Розробка методів і алгоритмів оптимального керування процесом буріння нафтових і газових свердловин з дискретно-неперервною зміною керувальних дій. Математична модель процесу буріння. Її використання в системі керування процесом буріння СКУБ-М2.
Аннотация к работе
Покращити техніко-економічні показники процесу буріння можна вдосконалюючи як технологію, так і методи керування процесом буріння. Особливої уваги заслуговує оптимальне керування процесом буріння свердловини в умовах апріорної невизначеності, яке забезпечує високі техніко-економічні показники та раціональне відпрацювання доліт як за озброєнням, так і за опорою. У звязку з цим актуальною стає задача оптимального керування процесом буріння нафтових і газових свердловин з дискретно-неперервною зміною керувальних дій, при якому кінцеві результати керування близькі до результатів, одержаних при застосуванні оптимальних критеріїв, і при цьому відкриваються можливості технічної реалізації оптимальних алгоритмів. Досягнення цієї мети вимагає розвязання таких взаємоповязаних задач: - формалізація процесу буріння і розробка на цій основі узагальненої математичної моделі процесу буріння свердловин; У роботах, написаних у співавторстві, здобувачу належить: у роботі [1] - аналітичний розвязок задачі оптимального керування процесом буріння нафтових і газових свердловин з дискретно-неперервною зміною керувальних дій; [2] - створення узагальненої математичної моделі процесом буріння нафтових і газових свердловин; [3] - визначення коефіцієнту чутливості для різних типів математичної моделі; [4] - розробка програмного забезпечення для розвязку задачі оптимального керування; [6] - здійснено аналіз існуючих математичних моделей для визначення часу спуско-підіймальних операцій; [7] - обґрунтовано вибір критерію оптимальності при розробці алгоритмів оптимального керування; [10] - аналітичне дослідження зміни коефіцієнту чутливості для різних числових методів; [11] - обґрунтування вибору методу оптимального керування процесом буріння свердловини; [12] - проведення ідентифікації параметрів узагальненої математичної моделі методом ортогоналізації; [13] - проведення порівняльного аналізу методів оптимального керування.Виявлені та охарактеризовані головні керувальні впливи процесу буріння свердловини: осьове навантаження на долото F(t) та швидкість його обертання , які повинні задовільняти умовам керованості і незалежності. Проведений аналіз сучасного стану оптимального керування процесом буріння показав, що перевага надається критерію мінімізації вартості будівництва свердловини, оскільки він враховує прямі економічні показники процесу і прийнятий у галузі як основний. Вибрано і обгрунтовано напрямок досліджень з метою створення методів і алгоритмів оптимізації процесу буріння свердловин і на їх базі синтез компютерної системи оптимального керування процесом буріння нафтових та газових свердловин з дискретно-неперервною зміною керувальних дій. Другий розділ роботи присвячений розробці узагальненої математичної моделі процесу буріння свердловин у просторі станів, координатами якого є проходка на долото і змінні, що характеризують стан озброєння долота і його опори 1 для найбільш розповсюджених залежностей зміни механічної швидкості в часі: лінійної (модель А), експоненціальної (модель В), гіперболічної (модель С) та кореневої (модель D), які з достатньою точністю обчислюють механічну швидкість , наведені відповідні рівняння для обчислення проходки на долото як функції фазової координати, яка відображає стан озброєння долота.У дисертації на основі проведених досліджень розвязано актуальну науково-технічну задачу, яка полягає в розробці компютерної системи оптимального керування процесом буріння нафтових і газових свердловин роторним способом з дискретно-неперервною зміною керувальних дій, що дає змогу знайти оптимальні значення керувальних дій та прогнозувати час буріння протягом рейсу одного долота. Вирішення цієї задачі має важливе значення у нафтогазодобувній галузі, оскільки дозволяє оптимізувати процес буріння з урахуванням технічних можливостей бурової установки. На основі проведеного аналізу сучасного стану проблеми оптимізації процесу буріння встановлено, що існує цілий ряд моделей, в основі яких лежать різні закони зміни механічної швидкості, що вимагає для кожного із них розробляти як алгоритми ідентифікації параметрів моделей, так і алгоритми оптимального керування процесом буріння. Тому перспективними є створення узагальнених математичних моделей, які є придатними для різних умов буріння, методів ідентифікації їх параметрів та методів оптимального керування процесом буріння нафтових і газових свердловин з дискретно-неперервною зміною керувальних дій, які дозволяють проводити процес буріння з керувальними діями, близькими до оптимальних. Створена узагальнена математична модель процесу буріння свердловин, яка відображає причинно-наслідкові звязки між керувальними діями і змінними стану обєкта, що дає можливість ефективно розвязувати задачу ідентифікації параметрів моделі за єдиним алгоритмом, який не залежить від вигляду функції механічної швидкості проходки.
