На правах рукописи

ЦУПРИКОВ Леонид Александрович


РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АДАПТИВНОГО

УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ РОТОРНОГО БУРЕНИЯ

НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Краснодар – 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Кубанский государственный

технологический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук


Ведущая организация: -производственное

объединение "Промавтоматика ",

г. Краснодар


Защита состоится 25 марта 2009 года в 14:00 часов на заседании

диссертационного совета Д 212.100.04 при Кубанском государственном технологическом университете г. Краснодар,

ауд. Г-251

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского

государственного технологического университета

Автореферат разослан 25 февраля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, канд. техн. наук, доцент

3

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Технологический процесс (ТП) бурения нефтяных и газовых скважин является сложным, аварийно-опасным и дорогостоящим процессом. В связи с этим особое внимание уделяется повышению эффективности и безопасности строительства скважин, что возможно при переходе от бурения по оптимизированному проекту к бурению с помощью систем оперативного управления.

В настоящее время в РФ бурение скважин в основном, производится по режимно-технологическим картам (РТК). Выбор параметров режимов бурения в проекте и РТК обусловлен предыдущим опытом бурения, известной статистикой, нормами и правилами проводки скважин, которые не являются оптимальными для управления процессом. Кроме того, применение РТК не позволяет оперативно реагировать на изменение ситуации на забое и результаты бурения зависят только от производственного опыта бурильщика.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Отечественные информационно-измерительные системы (ИИС) контроля и управления процессом бурения ("Леуза 1,2", "Узбекистан 2", "Уралмаш 125А+САОБ", "Зоя 1,2" и др.) проводят оптимизацию процесса только по одному параметру – осевой нагрузке на долото для каждого интервала бурения из проекта, причём определяется не точное значение, а оптимальный интервал изменения осевой нагрузки.

Зарубежные ИИС (CDC, DAT и др.) рассчитывают по математической модели два оптимальных параметра – осевую нагрузку и скорость вращения ротора, смена породы учитывается в модели изменением параметрических коэффициентов модели для каждой проектной пачки пород,

т. е. оперативная адаптация модели к ситуации на забое не производится.

Применение на буровой автоматизированной системы оперативного управления с моделью бурения, непрерывно подстраивающейся к си-

туации на забое позволяет исключить эти и другие недостатки и сущест-

4

венно повысить экономическую эффективность и скорость строительства скважин.

Цель работы. Разработка адаптивной системы оперативного управления ТП бурения. Анализ и разработка математического описания процесса роторного бурения, использования критериев оптимизации в управлении процессом, алгоритмического и программного обеспечения системы.

Основные задачи исследования.

1.  Разработка принципов оптимального управления на основе интегральных математических моделей ТП бурения и их адаптации к текущим условиям на забое в ходе процесса.

2.  Разработка комплекса алгоритмов и программ управления основными подпроцессами бурения:

-  механического разрушения породы долотом;

-  гидравлической промывки скважины для очистки забоя и ствола скважины от выбуренной породы;

-  спуско-подъёмными операциями (СПО) для замены долота и проработки ствола скважины;

-  контроля технологических и технических ограничений для

предупреждения аварий и осложнений ТП бурения.

Научная концепция. Оперативная адаптация математической модели управления процессом бурения к условиям на забое постоянным перерасчётом параметрических коэффициентов модели по результатам текущей проходки.

Научная новизна заключается в разработке принципов адаптивного управления ТП бурения с помощью интегральных математических моделей, коэффициенты которых постоянно подстраиваются к забойным условиям. Режимные параметры управления рассчитываются по уточняющейся в ходе бурения модели согласно критерию "максимум механической ско-

5

рости проходки". При этом впервые для управления ТП бурения:

-  доработана математическая модель механической скорости проходки введением в неё (дополнительно к механическим) гидравлических параметров промывки скважины – давления и расхода бурового раствора;

-  оперативная адаптация (подстройка модели к условиям на забое) производится многократным решением обратной задачи бурения - расчёта параметрических коэффициентов модели по данным текущего бурения;

