CC BY
11
БУРЕНИЕ
DOI: 10.24412/2076-6785-2022-4-38-42
УДК 622.24 I Научная статья
Методологии графического моделирования для систем автоматизации процессов бурения, оценки и принятия технологических решений
Еремин Ю.С., Чаркин А.А., Каюмов Э.Ф.
ООО «РН-БашНИПИнефть», Уфа, Россия kayumovef@bnipi.rosneft.ru
Аннотация
В статье рассмотрено применение методологии графического моделирования для описания технологических процессов, выполняемых при направленном бурении скважин. Целью графического моделирования является повышение наглядности описания технологического процесса для его последующего анализа и поиска путей для оптимизации, а также для проведения сравнительных анализов и выбора оптимальных решений. В качестве примера в статье разбираются три способа решения проблемы отклонения породоразрушающего инструмента от проектного профиля. Все способы представлены наглядно на рисунках и описываются с помощью ЮБРЗ-диаграмм для визуального представления объема работ и оценки их сложности. Результатом проведенных расчетов являются значения технико-экономических показателей, а также показатели эффективности принимаемых решений, к которым относятся время бурения, качество ствола скважины, степень риска аварий и т.д. В результате проделанной работы и анализа вариантов определяется наиболее выгодный вариант по решению конкретной задачи. Представленный метод, который разбирается в статье, позволяет не только оценивать эффективность бурения, но и сравнивать варианты принимаемых решений для иных ситуаций, а также проводить сравнительный анализ эффективности работы различных бригад, сравнивать результаты на разных кустовых площадках, открывать причины различий путем проведения более детального анализа.
Материалы и методы
Разработанная методология основана на известной методологии функционального моделирования IDEF3, но отличается наличием процедуры многокритериальной оценки качества технологического процесса по нескольким критериям, результаты которой также для наибольшей наглядности представления выражаются в процентах и отображаются на многокритериальных диаграммах.
Ключевые слова
графические модели, процесс оптимизации, процесс бурения, оценка эффективности, сравнение вариантов, IDEF3
Для цитирования
Еремин Ю.С., Чаркин А.А., Каюмов Э.Ф. Методологии графического моделирования для систем автоматизации процессов бурения, оценки и принятия технологических решений // Экспозиция Нефть Газ. 2022. № 4. С. 38-42. DOI: 10.24412/2076-6785-2022-4-38-42
Поступила в редакцию: 25.04.2022
DRILLING
UDC 622.24 I Original Paper
Graphic modeling methodologies for systems in automated drilling processes, evaluation and making technological solutions
Eremin Yu.S., Charkin A.A., Kayumov E.F.
"RN-BashNIPIneft" LLC, Ufa, Russia kayumovef@bnipi.rosneft.ru
Abstract
The article considers the application of the methodology of modeling to describe technological processes performed with well drilling. The purpose of graphical modeling is to increase the visibility of the description of the technological process for its subsequent analysis and search for ways to optimize, as well as for comparative analyses and selection of optimal solutions. The case brought to real conditions is considered, when the operator sees that the rock-breaking tool has deviated from the design profile by a certain amount. As an example, the article examines three ways to solve the problem, identifying the advantages of each solution. All methods are presented clearly in the figures, and are described using IDEF3 diagrams to visually represent the scope of work and assess their complexity. As a result of the calculations carried out, we obtain cost values, as well as indicators of the effectiveness of decisions taken, which include drilling time, quality, accident risk, etc. As a result of the work done and the analysis of options, we determine that the most profitable option for solving this specific task is the third option of the action strategy. The presented method, which is considered in the article, allows not only to evaluate the drilling efficiency, but also to compare decision options made for other situations, as well as to carry out comparative analysis of the team effectiveness, compare the results on different multi well pads and determine the causes of the differences by carrying out a thorough analysis.
Materials and methods
The described methodology is based on the well-known methodology of functional modeling IDEF3, but differs in the presence of a multi-criteria procedure for evaluating the quality of the technological process according to several criteria, the results of which are also expressed as a percentage for the greatest clarity of presentation and displayed on multi-criteria diagrams.