План
. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
У дисертації на основі проведених досліджень розвязано актуальну науково-технічну задачу, яка полягає в розробці компютерної системи оптимального керування процесом буріння нафтових і газових свердловин роторним способом з дискретно-неперервною зміною керувальних дій, що дає змогу знайти оптимальні значення керувальних дій та прогнозувати час буріння протягом рейсу одного долота. Вирішення цієї задачі має важливе значення у нафтогазодобувній галузі, оскільки дозволяє оптимізувати процес буріння з урахуванням технічних можливостей бурової установки. Основні наукові та практичні результати роботи полягають у наступному: 1. На основі проведеного аналізу сучасного стану проблеми оптимізації процесу буріння встановлено, що існує цілий ряд моделей, в основі яких лежать різні закони зміни механічної швидкості, що вимагає для кожного із них розробляти як алгоритми ідентифікації параметрів моделей, так і алгоритми оптимального керування процесом буріння. Окрім того, реалізація алгоритмів оптимізації, за допомогою яких отримують змінні у часі керувальні дії, викликає значні технічні труднощі, а іноді є неможливою. Тому перспективними є створення узагальнених математичних моделей, які є придатними для різних умов буріння, методів ідентифікації їх параметрів та методів оптимального керування процесом буріння нафтових і газових свердловин з дискретно-неперервною зміною керувальних дій, які дозволяють проводити процес буріння з керувальними діями, близькими до оптимальних.
2. Створена узагальнена математична модель процесу буріння свердловин, яка відображає причинно-наслідкові звязки між керувальними діями і змінними стану обєкта, що дає можливість ефективно розвязувати задачу ідентифікації параметрів моделі за єдиним алгоритмом, який не залежить від вигляду функції механічної швидкості проходки. Проведене компютерне моделювання алгоритмів ідентифікації параметрів моделі показало, що похибка в обчисленні МНК-оцінок лежить в межах до 5%.
3. На основі аналітичних досліджень чутливості алгоритмів ідентифікації до параметрів та узагальненої математичної моделі доведено, що при розробці алгоритмів ідентифікації перевагу слід надавати тим алгоритмам, які забезпечують підвищену точність обчислення .
4. Вперше розглянуто і розв?язано задачу оптимального керування процесом роторного буріння з дискретно-неперервною зміною керувальних дій, яка дає можливість спростити технічну реалізацію оптимальних керувальних дій, завдяки чому досягається здешевлення і прискорення будівництва свердловині. Для її ефективного розвязку розроблено алгоритми оптимального керування процесом буріння для узагальненої математичної моделі, що спрощує процес створення програм, оскільки алгоритм не залежить від виду моделі, а змінюються тільки відповідні коефіцієнти. Для оцінки ефективності розроблених алгоритмів зроблено порівняльний аналіз методів оптимального керування, з якого випливає, що в співвідношенні за техніко-економічними показниками і за можливостями технічної реалізації алгоритмів, найкращим є метод оптимального керування з дискретно-неперервною зміною керувальних дій.
5. У результаті системного аналізу методів для прогнозування тривалості спуско-підіймальних операцій (СПО) обґрунтована стратегія вибору математичної моделі та розроблений алгоритм розвязку задачі визначення часу СПО. Удосконалено систему контролю і керування процесом буріння свердловин, яка базується на використанні серійного автоматизованого комплексу СКУБ-М2, з урахуванням алгоритмів оптимального керування з дискретно-неперервною зміною керувальних дій, реалізація яких ведеться за двома керувальними діями. У режимі порадника надаються рекомендації щодо оптимальних значень режимних параметрів та визначаються моменти часу перемикання керувальних дій з одного рівня на інший.