-  подстройка модели выполняется перерасчётом коэффициентов для трёх параметров управления – осевой нагрузки на долото, скорости вращения ротора и гидравлической мощности, приложенной к долоту;

Практическая ценность работы. Разработан принцип оперативного адаптив­ного управления в ходе процесса бурения на основе математических моделей интегрального вида. Доработана модель механической скорости бурения, учитывающая как механические, так и гидравлические параметры. Решена обратная задача бурения - определение коэффициентов модели управления по опытным данным бурения. Разработаны алгоритмическое и программное обеспечение основных задач ТП бурения. Комплекс программ реализован на языке высокого уровня С++.

Реализация научно-технических результатов работы. Работа выполнялась автором в рамках государственного контракта № 000р/5988 ООО "Система-ВЦ" с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (ФСРМФП в НТС) по проекту № 000 от 01.01.01 г. Наименование НИОКР: "Анализ технологического процесса роторного бурения и разработка его полного математического, алгоритмического и программного обеспечения". Подготовлено 4 промежуточных

6

и заключительный отчёты поэтапного выполнения НИОКР для Фонда СРМФП, о чём имеются акты внедрения. Все отчёты зарегистрированы во ВНТИЦ РФ под №01.02.от 01.01.2001 г.

Результаты исследований использованы в работе ООО "БУРГАЗ", филиал "КубаньБУРГАЗ", о чём имеется соответствующий акт внедрения.

Апробация работы. Результаты выполненных исследований докладывались на 3-й межвузовской научной конференции "Электромеханические преобразователи энергии" (г. Краснодар, КВАИ, 2004 г.), на Междуна

родной конференции "Телекоммуникационные и информационные системы ", г. Санкт-Петербург, СбГПУ, 2007 г., на Пятой Южно-Российской научной конференции " Энерго - и ресурсосберегающие технологии", ЮРНК-07, Краснодар, 2007, на научных семинарах кафедры "Информатика" КубГТУ, г. Краснодар, гг.

Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, постановки задачи, 4 глав, выводов по каждой главе объёмом 117 страниц основного текста, 17 иллюстраций, 12 таблиц, списка литературы из 62 наименования и 5 приложений (программы расчёта параметров режимов управления бурением, спуско-подъёмными операциями, контроля технологических и технических ограничений, расчёта параметрических коэффициентов модели бурения и др.), актов внедрения.

7

Краткое содержание работы

Во введении даётся обоснование актуальности разработки системы оптимального оперативного управления ТП роторного бурения эксплуатационных скважин, обусловленной увеличением объёмов бурения и освоением морских акваторий. Управление бурением по РТК, принятое в настоящее время, не обеспечивает оперативной реакции бурильщика на изменяющуюся ситуацию на забое, не является неоптимальным, поэтому для повышения эффективности ТП бурения предлагается использовать на буровой систему адаптивного управления на базе промышленного компьютера для расчёта оптимальных режимов и предупреждения аварий и осложнений.

Постановка задачи. Разработка системы адаптивного управления (САУ) роторным равновесным бурением с промывкой вязкопластичной жидкостью для оптимизации процессов бурения по критериям "максимум механической скорости", "максимум рейсовой скорости", "минимум стоимости 1 метра проходки" и контроля технологических и технических ограничений для снижения аварийности. САУ функционирует при заданном проектом на строительство скважины оборудовании и материалах.

В первой главе проведён анализ факторов, влияющих на механическую скорость проходки, выполнен обзор известных отечественных и зарубежных математических моделей и критериев бурения. Установлено, что все модели имеют одинаковую структуру и отличаются только различной степенью учёта факторов, влияющих на процесс бурения. В целом, процесс углубления забоя может быть представлен тремя уравнениями:

1) υм = f(G, n) – зависимостью механической скорости проходки υм

от осевой нагрузки на долото G и скорости вращения ротора n;

2) tв = f(G, n) - зависимостью времени работы вооружения долота tв;

3)tо = f(G, n) - зависимостью времени работы опоры долота tо.

