Технічні науки/Автоматизовані системи управління на виробництві

УДК 681.513.3

Фадєєва О.В., Процюк Г.Я.

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

АНАЛІЗ МЕТОДІВ ЗНАХОДЖЕННЯ ОПТИМАЛЬНИХ РЕЖИМІВ БУРІННЯ НАФТОВИХ І ГАЗОВИХ СВЕРДЛОВИН

Розробка методів знаходженя оптимальних режимів буріння нафтових і газових свердловин є актуальною науково-практичною задачею у звя’зку з інтенсивними впровадженнями в нафтовій і газовій галузі промисловості комп’ютерно-інтегрованих технологній і необхідністю зниження собівартості будівництва свердловин. Проте, аналіз літературних джерел [1÷6 та ін.] показує недостатній об’єм проведених досліджень в контексті використання ефективних методів знаходження оптимальних режимів буріння. Тому, метою даної роботи є аналіз відомих методів і розробка рекомендацій на їх удосконалення.

Аналіз методів, описаних у літературі [1÷6 та ін.] дозволив усі відомі методи оптимізації режимів буріння нафтових і газових свердловин поділити на такі, що базуються на використанні математичних моделей (так звані модельні методи) і пошукові методи. Розглянемо суть кожного методу, запропонованого конкретними авторами.

Модельні методи:

1. В.С.Федоров – здійснюється пробне буріння по рівномірній сітці при зміні осьової сили на долото F₁, F₂,...F_n і швидкості обертання n₁,n₂,…n_k (рис.1). На кожному режимі вимірюється механічна швидкість v_м, після закінчення пробного буріння визначаються параметри математичної моделі

та обчислюються оптимальні параметри режиму буріння F_орт, n_орт, які забезпечують v_max. Тут K_д ,α, β – параметри, що характеризують буримість породи, V_мо – початкове значення механічної швидкості буріння.

Риc. 1 – Графіки залежностей v_м(n) при F ₁=const, F ₂=const, F₃=const.

2. Young F.S. – здійснюється пробне буріння при п’яти станах F, n з вимірюванням при кожному сполученні (рис.2). Визначаються параметри моделі

З врахуванням залежностей стійкості опор Т(F,n) і механічної швидкості буріння від параметрів режиму буріння V_м(n,F) визначається F_орт, n_орт, що забезпечують мінімальну собівартість метра проходки свердловини.

Рис.2 – Графіки сполучень F, n

3. Орлов А.В. – послідовно ступінчато змінюють параметри режиму буріння з вимірюванням механічної швидкості V_м і рівномірним розміщенням пробних режимів в робочому полі (рис.3). Знаходиться залежність V_мо(F,n) і з врахуванням залежностей Т(F,n) і v_м(F,n) визначається F _орт , n_орт

Рис.3 – Графіки зміни осьової сили на долото в часі при різних значенях швидкості обертання долота

4. М.П.Гулізаде – на кожному пробному режимі вимірюється механічнм швидкість буріння v_м (рис.4), визначається модель

і з врахуванням залежностей Т_і(F,n), v_і(F,n) визначається F_орт , n_орт

Рис.4 - Графіки сполучень F, n.

5. Г.Д.Бревдо – здійснюють пробне буріння в 16 пробних режимах з розміщенням пробних режимів по рівномірній сітці (рис.5). Визначається механічна швидкість буріння

,

де К – емпіричний коефіцієнт,

та оптимальні параметри режиму буріння F_орт, n_орт з врахуванням залежностей Т_v(F,n) і v_м(F,n), що забезпечують мінімум собівартості метра проходки q_min.

Рис.5 – Сітка сполучень F, n в пробних режимах

6. В.М.Питерский, Е.А.Айзуппе – залежність v_мо(F) визначається по зміні осьової сили на долото F (рис.6) після зупинки подачі за формулою

,

де К_п – емпіричний коефіцієнт.

Рис.6 – Графік зміни осьової сили в часі

Пошукові методи

1. М.А.Фінгеріт – при зупиненій подачі бурильного інструменту записується крива зміни осьової сили F(t) (рис.7). F_орт визначається по точці перегину кривої зміни осьової сили на долото в часі.