6. Запропонована структура компютерної системи, розроблено прикладний програмний продукт підтримки оптимізаційної задачі в АСК процесу буріння, який забезпечує поетапний розвязок задачі оптимального керування з дискретно-неперервною зміною керувальних дій за єдиним сценарієм із можливістю інтегрування його в існуюче програмне забезпечення.
7. Для розвязку задач оптимального керування процесом буріння свердловин за двома керувальними діями на базі узагальненої математичної моделі і алгоритмів ідентифікації розроблене програмне забезпечення, що дає змогу удосконалити існуючу систему автоматизованого контролю СКУБ-М2.
Список литературы
1. Горбійчук М.І., Кропивницька В.Б. Субоптимальне керування процесом заглиблення свердловин // Нафтова і газова промисловість. - 2003. - №1. - С. 24-25.
2. Горбійчук М.І., Кропивницька В.Б. Моделювання та ідентифікація процесу заглиблення свердловин // Науковий вісник ІФНТУНГ. - 2004. - №1. - С. 7-9.
3. Горбійчук М.І., Кропивницька В.Б. Аналіз алгоритмів ідентифікації процесу заглиблення свердловин // Нафтова і газова промисловість. - 2005. - №2. - С. 24-26.
4. Горбійчук М.І., Кропивницька В.Б. Оптимальне керування процесом механічного буріння // Нафтова і газова промисловість. - 2005. - №3. - С. 20-22.
5. Кропивницька В.Б. Дослідження точності механічної швидкості проходки процесу буріння свердловин // Східно-Європейський журнал передових технологій. - 2005. - №6. - С. 59-61.
6. Горбійчук М.І., Кропивницька В.Б. Прогнозування спуско-піднімалних операцій // Східно-Європейський журнал передових технологій. - 2006. - №2(20). - С. 37-40.
7. Горбійчук М.І., Кропивницька В.Б. Метод і алгоритми оптимального керування процесу поглиблення свердловин // Контроль і управління в складних системах: VII Міжнародна конференція “КУСС-2003”. Вінниця, 8-11 жовтня 2003. - Вінниця, 2003. - С. 153.
8. Кропивницька В.Б. Алгоритм вибору типу моделі механічної швидкості проходки // Наука і освіта: VII Міжнародна науково-практична конференція. Дніпропетровськ., 10-25 лютого 2004 р. - Дніпропетровськ. - 2004. - Т. 64. - С.53.
9. Кропивницька В.Б. Застосування методу послідовних наближень в задачах оптимізації процесу поглиблення свердловин // Інтелектуальні системи прийняття рішень та інформаційні технології: Міжнародна науково-практична конференція. Чернівці, 19-21 травня 2004р. - Чернівці; К.; Москва; Могилів, 2004. - С. 195-196.
10. Горбійчук М.І., Кропивницька В.Б. Визначення чутливості алгоритму ідентифікації до параметрів моделі процесу буріння // Сучасні проблеми прикладної математики та інформатики: Всеукраїнська наукова конференція. Львів, 21-23 вересня 2004 р. - Львів, 2004. - С.52.
11. Горбійчук М.І., Кропивницька В.Б. Методи оптимального керування процесом буріння // Автоматика-2004: 11 Міжнародна конференція по автоматичному управлінню. Київ, 27-30 вересня 2004 р.- Київ, 2004. - Т.2. - С.11.
12. Кропивницька В.Б., Сабат Н.В. Стратегія ідентифікації параметрів математичної моделі процесу буріння // Теорія та методи обробки сигналів: Перша міжнародна наукова конференція. Київ, 25-27 травня 2005 р. - Київ, 2005. - С. 106-108.
13. Горбійчук М.І., Кропивницька В.Б. Порівняльний аналіз методів оптимального керування процесом буріння // Автоматика-2006: 13 Міжнародна конференція по автоматичному управлінню. Вінниця, 25-28 вересня 2006 р. - Вінниця, 2006. - С. 250.