Показана необходимость включения в основное уравнение модели

8

υм = f(G, n) гидравлических параметров (Nд = k·P·Q, где Nд – гидравлическая мощность, k – размерный коэффициент, Q – расход, Р – давление бурового раствора).

По экспериментальным данным эксплуатационного бурения выведена зависимость υм = f(G, n, Nд) в виде υм =K∙Pδ∙nα ∙Nдm, в которой параметрические коэффициенты К, δ, α и m определены методом наименьших квадратов. Тем самым решена одна из обратных задач бурения.

В качестве базовой принята следующая модель механического разрушения породы на забое:

υм =K∙Gδ∙nα ∙Nдm ; (1)

;

;

Ограничения модели:

Gmin ≤ G ≤ Gmax; nmin ≤ n ≤ nmax; kGn ≤ Nп;

где υм - механическая скорость проходки;

k – коэффициент пропорциональности (буримости);

G – осевая нагрузка на долото;

= G/Dд – удельная осевая нагрузка на долото G, приведённая

к его диаметру Dд;

n – скорость вращения ротора;

Nд = Q·ΔPc – гидравлическая мощность на долоте;

∆Рд – потери давления в долоте;

Q и Pc – расход и давление бурового раствора;

d, a, m - показатели степени, зависящие от типа долота и качества очистки забоя;

с0 – степень износа опор, изменяется от 0 до 1 для новых и полностью изношенных опор,

9

β, kв – опытные коэффициенты, зависящие от конструкции долота, разбуриваемой породы, промывочной жидкости, динамики работы долота на забое и других факторов, влияющих на износ опор и вооружения долота;

k – размерный коэффициент пропорциональности;

Gmin, Gmax - минимум и максимум осевой нагрузки на долото;

nmin, nmax - минимум и максимум скорости вращения ротора;

Nп – механическая мощность привода;

Анализ критериев оптимизации ТП бурения показал, что при управлении механическим бурением при проводке скважин используются локальные критерии "максимум механической скорости", "максимум рейсовой скорости", "максимум проходки на долото" и глобальный критерий – "минимум стоимости 1 метра проходки".

Основным для САУ является критерий механической скорости проходки, по нему проводится оптимизация процесса бурения с помощью целевой функции υм= k∙Gδ∙nα∙Nдm → max. Вторым критерием является кри-

терий "максимум рейсовой скорости", для которого рассчитываются максимально возможные для залегаемых пластов скорости и ускорения СПО. Критерий – "минимум стоимости 1 метра проходки" рассчитывается в САУ как один из показателей процесса бурения в целом.

Во второй главе рассмотрены известные модели промывки скважины, СПО и доработана модель контроля ограничений.

Для расчёта режимов промывки давление Рс – в стояке определяется как сумма гидростатического давления столба жидкости Ргс и потерь давления на всех элементах ствола скважины ∑∆Рi :

Рс = Ргс + ∑∆Рi = Ргс + ∆Робв + ∆Рт +Рм + ∆Рубт + ∆Рд + ∆Рукп + ∆Ркп,

где ∆Робв – потери в поверхностной обвязке (манифольд высокого давления, стояк, шланг, вертлюг и ведущая труба - квадрат), ∆Рт – в бурильных трубах, ∆Рз – в муфтах и замковых соединениях, ∆Рубт – в утяже-

10

лённых бурильных трубах (УБТ), ∆Рд – в долоте, ∆Рукп – в кольцевом пространстве между УБТ и стенками скважины, ∆Ркп – в кольцевом пространстве между бурильными трубами и стенками скважины.

Модель также связывает между собой свойства промывочной жидкости (плотность, пластическую вязкость, динамическое напряжение сдвига), содержит критерии течения раствора – структурный и турбулентный и уравнения для расхода и скорости движения раствора в затрубном пространстве скважины. Ограничения модели связаны с принципом равновесного бурения и защитой насосов от перегрузок.:

Расчёт режимов СПО производится для заданной конструкции скважины и реологических свойств промывочной жидкости для достижения критерия "максимум рейсовой скорости".

