Введение к работе
Актуальность работы. С начала 80-х годов XX века в нашей стране внедряются новые технологии глубокого бурения скважин на нефть и газ с глубиной забоя от 5000 до 7000м. В ближайшие годы глубина скважин возрастет до 9000м. При этом условия строительства скважин значительно усложняются, в связи с этим совершенствуется технологии проводки скважин, обеспечивающие существенные изменения ряда показателей процесса бурения.
Особое значение приобретает бурение наклонно направленных и горизонтальных скважин. Важнейшей задачей при строительстве скважин является автоматизация всех технологических процессов бурения, так как отклонение текущих значений технологических параметров от проектных создает ряд осложнений и серьезных аварий, преодоление которых требует значительных затрат времени и материальных средств на всех этапах строительства скважин. Эти обстоятельства выдвигают на первый план необходимость получения достоверной информации о протекании чрезвычайно сложного технологического процесса бурения скважин и оперативное управление этим процессом.
Практика бурения в различных регионах страны показывает, что повышение технико-экономических показателей строительства скважин неразрывно связано с проблемой оптимального управления бурением.
Повышение скоростей бурения и увеличение глубин, бурение наклонно направленных скважин еще более усложняет процесс управления, при этом управление процессом бурения по наземным параметрам существенно усложняется. В связи с этим становится практически невозможным поддержание оптимального режима бурения и предупреждения различных аварий и осложнений.
Определенные успехи достигнуты в области разработки приборов и средств контроля наземных параметров процесса бурения нефтяных и газовых скважин. В области же создания промышленных средств контроля и регулирования забойных параметров до настоящего времени наблюдается значительное отставание от требований современной технологии проводки скважин. Еще многие вопросы этого направления нуждаются в разработке и изучении. Решение этих проблем может быть ускорено с применением надежных и точных средств контроля забойных параметров и автоматизации процесса бурения на этой основе путем создания автоматизированных систем управления процессом бурения скважин. До настоящего времени в практике бурения используется информация о косвенном измерении забойных параметров. Очевидно, эффективно управлять процессом бурения на такой основе нельзя.
Все сказанное выше показывает, насколько актуальна проблема создания технических средств и методов контроля и автоматического управления процессом бурения скважин на основе информации, полученной на забое. Также необходимо обеспечить оперативную передачу забойной информации на поверхность для своевременного оказания управляющего воздействия на процесс и реализовать алгоритмы для вычисления управляющего воздействия.
Особое значение здесь приобретает контроль и регулирование пространственного положения ствола бурящейся скважины, так как он обеспечивает повышение технико-экономических показателей бурения на 20-30%.
Таким образом, создание системы автоматического регулирования пространственным положением ствола скважины, позволяющей повысить точность проходки и минимизировать возможность возникновения аварийных ситуаций и осложнений, является актуальной проблемой.
Основание для выполнения работы. Работа выполнена по планам НИР Астраханского государственного технического университета (номера государственной регистрации 01.20.0005849, 06.22.06ХТ, 01.49.07).
Цели и задачи диссертации. Целью диссертации является, разработка и исследование адаптивной системы автоматического регулирования зенитного угла искривления ствола скважины, обеспечивающей бурение по заданной траектории под влиянием различных возмущений.
В соответствии с поставленной целью в работе ставятся и решаются следующие задачи:
-
Патентный анализ систем автоматического регулирования зенитного угла искривления ствола скважины.
-
Выбор забойного датчика зенитного угла искривления ствола скважины и канала связи, построение математической модели датчика.
-
Построение математической модели процесса искривления.
-
Синтез структуры системы автоматического регулирования зенитного угла искривления ствола скважины
-
Разработка алгоритма адаптации параметров регулятора с использованием выбранных критериев оптимальности проводки ствола скважины.
-
Имитационное моделирование адаптивной системы автоматического регулирования зенитного угла искривления ствола скважины
Методы исследований. Научные положения, представленные в диссертационной работе, обоснованы теоретическими и экспериментальными исследованиями с применением методов теории автоматического управления, физики, технологии бурения, математического анализа, моделирования систем, цифрового моделирования на ЭВМ с использованием пакета Matlab 7 и других.
Основные теоретические положения и выводы подтверждены результатами экспериментальных исследований в лабораторных условиях на этапах разработки. Исследования проводились на кафедре «Автоматизация технологических процессов» Астраханского государственного технического университета.
На защиту выносятся:
-
Математическая модель процесса искривления ствола скважины.
-
Критерий оптимальности, позволяющий осуществлять выбор оптимальных режимов бурения.
-
Структура системы автоматического регулирования зенитного угла искривления ствола скважины
-
Адаптивная система автоматического регулирования зенитного угла искривления скважины.
Научная новизна работы:
-
Построена математическая модель изменения зенитного угла искривления ствола скважины в процессе бурения под воздействием осевой нагрузки на долото.
-
На основе предложенных критерия оптимальности и алгоритма адаптации, синтезирована адаптивная система автоматического регулирования зенитного угла искривления стволов бурящихся скважин.
Личный вклад:
-
Разработка математической модели процесса искривления ствола бурящейся скважины
-
Предложены критерии оптимальности, учитывающие точность проводки ствола скважины.
-
Синтезирована адаптивная система автоматического регулирования зенитного угла искривления скважин.
-
Участие в разработке конструкции датчика зенитного угла искривления скважин.
-
Разработка макета датчика зенитного угла искривления скважин, проведение экспериментальных исследований.
Практической ценностью обладают:
-
Система автоматического регулирования зенитного угла искривления ствола скважины,
-
Математическая модель процесса искривления
-
Алгоритм адаптации параметров регулятора САР зенитного угла искривления ствола скважины
-
Система автоматического регулирования зенитного угла искривления скважины.
-
Результаты экспериментального исследования датчика, позволяющие разработать рекомендации по выбору геометрических параметров и режима работы аэродинамического генератора в составе забойного датчика.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе: при чтении лекций по курсам «Технические средства автоматизации» и «Моделирование систем». На основе полученной модели разработаны и внедрены в учебный процесс методические указания по курсу «Моделирование систем»
Апробация работы. Основные вопросы, составляющие содержание диссертации, докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного технического университета (2007, 2008, 2009, 2010 г.г.), I открытой научно-практической конференции молодых работников ООО «Газпром Добыча Астрахань» «Наука и молодежь в развитии газовой промышленности - 2009», межрегиональной научно-практической конференции «Моделирование и создание объектов энергосберегающих технологий»(г. Волжский, 2009), всероссийской научно-практической конференции «Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов» (г. Волжский, 2010).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 печатных работах, в том числе в двух патентах, 5 статьях в центральных специализированных журналах «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море», «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной и газовой промышленности», «Известия ВУЗов». Кроме того, автором разработаны методические указания по курсу «Моделирование систем», которые используются в учебном процессе студентами специальности «Автоматизация технологических процессов» Астраханского государственного технического университета.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, изложенных на 121 странице машинописного текста и приложений, содержит 12 рисунка и 2 таблицы. Список использованной литературы содержит 82 наименования.
