автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Оперативное управление процессом бурения по динамичной информационной модели буримости

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОЮГОРАЗЗЕДОЧНАЯ АКАД&Ш

t-гз е.]

На правах рукописи УДК 622.24.026.3

Леглзкпй Александр Захарович

0IEPATÍSH03 УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ БУРЗШ ПО ДИНА1.Е1ЧНСЙ ИЮ(Н,1АЦЙ0НН0Л УОДЗЛИ ЕУРШОСТИ

Специальность 05.15.14 - Технология и техника геологоразведочных работ.

Автореферат диссертации ка соискание ученой степени доктора технических наук.

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЗОЮГОРАЗВЕДОЧНАЯ АЩЗЬБИ

На правах рукописи

УДС 622.24.026.3

Левицкий Александр Захарович ШЗРАТЙЗЫОЗ ЯШШЕНИЗ прсцзссои БУРЗЕШ ПО' ДШДаИЧНСЙ

¡■ЗЕЮнедионна! иодзли буршосш

Специальность 05.15.14 - Технология и техЕпка геодогоэазаегочнвх г-збот.

Автореферат гдссертацки на соисг^анпе ученой степени до:;тора техтлгчссклх наук.

Га бота выполнена на 1са(^едт>е "Разведочное бурение" Московской государственно' геологоразведочной акадешн: и па какедре "Буране нв'яяннх и газовых скважин" Государственной академии не^ти в газа ва.Н.й.^бкпна.

Официальные оппоненты - ■

д.т.н., акад. АЕНР2, прей. Е.А.Козловсхн.ч, д.т.н.'.Засл.деят.к. ¡1 техн. А.Т.Киселез, д.т.н. А.Н.Ясашк. '

Ведущее предприятие - Всероссийский научко-псследозатслъскай . институт буровой техники.

Защита диссертации состоится "/¿>" 1Э94 г. в /Л ч.

_ ~ инн. в ауд. 9/Т^Иа заседании специализированного совета Д.063.55.01 по присуждению ученой степени доктора технических наук в Московской государственной геологоразведочной академии по адресу: 117873,ГСП-7,Москва,ул. г.шклухо-Мшишя,д.23.

С диссертацией молено ознакомиться в библиотеке гЯТРА.

Автореферат разослан "'¿¿>п >. 1994 года.

Учзкн!'! секретарь

спзцзалпз-оованного сове.а и^-.. и г,г-—

эта по со. О '%г-—^.М.Лп.п:7овск:!*

- з - •

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Принятый в начале 80-х годов курс на коренное перевооружение буровых работ реализуется по многим направлениям. Значительное повышение технико-экономических показателей в глубоком разведочном и эксплуатационном бурения на нефть и газ намечено достичь на основе наиболее полного использования достижений научно-технического прогресса.

Современный этап научно-технической революции отмечен бурным развитием информационной техники и повышением роли информацииено--измерительных систем в управлении производством. В связи с этим одним из главных направлений в области бурения является повышение уровня управления работами на базе внедрения современных информационно-измерительных систем, новейших способов машинной обработки первичной информации и автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТД) и производством (АСУОГ).

С ростом глубин бурения и соответствупцим повышением стоимости строительства скважин, с усложнением условий бурения все большее значение приобретает обеспечение успешности и качества всех работ в цикле строительства скважины, повышается ответственность за правильность и обоснованность принимаемых решений при рассмотрении текущих задач, связанных с проходкой и строительством скважины, возрастают требования к полноте и качеству поступающей информации.

Специфика управления процессом бурения состоит в том, что

/

оператор-бурллыцик лишен возможности непосредственно контролировать явления, происходящие на забое, и в стволе скзанины, и в своей практической деятельности оперирует с информационной моделью объекта. Она формируется на основе данных, поступающих с контрольно-измерительных приборов, сигнализаторов, индикаторов

и т.п.Для контроля качества первичной информации и её обработки создаются информационно-измерительные системы (ИИС),оснащенные За'Л. Использование компьютера позволяет неизмеримо повысить оперативность обработки информации и сократить^сроки принятия решений в выдачи управленческих директив.

Высокое быстродействие ИИС дает возможность по динамичной икфор:.'ЛЦионноП модели тотчас отслеживать ход и раззитпе реального процесса и принимать своевременные решения.

' Несмотря на достижения во многих отраслях народного хозяйства по внедрению новейших ИИС ъ использованию ЗШ в управлении производством,в области бурения эффективность использования поступающей информации остается еще очень низкой и не соответствует потребностям производства на современном этапе.Из-за отсутствия надлежащего методического обеспечения полученные первичные данные нередко не подвергаются обработке и,как правило,накопленная информация не используется в оперативном управлении процессом бурения.5 этих условиях большую актуальность приобретает проблема создания научно обоснованной методики оперативной обработки и эффективного использования текущей информации для реализации резервов повышения производительности и технико-экономических'показателей буровых работ с внедрением новейших информационно-измерительных систем.

Цель работы состоит в'комплексном' исследовании бурового - процесса как сложной кибернетической системы с обратной связью и разработке метода оперативного упршгения процессом проходки скважины с использованием адаптивной информационной модели,формируемой с помощью инфор;лационно-измерительных систем в рамках текущего момента.

Основные задачи исследования.Идя достижения поставленной цел] рассмотрены и решены следующие основные задачи:

1.По-факторный анализ процессов,протекающих в стволе скважины при её углубления,и выделение и систематизация объектов управления, существующих между ними прямых а обратных связей и основных факторов управленческих воздействий.

2.Разработка классификации уровней информационного обеспечения в зависимости от сложности горно-геологических условий проводки снзааин,наличия накопленной, информации и уровня решаеыых управленческих задач,

3.Анализ соотношения концептуальной и информационной моделей в существующих методиках выработки управленческих директив по первичным данным.

4.Разработка научно обоснованной методики оперативной обработки первичных данных и построения динамичной адаптивной информационной модели.Обоснование вида модели.достаточно универсальной и пригодной для описания процесса бурения при работе породо-разрушавдего инструмента различных типов.

5.Разработка уточненной методики оценки рабочего ресурса шарошечного долота по износу опоры .которая позволяет контролировать отработку опоры долота с привлечением статистических данных о работе долот данного типа по пробуренным, сквахянам.

6.Разработка новой методики решения оптимизационной задачи при оперативном управлении процессом бурения с использованием данных текущего контроля и информационно-измерительных систем.

7.Разработка методики прогнозирования показателей создаваемого породоразрушащего инструмента в сочетании с новым оборудованием.

Методы исследования.Для решения поставленных задач применялись совре!,данные метода проведения теоретического и системного анализа и обработки сгктических производственных данных.

Использовались следу теше методы:

.к' са^чниб рн&лие и обобщение результатов предшествующих •.'•¡^ро'.'в^-лскх и производственно-экспериментальных исследований тооцрооо^ глубокого бурения;

2) оигтсмшй анализ объектов управления при бурении скважин;

3; машинная обработка фактических данных с использованием разработанных алгоритмов и нрограш;

<) ;.:яге:,:ат2'ьескоь -моделирование процесса бурения с целью оптимизационной задачи.

Научная новизна.На основании теоретического обобщения и про-энных автором исследований разработана научно обоснованная ме-аидкка оперативного управления процессом бурения то адаптивной 'шсюрцрпзонлой модели буримости с целью повышения темпов я тех-ктсо-зкономгческих показателе:! строительства глубоких сквагин.

Впервые получены следующие научные результаты:

- решена задача оперативно! идентификации степенной модели бурикости.жевдей три параметрических коэффициента, в конкретных

условиях по начальной скорости бурения и проходке за некоторый

*

яачаяышй промежуток времени,а также задача оперативной коррекции ¡.'.одели при возникновении существенного расхождения между расчетами е фактическими величинами текущей скорости проходки;

- разработан новый алгоритм прогнозирования конечных показателей бурения за рейс по критерию минимума удельных эксплуатационных затрат на метр проходки,при этом для определения рациональной продолжительности бурения в однородном в неоднородном гзэрззах но принципу Лагранка получены расчетные уравнения;

- обоснована новая методика оперативного решения оптимизационной задачи с использованием критерия области существования этой задачи,получен вид критерия и алгоритм его вычисления;разработана методика вариационного расчета прогнозных показателей по данным ограниченного количества тестов с целъэ выделения кап-

более эффективного регима;

- разработана методика оперативной обработки текущих дшзш при бурении в неоднородном разрезе,позволяющая накапливать нормализованную информацию .т.е. приведенную к у слонам бурения в клз ■ дой отдельно взято" горной породе,для обоснозаная выбора "тана долота и уточнения резпма бурения с учетом неоднородности разреза;

- аналитически обоснован метод рекуррентного определения из--начального вида модели- буримости по показателя:.; бурения долотом о изноаентг.; вооружением;

- по «-етоду системного анализа теоретически исследована зависимость показателей работы породоразругаащего инструмента л ¿со стоимости от удельных эксплуатационных затрат за I час проката буровой установки;получекы аналитические выражения для прогнозирования необходимых показателей вновь создаваемого породоразру -шащего инструмента. " -

Основные зашизазмые положения.