Математическая модель состоит из уравнений потерь давления на

трение и инерцию движения жидкости при СПО, ограничений по гидроразрыву пластов, максимального веса на крюке и позволяет определять максимально возможные и безопасные скорости и ускорения движения труб.

Защита наземного и скважинного оборудования от перегрузок, рациональная отработка его элементов и защита стенок скважины от разрушающих гидромеханических воздействий промывочной жидкости осуществляется контролем технологических и технических ограничений ТП бурения на каждом этапе проводки скважины (бурение, проработка, СПО и др.).

В математическую модель контроля ограничений автором включены новые зависимости, в целом она содержит уравнения для защиты труб от скручивания, долота, талевого каната и лебёдки от поломок, ресурса отработки каната, предупреждения прихватов, проявлений, поглощений и защиты насосов. САУ отслеживает 15 аварийных параметров, при превышении 95%-го предела контролируемого параметра подаётся предупреди-

11

тельный сигнал. с выводом соответствующего сообщения.

По моделям разработаны методики, алгоритмы и программы расчёта режимов промывки скважины, СПО и контроля ограничений.

В главе 3 проанализирован ТП бурения с позиций системного анализа как инерционная дискретная система экстремального управления (СЭУ) с распределёнными по координате "глубина забоя" параметрами, рассмотрены виды систем управления, требования к ним и к критериям управления, сформулированы основные принципы работы САУ, выбран метод поиска экстремума.

ТП процесса бурения глубоких скважин роторным способом относится к классу динамических объектов с постоянной структурой и оператором К,

изменяющимся во времени за счет изменения входных параметров – рис. 1.

Скругленный прямоугольник: K u1(t) x1(t)

X=
 
u2(t) x2(t)

u3(t) x3(t) (2)

x4(t)

z1

Z=
 
z2

z3

….

zn

Рисунок 1 - Схема управления динамическим объектом

Описание объекта может быть представлено в виде

Х = F[U, K(Z)],

u U; z Z,

где:

u1 – осевая нагрузка на долото G, Т;

u2 – число оборотов ротора n, об/мин;

u3 – гидравлическая мощность на долоте, Nд, кВТ;

12

z1 – физико-механические свойства разбуриваемых пород;

z2 – типоразмер долота;

z3 – плотность бурового раствора ρ;

z4 – динамическое напряжение сдвига раствора τ;

z5 – пластическая вязкость бурового раствора η;

z6 –давление в стояке Рс;

z7 – расход бурового раствора Q;

z8 – крутящий момент на роторе М, кГ∙м;

х1 – механическая скорость проходки υм;

х2 –проходка на долото h;

х3 –износ вооружения долота В;

х4 –износ опоры долота D;

α,

β

Параметрический вектор К = δ ,

k

m

где

α, β, δ, k, m - эмпирические коэффициенты, характеризующие объект "долото-порода" и зависящие от физико-механических свойств породы, типа и размера долота, свойств промывочной жидкости, дифференциального давления на забое и др.

Под выбором оптимальных режимов бурения понимается отыска­ния такого u U, который переводил бы систему (2) из заданного началь­ного состояния Х(tо) в конечное состояние Х(tк) при условии дос­тижения экстремума выбранной целевой функции.

Рассматриваемая динамическая система являет­ся системой с непол­ной информацией, подверженной случайным воздействиям, поэтому воз­никает задача идентификации коэффициентов модели управления на ос-

13

нове адаптивного под­хода путем анали­за текущей информации.

В практике бурения адаптация модели выполняется поисковыми СЭУ, которые для нахождения экстре­мума требуют проведения дорогостоящих экспериментов, поэтому в работе для управления ТП бурения применена беспоиско­вая система управления, использующая математическую модель объекта "долото-забой" и экстремальное адаптивное управление процессом в оперативном режиме реального времени.

