Введение к работе
Актуальность проблемы
Состояние нефтедобывающей отрасли топливно-энергетического комплекса Российской Федерации сегодня характеризуется тем, что большинство разрабатываемых месторождений вступает в позднюю стадию эксплуатации. Характерными признаками данной стадии являются снижение объемов добычи и качества добываемой продукции, рост затрат на каждую тонну добытой нефти. Особую актуальность в этих условиях приобретает проблема повышения эффективности разработки месторождений: повышение коэффициента нефтеизвлечения, который сегодня составляет в среднем (35…40)%, снижение обводненности продукции, применение воздействий, продлевающих жизненный цикл разработки месторождения и др. Решению данной проблемы сегодня посвящены многочисленные исследования, связанные как со строительством, так и с эксплуатацией нефтедобывающих скважин.
Одним из приоритетных направлений решения указанной проблемы в области строительства скважин является внедрение скважин со сложными профилями стволов, в частности многоствольных скважин с горизонтальными и пологими окончаниями, проходящими в продуктивных пластах. С внедрением скважин данного типа связывается решение таких задач, как вовлечение в разработку большей сырьевой базы, представленной маломощными продуктивными пластами (3…15) м с низкой и неравномерной проницаемостью; повышение продуктивности скважин за счет увеличения площади дренирования и фильтрации; снижение интенсивности обводнения скважин и др. Современный опыт внедрения скважин данного типа ведущими нефтедобывающими предприятиями показывает обнадеживающие результаты, в частности это кратное повышение дебита скважин.
Строительство скважин со сложными профилями представляет сегодня комплекс взаимосвязанных технологических процессов, требования к которым по сравнению с обычными скважинами существенно возрастают. Особенно это относится к процессу формирования профиля скважины, здесь требования к точности возрастают на порядок. Опыт применения традиционных способов управления данным технологическим процессом показывает их явное несоответствие возросшим требованиям. Так, согласно статистике, сегодня до 8% горизонтальных скважин оказываются непригодными к эксплуатации по причине несоответствия профилей проектным требованиям, а применение внеплановых корректирующих операций приводит к увеличению сроков строительства в среднем на 30%. В связи с этим, можно утверждать, что сегодня одной из наиболее актуальных проблем в данной области является проблема повышения эффективности технологического процесса формирования профилей стволов скважин.
Основные тенденции в области решения данной проблемы связаны с автоматизацией управления траекторией движения породоразрушающего инструмента. Здесь следует отметить такие подходы к решению данной проблемы, как мониторинг параметров профиля скважины в процессе бурения на основе создания телеметрических систем для измерения геометрических (системы класса MWD–Measurement While Drilling) и геологических параметров профиля (системы класса LWD–Logging While Drilling), воздействие на траекторию движения породоразрушающего инструмента на основе совершенствования традиционных компоновок низа бурильной колонны и создание перспективных телеуправляемых и автоматических компоновок (буровые роботы классов «Push the bit» и «Point the Bit». Однако, наряду с указанными достижениями, анализ современного состояния исследований в данной области показывает значительное отставание теории и методологии принятия управленческих решений. Так, применяемые сегодня методы синтеза законов управления движением бурового инструмента основываются на упрощенных (статических) моделях компоновок низа бурильной колонны, не учитывающих в полной мере динамические свойства объекта управления и внешние возмущающие воздействия. Методы оперативной адаптации управленческих решений не формализованы и основываются, как правило, на опыте и интуиции технолога-буровика и буровой бригады, что зачатую не позволяет обеспечить высокую эффективность технологического процесса формирования профиля скважин.
Вышесказанное определяет актуальность проблемы разработки теоретических и методологических основ оперативного управления процессом формирования профилей нефтегазовых скважин, основанных на использовании методов современной теории автоматического управления, построении адекватных моделей движения бурового инструмента и их реализации с помощью современными информационных технологий.
Целью работы является повышение эффективности технологического процесса формирования профилей стволов нефтегазовых скважин на базе методологии принятия управленческих решений, основанной на концепции терминального управления и использовании прогнозирующих моделей движения бурового инструмента.
Задачи исследования
-
Разработать методологические основы оперативного управления технологическим процессом формирования профилей нефтегазовых скважин, включая концепцию и принципы управления, обеспечивающие повышение его эффективности.