В представленной работе обоснован и описан вновь разработая-ный метод оперативной обработка текущей информации с целью оптимизации реяяма бурения з процессе проходки скзаканы.ок реализовал а виде комплекса программ для оперативного решения оптимизационной задачи с по.мощыз ЭЗ'Л.В результате проведенных исследований с-го сдублированы в. защищается следующие положения:

- на основании анализа и обобщения опубликованных материал«л разных азтороз.а тахке результатов .собственных исследований предложен л разработан метод,позволяющий оптимизировать процесс бурения роторным способом по данным текущего контроля, отлачакяцаПся высоко": оперативность^) благодаря использованию адаптационных структур в оригинальных способов приведения показателе"; последовательных тестоз к исходному состояния вооружения долота;

- в газзатнэ ~едстазлекий об области супестзогакзя опта-

зационно" задачи обоснован критерий её выделения и алгоритм расчета критерия по сактическим данным,что позволяет значительно ускорить поиск оптимального режима при роторном бурении за счет сокращения количества тестов и оперативно проводить его в начале рейса.Показано,что для правильной оценки результатов тестов ваяно контролировать не только текущую скорость преходи, к о к темп её падения со временем;

- разработанная методика оперативного программирования рациональной отработки шарошечных долот по данные адаптивной информационной модели бургмости обеспечивает повышение показателе?, бурения в неоднородной разрезе и позволяет накапливать нормализованную информацию для обоснованного выбора типа долота с учетов неоднородности разреза.Установлено,что с особо:"; тцателъностьЕ необходимо анализировать породы, вскрываемые в начале ре:":са,ибо недоучет дахе небольшого по мощности пропластка абразивных пород может привести к значительному снижении общих показателей бурения за рейс; •

- разработан и теоретически обоснован аналитический метод обработки первичных данных по адаптивной модели для оперативной выработки управленческих решений с учетом износа долота и сиены горных пород на забое скважины.Показано.что с повышением рабочего ресурса долота р-оль критерия минимума удельных эксплуатационных затрат ослабевает и отработка инструмента долкна проводиться по принципу рационального использования его ресурса;

- на качественном уровне решена задача классификация информационного обеспечения управления буровые процессом, выделены необходимые кошлекса контролеруе;.шх параметров и определены способы их измерения в зависимости от сложности горно—геологических условий строительства скважин,степени их изученности и сложности управленческих задач;

- созданы теоретические основы анализа системы "буровая установка-долото" , позволяющие регламентировать требования по повышению показателей псродэразрушающего инструмента в зависимости от параметров бурово:"! установки.

До с с с вескость основных научных положений,результатов исследования е знзслоз обусловлена применением апробированных методов и принципов при грсзеденив теоретического анализа и разработке научных основ методам, подтверждается результатам практических расчетов по производственным данным,неоднократным использованием методики при обработке первичных данных на ЭВМ.

Практическая ценность работы заключается в том,что в ней даны научЕО-кетодсчзскпе основы оперативного оптимизационного управления процессам бурения при эффективном использования поступающей информация,формируемой в результате непрерывной обработки данных текущего контроля с применением адаптивной модели буримости.И в частности:

1.Создана методика,позволящая повысить эффективность использования первичных данных,поступающих от контрольно-измерительной аппаратуры,дяя оперативного управления процессом бурения с учетом износа породоразрушающего инструмента и неоднородности геологического разреза.

2.Разработан алгоритм оперативного решения оптимизационной задачи в процессе проходки скважины и составлен паке? программ для проведения расчетов на ЭВМ.

3.Разработана методика обоснованного выбора типа породоразрушающего инструмента для разреза,представленного неоднородными по бури,¡ости горными породами.

4.На основании проведенных исследований разработана "Временная методика оперативной, машинной обработки информации при буре -н:;и" (аспект опгггнзгцп:: процесса углубления скзазннк).утвержден-

кал 14 октября 1991 г. Первый заместителем Министра нефтегазовой нрошиленностй Б. А .Никитиным.

Апробация габоты.

Основные положения,теоретические и методические результаты исследований докладывались на Всесоюзном семинаре "Изучение керна,слогла и геолого-техкологические исследования при бурении неф-:егазовых скзагшн" (НПО "Союзпро:л,еофвзика",1986 г.),на сеыикаре-г^оле передового опыта. "Состояние и пути дальнейшего совершенствована геолого-технологических исследований при бурении нефтегазовых скважин" (ВШИГИК),бо ВНШКрнефти (Дивноыорск.1988 г.),а также на технических совещаниях в ПО "Оренбургбургаз". (1935 г.),в (1-3 Теофизприбор" (1536 г.),во ВНИИКрнефти (1987 г.),при проведении занятий в Институте повышения квалификации руководящих работ- а нгков нефтяной и газовой промышленности.

П?йликации. Основные положения а результаты исследований опубликованы в 29 статьях, одной брошюре и изложены в монографии, выпу-пеякой издательством "Недра" в 1992 г.Составлена и утверждена в 1991 г. "Временная методика оперативной машинной обработки текущей информации при бурении" (аспект оптимизации процесса углубления скважины) .В 1965 г. было составлено и выпущено в СКБ ¡¿ингео СССР "Руководство по использованию контрольно-измерительной аппаратуры тлпов ИРЕ к ЛИ» при раззедочном бурении на уголь".

Объем и структура диссертации.

.Диссертационная работа изложена на 229 страницах ьщешнопис-:-:ого текста и содержат 57 рисунков,28 таблиц,список использованной литературы из 278 нажеяований и 8 приложений,включающих блок-схе-

алгоритмов кааиккой обработка текущей информации.Диссертация состоит из введения,? разделов,выводов и рекомендаций.

Зо введении рассмотрены обвде задачи оперативного управления процессо:: бурения, сг.ецкогческке особенности управления в бугении

и роль при этом динамичной информационной модели,состояние инмор-. мационной техники и недостатки в её использовании,сформулированы основные задачи' исследования и кратко охарактеризованы полученные результаты.

• В разделе I приводится анализ состояния информационного обеспечения буровых работ как основы оперативного управления процессом бурения.Проведено исследование структуры бурового процесса на основе системного анализа и выделены подсистемы по объектам управления. Дано классифицирование информационного обеспечения систем управле-ния.В разделе 2 проанализировано соотношение информационных и концептуальных моделей в существующих- методиках оптимизации процесса проходки скважины.При рассмотрении конкретных "Методик показано,что превалирующая роль в них отводится концептуальным моделям,в то время как оперативное управление долено базироваться на динамичной информационной модели.3 разделе 3 дан обзор и анализ базовых моделей бурвмостЕ,сформированы требования к базовой модели и обоснован вид степенной модели.Б разделе 4 приведено обоснование методики оперативной обработки первичных данных и формирования текущей информации с использованием базовой модели буримости в разработаны алго -ритмы,позволяющие оперативно обрабатывать данные при бурении в однородных и перег.геяазцпхся горных породах.Теоретически-на основе принципа .Тагранна выведены основные критериальные уравнения,позволявшие прогнозировать конечные показатели бурения за рейс.В разделе 5 исследованы новые возможности оперативной оптимизации процес-

лу

са бурения с использованием динш.:ичной информационной модели и по-чены алгоритмы обработки" перзичных данных с этой целью.В разделе 6 изложены результаты практического использования предложенных методик для оперативной обработки фактических данных.Ка конкретных примерах проиллюстрировано использование разработанной методики в ре-

- к -

вопий различите технологических задач.!) разделе 7 вскрыта воз ноя -ыость приложения размотанной методщш при отделении ирогношшх показателе"; л задании по совсрщеистзоранн^Гпородоразрушдаего ин -струмента и созданию новых его типов как перспективное направление 9 дальне:шшх исследозаишгх.

Основные вывода отказав-; обобцешые результаты исследований в срответствпи с поставлешшг.т задачами,кх решение обеспечило достижение цели диссертационной работы.

Диссертационная работа выполнена на кафедре "Разведочное бу -рение" Носковско:"! государственной геологоразведочяо:"; академии в на капедре "Бурение нефтяных в газовых сквзявн" Государственной ака -демии иефта п £аза вм. И.. бквна.Исследования прикладного харак -тера проводадясь по материала::; ЦО "Оренбу ргбу ргаз", Надворнянского 7БР я других производетвеннкх предарвятвй.

. Автор выражает глубока благодарности и признательность проф. О.К.Акгелоцуло.цроп. Д,А.:{р«зо)9у,заБ8Дуаде«у лабораторией ВШИБТ к.т.н. А.С.Бронзову,ведуце?.;у специалисту ШЙКдрнейти д.т.н.А.Г.Аве-тисову.Автор рчптает своем долгом с чузстзо" глубокой признательности отметить ботаяое значение бесед з конструктивных обсуждений,которые в разные периода он .имел с замечательным -человеко:.; и крупные.I ученым светло* вдавсте дроф. Б.И.Зозяззаеяскпа.

- 1.3 -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

На современном этапа научно-технического прогресса в области бурения с освоением информационно-измерительных: систем, оснащенных электронно-вычислительной техникой с высоким быстродействием, открываются широкие возможности для повышения уровня оперативного управления буровыми работами. Оно позволит пс-новому и с высокой эффективностью решать текущие задачи, возни-

I

кагщяе в процессе строительства скважины. В совершенствовании оперативного управления процессом бурения можно выделить четыре основных комплекса задач, направленных Еа оптимизацию процесса проходки, обеспечение успешности и безопасности буровых работ, повышение качества исполнения работ и улучшение их организации.