Основной принцип работы САУ заключается в следующем:

-  в начале бурения по уравнению (1) с заданными проектом данными рассчитыва­ются оптимальные значения G, n и Nд для достижения макси­мума механической скорости υм = max;

-  эти параметры устанавливаются на буровой и производится бу­рение в течение 10 мин.;

-  в ходе бурения снимаются реальные значения параметров управления G, n и Nд ;

-  по ним перерасчитываются коэффициенты K, δ, α и m уравне­ния (1), т. е. модель бурения адаптируется к реаль­ным условиям на забое;

-  для модели (1) с новыми коэффициентами определяется новый макси­мум, обеспечивающие его новые G, n и Nд устанавливаются на буровой, с ними производится новое бурение в течение 10 мин. получившиеся реальные G, n и Nд вводятся в модель, вновь вычисляется максимум υм и т. д.

Для адаптации коэффициентов K, δ, α и m модели используется метод наименьших квадратов. Интервал в 10 мин. является принятой в бурении величиной, за которую заканчиваются переходные процессы и данные считываются при установившихся режимах. Максимум механической скорости υм и параметры G, n и Nд, которые его обеспечивают рассчитываются методом градиентного спуска с постоянным шагом.

14

Математически для функции υм= k∙Gδ∙nα∙Nдm возможен поиск экстремума, т. к. она является дважды дифференцируемой и строго выпуклой, поскольку все значения матрицы Гессе Н(х) > 0 для х Rn.

Анализ методов поиска экстремума показал, что для целей САУ

достаточно использовать методы первого порядка, имеющие хорошую сходимость. Выбор конкретного метода не критичен, в данной работе выбран метод градиентного спуска с постоянным шагом.

В главе 4 по математическому описанию ТП бурения разработаны алгоритмический и программный комплексы бурения, промывки, СПО и

контроля ограничений процесса.

По математическим моделям процессов бурения и промывки разработан алгоритм и составлена программа расчёта оптимальных механических параметров разрушения породы и гидравлических параметров очистки забоя и ствола скважины от выбуренной породы. Центральным блоком алгоритма и программы является модуль поиска экстремумов по различным критериям процесса. В качестве критериев в модуль вводятся "υм = max" для небольших (до 2 км) глубин, "υр=max" для средних и "q=min" для глубин долее 4 км. Пробные расчёты по данным реального бурения, полученным в ООО "КубаньБУРГАЗ" показали, что по сравнению с проектными скорость механического бурения υм возрастает на разных интервалах глубин почти в 1,4 – 1,7 раза, время бурения уменьшается на 18-20%. При этом увеличиваются расчётные осевая нагрузка на долото G (примерно на 50%), и скорость вращения ротора n (на 10-20%), а для качественной очистки забоя необходимо увеличение расхода промывочной жидкости Q на 15-60 % (для разных глубин) при сохранении структурного режима течения раствора в кольцевом пространстве скважины.

По математической модели СПО разработаны алгоритм и про-

грамма расчёта режимов спуско-подъёмных операций для определения максимальных скорости Vт и ускорения а движения колонны труб при

15

спуске и подъёме инструмента, обеспечивающих безопасное для пластов давление бурового раствора в скважине.

Алгоритм и программа контроля технологических и технических

ограничений ТП бурения составлены по соответствующей математической модели, при аварийных значениях параметров программа выводит их величины и генерирует звуковые и световые сигналы оповещения и предупреждения.

Все программы составлены на языке С++ в среде программирования Borland C++ Builder 5.

Для вывода данных на экран оператора бурения разработаны формы: расчёта оптимальных механических, а также гидравлических параметров (G, n, P, Q, ρ, η, τ и др.); расчёта параметров режимов СПО (Vт, а, Q, Р, qmin); вывода стоимостных и временных показателей процесса (стоимость долота, 1 часа бурения, 1 часа промывки, 1 часа СПО и времени 1 часа бурения, промывки, СПО, а также критерия qmin); контроля ограничений (параметры М, Мт, Мд, Gк, Gкмл, Gкмк, Ap, t n, t p , t б, t nд, t pд, t бд, Vдр и др.

Расчёт ожидаемой экономической эффективности показал, что в результате применения САУ на одной буровой установке при бурении скважин глубиной порядка 5000 метров экономится примерно 7 рублей.

ОСНОВНЫЕ ВыводЫ.

