Автоматизация процесса бурения с целью его оптимизации Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Следует заметить, что закон изменения скорости закручивания потока при прохождении потоком проточной части турбомашин зависит не только от конструкции вентилятора и его кинематических параметров, но и от режима его работы.

Характер изменения скорости закручивания потока при динамическом взаимодействии потока с лопатками РК и СА обусловливает оптимальную нелинейную геометрическую форму втулки и корпуса (см. рис. 1, ЗХ

Рис.3. Оптимальная форма корпуса вентилятора в области: а - рабочего колеса; б - спрямляющего аппарата

Применение методики пошагового расчета выходных параметров турбомашин на основе метода конечных элементов изначально предполагает проведение расчетов с помощью ЭВМ.

Рассмотрение динамических процессов в лопаточном венце рабочего колеса позволяет определить нагрузку на лопатках РК от действия аэродинамических сил. что дает возможность аналитическим путем получать характеристики входной мощности турбовоздуходувных машин.

Таким образом, уточнение основных принципов существующей теории турбовоздуходувных машин, введение дополнительного, принципиально нового фактора времени, рассмотрение пошагового преобразования аэродинамических параметров даст возможность расширить область применения теории турбомашин, что в конечном итоге позволит создать более высокоэффективные вентиляторы нового поколения.

УДК 622.24.05.055

И. Г. Макаров

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ С ЦЕЛЬЮ ЕГО ОПТИМИЗАЦИИ

Работы по созданию автоматизированных систем управления процессом бурения и оптимизацией технологических параметров ведутся не одно десятилетие. Подобные системы позволят облегчить труд бурильщика, снизить количество аварийных ситуаций, рационально отрабатывать породоразрушающий инструмент. Оптимизация технологических параметров при строительстве скважин позволит уменьшить затраты, связанные с потреблением электроэнергии, с простоями из-за аварий и их устранением.

С увеличением добычи нефти и газа в последнее десятилетие актуальность дайной проблемы возросла. Вместе с этим произошло усовершенствование бурового оборудования, например, ОАО «Уралмаш» выпускает кустовые блочно-модульные буровые установки, мобильные на

колесном ходу (презентация состоялась летом 2000 г.).

Установки можно также классифицировать по типу привода основных механизмов:

- БУ3900/225 ЭК-БМ - электрическая кустовая блочно-модульная буровая установка;

- БУ 3200/200 ДГУ - дизель-гидравлическая управляемая:

- БУ 2900/175 ДЭР - дизель-электрическая регулируемая.

Привод основных механизмов на буровых установках типа ЭК-БМ и ДЭР является )лек-трическим, на ЭК-БМ питание осуществляется от линии электропередач, ьа ДЭР - используются дизель-электрические агрегаты, которые при помощи генераторов вырабатывают электроэнергию для питания буровой установки.

На буровых установках типа ДГУ привод является дизельным: ряд дизельных агрегатов работает на общий вал, распределение крутящего момента между основными приводами (приводами основных механизмов) осуществляется с помощью трансмиссии. На буровой данною типа плавное и оперативное регулирование технологических параметров процесса бурения невозможно, поэтому при автоматизации буровых работ и их оптимизации будем иметь в виду только буровые установки с электрическим приводом основных механизмов.

Вышеперечисленные буровые установки ОАО «Уралмаш» комплектуются:

1. Тиристорными преобразователями для управления электроприводами постоянного гока основных механизмов по системе Т11-Д.

2. Системами контроля технологических параметров процесса бурения (СКГТБ).

Система управления технологическим строительством скважин современных буров ы\ установок имеет вид (рис.1, а).

СУЭП

}-

ОУ

-Ч

скик

Служба

ц-офюккх

Ь> рок А «»стер

Рис. 1. Система управления технологическим строительством скважин современных буровых установок (а), автоматизированных буровых установок (*/): СУЭП - система управления электроприводами буровой установки. ОУ - обьск! управления «породоразрушающий »-нструмстг - порода забоя скважины»; СКПБ - система млггроля параметров бурения; ЛР - самообучающиеся или поисковые адаптивные регуляторы с самоорганизующейся структурой

В процессе бурения постоянно контролируются следующие параметры: - вес на крюке с регистрацией на диаграмме;

- плотность бурового раствора (БР) с регистрацией в журнале;

- расход БР на входе и выходе из скважины;

- давление на выходе буровых насосов с регистрацией на диаграмме или в журнале:

- уровень раствора в приемных емкостях при бурении;

- крутящий момент на роторе.