Сложность з многообразие задач оперативного управления в -бурении и своеобразие системы управления буровым процессом обусловлены рядом специфических особенностей самого вида продукции (скзажины) и условий, в которых осуществляется ее строительство.

Анализ процесса бурения как объекта управления позволил выделить ряд его характерных особенностей:

- в отличие от массового производства однотипной продукции технологический цикл (рейс) при строительстве скважины ле имеет стабильной продолжительности и полного единообразия структуры-. Стабильная периодизация технологического процесса может наблюдаться лизь при бурении в достаточно выдержанном разрезе и при отсутствии осложнений в стволе скважины и нарушений в работе бурового оборудования;

- в сзязи с переменчивостью геологического разреза при большом разнообразии горно-геологических условий режим буреиил может быть задан с некоторой вероятностью и в зависимости от

степени отклонения фактических условий от прогнозных нуждается с оперативной корректировке и оптимизации;

- наряду с основным процессом углубления ствола сквакшзы в ней происходят побочные сопрововдадцие процессы, которые мо-17т оказать существенное влияние на основной процесс ж явиться гсточником его дестабилизации;

- забойные процессы, происходящие на значительном удаления от оператора и ке поддающиеся непосредственному контролю, могут отслеживаться только по показаниям контрольно-измерительной аппаратуры, вследствие чего первостепенное значение приобретает информационный объект, непрерывно формирующийся по данным контролирующих систем;

- реальную систему управления буровым процессом, являг>-цувся многомерной системой, не удается описать сочетанием канонических структур г приходится разрабатывать специальные структуры, стремясь при зтом к минимальной реализации объекта.

В соответствгг с отмеченными особенностями процесса бурения в работе определен принцип формирования информационного объекта. Он состоит в том, что информационный объект создается на основании изучения многофакторных связей и вычленения наиболее существенных из них в данной ситуации, соответствулцей определенному моменту времени. Такой подход дает возможность учесть специфику бурового процесса и получить приемлемое решение управленческих задач при большой их сложности.

В информационном обеспечении нами предложено различать информация достаточную и полную. Достаточной следует считать такую информацию, которая формирует информационный объект, с заданной точностье отрагапций состояние объекта управления по основным параметрам. К полной информации, по нашему ыкению, моено отнести такую, которая при данном состоянии объекта пог-

воляет выработать однозначное (наилучшее) утгразляпцее решение. Для обеспечения бурового персонала полной совокупностью данных необходимо внедрение комплексного геолого-геофизнко-техно-логического контроля, который освещаете.? в трудах Э.£.Лукьянова, В.З.Стрельченко и др.

При выработке управленческих решений используются математические модели, которые описывают процесс, отраяая существующие связи и особенности объекта. По условию управления продол-гительность цикла управления тесно связана с материальным уп-• равляемым процессом и темпом его развития, поэтому в бурении продолнгтельность формирования информационной модели достаточно ограничена, в связи с чем информационная модель должна быть динамичной и поддаваться быстрой адаптации в еовых условиях.

На основании анализа и обобщения опубликсзанных материалов и результатов собственных исследований автора в работе сформулированы следующие защищаемые положения.

Положение I. Разработан и теоретически обоснован аналитический метод обработки первичных данных по динамичной адаптивной модели буримости для оперативной выработки управленческих решений с учетом износа долота и смены горных пород на забое сквазины.

Приступая к анализу процесса бурения как слояной многокомпонентной системы, автор руководствовался принципом, сформулированным в работах Е.А.Козловского, В.М.Питерского и Р.Х.Гафиятуллина. По принципу действия они относят систему планирования и управления процессом бурения к кибернетическим системам с обратной связью (рис. I). В системе управления обратная связь играет существенную роль, позволяя контролировать отклик управляемого объекта на управленческие воздействия. Она

УПРАВЛЯЕМЫЙ ОБЪЕКТ ПРОЦЕСС БУРЕНИЯ

РЕМИЗ лция ■•

• УПРАВЛЯ ОШИХ

ВОЗДЕВ СТВИЙ

ПОЛУЧЕНИЕ ДАННЫХ О ПАРАМЕТРАХ ООКАЗАТИЩ ШгВДТИВНОСТИ ПРОЦЕССА

КОНТРОЛЬ И ВЫБРАКОВКА ДАННЫХ

I

м

СГ>

ВЫРАБОТКА ДИРЕКТИВ УПРАВЛЕНИЯ

И! НОРМА ЦИЯ

ИЗ ВНЕШНЕЙ СРВДЫ

ОБРАБОТКА ДАННЫХ

ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ

ОБРАБОТКА,УШРЯДОЧЕНИЕ И ОБОБИЩЕ ДАННЫХ

КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ

ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙ (ПОСТАНОВКА ЦЕЛЕЙ)

АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЦЕССА И СРАВНЕНИЕ С

НАКОПЛЕННАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Рис.1.Схема кибернетической системы с обратной связью.

г

служит дая передачи 1фитической информация, анализ которой дает основание доя выработки управленческих воздействий. Особую роль обратная связь приобретает при адаптации ыоделн. По мнению В.А.Трапезникова, концепция системы С идентификатором в цепа обратной связи "весьма перспективна, тем более, что она применима к управлению объектами самой различной физической природы".

При рассмотрении системы управления проаназзирована взаимосвязь информационной и концептуальной моделей (ал. рис. I), определена их роль в оперативном управленгн и планировании и (¡формулированы основные требования к обработке первичных данных при формировании моделей. Для повышены роли дина-личной информационной модели в оперативном управлении процессом бурения применяемая методика текущей обработки данных должна удовлетворять следующие требования:

- методика должна оперировать с моделью, поззолящей описывать развитие процесса во времени, т.е. в качестве одного из аргументов модели должен быть фактор времени;

- применяемая модель додана быть открытой г'достаточно гибкой, что^при изменении реальных условий ее можно было идентифицировать в новой обстановке;

- методика должна содержать алгоритм для прогнозирования значения целевой функции на любом этапе процесса;

- модель должна допускать коррекцию, если по каким-либо причинам фактическое развитие процесса отлзчается от прогноза;

- методика должна иметь ключ для актязгзант? накопленной информации л ее использования при текущей обработке первичных данных;

. - методика должна содержать математический етпарат для

подготовки информации к передаче в банк данных и накоплению.

С позиции сформулированных требований были проанализированы основные существующие методики оптимизации режима бурения (Методика ВНИйБТ, отраженная в РД 39-2-52-78, А.В.Орлова, А.М.Ясапина, Э.М.Галля и Х.Б.Вудса, Дк.Х.Аллена, М.А.Симпсона). Ретроспективный обзор и анализ указанных методик, предложенных в разные периоды, позволили проследить определенную тенденцию к более широкому привлечению данных по выполняемому рейсу, но -ни одна из них не соответствует требованиям по оперативной обработке первичных данных в масштабе текущего времени. В сзязи с низким уровнем развития средств контроля и недостаточным объемом исходных данных методики отводят превалирующую роль концептуальным моделям, которые не допускают гибкой адаптации и при машинном счете, несомненно, могут привести к значительным расхождениям с реальными показателями.

В сзязи о результатами анализа в качестве одной из задач исследований была выделена задача научно обосновать методику оперативной обработки информации в масштабе текущего времени с учетом высокого Быстродействия ЭВМ и разработать ее математический, аппарат.

Применение ЗКЛ для обработки данных допускает введение в методику моделей различной степени сложности с увеличенным количеством констант идентификации. В то же время многие специалисты. рекомендуют отдазать предпочтение более простым моделям: "... не слелует чрезмерно усложнять алгоритмы управления в погоне за максимальным юс совершенством. Цриближенные, но более простые алгоритмы часто обеспечивают более экономичную и надежную систему управления с сокращенной длительностью ее подготовки и освоения. Это же относится и к составлению математических

моделей управляемых комплексов" (В.А.Трапезников).

До обоснования модели процесса были определены основные требования к ней:

- описывать процесс с достаточной для практических целей точностью, чтобы результаты его анализа по модели были достаточно близкими к фактическим;

- быть пригодной для обработка данных как. по однородному, так а по перемежающемуся разрезу;

- быть удобной при обработке первичных данных любыми способами (без специальных вычислительных средств, с использованием портативных калькуляторов или программированным счетом на персональных ЭВМ и в ВЦ);

- идентификация модели, т.е. ее привязка к котлетным условиям, должна быть несложной, а сама модель должна содержать небольшое число констант идентификации, легко вычисляемых по шехцпмся фактическим данным.

С учетом этих требований наш были проанализированы имеющиеся многочисленные модели буримости. Наиболее распространения^

ной из них является модель вида - . Ее теорети-

ческое обоснование дано в работах В.С.Федороза и Е.Ф.Элштейна. В нынеаних условиях она не является универсальной, так как она непригодна для описания работы породоразрупазцего инструмента новых типов с повышенной износостойкостью вооружения. По этой же причина ограничено применение и обобщенной модели, полученной Р.А.Бадаловым.