-
Разработать методы построения и идентификации моделей прогноза траектории движения бурового инструмента в условиях неопределенности геологической и технологической обстановки, обеспечивающие реализацию предлагаемой методологии управления.
-
Разработать методы синтеза и адаптации алгоритмов управления движением бурового инструмента, реализующих предложенную концепцию и принципы управления процессом формирования ствола скважины.
-
Разработать модели и методы синтеза алгоритмов управления процессом формирования профилей стволов нефтегазовых скважин с использованием перспективных буровых инструментов.
-
Разработать информационно-аналитическую систему поддержки принятия управленческих решений по формированию профилей стволов нефтегазовых скважин в процессе бурения, реализующую предлагаемые методы и алгоритмы.
-
Исследовать эффективность предложенных моделей, методов и алгоритмов оперативного управления технологическим процессом формирования профилей стволов нефтегазовых скважин, а также реализующей их информационно-аналитической системы.
Методы исследования
При выполнении исследований использованы методы системного анализа, теории автоматического управления и аналитической механики, теории направленного бурения и геофизических исследований скважин, математического и имитационного моделирования автоматизированных систем, теории информации, теории искусственного интеллекта, измерений, математической статистики.
На защиту выносятся:
-
Методология оперативного управления технологическим процессом формирования профилей нефтегазовых скважин, включающая в себя принципы и методы управления, основанные на концепции терминального управления движением бурового инструмента в условиях геологических и технологических возмущающих воздействий.
-
Методы построения и идентификации моделей управляемого (многофакторного) и трендового прогноза траектории движения бурового инструмента в условиях неопределенности геологических и технологических возмущающих воздействий.
-
Алгоритмы синтеза и адаптации параметров бурового инструмента, решающие задачу терминального управления на основе принципа оптимального программного управления с применением моделей управляемого прогноза.
-
Комплекс моделей, методов и алгоритмов управления профилем ствола скважины на базе перспективных буровых инструментов, обладающих улучшенными свойствами.
-
Архитектура и программное обеспечение информационно-аналитической системы, обеспечивающая поддержку принятия управленческих решений по формированию профилей стволов нефтегазовых скважин в процессе бурения.
-
Результаты исследования эффективности предложенных моделей, методов и алгоритмов в составе информационно-аналитической системы управления поддержки принятия управленческих решений по формированию профилей стволов нефтегазовых скважин в процессе бурения.
Научная новизна
-
Новизной разработанной методологии управления технологическим процессом формирования профилей нефтегазовых скважин является то, что она основана на концепции терминального управления траекторией движения бурового инструмента как многосвязным динамическим объектом с использованием прогнозирующих моделей, что позволяет повысит эффективность управления формированием профиля ствола скважины с учетом неопределенности действующих геологических и технологических возмущений.
-
Новизна предложенного метода построения и идентификации моделей управляемого и трендового прогноза движения бурового инструмента заключается в комплексировании кинематической модели движения бурового инструмента, статической модели изгиба компоновки низа бурильной колонны и нейросетевой модели идентификации геологических и технологических возмущений, что позволяет решать задачу синтеза алгоритмов управления движением бурового инструмента с учетом реального характера стохастических возмущающих воздействий.
-
Новизна метода синтеза алгоритмов управления (параметров конструкции бурового инструмента) заключается в том, что он основан на представлении бурового инструмента в качестве обобщенного объекта терминального управления, что позволяет решать задачу синтеза его параметров как задачу оптимального программного управления с применением модели управляемого прогноза траектории движения в условиях неопределенности геологических и технологических возмущающих воздействий.
-
Новизна моделей и методов синтеза алгоритмов управления процессом формирования профилей скважин на базе перспективных буровых инструментов заключается в том, что движение бурового инструмента (робота-бура) представляется в пространстве состояний относительно отклонений от проектного профиля ствола скважины, а алгоритмы управления строятся на основе принципа автономного управления в системах сферических и прямоугольных координат, что позволяет формализовать процедуру синтеза алгоритмов управления направлением движения бурового инструмента, а также его пространственным положением, обеспечивая повышение точности формирования профиля ствола скважины.
-
Новизной предложенной архитектуры информационно-аналитической системы поддержки принятия управленческих решений по формированию профилей стволов нефтегазовых скважин в процессе бурения заключается в использовании алгоритмов принятия решений, основанных на концепции терминального управления и построении прогнозирующих моделей с использованием информации о ранее пробуренных, что позволяет автоматизировать и повысить эффективность принятия управленческих решений с учетом опыта строительства комплекса скважин разрабатываемого месторождения.