Показатели веса на крюке, давления в манифольде буровых насосов, величина крутящего момента на роторе находятся в поле зрения бурильщика.

Система обеспечивает выполнение следующих функций:

- автоматический сбор, оперативную обработку и представление на средствах отображения текущей информации бурильщику и буровому мастеру:

- контроль выхода значений контролируемых параметров за установленные буровым мастером пределы, с зоуковой сигнализацией этих событий бурильщику и световой - буровому мастеру;

- выдачу управляющих сигналов при превышении значений параметров давления, нагрузке на крюке и положения талевого блока установленных буровым мастером пределов;

- регистрацию на диаграммной бумаге требуемых параметров.

Эти системы предоставляют бурильщику только текущую информацию по контролируемым параметрам процесса бурения, без ее анализа и выдачи оптимальных параметров по строительству скважины. Геофизические службы тоже получают информацию от системы контроля для се анализа, но их методы инерционны, так как полученные результаты находят свое применение только при составлении геолого-технологических нарядов на следующие скважины этого месторождения. Таким образом, бурильщик, управляя процессом бурения, чаще всего полагается только на свой опыт.

К недостаткам систем управления электроприводами основных механизмов можно отнести то, что в них не используются сигналы системы контроля параметров бурения для автоматического управления процессом бурения, исключение составляет подача долота. В данной системе управления задействован сигнал с датчика веса, но ей также присущ недостаток, который заключается в следующем. Система управления регулятором подачи долота отстраивается как стабилизирующая, то есть буровой мастер задает усилие на долото при бурении, а система поддерживает это значение неизменным. Мастер задает усилие, исходя из своего опыта, то есть система не выявляет оптимальное значение нагрузки.

Решение данной проблемы может заключаться в следующем. Заменить звено «буровой мастер» (см. рис.1, о) автоматизированной системой, которая на базе получаемой информации от системы контроля параметров бурения будет осуществлять анализ и выдавать результат после ее обработки в виде задания на исполнительный механизм (систему управления электроприводами). Автоматизированная система управления процессом бурения может быть построена на основе поисковых адаптивных регуляторов с самоорганизующейся структурой [ I ] или самообучающиеся регуляторы «искусственный интеллект» [2], которым последнее время уделяют большое внимание. На рис.1, б показана автоматизированная система управления технологическим строительством скважины буровой установки, где основную функцию управления выполняет автоматика, а человек присутствует в ней в роле контролирующего звена, который следит за ходом технологического строительства скважины и в случае возникновения внештатной ситуации может перевести управление в ручной режим. Адаптивные и самообучающиеся регуляторы выполняют анализ получаемой информации и принимают решение при помощи математической модели, описывающей объект управления.

Работы по созданию математической модели предпринимались регулярно на всем протяжении существования проблемы оптимизации технологических параметров. В работах [3. 4] представлены рекомендации для рациональной отработки долог и определения режимов подачи насосов с целью получения максимальной механической скорости проходки Ум в каждый текущий момент, которые должны быть учтены в модели. В [5] описана модель, в которой автоматизируется сбор и первичная обработка измерительной информации, регулирование отдельных параметров. анализ получаемой информации, диагностирование состояния буровой установки, принятие оптимальных решений по управлению процессом строительства скважин.

Целью данной работы является определение оптимальных технологических параметров с помощью математической модели объекта управления едолото - порода забоя скважины» (рис.2) и их поддержание на этом уровне в каждый текущий момент времени при строительстве скважин, используя вышеописанные регуляторы.

Рис. 2. Объект управления «долото - забой»:

I - управляющие воздействия: Q - подача бурового раствора на вход скважины; Р - давление бурового раствора, о» - скорость вращения ПРИ на забое;

G - нагрузка на долото;

II - возмущающие воздействия: КР - крепость породы; у - плотность бурового

раствора; /- абразивность горной породы; рпл - пластовое давление; а - коэффш 1ис>гг характеризующий размеры частиц забойного шлама; III - регулируемые величины: /Уд - гидравлическая мощность в отверстиях долота; Ум - механическая скорость проходки; КР - рейсовая скорость; q - стоимость одного метра скважины, h - текущее значение проходки, А1 - проходка на один оборот иородоразрушающего инструмента; '-чистое

время бурения

Используя труды ранних исследователей, можно составить систему уравнений, которая описывает объект управления «допото - порода». Так, к примеру, Ситников Н. Б. (6) в своей работе представил модель общего вида для геологоразведочных скважин

й= У0(Р. со, £А аО 47?. со. 0. К, а. р,. Ц; " со. <2. аМР.ед ЦК а,.