По предложенному Р.А.Бадаловым методу автором вызедена степенная модель буртлости = . Ока отличается уни-

версальностью, содержит фактор времени и включает три константы идентификация ( ^пг ), которые отрг^адт влияние тех-

нологического рехша, конструктивных особенностей породоразру-шаздего инструмента и физико-механических свойств горной породы в забойных условиях на ее буриыость.

Чтобы не усложнять математический аппарат методики и сократить количество используемых моделей, нагла были рассмотрены вывода, содержащиеся в работах Н.А.Еидовцева и его учеников'. Ыа основании глубоких исследований они установили наличие устойчивой сзязи мезду износом породоразрушащего инструмента и скоростью проходки. По данным Л.М.Замиховского, проводившего промысловые и экспериментальные исследования, износ парошеч-ного долота монет с высокой точностью (погрешность не свыше II £ для промысловых условий и не более 3,5 % для стендовых) оцениваться по относительному снижению скорости проходки.

Это позволяет не вводить специальной модели износа вооружения долота для оперативного контроля его состояния и оперативной обработки текущей информации в течение рейса, поскольку за относительным износом вооружения в однородном разрезе монно следить по падении скорости проходки.

В существующих методиках, предназначенных для обработки данных при буренин шарошечными долотами, применяется такие модель, описывающая износ опор. Нами проанализировано современное состояние этого вопроса и разработан несколько иной методический подход. Поскольку на зависимость долговечности опоры от режимных параметров налагается очень много побочных факторов, которые имеют преимущественно случайный характер, начиная от качества изготовления опоры ц кончая слоеными динамичесг-зми процессами, сопровокдалдими работу шарошечного долота на забое, эта зависимость в значительной степени является стохастической и долкна определяться на больном массиве статистических

данных по отработанным в различных условиях долотам. Креме того, ресурс работы опор долота представляет собой фактор ограничения и при решении оптимизационной задачи он рассматривается только с позиции рациональной отработки шарозечного долота и по вооружению, и по опоре.

В связи с этим в нашей работе дан новый подход в прогнозировании ресурса опоры шарошечного долота в различных условиях. Он разработан на основе предложения В.Г.Беликова и С.А.По-сташа оценивать долговечность опоры шарошечного долота по ее обороторесурсу. Предложенная нами методика основана на статистических данных и отличается от методик, используемых в зарубежной практике. В частности, в нашей методике предлагается использовать эмпирическую зависимость долговечности опор! от различных сочетаний нагрузки на долото и частоты вращения, тогда как методикой фирмы Смит Тул Ко эта зависимость рассматривается как функция от произведения этих параметров.

В оптимизационном управлении процессом бурения большая роль принадлежит промывке. Цри моделировании процесса бурения нередко допускают, что гидравлическая мощность буровых насосов реализуется полностью, и поэтому не предусматривают изменения режима промывки. А все недостатки промывки учитываются, величинами констант идентификации при увязке моделей с реальными данными. При рассмотрении этого вопроса мы исходим из двух положений: во-первых, оптимизация промызки и по режиму, и по выбору вида и параметров/циркуляционного агента представляет собой отдельную крупную научно-практическую проблему и, во-вторых, поскольку интенсивность промывки екзазины и свойства бурового раствора, как правило, не меняются на протяжении нескольких рейсов, в оперативном управлении вся информация, полученная по предыдущему рейсу, полностью может быть

использована для корректирования режима промывки в последующем. Для оперативной обработки информации по промывке имеются различные методики. В качестве примера нами рассмотрена методика, предложенная фирмой "Экссон продакшн рисёрч".

Модель буримости, принятая нами, является базовой зависимостью. Она позволяет во время бурения оперативно выявлять тенденцию изменения основных показателей и в виде тренда отражать на экране дисплея. С помощью модели буримости прогнозируются конечные показатели бурения за рейс и по ним монет быть оценен уровень оптимизации режима бурения. Прогноз рациональной продолжительности работы долота на забое дает бурильщику дополнительные сведения для установления момента прекращения проходки и перехода к подъему инструмента.

Принятая модель буримости для описания процесса проходки скважины в однородном разрезе вводится при следующих допущениях:

- по рекимным параметрам процесс является квазистацио-Еарным;

- реиш,промывки не претерпевает существенных изменений, которые могли бы оказать заметное влияние на скорость проходки;

- - параметрические коэффициенты, а V и гп , входящие в состав модели, не зависят от времени t ;

- процесс проходки скважины, протекает в нормальных условиях и побочные сопутствующие процессы, происходящие в скза,-иже, либо находятся в допустимых пределах, либо могут, быть учтены, при обработке информации;

- при контролировании скорости проходки по перемещению верхнего конца бурильной колонны учитывается ее деформация

от из.менення нагрузка на крюка.

Так как в зависимости от условий бурения процесс может рассматриваться по-разному: квазистационарный в однородном разрезе и с нарушением непрерывности при смене пород, - методические подходы различны, и две задачи нами рассмотрены раздельно .

При оперативной обработке первичных данных по однородному разрезу нами выделены следующие этапы: идентификация подели буримости в конкретных условиях выполняемого рейса; корректирование пранятой модели по данным текущего контроля; определение продолжительности бурения за рейс по принятому 1фитерию; прогнозирование коне'чннх показателей бурения по тому же 1фи-терню; оценка эффективности применяемого режима и определение его отклонения от оптимального для данных условий; выработка управленческих директив по регулированию процесса бурения для перехода на оптимальный режим.

Б работе обоснована методика идентификации модели бури-мости. Она проводится по трем константам идентификации ( , а и /71 ). Идентификация модели по скорости, проходки является затруднительной из-за переменчивости самого показателя скорости проходки, а разрабатываемые методы сглаживания (В.М.Вольский) пока не находят практическбго применения. Кроме того, некоторая погрешность определения скорости проходки вносится самим методом ее измерения по скорости перемещения верхнего конца бурильной колонны. Однако в работах Е.А.Козловского, И.П.Петрова и др. показано, что с ростом периода наблюдения погрешность измерения скорости проходка уменьшается. В связи с этим нами предложена методика идентификации модели бурямости по проходке за некоторый известный

15 /2 858 ^ ^ О 0.13 0.2 О А 0.6

Рис.2.Номограмма для определения константы д 2/"= К- V..

£ №

промежуток времени, достаточный для выявления тенденции падения скорости проходки. К тому хе показатели по проходке и продолжительности бурения является наиболее достоверными и надежными в документации," которая ведется бурозым персоналом на буровой.

В методике установлен порядок определения констант идентификации и выведены алгоритмы. По аналитическим выражениям разработаны номограшн, облегчазсвде определение констант (рис. 2). Получено параметрическое уравнение, связываяцее все три константы через ресурс вооружения долота

• Так как ресурс вооружения долота не всегда известен, для коррекции его прогнозной величины выведена формула пересчета

В некоторых случаях даже при бурении в однородном разрезе может возникнуть необходимость идентификации модели бури-мости по данным за некоторый промежуточный период. Методикой предлагается порядок рекуррентного расчета начальна значений констант идентификации по их величинам для промежуточного периода. Шхазаны возможные пути упрощения этих расчетов.

Модель позволяет выявить тенденция изменения скорости проходки вследствие износа по ро до разрушающего инструмента и рассчитать конечные показатели бурения за рейс. Прогнозирова-

,по фактической скорости проходки

. где

tn tn - соответственно прогнозная и скорректированная величины полного ресурса вооружения долота; Щ> » - соответственно фактическая и расчетная скорости проходки для момента времени

( , конец

?зс.З.Блок-схема. алгоргтаа прогнозирования показателей бурения за рейс в однородном разрезе.

ние ведется по принципу Фармера для функции X (t ) нестационарного случайного процесса в интервала T,<t^T по известным значениям X { t ) в интервале 04Т0 .В таком случае выборочная функция может быть представлена в виде x(t) =TC/<fK (t) , где С« - постоянные коэффициен-

ты, <fK (f J - характеристические составляющие.

Для прогнозирования конечных показателей бурения за рейс принят известный критерий минимума удельных эксплуатационных затрат на метр проходки. Показано, что увеличение проходки по долотам с высокой долговечностью, вызывающее дополнительные затраты времени на наравювание колонны и на ее подъем, не оказывает влияния на прогноз продолжительности работы долота до получения минимума удельных эксплуатационных затрат.

Основное уравнение вами выведено на основании принципа Лагранга. В соответствия с принципом Лагранжа для образования функции принято два исходных выражения:

основная функция ¿л/ , где fls^?-i-tcn »

z вспомогательная функция U-TZt-д.D~—--Л

<r m* i

Тогда функция Лагранжа будет иметь вад

и ее анализ на экстремум при Jto - I позволяет получить расчетное уравнение продолжительности tH работы долота до достижения минимума удельных эксплуатационных затрат

Данное уравнение может быть решено с помощью ЭВМ по разработанной программе или графическим путем. Знание t„ позволяет вычислить прогнозные значения всех остальных показателей за рейс. Блок-схема алгоритма приведена на рис. 3.

Обработка данных бурения в неоднородном разрезе представляет собой более сложную задачу по сравнению с рассмотренной Еыше и в то же время она имеет большое прикладное значение для инструмента нового типа, позволяющего проходить за рейс значительный интервал по горным породам с различной буримостью.

