CC BY
13
Нацюнальний лкотехшчний унiверситет УкраУни
6. Метод скользящего окна // Глоссарий - BaseGroup Labs. [Электронный ресурс]. - Доступный с http://www.basegroup.ru/glossary/definitions/windowing/, свободный. - Загл. с экрана.
7. Sapienware - Software solutions with focus on engineering field and scientific investigations. [Electronic resource]. - Mode of access http://www.sapienware.net.
Андриецкий Б.Р., Ткаченко Р.А. Прогнозирование и анализ нестационарных случайных процессов на основе нейросетевого спектрального анализа
Приведен вариант применения искусственных нейронных сетей модели геометрических преобразований (МГП) для выполнения спектрального анализа временных последовательностей по аналогии с известными методами сингулярного спектрального анализа. Показаны преимущества нейросетевого спектрального анализа по сравнению с существующими методами сингулярного спектрального анализа. Полученные нейросетевым методом тренд и основные колебания являются достаточно прогнозируемыми и обеспечивают заметное улучшение точности прогнозирования нестационарных временных последовательностей в целом. Созданный нейро-сетевой метод обеспечивает эффективное решение задач исследования и прогнозирования поведения динамических объектов различного происхождения.
Ключевые слова: прогнозирование временных последовательностей, сингулярный спектральный анализ, нейросетевой спектральный анализ, модель геометрических преобразований.
Andriyetskyy B.R., Tkachenko R.O. Forecasting and analysis of non-stationary random processes based on the neural network spectral analysis
Option of applying of artificial neural networks on the basis of geometric transformations model (GTM) to perform spectral analysis of temporal sequences similar to known methods of singular spectral analysis has been presented. Advantages of neural spectral analysis compared with the existing methods of singular spectral analysis have been shown. Trend and major fluctuations, obtained by using neural network method, are sufficiently predictable and provide a significant accuracy improvement on forecasting nonsta-tionary time series in general. Created neural network method provides an efficient solution of problems for research and predict of dynamic objects behavior of different origin.
Keywords: time series forecasting, singular spectrum analysis, neural network spectrum analysis, model of geometric transformations.
УДК 622.013:519.1 Астр. Т.М. Матвшюв1 - НУ "Львiвська полтехтка "
ПРИЧИННО-НАСЛ1ДКОВА МОДЕЛЬ 1НДИКУВАННЯ В1БРАЦН П1Д ЧАС БУР1ННЯ
Представлено розроблення причинно-наслщково! моделi процесу шдикування вiбрацiй шд час буршня нафтогазових свердловин. Проведено аналiз видiв вiбрацiй та 1х вплив на покази поверхневих та глибинних давачiв бурового станка та вибшних телеметричних систем. Дослщження показують, що причинно-наслiдковi моделi е потужним апаратом для аналiзу варiантiв розвитку ситуаци та тдтримки прийняття ршень в умовах дом^ючо! невизначеност процесу буршня.
Ключовг слова: вiбрацil, буршня, причинно-наслщкова модель, автоматизащя.
Вступ. Процес буршня - надзвичайно проблематичний процес. Вико-ристання сучасних прилад1в та комп'ютерних технологш дае змогу мш1м1зу-вати, запоб1гати та вчасно виявити бшьшють аварш. Наявшсть мехашчних
1 Наук. ке^вник: проф. Теслюк В.М., д-р техн. наук
Науковий вк'иик НЛТУ УкраУии. - 2013. - Вип. 23.7
дестабтзацшних факторiв, таких як удари i вiбрацii, негативно впливае на механiчну швидкiсть бурiння, надiйнiсть роботи як електронних свердловин-них приладiв (ЕСП) [3], так i всiеl компоновки низу бурильно! колони (КНБК) загалом. Своечасне виявлення, iдентифiкацiя та застосування вщпо-вiдних методiв боротьби iз мехатчними дестабiлiзувальними факторами дае змогу збшьшити як надiйнiсть ЕСП, так i мживучiстьм всiеl АСУ бурiнням.
Анатз наукових дослiджень [3-4, 6-7] в цш областi показав, що недос-татню увагу, зокрема вiтчизняних науковщв, придiлено дослiдженню вiбра-цiй тд час бурiння глибоких свердловин, а саме використанню апарату мереж Байеса, що е бшьш придатним в умовах невизначеностi та бшьш зручним пiд час проведения системного анатзу.