Keywords
graphic models, optimization process, process drilling, performance evaluation, comparison of options, IDEF3
For citation
Eremin Yu.S., Charkin A.A., Kayumov E.F. Graphic modeling methodologies for systems in automated drilling processes, evaluation and making technological solutions. Exposition Oil Gas, 2022, issue 4, P. 38-42. (In Russ). DOI: 10.24412/2076-6785-2022-4-38-42
Received: 25.04.2022
Одним из наиболее эффективных методов оптимизации технологических процессов является системное моделирование функционирования объектов и процессов с использованием как математических, так и графических моделей. При этом использование графических моделей позволяет наиболее наглядно визуализировать процесс оптимизации, делает поиск оптимальных решений понятным как проектировщикам, так и буровым подрядчикам и заказчикам. Наглядные графические модели позволяют найти оптимальное решение в тех случаях, где использование математических методов затруднено ввиду проблем формализации. Неоспоримым преимуществом использования методологии графического моделирования при изучении технологических процессов при бурении и освоении скважин в сравнении с натурными исследованиями является ее дешевизна. В связи с этим развитие методологии моделирования с использованием графических моделей для совершенствования технологических процессов бурения и освоения скважин, для выбора оптимальных вариантов решения технологических задач, к числу которых относится планирование компоновки низа бурильной колонны (КНБК), является актуальной задачей.
Моделирование процессов, происходящих в ходе бурения и освоения скважин, может производиться на основании различных методологий. Если исходить из потребности в повышении наглядности визуализации процессов, то одной из наиболее подходящих методологий является функциональное моделирование IDEF3 (Integrated DEFinition for Process Description Capture Method). Данная методология стала развитием методологии IDEF0, или SADT, в направлении документирования технологических процессов. Если диаграммы по IDEF0 предназначены для описания функционирования организационных систем, бизнес-процессов и отражают фактически отношения между процессами, исполнителями и регламентирующими документами (законами), то диаграммы, построенные по IDEF3, отражают последовательности и причинно-следственные связи между технологическими процессами, условия выполнения процессов, результаты их выполнения и последующие операции. При этом такое отражение отличается наглядностью, детерминированностью, выражено в наиболее понятной для экспертов форме. Это позволяет, во-первых, использовать IDEF3 как язык взаимодействия между экспертами в процессе решения производственных задач; во-вторых, принимать наиболее обоснованные и оптимальные решения; в-третьих, описывать процессы с точки зрения «как есть» и с точки зрения «как должно быть» и «что будет, если»;
Рис. 1. IDEFS-диаграмма «Процесс бурения» Fig. 1. IDEF3-diagram "Drilling process"
в-четвертых, описывать процессы управления и принятия решений не только лингвистически, но и графически, т.е. более наглядно для людей, не являющихся специалистами в рассматриваемой отрасли.
Для примера на рисунке 1 изображена одна из IDEF3-диаграмм процесса бурения.
Аналогично может быть описан как процесс бурения, так и отдельные его технологические операции.
Графическая модель по методологии IDEF3 представляет собой граф, в котором каждый узел (функциональный блок) представляет собой какое-либо действие или операцию.
При этом графическая модель является иерархической и состоит из нескольких диаграмм, получаемых путем декомпозиции какого-либо блока. Таким образом, можно конкретизировать или пояснить любую операцию на любой диаграмме.
Каждому процессу на диаграммах можно прописывать значения показателей качества. Далее по каждому процессу можно построить многопараметрическую диаграмму, провести сравнение вариантов, выбрать наилучший. При этом визуализация делает все наглядным. При построении многопараметрических диаграмм учитывается также декомпозиция блоков.
Одним из графических методов оценки результатов бурения скважин является построение диаграммы с использованием нескольких характеристик: пробуренного количества метров горных пород, времени бурения, средней скорости проходки и прочего. Сравнение основных показателей технологического процесса с использованием графического наглядного представления в виде диаграммы позволяет производить наиболее детальный и обоснованный анализ причин отклонения, выбор варианта решения технологической задачи и т.д. В частности, данный метод допускает проводить сравнительный анализ показателей бурения для долот различных конструкций. Оценка качества бурения может также производиться на основании графика зависимости значений механической скорости от величины зенитного угла и азимутального направления бурения ствола скважины.
Следует отметить, что при проведении сравнительного анализа выбираемых технологий бурения, показателей качества бурения и т.д. практически всегда приходится учитывать несравнимые показатели: время бурения, стоимость метра проходки, точность, качество ствола и т.д. Даже на одном кусте скважины практически не могут быть одинаковыми и похожими: разный
отход, разная траектория, разная сложность (прямая траектория или с разворотом ствола по азимуту, в каких интервалах идет набор угла, их интенсивность и прочее). При этом показатели не только имеют разные единицы измерения, но и могут иметь разное направление шкал полезности (т.е. для одних показателей их увеличение соответствует росту качества процесса, для других — наоборот). Для решения проблемы сопоставимости показателей, имеющих разную размерность и направление шкалы полезности, в работе предлагается использовать векторные диаграммы, к которым предварительно применяются процедуры:
• приведение значений параметров к безразмерным единицам (относительным, выраженным в процентах и т.д.);
• приведение шкал полезности к единому положительному направлению («чем больше, тем лучше»).