■ При обработке данных по неоднородному разрезу приходится учитывать ряд особенностей процесса:

- переход породоразруиащего инструмента из одной горной породы в другою вызывает нарушение непрерывности процесса отработки долота, которое сопровождается скачкообразным изменением его характеристик и, следовательно, констант идентификации;

- изменение скорости проходки, отмечаемое в момент пересечения контакта различных по физико-механическим свойствам горных пород, происходит практически при неизменном режиме (если бурение ведется без автомата подачи) и при некотором сиюминутном состоянии вооружения породоразрушащего инструмента;

- к моменту пересечения контакта двух пород породоразру-пташий инструмент уже поработал в скважине и имеет некоторый износ.

В связи с зтж,!и особенностями при разработке методики рассмотрен ряд дополнительных задач, в том числе задача определения степени использования ресурса породоразрушащего инструмента к моменту пересечения контакта горных пород и пере- " счета ее с учетом свойств подстилающей порода.

Чтобы учесть предысторию работы породоразрушащего инструмента в ыо;.;ент вскрытия подстилающей порода, нами введено понятие эквивалентного времени . Эквивалентным временем

предлагается считать условную продолжительность работы долота в подстилающей породе, при которой к моменту вскрытия контакта

его изноо соответствовал бы фактическому за предшествущий период. В работе предложена методика определения эквивалентного времени.

Для определения прогнозного значения продолжительности бурения в подстилающей породе по принципу Лагранжа получено

основное уравнение в следующем виде

^'Где

- проходка и продолжительность бурения до встречи контакта;

« Югпр ~ величины констант идентификации модели буримости подстилающей породы, определенные после ее вс1фытия.

При Н, = 0 и £г = О это -уравнение превращается в представленное ранее уравнение для условий бурения в однородном разрезе.

Для решения этого уравнения на ЭЕ£ также разработан алгоритм и предложена программа.

По известному значению продолжительности бурения в подстилающей породе и величинам Л, и определяются прогнозные ЕеличиЕЫ всех остальных конечных показателей бурения в неоднородном разрезе.

Так как конечные показатели бурения должна быть увязаны с общей характеристикой геологического разреза, нгмл предложены количественные- показатели буримости переаекаюзихся горных пород в интервале проходки. Ими являются коэффициент неоднородности горных пород по скорости проходки

/Г«-

Va , -

гт

и коэффициент неоднородности по протяженности ■

и hi - hei "Ь'—ьГ*-

lai и % - средние скорости проходка соответственно : в легко- и труднобуримых породах; У(- - средняя скорость проходки интервала протя-

женностью h; ; h в; - суммарная проходка по легкобуримым породам.

Разделение горных пород на легко- и труднобуриьше в некотором интервале производится условно по отношению скорости проходки к средней по данному интервалу.

Таким образом, на основании анализа и обобщения опубликованных материалов и собственных исследований автора научно обоснована новая методика оперативной обработки данных текущего контроля процесса бурения для прогнозирования конечных показателей за рейс s для последующего использования полученной таким путем информации в решении более сложных задач и выработке уцравленческих решений.

Положение 2. Разработанная методика оперативного программирования рациональной отработки шарошечных долот по данным ' адаптивной информационной модели буримости обеспечивает повышение показателей бурения в неоднородном разрезе и позволяет накапливать нормализованную информацию доя 'обоснованного выбора типа долота с учетом неоднородности разреза.

С модернизацией шарошечных долот, ростом их ресурса работы и увеличением проходки за рейс особо актуальной становится

задача обоснованного выбора тиса долота для эффективного раз-буркзания разреза, представленного неоднородными по физико-механическим свойствам и буримости горными породами. Исследования доказывают, что ошибка в подборе типа долота по разрезу, обусловленная недостатками информационного обеспечения, оказывает существенное влияние на конечные показатели проходки за рейс.

йзлокекная зыше методика обработки первичных данных бурения с использованием адалтизной информационной модели бури-мости позволила разработать методические основы обоснованного выбора типа долота по конечным прогнозным показателям бурения за рейс.

Главная трудность решения данной задачи обусловлена тем, что текущие данные бурения, посчупагщие от контрольно-измерительных систем, формируются при работе изношенного долота и в то не время они не привязаны к конкретной степени его износа. Новый методический подход позволил преодолеть эту трудность. Он состоит в том, что по текущим показателям работы долота для каядой разности горных пород расчетным путем устанавливается изначальный вид модели буримости, как если бы бурение з ней начиналось новым долотом. Этот процесс обработки данных назван нормализацией, а полученная при этом информация - нормализованной.

Изначальный вид модели буримости воссоздается рекуррентным расчетом по поступившим текущим показателям работы долота в рассматривав!,той горной породе с учетом предыстории его работы в вышележащих породах, пройденных с начала рейса.

Уетодкка рекуррентного расчета базируется на результатах аналитических исследований. Аналитическим путем получен алго-

Рис

.4.Номограмма для определения/71 и tj .

ритм расчета начальной величины константы идентификации гп по ее промежуточному значению с учетом коэффициента

износа вооружения долота ^ , который рассчитывается по относительному падению скорости проходки в эышелёжащей породе,

-М-р;

N=2 = (у- ) ' .здесь

с /7/

, - продолжительность бурения и полный ресурс работы долота в покровной породе;

/71( - константа идентификации модели в покровной породе.

По известному значению константы без труда'определяется эквивалентное время и рассчитываются начальные значения констант и . По приведенному алгоритму рассчитана

и построена номограмма (рис. 4). С ее помощью по значению гпп, и устанавливаются значения т и .

Достоинство данной методики состоит в том, что она позволяет оценить буримость горной породы и при наличии накопленной информации в банке данных по буримости идентифицировать горную породу и дать ее диалогическое описание. Кроме того, накопленная нормализованная информация по каждой разновидности горных пород разреза позволяет при любом их сочетании произвести расчет конечных прогнозных показателей бурения за рейс и на основании их сопоставления дать рекомендацию по наиболее эффективному типу шарошечного долота из ранее применявшихся.

Таким образом, на основе анализа промысловых материалов, полученных при бурении в перемежающихся породах, и теоретического обобщения результатов разработан и аналитически обосно--ван новый метод обработки текущих данкзгх по неоднородному раз-

резу, который позволяет получать и накапливать нормализованную информацию для последующего обоснованного выбора типа шарошечного долота для разбуривания.

Положение 3. В развитие представлений об области существования оптимизационной задачи обоснован критерий ее выделения и разработан алгоритм его расчета по фактическим данным, что позволяет значительно ускорить поиск оптимального режима при роторном способе за счет сокращения количества тестов и оперативно осуществлять его в начале рейса.

По мнению многих исследователей, в достижении высоких технико-экономических показателей буровых работ оптимизации Процесса проходки скважины отводится ведущая роль. В силу ряда причин особую роль играет оперативная оптимизация процесса бурения непосредственно при его осуществлении, иными оковали, большое значение имеет проблема оптимального, управления.

При разработке этой проблемы нами использованы основополагающие положения науки бурового дела. Научные основы управления буровыми процессами заложены и развиты в трудах Б.И.Воздвиженского, Д.Н.Башкатова, В. С .Влади с лав лева, В.П.Варламова, А.П.Духнина, А.Г.Калинина, Е.А.Козловского, А.А.Минина, Ы.Р.Ма-влютова, А.В.Орлова, В.М.Питерского, А.А.Погарского, А.И.Сли-вака, К.АЛефранова, В.С.ФедороЕа, М.А.&гагерита, Ф.А.Шачиева, Н.И.Шацова, Л.А.ШреЙЕера, Р.М.Эйгелеса, Е.Ф.Эпштейна, А.М.Яса-шина и др. В развитии бурового дела за рубежом по данному направлению следует выделить работы Э.Алликвандера, Дн.Х.Аллена, Х.Б.Вудса, Э.М.Галля, А.Лубинского, Р.А.Каммингэма, М.А.Сэмпсона, Х.Б.Фуллертона и др.

В совершенствовании методики целенаправленного поиска оптимального реетма большое значение имеет выделение области су-

ществования оптимизационной задачи. На эту сторону проблемы обратил внимание К.А.Чефранов. Использование модели буримости в этих целях позволяет предложить новую методику выявления области существования оптимизационной задачи на основе зависимостей констант идентификации ( о^лЪ^лг) от режимных параметров. Нами проанализированы тенденции изменения констант идентификации. Показано, что ужесточение рэжгма бурения етзет давать разные результаты: интенсификацию процесса, когда отмечается непрерывный рост конечных показателей, и оптимизацию, когда достигается предел роста конечных показателей. Как установлено, для области существования оптимизационной задачи характерно падение величины константы Ш .

В соответствии с теорией планирования эксперимента большое прикладное значение имеет выделение области, расположенной в окрестностях экстремума. Ее мы назвали "областью существования оптимизационной задачи" и ввели понятие кргтерия 32 этой области. Данный критерий находится в функциональной зависимости от всех констант идентификации и от величины й в совокупности

А).

Поиск вида критерия а2 был начат с анализа на экстремум выражения удельных эксплуатационных затрат за I м проходка

где к .{(():

Поскольку в момент tн достижения гкстрз>*ума И и "Щ приобретают значения 'пн и соостветственно,

то получим Ин - (й * ТГ^н . После подстановки значения Л„

в исходное выражение будем иметь С, .