Рис.7 – Графік зміни осьової сили в часі

2. Э.А.Вольгемут, М.Г.Эскин – здійснюється пошук максимуму швидкості буріння v_м при зміні осьової сили F (рис.8).

Рис.8 – Графік залежності v_м(F)

3. Л.Г.Шраго запропонував метод пошуку оптимального поєднання осьової сили на долото з швидкістю обертання ротора в процесі пробного буріння, що складається з кількох циклів, кожен з яких передбачає буріння на трьох режимах при різних сполученнях F і n – метод стохастичної апроксимації з трикутним робочим контуром і змінним кроком. На кожному режимі вимірюється механічна швидкість буріння v_м і визначається з врахуванням залежностей Т(F,n) і v_м(F,n) собівартість метра проходки, що відповідає даному режиму. За результатами виконання кожного циклу визначається напрямок найшвидшого зменшення собівартості метра проходки. В цьому напрямку визначається базовий режим наступного циклу, визначається новий цикл і т.д. до досягнення оптимального режиму буріння, що забезпечує мінімум собівартості метра проходки q_min.

Рис. 9 – Графік пошуку оптимального режиму методом стохастичної апроксимації

4. Rodgers C.D. – метод передбачає послідовну зміну одного параметру при збереженні другого постійним, доки швидкість не досягне максимального значення – метод релаксації (рис.10). При цьому переключення режиму пошуку здійснюється неодноразово (за виміряною механічною швидкістю v_м на пробному режимі) до досягнення F_орт , n_орт, що забезпечують v_max.

Рис.10 – Графік пошуку оптимального режиму методом релаксації

5. Е.А.Козловський, М.П.Гулізаде – запропонували симплекс-метод. В кожній вершині симплексу, тобто при трьох поєднаннях F,n виконується пробне буріння з параметрами режиму F_і , n_і, вимірюється v_мб(F_і,n_і) і визначається з врахуванням залежностей Т(F,n) і v_м(F,n) собівартість метра проходки q_і; потім відображається “найгірша”, тобто та що має найбільшу собівартість q_б, вершина, будується відображений симплекс (рис.11).

Рис.11 – Графік пошуку оптимального режиму симплекс-методом

Отже, як довів аналіз, розглянуті методи знаходження оптимального режиму буріння нафтових і газових свердловин є дуже складними, що обмежило можливості їх використання на виробництві. Головною причиною такої ситуації є те, що ці методи грунтуються в основному на припущенні про лінійність об'єкту. Проте, процес буріння є складним нелінійним динамічним об'єктом, що функціонує за умов апріорної та поточної невизначеності і перебуває під впливом зовнішніх завад. Задача керування такими об'єктами є однією з ключових у сучасній теорії керувння. У цьому випадку прийнятним математичним апаратом є теорія нейродинаміки, в основі якої лежать методи теорії штучних нейронних мереж, хаосу та фракталів.

Література:

1. Фингерит М.А. Рациональная эксплуатация шарошечных долот / М.А.Фингерит. – М.:Недра, 1965. – 104 с.

2. Ситников Н.Б. Исследование критериев оптимальности процесса вращательного бурения скважин / Н.Б.Ситников, И.А.Бердов, В.А.Савельев // Изв.вузов. Горный журнал. – 1977. - №3. – С.131-135.

3. Рахимов А.К. Математическое обеспечение системы оперативного управления процессом бурения «Узбекистан-2» / А.К.Рахимов, Э.А.Айзуппе // Автоматизация и телемеханизация нефтяной промышленности. – 1982. - №2. – С.11-12.

4. Бревдо Г.Д. Оперативное нахождение оптимального режима бурения методом стохастической апроксимации / Г.Д.Бревдо, Г.М.Бриль, В.И.Дмитриев // Автоматизация и телемеханизация нефтяной промышленности. – 1981. - №11. – с.28-36.

5. Козловский Е.А. Кибернетика в бурении / Е.А.Козловский, В.М.Питерский, М.А. Комаров. – М.:Недра, 1982. – 298 с.

6. Горбійчук М.І. Оптимізація процесу буріння глибоких свердловин / М.І.Горбійчук, Г.Н.Семенцов. – Івано-Франківськ: Нова Зоря, 2003. – 493 с.