где И - текущее значение проходки; Ум - механическая скорость бурения: У0 - механическая скорость бурения не^затупленным ПРИ; 4* - функция износ»; / - время бурения; а,, 0, - коэффициенты, характеризующие пару породоразрушающий инструмент - порода забоя скважины; ср - интенсивность функции износа; К - коэффициент износа.

В [7] опытным путем получено условие, при котором уменьшается угнетающее действие бурового раствора на поверхность породы, что,по утверждению Мельникова Д. Н.,облегчает отделение обломков от массива и как следствие снижает степень износа породоразрушающего инструмента

Рте = Рты . (2)

где />ге - гидростатическое давление; рцл - пластовое давление.

В дополнение к этому можно добавить, что один расход жидкости не обеспечивает очистку забоя [8]. Требуется оптимальное сочетание количества жидкости Q со скоростью ее истечения из отверстий долота, квадрат которой в свою очередь прямо пропорционален перепаду давления в

отверстиях долота д/^и поэтому Погарский А А. принимает условия

*д=0,133удд/.д; (3)

Л Ргг&. (4)

Подставляя уравнение (4) в (3), получим:

ЛГд=О,133у£0\ (5)

Кг 7 f Рпяа

Hill

(1)

>

где Л(д - гидравлическая мощность, срабатываемая на долоте; у - удельный вес промывочной жидкости; А /?д - перепад пластового и гидростатического давлений на забое; £ - коэффициент гидравлического сопротивления сопла потоку.

С учетом вышсрассмотренных условий и зависимостей (1), (2), (5) математическая модель должна описывать объект управления «породоразрушающий инструмент - порода забоя скважины» системой уравнений следующего вида:

И = У0ЧГ= У0(Р, ох а,) ПР. ах £ си дрдД/,); ^ Ум-

<р = <Лг <6>

Ргс- РплУр- ЛрО + Ьо)' ; Я ~ СУр1 + СцЛ ; И] = 2кУ<дка\

где Ур - рейсовая скорость; И? - проходка за рейс; /во - время вспомогательных операций; ц -стоимость одного метра скважины; С - стоимость одного часа работы буровой установки; Сп -стоимость породоразрушаюшего инструмента; Л' - проходка на один оборот породоразрушающе-го инструмента.

Из системы уравнений (6) и рис.2 видно, что оптимизации могут подвергаться следующие основные технологические параметры: механическая скэрость бурения Ум, рейсовая скорость Ур, стоимость одного метра скважины <7, проходка на один оборот породо-разрушающего инструмента Л1. Доказано, что данные технологические параметры не имеют общей точки экстремума [5, 6, 8), поэтому, принимая во внимание те требования, которые ставятся перед буровыми бригадами при строительстве скважин, можно утверждать, что оптимизацию следует проводить для поддержания минимальной стоимости одного метра скважины, так как время и стоимость строительства скважины являются одними из основных показателей. При применении автоматизированной системы управления технологическим строительством скважины (рис.1, б) суммарное время строительства уменьшится по сравнению с современной системой, показанной на рис.1, а, за счет рациональной отработки долот и своевременной их замены, что позволит избежать аварийных ситуаций, связанных с износом и поломкой на забое породоразрушаюшего инструмента.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Зимин Е. Н. н др. Автоматическое управление электроприводами. M Высшая школа. 1979.

2. Захаров В. Н. Современная информационная технология в системах управления. Изв. АН РФ. Теория и системы управления. 2000. № 1. С. 70-78.

3. Анриинц А. С. Вопросы технологии обработки шарошечных долот и выноса шлама с забоя при турбинном бурении. Автореферат дисс. ... канд. Техн. наук. Тюмень. 1970.

4. Выбор оптимальной технологии промывки скважин / Под общ. ред. В. И. Рябченко. Труды ВНИИ по креплению скважин и буровым растворам. Краснодар: ВНИИ Крнсфть. 1981.

5. Лукьянов Э. Е. н др. Гсолого-тсхнологичсские исследования в процессе бурения. М: Нефть и газ. 1997.

6. Ситников Н. Б. Моделирование и оптимизация п|юцссса бурения геологоразведочных скважин: Автореферат дисс. ... д-ра техн. наук. Екатеринбург. 2000.

7. Мельник Д. Н. Влияние гидростатического давления бурового раствора на прочностные свойства пород. М.: Высшая школа. 1980.

8. Погарскин А А. и др. Оптимизация процессов глубокого бурения. М.: Недра, 1981.