Таким образом, обобщенным критерием может служить конечная скорость проходки в момент времени £ = t^i . Сопоставляя прогнозные .значения скорости проходки , можно установить

границы области существования оптимизационной задачи.

Однако для практического использования приведенный выше ; вид критерия неудобен в связи со сложностью описания зависимо-' | сти конечной скорости проходки от ренимяых параметров в явном | виде. Поэтому в работе обоснован иной вид критерия ¿6 , более 1 удобный для решения оптимизационной задачи и проведения вариационных расчетов на ЗВУ

При обосновании вида критерия 3! было получено промежуточное выражение

Оно демонстрирует многофахторную зависимость удельных эксплуатационных затрат от тС, и т. и показывает, что для снижения затрат следует добиваться роста начальной скорости бурения , но при этом не допуская заметного снижения ¿н и /72 , а также устанавливает аналитическую взаимосвязь между указанными величинами. В случае применения незатутшшцегося породоразрушапцего инструмента величина удельных эксплуатацион- . ных затрат определяется только величиной затрат за I час прока. ; та буровой установки и начальной скорость» проходки, так как

> Ърн*гг .

Анализ зависимости критерия 3£. от показателей бурения позволяет по-новому сформулировать требования к проведению тестов при оптимизации режима бурения. Для правильной органи-

зации тестов контроль только мгновенных значений начальной скорости проходки недостаточен, поскольку она является лишь одной из нескольких величин, необходимых для прогнозирования конечных показателей, в то время как конечная скорость в момент достижения минимума удельных эксплуатационных затрат полностью определяет их величину.

После введения критерия поиск наиболее обобщающего критерия не прекратился. Решение конкретных оптимизационных задач и аналитические исследования, в конце концов, привели к

-¡г<м /.

уяснению важного значения величины „• , или ,

/Ч й.Ь 'у™ /*

для анализа и прогнозирования конечных показателей бурения.

тГ

Если произвести подстановку —= с„ в основном уравне-,

<5 С/ '

ШИ Л ^ = о,

то после ряда преобразований можно придти к выражению

Ско устанавливает непосредственную взаимосвязь между относительными величинами и при иззестном значении га. . и, следовательно, позволяет проследить зависимость от всех остальных относительных показателей, являющихся производными от ~~ , таких, например; как и Щ: .Введение ве-

и Vп ~ У о "о

лечены язляется весьма плодотвотсым и по другой причине. Поскольку величина А обычно известна, то для расчетов различных вариантов следует хранить в банке данных величину ^л

Для оцени эффективности работы породорззрушающего инструмента по прогонке введен коэффициент -т. . По аналитически

¿о' ¿/7

полученному алгоритму выполнены расчеты функциональной, зависимости построена номограмма. При низких значения;'. — до 1С до номотраммэ прослеживается оезкое падение вели/7

чины К^ , а при дальнейшем повышении относительного ресурса

инструмента влияние величины на значение Л^ снижается.

А

. Наибольший интерес с точке зрения анализа области существования оптимизационной задачи представляет номограмма =

5). Она отражает количественную зависимость отношения скоростей проходки ?£/, и 2Г* от величины при различных значениях т. . По ней можно проследить, как ужесточение режима бурения в области существования оптимизационной задачи, обусловливающее снижение величины параметрического коэффициента

т и полного ресурса работы долота по вооружению ^ , но-

2/"

личественно влияет на отношение . По этим наблюдениям

и о

удается выявить ситуацию, когда при росте начальной скорости проходки 2£* начнется снижение конечной скорости и,

следовательно, будет достигнуто экстремальное значение удельных эксплуатационных затрат.

Проведено исследование роли критерия удельных эксплуатационных затрат для анализа работы породоразрушапцего инструмента высокой работоспособности и установлено, что при повышении величины ~~ свыше 15 и высоких значениях константы т ( гп > 2,5) роль критерия с„ снижается и такой инструмент следует отрабатывать, исходя из принципа рационального использования его ресурса.

Сопоставление результатов аналитических исследований с данньпа стендовых испытаний подтвердило правильность научно разработанного представления об области существования оптимизационной задачи, а прикладное значение предложенного критерия в то;.;, что он позволил усовершенствовать методику проведения тестов при оперативном поиске оптимального режима бурения.

Положение 4. На основании анализа и обобщения опубликованных материалов разных авторов, а также результатов собственных исследований предложен и разработан метод, позволяющий оптимизировать процесс бурения роторным способом по данным текущего контроля, отличающийся "высокой оперативностью благодаря использованию адаптационных структур и оригинальных способов приведения показателей последовательных тестов к исходному состоянию вооружения долота.

Решение проблемы оптимального управления предполагает проведение поиска и уточнения оптимального режима в процессе бурения. Использование динамичной информационной модели поззоляет по-новому подойти к решению оптимизационной задачи. Оперативный поиск осуществляется на базе текущей информации и включает несколько этапов: оценка эффективности применяемого режима по прогнозным конечным показателям; проведение кратковременных тестов и оперативная обработка полученных результатов; выработка рекомендаций по корректировке режима бурения с целью его выведения на_оптимальный уровень; регулирование процесса бурения в соответствии с выработанными управленческими директивами; контролирование процесса бурения и определение прогнозных конечных показателей бурения при нозом режиме; сопоставление прогнозных показателей бурения и оценка эффекта от изменения режима.

В работе проанализированы существующие методы попска оптимального режима и показано, что они предусматривают оценку эффективности режима по изменению мгновенной скорости проходкп. Отличие предложенного нами метода состоит в том, что на основании показателей бурения при квазистационарном режиме за некоторый промежуток времен;! идентифицируется модель бурнмости и по ней рассчитываются прогнозные величины конечных показате-

Ркс.6.График интерполяционного определения показателей срединного режима бурения.

лей бурения за рейс. Для сокращения работ при поиске предусматривается привлечение накопленной информации по бурении в анало-.гичных условиях. Степень достоверности прогноза зависит от наличия надежных сведений о геологическом разрезе, .патологическом составе и условиях залегания горных пород.

С использованием критерия дв. разработана новая методика оперативного решения оптимизационной задачи. Она включает 4 этапа:

- определение (или одностороннее ограничение) области существования оптимизационной задачи;

- назначение резина бурения для опробования (тестирования);

- опробование рекомендованного режима и идентификация модели буримости в новых условиях;

- прогнозирование конечных результатов оптимизации.

Вариационный расчет по данной методике позволяет проследить за изменением прогнозных показателей для промежуточных режимов е области существования оптимизационной задачи и зыделить наилучший режим для последующего тестирования. Интерполяция критерия 36 на промежуточные режимы стала возможной благодаря обоснованному нами методическому приег^у, позволяг-дему согласо-

вый сомножитель 2£" рассчитывается гэ режимным параметрам, а второй - определяется по графику (рис. 6). Промежуточным звеном при согласовании является величина полного ресурса вооружения долота t„

В области существования оптимизационной задача-вариационный расчет базируется на нелинейных зависимостях, которые позволяют приблизиться к экстремуму в "почти стационарной зоне".

вать мезду собой оба сомножителя Ь~ и

Полученные результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Для оперативного сопоставления и сценки прогнозных и фактических показателей бурения с критериальной величиной удельных эксплуатационных затрат разработана и обоснована номограмма "проходка - скорость проходки". Она представляет собой семейство изолиний см-const , проведенных в координатах kp и Ъ* . Номограмма облегчает определение направления поиска оптимального режима, позволяет проанализировать тенденции изменения показателей и выделить наиболее эффективный режим по удельным эксплуатационным затрата!,'!. Анализируя с помощью номограммы общие тенденции технического перевооружения буровых работ, прихода.? к выводу, что на снижение эксплуатационных затрат наиболее благоприятное влияние оказывает повышение износостойкости породо-разрушаюиего инструмента, что сопровождается ростом проходок за рейс. При малых проходках за рейс для снижения удельных эксплуатационных затрат требуется более значительное повышение скорости проходки, чем при больших, причем с повышением проходки за рейс снижение этих затрат может происходить даже при некотором падении скорости проходки.

На заключительном этапе данной научно-исследовательской работы планировалось проведение широкого масштабного промш-ленного эксперимента по применению разработанной методики в оперативном управлении процессом бурения и его оптимизации. Работа включалась в об:ций план проведения научно-исследовательских работ по созданию АСУПГ-бурекиэ, реализацию которого координировал институт К-ШКрнеггь. К тому времени на Ивано-Франковском приборостроительном заводе было налажено серийное производстве систем контроля т. управления процессом бурения (СКУБ).

Как предусматривал план, завершение работы над методикой совпадало по времени с выпуском и освоением СК7Б, л это создавало благоприятные условия для внедрения методики оперативной обработки информации, поступающей от системы. Но, к сожалению, комплекты СК7Б первой модификации оказались плохо приспособленными к работе в условиях бурозсй до причине недостаточной герметизации и виброзащищенности датчиков, и поэтому кошлекты либо не устанавливались на буревом оборудовании, либо вводились б действие с немногими каналами. Наиболее уязвимым звеном СКУБ оказался канал измерения скорости проходки.