1. Аиал1з впливу осиовиих вид1в в1брац1й на покази поверхиевих та глибиииих давачiв. Оцшити ситуащю в умовах реального часу достатньо важко. Шдтвердженням наявностi ударiв та вiбрацiй можуть бути ряд факто-рiв, як спостерiгаються уже тсля рейсу бурiния, а саме: зламат рiзцi на долот^, не залежно вiд !х розмiщения; передчасний вихiд з ладу пiдшипникiв шарошкового долота; зламаиi елементи (лопатi) РБС долiт; перетягиутi з'еднания рiзьб; обрив та промив бурильно! колони; однобiчнi слiди зношен-ия на стабЫзаторах КНБК; збiльшений дiаметр свердловини; передчасний вихщ з ладу ЕСП.
Основт види вiбрацiй [6, 8], що виникають пiд час роторного буршия (осьовi, латеральт, вихровi, обертовi) зображено на рис. 1.
Рис. 1. Основт види вiбрацiй буровоИ колони:
а) осьовг; б) латеральт; в) вихоровг; г) обертовг
На вид вiбрацiй КНБК ютотно впливае траекторiя буршня свердловини. Наприклад, поява осьових вiбрацiй бшьш характерна для буршня верти-кальних свердловин, а латеральт та вихровi, зазвичай, трапляються пiд час похило-скерованого та горизонтального буршня. Також анатз типу КНБК може допомогти зробити висновок про вид вiбрацiй, наприклад тд час вико-ристания шарошкового долота бшьша ймовiрнiсть появи осьових вiбрацiй, нiж пiд час бурiния РБС-долотом. Також ймовiрнiсть появи обертових вiбра-цiй значно збiльшуеться пiд час буршня РБС-долотом. Пiд час використання велико! кiлькостi стабiлiзаторiв та буршня на бшьшш глибинi, ймовiрнiсть обертових вiбрацiй також збiльшуеться, у зв'язку iз збiльшениям тертя та зменшенням жорсткостi бурильно! колони. Усi описан та багато iнших ек-спертних знань в данiй областi визначають причинно-наслiдковi зв'язки та !х
Нащомальмий лкотехшчний унiверситет Укршми
ймовiрнiснi переходи шд час побудови моделi процесу. Модель ощнювання ситуаци пiд час виникнення вiбрацiй представлено на рис. 2.
Для запоб^ання виходу з ладу ЕСП, аварш КНБК, зменшенню непро-дуктивних затрат енерги та збшьшенню мехатчно! швидкостi бурiння необ-хiдно вчасно виявляти та усувати удари та вiбраци\ Пiд час самого процесу буршня, в режимi реального часу, про наявнiсть та вид ударiв та вiбрацiй можна судити зiвставляючи данi показiв поверхневих приладiв, глибинних ЕСП, аналiзом типу КНБК, проектною траeкторieю, геологiчними умовами буршня тощо. Про наявнiсть вiбрацiй можуть свiдчити такi покази поверхневих давачiв: коливання навантаження на долото (WOB); зменшення мехашч-но! швидкостi проходки (ROP); коливання крутильного моменту на роторi або збшьшення його середнього значення; змiна частоти обер^в бурильно! колони (за умови використання систем типу Soft Torque) та ш.
Про наявшсть вiбрацiй можуть свiдчити такi покази глибинних датчи-кiв, розмiщених в ЕСП у складi КНБК: втрата контролю над положенням вщ-хилювача (втрата керованост^; збiльшення амплiтуди та частоти осьових ударiв; збiльшення амплiтуди та частоти латеральних ударiв; збiльшення коливання частоти обер™ КНБК та ш.
Рис. 2. Модель ощнювання ситуаци тд час виникнення ударiв i вiбрацiй тд час
буршня
Поверхневi спостереження, таю як вiбращl верхнього привода бурильного станка, також можуть свiдчити про наявшсть глибинних вiбрацiй, зокре-ма тд час бурiння поверхневих секцiй свердловини.
2. Розроблення причинно-насладковоУ моделi щентифжаци видiв вiбрацiй. Процеси, що впливають на виникнення ударiв та вiбрацiй, мають складний випадковий характер, залежать вiд багатьох факторiв, що зумовлю-ють резонанс КНБК, мiстять велику частку невизначеност i досить важко шдлягають формалiзацil. Пiд час моделювання даних процесiв доцiльно ви-користовувати експертш знання про наочну область, що зводяться до набору правил аналiзу ситуаци та ухвалення ршень.
