважин с использованием IDEF-технологии .........153

5.3.3.Методы оперативного управления траекторией

. скважины .......................................... 155

5.3.4. Структура базы данных КНБК .......• • • •.............157

5. 3.5.Структура системы оперативного управления на

основе ЭУС.......................................159

5.3.6.Структура и функции экспертной управляющей

системы..........................................162

5.3.7.Порядок работы ЭУС ...............................164

5.4. Выводы и результаты по пятой главе .................166

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...................................................168

ЛИТЕРАТУРА....................................................170

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Истощение основных нефтяных месторождений, обуславливающее необходимость разработки труднодоступных залежей (бурение в сложных геологических условиях, тонких пластов, уплотнение сетки скважин и т.д.), а также появление новых технологий (бурение узких туннелей для прокладки кабелей под естественными препятствиями - реки, болота) предъявляет более жесткие требования по точности к процессу бурения. Это, в свою очередь, приводит к появлению новых задач управления бурением не только по направлению (зенитный и азимутальный углы), но и по точному положению скважины в пространстве (декартовы координаты) относительно других объектов.

За рубежом к настоящему времени известно более 200 систем управления траекторией ствола скважин, разработанных фирмами Shell Development, General Elektric, Exxon Production Research, Gearhart - Owen Industries и др., которые относятся, в основном, к классу телеизмерительных (Measurement While Drilling - MWD) -систем. Они обеспечивают измерение во время бурения основных параметров направления ствола скважины (азимут, зенит, угол ориентации поверхности инструмента), оценки пласта, параметров самого процесса бурения (скорости бурения, давления бурового раствора и т.д.). Имеющиеся за рубежом экспериментальные установки управления бурением посредством телеуправляемых с поверхности земли компоновок, изменением режима бурения, поворотом ротора бурильной колонны изготовлены в единичных образцах, дорогостоящи (1,8-2,0 млн. долларов) и не обеспечивают возможность непрерывного, полностью автоматического (без вмешательства оператора) управления движением бурового инструмента на основе замкнутых систем с обратной связью.

В нашей стране сегодня нет серийно выпускаемых телесистем для управления бурением, кроме системы СТЭ для электробурения. Однако низкие точность и надежность, необходимость применения специальных труб с кабельными секциями ограничивает возможность применения систем СТЭ в массовом бурении.

В настоящее время бурение наклонно-направленных и горизонтальных скважин (ННГС) составляет значительную долю в общем объеме буровых работ. Строительство ННГС, в отличие от

вертикальных, влечет за собой значительное повышение существующих и введение специальных требований к технологии проводки скважины. Одним из таких требований является формирование оптимальной пространственной траектории ствола скважины, обеспечивающей вскрытие продуктивного пласта в заданной области с учетом геологических и технологических ограничений. Качество выполнения данного требования непосредственно определяет эффективность ННГС, включая затраты на строительство и эффект от ее эксплуатации.

В современной практике бурения ННГС применяется двух -уровневый подход к решению данной задачи:

1) предварительное проектирование;

2) оперативное управление.

На этапе предварительного проектирования рассчитывается оптимальная проектная траектория ННГС и соответствующая ей программа управления технологическим процессом. Сложность проводки ННГС по проектной программе в реальных условиях обуславливается труднопредсказуемым характером внешних возмущающих воздействий (геологических, технических), вызывающих "естественное" отклонение ее геометрических параметров от расчетных.

Одним из путей решения данной проблемы является осуществление оперативного управления траекторией ННГС, под которым понимается процесс выработки и осуществления корректирующего управления в процессе бурения по результатам оценки текущего состояния точки забоя, обеспечивающего проводку траектории ствола скважины с минимальным отклонением от проектной. Одной из ведущих тенденций, обеспечивающей повышение качества оперативного управления, является внедрение 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 следующим:

- внедрение измерительных телеметрических систем, включающих высокоточные глубинные измерительные преобразователи, микропроцессорную технику обработки информации, непрерывные каналы передачи данных на поверхность (ШГО, БМШБ - системы);

- разработка и внедрение устройств осуществления управления, включая телеуправляемый буровой инструмент, автоматизированные

исполнительные механизмы.

Наряду с развитием вышеуказанных систем, сегодня имеется значительное отставание в области решения задачи выработки оперативного управления АСУ ТС, современный уровень которых характеризуется ручным способом вычисления корректирующего управления. Центральным звеном при этом является оператор (технолог) буровой установки, вычисляющий корректирующее управление траекторией на основе упрощенных представлений о процессе движения бурового инструмента, представленного в виде таблиц, номограмм, а также предыдущего опыта бурения. Имеющаяся вычислительная техника применяется при этом, в-основном, для обработки и регистрации измерительных данных и не решает задачу выработки управления, что обуславливается прежде всего отсутствием специального математического и программного обеспечения системы оперативного управления траекторией ННГС.

Повышение требований по точности, высокий уровень неопределенности процесса управления, наличие сильных возмущений, опасность возникновения внештатных ситуаций обуславливают необходимость применения для этих целей 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 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:

1. 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 бурением ННГС.

2. Разработка математического обеспечения АСОУ НБ, включая разработку алгоритмической структуры АСОУ НБ.

3. Имитационное моделирование и исследование эффективности разработанных алгоритмов прогноза и оперативного управления траекторией ННГС.

4. Исследование возможности применения методов интеллектуального управления для повышения эффективности оперативного управления направленным бурением.

5. Разработка комплекса прикладного программного обеспечения АСОУ НБ, обеспечивающего 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:

1. 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.

2. Сформулир