Векторная диаграмма (известная также как «многопараметрическая диаграмма», «паук-диаграмма» и др.) представляет собой геометрическую фигуру из нескольких осей, расположенных под равными углами друг к другу и имеющих единое начало отсчета. На каждой оси откладывается значение соответствующего параметра С. Далее отложенные на осях значения соединяются замкнутой ломаной линией. При этом площадь, ограниченная полученной фигурой, будет являться интегральной оценкой качества принимаемого решения.
В случае, если значение какого-либо параметра С имеет отрицательное направление шкалы полезности, оно преобразовывается в новый (производный) параметр С' по формуле:
С' = 1/с. (1)
Если параметр С измеряется в процентах, то возможно применение формулы:
С' = 100-С. (2)
Например, время бурения участка скважины Т', выраженное в процентах от общего времени бурения всей скважины, имеет направление шкалы полезности в сторону уменьшения (чем меньше, тем лучше). В этом случае целесообразно применение формулы (3):
Рис. 2. Принцип анализа показателей Fig. 2. The principle of the analysis of indicators
Рис. 3. Выявление проблемной ситуации Fig. 3. Identification of a problem situation
Рис. 4. Первый способ решения проблемы Fig. 4. The first way to solve the problem
T = 100-T',
(3)
где Т — время в процентах от общего времени бурения всей скважины.
При оценке качества бурения часто используются такие показатели, как точность попадания в круг допуска и угол встречи с пластом.
Оценивать первый показатель можно по «сферической модели», суть которой заключается в том, что заранее определяется центр сферы, в которую должна попасть скважина по проекту, а также радиус Я сферы, определяющий допустимые отклонения скважины от траектории (скважина должна попасть внутрь сферы), радиус (г) сферы, попадание в которую будет оцениваться как максимально точное (внутри малой сферы С = 100 %), фактическое расстояние скважины от центра сфер [1]. Соотношение между г, р и Я:
r < р < R.
Yi < Y < ?2-
(5)
Гг~Г
Yi-Yi
100% .
(6)
Тогда оценку точности можно определить по формуле:
С . (4)
Я-г
При этом показатель с, с одной стороны, будет безразмерной величиной (в %). С другой стороны, он будет иметь положительное направление шкалы полезности.
Угол встречи прогнозируемой траектории ствола скважины с пластом предлагается оценивать аналогично по «модели конусов». Здесь рассматриваются несколько конусов, имеющих одну ось, соответствующую заданному углу встречи [2]. Вместо радиусов используются углы: у — между осью и образующей малого конуса, внутри которого или по его границе должна быть произведена встреча с пластом (оценка С = 100 %), у2 — между осью и образующей большого конуса, попадание на границу которого является еще допустимым (С = 0). Все промежуточные значения углов у в интервале:
Тогда угол встречи будет оцениваться по шкале от 0 до 100 % по аналогичной формуле:
Пример построенной векторной диаграммы для некоторого участка скважины приведен на рисунке 2. Здесь приняты координаты: Т — время бурения данного участка скважины (инвертированная шкала в процентах); Н — пробуренный метраж (в процентах к общей проходке); С — оценка угла встречи ствола скважины с пластом; С — точность попадания ствола скважины в заданную область; СТ — степень соответствия фактической траектории ствола скважины проектной; S — относительная стоимость одного метра проходки (инвертированная шкала в процентах).
Выбранное направление шкал полезности размера рисунка соответствует общей оценке качества процесса бурения (качество выше, если площадь рисунка больше) [3].
Для наглядности применения описанной методики можно рассмотреть решение задачи выбора оптимального решения при возникновении проблемной ситуации. В процессе управления траекторией скважины возможны различные стратегии, решения которых отличаются различной степенью риска аварийности, различными значениями механической скорости проходки, различными значениями отклонения от проектного профиля скважины и т.д. [4].
Стратегии управления реализуются посредством замены КНБК, смены режимов бурения (слайдирование или вращение), ликвидации части ствола в критических ситуациях, снижения осевой нагрузки для снижения скорости проходки при проведении дополнительных инклинометрических операций, а также управления свойствами буровой промывочной жидкости (расход, химический состав) и т.д. На показатель механической скорости бурения могут влиять: геологические (протяженность интервалов пород по крепости и др.), технологические (нагрузка, влияние элементов КНБК, реология бурового раствора и т.д.), технические (характеристики забойных двигателей, буровых насосов, соответствие долот параметрам для данного интервала и т.д.) причины.