Запропонована модель (рис. 3) складаеться iз трьох рiвнiв. Перший рь вень складають вхiднi вершини, ймовiрнiсть появи станiв яких не залежить
Науковий вкник Н.1Т У Укра'1'ни. - 2013. - Вип. 23.7
вщ стану шших вершин, а задаегься користувачем (або автоматизованою системою) заздалепдь, вiдповiдно до конкретно! ситуацп. В цш моделi вхiднi вершини визначають причини появи певних видiв вiбрацiй. Опис вершин та !х дискретних сташв представлено в табл. 1.
В основi другого рiвня графу лежать види вiбрацiй КНБК: осьов^ ла-теральнi, обертовi, що вщповщно складають три вершини графу. Ймовiрнiсть появи певного iз видiв вiбрацiй зумовлена рiзними причинами. Траeкторiя свердловини визначае ймовiрнiсть появи певного виду вiбрацп. Вершина ("Профiль") е батьювською для вершин видiв вiбрацiй та являються однiею iз вхiдних вершин графу. Крiм траекторп свердловини, на ймовiрнiсть появи осьових та обертових вiбрацiй впливае вибiр породоруйнiвного шструмен-ту - долота, що представлено батьювською вершиною ("ПР1"). Тип долота мае вiдносно незначний вплив на ймовiрнiсть появи латеральних вiбрацiй, тому зв'язком ("ПР1" - "^брацп латеральш") iгноруемо. Зате оцiнити ймовiр-шсть появи латеральних вiбрацiй можна, наприклад, знаючи вiдносну жорсткiсть КНБК. Латеральш вiбрацil притаманнi менш жорстким КНБК. Для вщображення цього причинно-наслiдкового зв'язку в граф введено до-даткову вершину та зв'язок ("КНБК" - '^брацп латеральш").
Табл. 1. Опис вершин першого та другого рiвнiв причинно-настдковоТмоделi
тдикаци в'гбраигй nid час буртня
Зм1нна 1нтерпретацш Значення
Сз Профть тpаeктоpiя свердловини vertical, directional, horizontal
С1ПР1 тип долота (породоруйтвного тструменту) РОС, insert
С2 КНБК гнучюсть компоновки низу бурильной колони stiff (жостка) soft (мяка)
С4 Резонанс резонанс КНБК = True, за наявностi осьових та латеральних вiбpацiй true, false
С5 Bi6. OCbOei наявтсть осьових вiбpацiй без змт, раптове зростання
С6Вiб. латеральш наявтсть латеральних вiбpацiй без змт, раптове зростання
С6Вiб. o6epmoei наявтсть обертових вiбpацiй без змт, раптове зростання
Поява кожного iз видiв вiбрацiй зумовить певний вплив на покази сен-сорiв як поверхневих, так i глибинних. Третш рiвень становлять змiннi, що описують покази цих сенсорiв. Для спрощення моделi, були вибранi лише ос-новнi сенсори, якi використовують для мониторингу вiбрацiй. А також побу-довано причинно-наслiдковi зв'язки лише для тих змшних, якi вiдображають найбшьший вплив. Опис вершин наведено в табл. 2.
Важливою причиною виникнення осьових та латеральних вiбрацiй яв-ляеться резонанс КНБК, що залежить вщ сукупностi багатьох факторiв, таких як конструкщя КНБК, тип бурильних труб, траекторiя свердловини, фiзичнi властивосп прилеглих порiд, !х черговiсть тощо. Через складнiсть моделю-вання резонансу КНБК можна використати ймовiрнiсне моделювання, включивши його як одну з вершин моделi (рис. 3). Резонанс КНБК настае за пев-
Нащональний лiсотехнiчний умiверситет Украми
них значень обер^в бурильно! колони (RPM) та навантажеш на долото (WOB). Дещо змiнивши цi параметри, можна вщшти вiд резонансу, таким чином зменшити суворiсть чи повнiстю уникнути вiбрацiй пiд час бурiння. Дос-лiдження впливу частоти обертiв та навантаження на появу резонансу бу-рильно! колони являеться темою для подальших дослiджень. В данiй робот вузол ("Резонанс") введено для прикладу та його стан приймаеться ("Резонанс" = "True"), що е умовою наявност осьових чи латеральних вiбрацiй. Батькiвськi вузли для вузла "Резонанс" не розглядають.