В связи со слонившимися обстоятельствами при отсутствии контроля скорости проходки утрачивался необходимый канал обратной связи и применить методику было невозможно. На обработку удавалось получить диаграмма лезь по отдельным интервалам. Производственные данные были использованы в качестве конкретных примеров, которые приведены в разделе 6 диссертации.

Положение 5. На качественном уровне решена задача классификации информационного обеспечения управления буровым процессом, выделены необходимые комплексы контролируемых параметт

ров и определены способы их измерения в завгсктасти от словно-

\

сти горно-геологических условий строительства екзакин, степени их изученности и сложности управленческих задач.

Управление проходкой ствола екзазпны является достаточно сложной 'системой. На темпы 'проходки оказывают существенное влияние сопутствующие процессы, происходящие в стволе екзатакы. Инодда степень их влияния на процесс проходки становится настолько -значительной, что проблема оптимизации рета:а бурекля отходит на второй план, уступая первое место борьбе с этими побочными процессами. Поэтому в управлении большую роль игргет

комплексный контроль по нескольким параметрам. Однако с включением новых контролируемых параметров, с расширением их номенклатуры возрастает стоимость всей системы контроля и повышаются расходы до ее обслуживанию. К тому же, с увеличением количества контролируемых параметров доля дополнительной информационной значимости каждого вводимого параметра скакается. Возникает проблема рационального соотношения ценности самой информации и стоимости ее получения. Детально эта проблема рассмотрена в работах У.Морриса я др. Изучение этой проблемы позволяет сделать вывод, что нужно установить необходимый уровень информационного, обеспечения в зависимости от сложности условий бурения я других факторов. С усложнением горногеологических условий я повышением расходов 5а бурение скважины долзна возрастать потребность в информационном обеспечении.

Для качественного обоснования классификации уровней информационного обеспечения управления процессом бурения с позиции системного анализа весь процесс бурения нами подразделен на несколько подсистем. За основу выделения подсистем приняты объекты управления. Сад определены по сдеазфике процесса, требованиям к его организации ж критериям сценки уровня оптимизации процесса. По каждой подсистеме приведены специфические целевые функции в решении .управленческих задач, описаны параметры объектов управления, факторы управления и передаточные функции. Выделение подсистем позволяет для каждой из ипх более правильно определить основные факторы и критерии управления и параметры обратной связи. Показано, что многие из выделенных параметров обратной связи в настоящее время не используются, поэтому контроль по обратной связи остается недостаточным, что не может не оказывать влияния на обоснованность и эффективность

мероприятий оперативного управления.

Обобщение результатов проведенного анализа процесса бурения позволило предложить классификацию информационного обеспечения систем управления. В ней выделено шесть классов: первый класс соответствует очень низкой степени инструментального контроля, когда управление в основном базируется на наблюдениях за чисто внешними качественными изменениями, фиксируемыми на поверхности, и на опыте и интуиции бурового персонала; а шестой класс - самое высокое обеспечение, котаа дается прогноз возможных изменений забойных условий на основе зондирования и телеметрического контроля. От тлеющихся классификаций предложенная отличается тем, что позволяет качественно оценивать уровень решения управленческих задач в зависимости от класса информационного обеспечения.

Положение 6. Созданы теоретические основы анализа системы "буровая установка - долото",-позволяющие регламентировать требования по повышению показателей работы породоразрушавдего инструмента в зависимости от параметров буровой установки.

С помощью обоснованной выше методики обработки данных нами проведено теоретическое исследование в области, которая хотя и не относится к оперативному управлению, но непосредственно обеспечивает оптимизацию процесса бурения. Речь идет о совершенствовании самого породоразрушаицего инструмента. В трудах А.В.Орлова, М.Г.Абрамсона, Д.Х.Аллена, РЛемберса, Р.А.Джексона и др. тлеются указания на необходимость пересчета прогнозных показателей бурения при переходе на более дорогостоящие долота. В более широкой постановке эта проблема связана не только с новыми более дорогостоящими типами долот, но и с модернизацией и удорожанием наземного бурового оборудования

и повышением затрат на его эксплуатацию. Как отмечают В.И.Егоров, Е.С.Сыромятников, одним из основных принципов совершенствования буровой техники является гармоничное развитие элементов всей системы, в которой породоразрушающий инструмент имеет определяющее значение. В соответствии с общими требованиями породоразрушающий инструмент должен совершенствоваться с опережаю-: щими темпами. Однако на производстве обычной является практика, когда модернизированное и соответственно более дорогостоящее буровое оборудование используется в сочетании с породоразрушаю-щим инструментом устаревшей конструкции. В связи с этим практическое значение приобретает вопрос о влиянии удорожания бурово- , го оборудования кг. пересмотр показателей работа породоразрушаю-' щего инструмента. Разработанная наш методика позволяет проанализировать зависимости характеристик и допустимого повышения стоимости породоразрушанцего от стоимости наземного оборудования. Исходным при анализе является требование, что с внедрением нового оборудования, при сохранении неизменными прочих условий, себестоимость бурения I м должна снижаться или по крайней мере не превышать первоначальной.

Проведен теоретический анализ различных вариантов решения проблемы. Показано, что попытка компенсировать дополнительные затраты только за счет интенсификации спуско-подъемных операций является бесплодной. Так, например, при ~~ = 2 снижение продолжительности спуско-подъемных операций на 50 % позволяет компенсировать повышение эксплуатационных затрат всего на 20 %.

Проанализирован вариант, когда с внедрением нового дорогостоящего оборудования вследствие совершенствования технологии существенно повышена проходка за рейс и ресурс работы долота

(относительное их повышение соответственно выражено коэффициентами К, и Н2 ). Выведен 1фитерий £ , который позволяет уточнить, за счет изменения какнх показателей работы долота возможно сохранение удельных эксплуатационных затрат на прежнем уровне. Если Л^ , это требование реализуется за счет

повышения продолжительности работы долота и проходки за" рейс при некотором допустимом снижении скорости проходки. Если Н, =

, удельные эксплуатационные затраты остаются на прежнем уровне за счет роста цроходки за рейс при неизменной скорости проходки. Если же X, < Д , то для поддержания исходного уровня удельных эксплуатационных затрат необходимо одновременно с ростом проходки повышенна скорости проходки.

Наконец, рассмотрен вариант, когда повышение проходки на-долото сопряжено с ростом его цены. Для этого случая аналитически подучен вид 1фитерия В . По его знаку выявляются условия, при которых допустим рост цены долота. Ира В > 0 рост цены долота доцустим при условии, что он сопровождается повышением долговечности долота л опережающим увеличением проходки, при В = 0 выводы остаются прежними, но при этом цена долота возрастает пропорционально .

Так как с совершенствованием породоразрушагщего инструмента, улучшением его характеристик, совершенствованием техно- - . догии бурения претерпевают изменение в той или иной степени все характеристики процесса бурения, то соответственно изменяются и все константы, входящие в основное уравнение

г

Это уравнение позволяет решить задачу необходимого изме-■ нения показателей применительно к трем различным условиям:

задача 1-е новым оборудованием используются прежние, до-

лота и существовавшая технология. В этом случае показатели работы долот принимаются без существенного изменения." По основному уравнению определяется продолжительность бурения и устанавливается зависимость удельных эксплуатационных затрат г„ от сг ;

задача 2 - внедрение нового оборудования сопровождается переходом на новые долота и совершенствованием технологии бурения. Изменяются показатели работы долота и его цена. В основное уравнение вводятся новые известные показатели и по ним определяется продолжительность работы долота и влияние новых показателей и ■ стоимости долота на удельные эксплуатационные затраты;

задача 3 - для нового оборудования предстоит создать новые, более совершенные долота. Требуется установить основные направления улучшения показателей работы долота, определить допустимые пределы увеличения цены долота.

По третьей задаче разработана методика формирования целевой функции для обоснования прогнозных показателей создаваемых типов породоразрузпащего инструмента.

В заключение следует подчеркнуть, что оптимизация процесса бурения составляет только часть общей крупной проблема совершенствования управления бурением на базе ИИС и, больше того, непременно должна сопровождаться" разрешением многих частных проблем, например, проблемы распознавания ситуаций в скважине. Чем полнее и эффективнее будет ислользозаться информация в управлении бурением, тем ощутимее будет потребность в приобретении ИИС и тем скорее они будут окупаться. Без эффективного освоения ИИС и правильной их эксплуатации невозможно развитие систем автоматизированного управления технологическими процессами в бурении, да и затормаживается технический прогресс в этой важной дня народного хозяйства страны отрасли производства.

ОСНОВНЫЕ швода И РЕКОМЕВДАЦШ

1. В результате теоретического обобщения и собственных аналитических и экспериментальных исследований разработан метод оптимизационного управления,представляющий один из основных разделов крупкой научно-прикладной проблемы по усилению информационной обеспеченности буровых работ и созданию научно-методической базы опера -тизного управления буровым процессом с целью повышения темпов и технико-экономических показателей строительства глубоких сквазин.

По данным анализа соотношения информационной и концептуальной моделей в оперативном управлении и оптимизации процесса бурения обосновано положение о необходимости усиления роли ¡1 значения динамичной информационной модели, форшруеыой непрерывно в масштабе текущего момента в результате оперативной обработки первичных данных, поступающих от контрольно-измерительных систем.