Практическая ценность реализации работы заключается в:
разработанном программном обеспечении, реализующем модели, методы и алгоритмы оперативного управления формированием профилей стволов нефтегазовых скважин, реализованном в виде модулей (подсистем) автоматизированных рабочих мест технолога – буровика на буровой площадке и инженера-проектировщика в инженерно проектном центре бурового предприятия;
методическом и программном обеспечении информационно-аналитической системы поддержки принятия управленческих решений в процессе бурения нефтегазовых скважин.
Полученные результаты прошли апробацию на предприятиях нефтедобывающего комплекса при решении задач формирования сложных профилей нефтегазовых скважин, включая бурение наклонно-направленных, пологих и горизонтальных скважин, что подтверждается актами внедрения в ООО «Газпром бурение»–филиал «Центр горизонтального бурения», г. Оренбург, ЗАО «Востокгеосервис», Сахалинская обл., НИИ Технических систем «Пилот», г. Уфа и др. Результаты промысловых испытаний с использованием результатов, полученных в диссертации, при строительстве ряда скважин на месторождениях Камчатской и Сахалинской областей показали повышение точности формирования профилей стволов скважин на (35-40) %, снижение затрат на строительство на (25-30) %.
Результаты исследований используются в учебном процессе Уфимского государственного авиационного технического университета при преподавании дисциплин и дипломном проектировании по специальности «Промышленная электроника» (специализация «Информационно-управляющие системы»).
Апробация работы
Основные положения работы регулярно докладывались и обсуждались, начиная с 1995 года, на научных конференциях и совещаниях различного уровня, наиболее значимые из которых:
Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы нефтегазового комплекса России», Уфа, УГНТУ, 1995.
Международная научно – техническая конференция «Интеллектуальные автономные системы», г. Карлсруэ, Германия, 1995;
Международная научно-техническая конференция «Проблемы нефтегазового комплекса России», посвященной 50-летию УГНТУ, г. Уфа, УГНТУ, 1998;
Международный симпозиум по бурению скважин в сложных условиях, С.Петербург, 2001;
Международная научная конференция по нейроинформатике (ICONIP), г. Окленд, Новая Зеландия, 2008;
Научно практическая конференция «Новая техника и технологии для геофизических исследований скважин» в рамках XVI международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии 2008», г. Уфа, 2008;
Азиатско-тихоокеанская конференция по управлению и измерениям (APCCM 2008), г. Харбин, КНР, 2008;
Международные научные конференции «Компьютерные науки и информационные технологии» (CSIT), г. Патры, Греция, 2002; г. Карлсруэ, Германия, 2006, г. Ретимнон, Греция, 2009.
VIII Конгресс нефтепромышленников России, г. Уфа, 2009.
Связь исследований с научными программами
Исследования в данном направлении велись с 1995 по 2010 гг. в Уфимском государственном авиационном техническом университете в рамках таких научных программ, как Федеральная целевая программа «Интеграция», 1998–2002 гг.; Государственная научно-техническая программа «Критические технологии Республики Башкортостан: физико-математические основы и технические решения» по темам: «Инновационные технологии управления процессами направленного бурения и нефтедобычи», 2008 г., «Информационно-управляющие системы процессами нефтедобычи на основе инновационных технологий», 2009 г.; гранты РФФИ: «Разработка методологических и теоретических основ автоматизированного управления процессом формирования траекторий нефтегазовых скважин», 2008 г., «Разработка систем управления сложными динамическими техническими объектами в нефтедобывающей промышленности», 2008 г., «Разработка методов терминального управления сложными динамическими объектами с использованием нейросетевых прогнозирующих моделей (на примере систем направленного бурения нефтегазовых скважин)», 2009 г.; госбюджетная НИР «Исследование и разработка теоретических вопросов системного математического моделирования сложных технических объектов в условиях неопределенности», 2004–2009 гг.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 50 печатных работ, в том числе 10 статей в рецензируемых центральных журналах, входящих в перечень ВАК, 1 монография, 2 патента.
Структура работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 254 наименований и приложений, изложенных на 335 страницах, содержит 147 рисунков и 21 таблицу.