Необходимо в такой ситуации выбрать стратегию, позволяющую достичь наилучших технико-экономических показателей (ТЭП) строительства скважины.
Рассмотрим случай, когда оператор
видит, что породоразрушающий инструмент отклонил ствол скважины от проектного профиля на некоторую величину (рис. 3), где штрихпунктирной линией обозначен проектный профиль, а сплошной — пробуренный участок.
Данная ситуация не является необычной, и решение данной проблемы возможно несколькими способами.
Первым способом рекомендуется отсечь часть ствола, отличную от проектной, с установкой цементного моста. После проверки затвердевания головы цементного моста путем разгрузки определенного инструмента произвести спуск ориентированной компоновки, провести срезку с головы цементного моста. Произвести внеочередную спуско-подъемную операцию (СПО) с целью спуска в скважину технологического инструмента. Далее бурение проводится по проектному профилю (рис. 4).
Второй способ заключается в продолжении бурения, но с корректировкой траектории и увеличением пространственной интенсивности для выхода на проектный профиль скважины (рис. 5).
Преимуществом данного решения является то, что не нужны лишние СПО для замены КНБК. А недостатком является уменьшение радиуса кривизны скважины с возрастанием интегральной искривленности, что имеет отрицательные последствия при дальнейшем углублении скважины.
Третьей стратегией управления является также продолжение бурения, но уже с другим проектным профилем, где радиус кривизны скважины больше (рис. 6). Преимущества данного решения такие же, что и во втором случае. А недостатком является вероятность пересечения соседних скважин, которые при этом могут находиться в эксплуатации, что существенно повысит стоимость последствий от данной аварии.
Далее формируются основные способы устранения представленной проблемной ситуации, производится выбор наиболее выгодного решения.
Срезка и бурение нового ствола — это, как правило, самый «негативный» вариант решения задачи вследствие большой стоимости. Но это не значит, что в данной ситуации он не является оптимальным. Поэтому такие решения производятся техническими советами с использованием эмпирических знаний и базы аналогичных решений с соответствующим обоснованием. При составлении такой базы учитываются геологические, технологические и технические возможные причины. Хотя аналогичные действия на пробуренных скважинах могут и не совпадать по одной или нескольким из перечисленных причин. На основании рассматриваемой методологии должна строиться диаграмма с вариантами возможных решений для наглядности представления процесса выбора наиболее оптимального из них.
Перед тем, как произвести расчет, например, стоимости бурения предложенных стратегий, определена величина проходок, сделанных на данных системах.
Каждый способ устранения проблемы разделяется на несколько этапов, которые могут быть описаны с помощью IDEF3-диа-грамм для визуального представления объема работ и оценки их сложности [5]. Для примера на рисунке 7 представлена диаграмма решения проблемы отклонения ствола скважины от проектного профиля. На рисунке 8 показана диаграмма для первого варианта
Рис. 5. Второй способ решения проблемы Fig. 5. The second way to solve the proble
Рис. 6. Третий способ решения проблемы Fig. 6. The third way to solve the problem
Рис. 7. IDEFS-диаграмма «Решение проблемы отклонения» Fig. 7. IDEF3-diagram "Solution of the deviation problem"
Рис. 8. IDEFS-диаграмма «Решение проблемы по 1 варианту» Fig. 8. IDEFS-diagram "Solution of the problem according to option 1"
решения рассмотренной проблемной ситуации. Диаграммы для второго и третьего вариантов отличаются составом и последовательностью некоторых операций.
В результате проведенных расчетов были получены значения затрат на решение проблемной ситуации, а также показатели эффективности принимаемых решений, к которым относятся время бурения проблемного участка, качество пробуренной скважины, степень риска аварий и т.д.
На рисунке 9 отображена оценка эффективности решений, принимаемых по разным вариантам, по следующим показателям: С — стоимость строительства скважины; Н — пробуренный метраж; Т — время бурения; Q — качество ствола скважины; Р — риск аварии (вероятность возникновения аварийной ситуации).
Путем анализа вариантов представленных графических моделей можно определить, что наиболее выгодным вариантом
по решению данной конкретной задачи является третий вариант стратегии действий, так как площадь его фигуры на векторной диаграмме является наибольшей (невзирая на то, что по стоимости данный вариант не является наилучшим).
Представленный метод оценки позволяет не только оценивать эффективность бурения, но и сравнивать варианты принимаемых решений для иных ситуаций, а также проводить сравнительный анализ эффективности работы различных бригад, выявлять причины различий путем проведения более детального анализа, сравнивать результаты на разных кустах.