2. Обоснован вид базовой степенной модели бурлмости,пригодной для оперативного описания процесса бурения как при использовании быстроизнашиваемого породоразрупаздего инструмента,так и инструмента с позыиекной износостойкостью.

3. Научно обоснована и доведена до практического применения, методика оперативной обработки данных на основе предложенной степенной модели буримости, для чего впервые:

- реиена задача оперативной идентификации модели буримости в конкретных условиях по начальной скорости проходки я величине прохода за некоторый период времена с начала бурения;

- решена задача по адаптации модели бури:,¡ости в случае смены горных пород на забое скзажпны или существенного изменения режима бурения;

- получена форгдула для оперативного корректирования модели буримости при обнаружении расхождения между расчетными и факта че-

екая величинами;

- аналитически обоснована методика рекуррентного пересчета показателей бурения по промелуточному интервалу для восстановления изначального вида модели буримости.

4. Научно обоснована методика прогнозирования конечных показателей бурения за рейс по известному критерию минимума удельных эксплуатационных затрат на метр проходки; по принципу Лагран-жа выведены основные критериальные уравнения для определения ра-ционалъной продоляительности бурения за рейс в однородном разрезе или при смене горных пород.

Дано аналитическое обоснование и построены номограммы для определения рациональной продолжительности бурения по критерию минимума удельных эксплуатационных затрат и для определения конечной скорости бурения. Использование номограмм значительно упрощает ж ускоряет практическое применение методики оценки эффективности режима бурения.

5. Разработан новый методический подход в определении долговечности опоры шарошечного долота с привлечением накопленного статистического материала и данных оперативного контроля. От существующих методик он отличается тем, что базируется на" эмпирической зависимости долговечности опоры долота от сочетания нагрузки на долото и частоты вращения, а не от произведения их величин.

6. Научно обоснована новая методика оперативного решения оптимизационной задачи. Предложен критерий области существования оптимизационной задачи, обоснован его вид и разработана методика аналитического определения указанного критерия по данным отдельных тестов. Разработана методика интерполяции показателей тестов на промежуточные реяшы бурении для расчета и сопоставления прогнозных показателей бурения при выделении наиболее эффективного ре-жииа на его оперативное тестирование. •

- 52 -

Проведено аналитическое исследование тенденции изменения констант идентификации с ужесточением режима бурения и установлено, что константа "т." при этом имеет тенденцию к снижению, £ константа пл1Р' растет.

7. Предлагаемая методика оперативной обработки текущих да! ных бурения по неоднородному разрезу дает возможность сопоставлять конечные показатели работы долот разных типов и на этой ос нове научно, обосновать выбор наиболее подходящего типа для буре ния в конкретном перемежающемся разрезе.

8. С привлечением системного анализа прослежена зависимосз стоимости породоразрушающего инструмента и показателей его рабе ты от удельных эксплуатационных затрат за I час. Выведены аналя тические зависимости для прогнозирования необходимых показателе вновь разрабатываемого породоразрушающего инструмента.

9. В результате аналитических исследований обоснован*алгоритмы ,позволявдие осуществлять малинную обработку поступающих т кущих данных контроля в масштабе текущего момента, на совремеш уровне контролировать буровой процесс и осуществлять оперативно управление с использованием динамичной информационной модели и привлечением накопленной в банке данных информации. Алгоритмы с работки информации позволяют установить номенклатуру наиболее значзглых параметров для формирования концептуальной модели, кот рые должны передаваться в банк данных для сбора и накопления^ более важные результаты исследований и положения диссертации ос бликованн в следующих работах:

1. Левицкий А.Э. Использование данных геолого-технологического контроля для оптимизации бурения. - М.: ВНИИОЗНГ, ДЭБ?, вып. 5(124), 52 с. (Обзорная информация. Сер. бурение).

2. Левицкий А.З. К обработке первичной нн|ормации и прогне Злровашш показателей работы долог повышенной износостойкости.

- 53 -

Известия вузов. Геология и разведка. 1987, £ I, с.91-95.

3. Левицкий ¿.3. К обработке диаграш геолого-тсазгалэтагев-ского контроля процесса бурения. Известия вузов. Гесиюгая и разведка. 1988, Я 4, с.123-125.

4. Левицкий А.З. Обработка а использование информации го работе зородоразрушалцето инструмента в неоднородном разрезе. Изв. вузов. Геология и разведка. - 1939. - Л 2, с.94-99.

5. ЛевицкиЗ А.З. Влияние стоимости оборудования ва характеристика и показатели работа породоразрушавщего инструмента. Известия зузов. Геология ж разведка. - 1981. - В 7, с.131-135.

5. Левицкий А.З. Об учете стоимости наземного оборудования при разработке нового породоразруиащего инструмента. Известия вузов. Геология и рааведнг. - 1981. -5 8, с.125-128.

7. Яевишшй ¿.5. Исследование с псыощно регнетриругазрЛ аппаратуры времени чистого бурения по минимальной сгсаиэсги бурошг работ. ОШШШС. 1965, & 9. 10 с.

5. Левндкнй А.З. К разработке анажипгаесяоД ыаяеяж равввоввш-ного использования ашазноЗ воронки. Дрп. Известна дузшС. Ifeoao-гия г развеяна. - IS79. - 5 9, с.92.

9. Левшс-jffl ¿.3. Определение целесообразно! стежнж исаяэтпу-зовангя алмазной хрровкш ва проишлши нествшдпдс дасвдярватеаа-ных рейсов. Тегеол. и техника геологоразведачЕНГ работ (жщуз. научньЗ сб.). Знп.1. ИздЛШИ - 1977, с.43-51.

10. Левицкий ¿.3. О теоретических основах определении ж св-стемат2зации показателей работа твердрсшгавншс коровах ups Bgsma-тельнсл бурении. Известия вузов. Гвавэлш ж разведаа- - ISS7-—53, с.127-136.

11. ЛевицзийА.S. Определение оптЕиажшоЖ врадажвжзгеяшосш рейса. Белл, научн.-техн. гвф. Госгешшш СССР. №я®а - 1S65- -S 1(54), с.62-66.

- 54 -

12. Левицкий А.З. К вопросу оценки износа и работоспособности алмазной коронки. Б сб. Технология и техника геологоразведочных работ. Вын.2 Изд. ШРИ. - 1978, с.20-29.

13. Левицкий А.З. Разработка диаграммы в координатах "проходка на долото - механическая скорость проходки" и выявление

по ней рациональной технологии бурения. РИТС. Нефтяная пром. Сер.: Бурение. ВНШОЭНГ. - 1982. - ¡Ь 7, с.17-19.

14. Левицкий А.5. Основные итоги межвузовской научной конференции по механизации и автоматизации разведочного бурения. Изв. вузов. Сер.; Геология и разведка. - 1961. - й 8, с.120-127.

15. Блезнхжов Н.Г., Левицкий А.З. Метод оперативного определения буримости пород и степени отработки долота в течение рейса. РЯТС. Нефтяная промышленность. Сер.: Нефть, геология, геофизика и бурение. М.: ВНШОЭНГ, 1985, № Ы, с. 19-22.

16. Воздвиженский Б.И., Левицкий А.З., Гуревич М.И. Проведение механического каротажа при помощи аппаратуры ИРБ при бурении скважин на месторождения угля. Изв.вузов. - Геология и разведка.- 1964. - № 6, сЛ23-125.

17. Воздвиженский Б.И., Левицкий А.З. О процессе динамического разрушения горных пород при вдазливании. Изз.вузов. Геология

и разведка. - 1973, Л 8. с.

18. Вязниковцев С.Ф., Левицкий А.З. К расчету продолжительности отработки долота на забое скважины. Деп. Изз. вузов. Геология и разведка. ~ 1985, - Л 9, с.51.

19. Опыт внедрения и эксплуатации контрольно-измерительной аппаратуры ИРБ/ВГ.Белоконь, Г.М.Резников, В.Я.Голиков, А.ЗЛевиц-кий и др. В сб. Передовой опыт тахнололш бурения скважин в геоло горазведочных организациях треста "Луганскгеология" - Киев - 1966 с.24-43.

20. Левицкий А.З. К методике выявления рационального режима

бурения атаазньгл инструментом. Деп. Изв.вузов. Геология и разведка. - 1979. - а 9.

21. Левицкий А.З. К разработке аналитической модели рационального использования алмазной коронки. Деп. Изв.вузов. Геология г разведка. - 1979. - В 9.

" 22. Левицкий А.З. Теоретическое исследование факторов, приводящих к подклинке керна при его формировании. Изв.вузов. Геология и разведка.- 1980. — й 2.

23. Томадшольский Л.М., Левицкий А.З. Современные тенденции в созераенствовании породоразрушзющего инструмента в США. Деп. Изв. вузов. Геология и разведка. - 1982. - й II.

24. Стрельчеяко 3.3., Африкян А.Н., Левицкий А.З. О некоторых особенностях анализа данных геолого-технологаческого контроля. Тез. доклада на Всесоюзн. семинаре. Калинин. - 1986.

25. Лёаяцкяй А.З., Каретко О.Н. Отбор керна при бурении скважин. ?ЯГС. Бурение. - 1983. - В 10.

26. Лез::ютЛ А.З. Использование геолого-технологической ин-йормацяи в бурении.?;!. :Недра, - 1992.