1 Для повышения эффективности строительства скважин наряду с оптимизированным проектом необходимо использовать на буровой систему экстремального управления, обеспечивающую расчёт оптимальных режимных параметров и безаварийность проводки скважины.

2 Для учёта качества очистки забоя доработана математическая модель механической скорости разрушения породы долотом υм, содержа-

щая как механические (G и n), так и гидравлические параметры (Nд). Эта 16

зависимость, выведенная в результате обработки экспериментальных данных бурения имеет вид υм =K∙Pδ∙nα ∙Nдm. При этом решена обратная задача бурения – определение коэффициентов модели по опытным данным буре-

ния.

3 Разработана автоматизированная беспоисковая система адаптивного оптимального управления, оперативно реагирующая на забойную ситуацию в скважине, а не использующая дорогостоящие эксперименты для опытного нахождения оптимальных режимных параметров, приводящих к износу долота во время поисковых работ по нахождению экстремума.

4 Основной принцип работы САУ заключается в постоянном перерасчёте коэффициентов K, δ, α и m для модели механической скорости υм= k∙Gδ∙nα∙Nдm по данным рабочего, а не поискового бурения, тем самым модель адаптируется к реальным условиям на забое;

5 Для адаптации коэффициентов модели K, δ, α и m предложено использовать метод наименьших квадратов.

6 В качестве критериев управления в САУ предложено использовать "максимум механической скорости проходки" для оптимизации процесса бурения с помощью целевой функции υм= k∙Gδ∙nα∙Nдm → max и "максимум рейсовой скорости", при этом для сокращения времени СПО выполняется расчёт максимально возможных по прочности залегаемых пластов скорости и ускорения движения труб при СПО.

7 В модель контроля технологических и технических ограничений ТП бурения добавлены новые зависимости, которые обеспечивают защиту наземного и скважинного оборудования от перегрузок, рациональную отработку его элементов и защиту пластов от проявлений и гидроразрывов.

8 Разработан комплекс алгоритмов и программ управления основными процессами бурения - механического разрушения породы долотом;

17

гидравлической промывки скважины; СПО; контроля технологических и технических ограничений.

9 Расчёт экономической эффективности показал, что в результате применения САУ на одной буровой установке при бурении скважин глу-

биной порядка 5000 метров экономится примерно 7 рублей.

Список публикаций

1. , , Цуприков контроль ограничений процесса бурения. Электромеханические преобразователи энергии. Материалы 3-й межвузовской научной конференции. Сборник материалов. - Краснодар: КВАИ, 2004 г. -225 с., с. 188-190.

2. Цуприков оптимальных значений управляющих параметров режимов бурения и промывки. Программа для ЭВМ. Свидетельство № от 01.01.2001. / , , – 7 с.

3. Цуприков оптимальных значений управляющих параметров режимов механического бурения. Программа для ЭВМ. Свидетельство № от 01.01.2001. / , , – 7 с.

4. Цуприков параметров модели механической скорости бурения методом наименьших квадратов //Телекоммуникацион -

ные и информационные системы / Труды междунар. конф. СПб.: Изд – во Политехн. ун-та, 2007. - с. 274 – 276.

5. . Основные принципы адаптивного управления процессом роторного бурения // Телекоммуникационные и информационные системы / Труды междунар. конф. СПб.: Изд – во Политехн. ун-та, 2007. - с. 279 – 280.

6. , . Алгоритм поиска максимума механической скорости бурения // Телекоммуникационные и информационные системы / Труды междунар. конф. СПб.: Изд – во Политехн. ун-та, 2007. - с. 308 – 310.

18

7. , , Цуприков управление процессом роторного бурения скважин. Сборник материалов "Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского Государственного Политехнического Университета" №4, -2007.–СПб.: Изд – во Политехн. ун-та, 2007. - с. 153 –156.

8. Цуприков механической скорости бурения с учётом гидравлических параметров //Энерго - и ресурсосберегающие технологии. Сб. «Материалы Пятой Всероссийской научной конференции ", ВРНК-07, Краснодар, КВВАУЛ, -20с. , с. 94-97.