Рис. 3. Причинно-на^дкова модель тдикаци ei6pa^ü nid час буртня
Табл. 2. Опис вершин третього рiвня причинно-на^дковог Modeni тдикаци _вiбрацiü_
Змтна Тип сенсору 1нтерпретащя Значения
C16 WOB поверхневий навантаження на долото static, fluctuate
Cj2 SRPM поверхневий частота оберт1в бурилъног колони static, fluctuate
Ci5 ROP поверхневий мехашчна швидшстъ проходки без змт, раптове зростання
Ci8 dT поверхневий крутящий момент на ротор1 static, fluctuate
C17 TF Ctrl глибинний контроль над положенням вгдхилювача good, poor
C9 Vib ax глибинний давач осъових удар\в без змт, раптове зростання
C10 Vib lat глибинний давач латералъних удар\в без змт, раптове зростання
Cii Vib tor глибинний давач обертових в1брацт без змт, раптове зростання
Для виршення задачi щентифшаци вiбрацiй до розроблено! причин-но-наслщково! моделi застосуемо ймовiрнiсний iнструмент мереж Байеса. Вш дае змогу поеднати досить просте графiчне представлення процесу появи ударiв i вiбрацiй iз його ймовiрнiсним характером, проаналiзувати можливi варiанти розвитку ситуацй, вiдслiдкувати правильнiсть встановлення причин-но-наслiдкового зв'язку, завдяки цьому тдвищити обгрунтованiсть рiшень пiд час аналiзу процесу бурiння.
Нехай G = (X, E) - спрямований ацикшчний граф, в якому X - множи-на дискретних випадкових змшних зi скiнченним числом станiв; E - причин -нi зв'язки мiж вершинами, що пiд впливом збурень характеризуются таблицею безумовних ймовiрностей переходiв з одного стану до шшого. У мережу Байеса входить три компоненти [1]:
N = (V, О,/), (1)
Науковий вкник Н.1Т У Укра'1'ни. - 2013. - Вип. 23.7
де: V - множина змшних; О - спрямований ациктчний граф (САГ), вузли якого вщповщають випадковим змшним процесу появи вiбрацiй; О - спшь-ний розподiл ймовiрностей змiнних V={Х1, Х2,..., Хп}.
При цьому виконуеться марковська умова, де кожна змшна мережi не залежить вщ усiх iнших, за винятком батьювських попередникiв ще! змшно!. Кожна вершина iз множини Х може приймати одне значення iз скшчено! множини взаемовиключних станiв. Кожнiй вершинi А е V iз змшними-бать-ками В1, В2, ..., Вп поставлена у вщповщшстъ таблиця умовних ймовiрностей Р (А|В1, В2,..., Вп). Якщо вершина А не мае батьюв, то використовують безу-мовнi ймовiрностi Р (А).
Згiдно з теоремою Байеса [1], ймовiрнiсть одночасно! появи двох неза-лежних подiй Б i визначають за виразом:
р (Б, 5 ) = р (Б) р (5). (2)
Якщо поди Б i 5 залежш, то поява однiеl з них дае деяку iнформацiю про можливють появи iншоl: р(Б, 5) = р(Б) р(5 |Б), де р(5 |Б) - ймовiрнiсть появи поди 5 за умови, що вже вщбулася подiя Б. Проста форма теореми Байеса записуеться як:
р(Б|5) = «й (3)
Для прикладу, застосування теореми Байеса вiзьмемо змшну С6 ("Вiб-рацil латеральш"), що мае два стани: С6 ( - iстинне значення ймовiрностi, яке означае наявнiсть вiбрацiй; С6у - протилежне (неiстинне) значення, що озна-чае вiдсутнiсть вiбрацiй. Цi два значення ймовiрностi дають в сумi одиницю незалежно вщ того, яке значення приймае батьювська змiнна С3 ("Профiль"):
p(C6í|C3) + р(Сб/|С3) = 1. (4)
Якщо застосувати для ще! рiвностi теорему Байеса, то отримаемо:
р (са )р (Сз \с я) + р (С 6/) р (с3 р6,) = 1
р (Сз) р (Сз)
або р С) р (Сз |Св) + р (С6/) р (Сз |С„ ) = р (Сз). (5)
Тобто, знаючи ощнку р(С3), !! можна виключити з подальшого розгля-ду. Теорема Байеса розглядаемо як механiзм, що об'еднуе апрiорну та правдо-подiбну iнформацiю.
Висновки. Проведено аналiз впливу основних факторiв на виникнен-ня певних видiв ударiв та вiбрацiй пiд час бурiння. Побудовано причинно-наслiдкову модель процесу виникнення та шдикацп ударiв та вiбрацiй тд час бурiння.