Итоги
Новизна описанного метода заключается в формализации процесса принятия решений при возникновении различных технологических ситуаций в бурении, требующих анализа и сопоставления вариантов, что позволяет алгоритмизировать и унифицировать весь процесс принятия решений. Для этого впервые была применена методология функционального моделирования IDEF3 в сочетании с векторными диаграммами. Был рассмотрен пример использования методологии при решении производственной проблемы выбора траектории бурения. На диаграмме было наглядно проиллюстрировано, что наилучшим
является третий вариант, так как площадь его фигуры в 4,9 раза больше, чем у первого, и в 2,8 раза больше, чем у второго варианта.
Выводы
Описанный графический метод анализа результативности наклонно направленного бурения может быть применен как инструмент анализа результатов при испытаниях новых конструкций технологического оборудования (например, долот или компоновок) как на уже известных месторождениях, так и на новых объектах.
К тому же, с точки зрения подрядчика, участвующего в проекте в той или иной области, информация в виде графических иллюстраций позволяет четко и обоснованно изложить клиенту свои выводы, что в свою очередь обеспечивает режим диалога на будущее, более подробный анализ результатов и поиск методов оптимизации процесса строительства.
Литература
1. Башкатов Д.Н. Оптимизация процесса бурения. М.: МГГРУ, 2005. 331 с.
2. Ребрик Б.М., Смирнов Н.В. Принципы оценки способов и технических средств геологоразведочного бурения. М.: ВИЭМС, 1985. 46 с.
3. Башкатов Д.Н., Коломиец A.M. Оптимизация процессов разведочного
H
1 вариант вариант 3 вариант
Рис. 9. Оценка эффективности решений Fig. 9. Evaluation of the effectiveness of solutions
бурения. М.: Недра, 1997. 259 с.
4. Шигина А.А. Оптимальное управление технологическим процессом в условиях неопределенности // Фундаментальные и прикладные исследования
в современном мире. 2015. Т. 1. С. 79-82.
5. Пономарева К.В. Информационное обеспечение АСУ. М.: Высшая школа, 1991. 222 с.
С
ENGLISH
Results
The novelty of the described method lies in the formalization of the decision-making process in the event of various technological situations in drilling that require analysis and comparison of options, which makes it possible to algorithmize and unify the entire decision-making process. For this purpose, the methodology of functional modeling IDEF3 in combination with vector diagrams was used for the first time. An example of using the methodology in solving the production problem of choosing a drilling trajectory was considered. The diagram clearly illustrated that the third option is the best, since the area of its figure is 4,9 times larger than that of the first, and 2,8 times larger than that of the second option.
Conclusions
The described graphical method for assessment of the effectiveness of directional drilling can be used as a tool for analyzing indicators when testing new designs of technological equipment (for example, bits or assemblies) both at already known fields and at new facilities. In fact, from the perspective of a contractor participating in a project in a certain area, graphic information allows you to present your conclusions to the client soundly, which in turn provides a dialogue mode for the future, more extensive analysis of the results and search for methods of optimizing the construction processes.
References
1 Bashkatov D.N. Optimization of the drilling process. Moscow: MGGRU, 2005, 331 p. (In Russ).
2 Rebrik B.M., Smirnov N.V. Principles
of evaluation of methods and technical means of exploration drilling. Moscow:
VIEMS, 1985, 46 p. (In Russ). 3 Bashkatov D.N., Kolomiets A.M. Optimization of exploration drilling processes. Moscow: Nedra, 1997, 259 p. (In Russ).
4. Shigina A.A. Optimal process control under uncertainty. Basic and applied research
in the modern world, 2015, Vol. 1, P. 79-82. (In Russ).
5. Ponomareva K.V. Information support of the automated control system. Moscow: Vysshaya shkola, 1991, 222 p. (In Russ).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ I INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Еремин Юрий Сергеевич, начальник управления, ООО «РН-БашНИПИнефть», Уфа, Россия
Чаркин Алексей Анатольевич, начальник отдела, ООО «РН-БашНИПИнефть», Уфа, Россия
Каюмов Эльмир Фагимович, старший специалист, ООО «РН-БашНИПИнефть», Уфа, Россия Для контактов: kayumovef@bnipi.rosneft.ru
Eremin Yury Sergeevich, head of department, "RN-BashNIPIneft" LLC, Ufa, Russia
Charkin Aleksey Anatolyevich, head of department, "RN-BashNIPIneft" LLC, Ufa, Russia
Kayumov Elmir Fagimovich, senior specialist, "RN-BashNIPIneft" LLC, Ufa, Russia Corresponding author: kayumovef@bnipi.rosneft.ru