Розроблена модель дае змогу ухвалити рiшення навiть за потенцшно! вiдмови одного iз глибинних сенсорiв, оскiльки оцiнка виду вiбрацiй враховуе не лише покази глибинного сенсору, але й покази шших сенсорiв. Ця модель може бути легко розширена додатковими вершинами з метою врахування ново! шформацп щодо перебiгу i поточного стану дослщжуваного процесу.
Нацюнальний лкотехшчний унiверситет УкраУни
Для реатзацп запропоновано! моделi використаио iмовiриiсиий шструмент мереж Байеса. BiH дае змогу поедиати досить просте графiчие представления процесу появи ударiв i вiбрацiй i3 його ймовiриiсиим характером, проаналiзувати можливi варiаити розвитку ситуацп, вiдслiдкувати пра-вильиiсть встаиовлеиия причииио-иаслiдкового зв'язку, завдяки цьому тдви-щити обrруитоваиiсть рiшеиь пiд час аналiзу процесу бурiиия.
Л1тература
1. Бщюк П.1. Проектуваиия комп'ютериих шформацшних систем шдтримки прийияття ршень : иавч. поабн. / I. Бщюк, Л. Коршевнюк. - К. : ННК "ШСА" НТУУ "КП1", 2010. -196 с.
2. Real Time Decision Support in Drilling Operations Using Bayesian Decision Networks / M.A. Rajaieyamchee, R.B. Bratvold // SPE Annual Technical Conference and Exhibition, New Orleans, Louisiana. - Oct, 2009. [Electronic resource]. - Mode of access http://www.onepetro.org/ mslib/servlet/onepetropreview?id=SPE-124247-MS#
3. Андрущенко В. Нов1 технологи в промисловш геофiзицi / В. Андрущенко, В. Кур-ганський, I. Тшаев, В. Бугрiй // Вюник КНУ iм. Тараса Шевченка Геологiя : зб. наук. праць. -2010. - № 48. - С. 35-39.
4. Геолого-технологические методы и аппаратура для контроля и управления процессом проводки горизонтальных скважин и боковых стволов - информационно-измерительные системы в бурении. [Электронный ресурс]. - Доступный с http://www.leuza.ru/science/ article6.htm
5. Калинин А.Г. Технология бурения разведочных скважин на нефть и газ : тдручник [для студ. ВНЗ] / А.Г. Калинин, А.З. Левицкий, Б.А. Никитин . - М. : Изд-во "Недра", 1998. -Розд. 9. - С. 266-310.
6. Yan T. Analysis on Drill String Vibration In Deep Wells by ANSYS / Tie Yan, Chunjie Han and Xueliang Bi // American Society of Civil Engineers ICPTT 2009 ASCE. - Pp. 1844-1851.
7. Skalle P. Knowledge-based decision support in oil well drilling. Combining general and case-specific knowledge for problem solving / P. Skalle, A. Aamodt // Intelligent information processing II. London, UK, 2005. - Pp. 443-455.
8. Integrated PoF and CBM Strategies for Improving Electronics Reliability Performance of Downhole MWD and LWD Tools / Sheng Zhan, Izhar Ahmad, Ludger Heuermann-Kuehn, Joerg Baumann // SPE Annual Technical Conference and Exhibition, 19-22 September 2010, Florence, Italy. [Electronic resource]. - Mode of access http://www.spe.org/atce/2010/pages/schedule/ tech_program/documents/spe 1326651 .pdf
Матвийкив Т.М. Причинно-следственная модель индикации вибрации при бурении
Представлены разработки причинно-следственной модели процесса индикации вибраций при бурении нефтегазовых скважин. Проведен анализ видов вибраций и их влияние на показания поверхностных и глубинных датчиков бурового станка и забойных телеметрических систем. Исследования показывают, что причинно-следственные модели являются мощным аппаратом для анализа вариантов развития ситуации и поддержки принятия решений в условиях доминирующей неопределенности процесса бурения.
Ключевые слова: вибрации, бурение, причинно-следственная модель, автоматизация.
Matviykiv T.M. A causal model of vibration indication while drilling
In this paper, the development of a causal model of vibration indication while drilling oil and gas wells is presented. The analysis of vibration types and their affect on surface rig sensors and downhole telemetry system sensors is performed. Studies show that causal models are a powerful apparatus for analyzing possible situation development scenarios and decision making support under conditions of risk and uncertainty of drilling process.
Keywords: vibration, drilling, causal model, automation.
