УПРАВЛЕНИЕ СТАДИЕЙ РАЗРАБОТКИ РЕЦЕПТУРЫ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА СУХИХ ТАМПОНАЖНЫХ МАГНЕЗИАЛЬНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 661.179

УПРАВЛЕНИЕ СТАДИЕЙ РАЗРАБОТКИ РЕЦЕПТУРЫ

ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА СУХИХ ТАМПОНАЖНЫХ МАГНЕЗИАЛЬНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

А.Г. Шумихин, М.В. Малимон

В статье рассмотрен подход к разработке рецептуры сухих магнезиальных тампонажных смесей для приготовления раствора при тампонировании нефтяных и газовых скважин, основанный на формализованной обработке накопленных данных о рецептуре таких смесей, применяемых ранее на скважинах с учетом условий их обустройства и горно-геологических особенностей месторождения. С этой целью используются два метода, рассматриваемые в статье, - метод прецедентов и метод экспертных оценок. Для сокращения времени на поиск информации всеми участниками жизненного цикла сухой тампонажной магнезиальной смеси создается единое информационное пространство на базе PLM-системы.

Ключевые слова: нефтяные и газовые скважины, сухая магнезиальная тампонажная смесь, рецептура, метод экспертных оценок, метод прецедентов. .

При создании сухой магнезиальной тампонажной смеси (СМТС) главной задачей является обеспечение точности дозирования исходных компонентов смеси во всем объеме получаемого продукта. Такая задача трудновыполнима, если смесь готовится непосредственно на буровой [1]. В полевых условиях строительства скважин, как правило на значительном удалении от баз производственного обслуживания, сложно обеспечить своевременный завоз и долговременную сохранность исходных материалов и компонентов. Поэтому производство сухих магнезиальных тампонажных смесей возможно только на специально подготовленных площадках в закрытых помещениях, оборудованных всеми необходимыми техническими средствами. Важным этапом в жизненном цикле сухой магнезиальной тампонажной смеси является создание рецептуры. Разработка и оптимизация рецептуры для каждой партии требует больших затрат времени, что в свою очередь увеличивает временные задержки между поступлением заказа и отгрузкой уже приготовленной партии. Для каждой скважины с определенными горно-геологическими

особенностями и условиями обустройства разрабатывается своя рецептура. Для составления рецептуры необходимо знать время загустевания магнезиального раствора, который зависит от многих факторов, таких как, глубина колонны,

температура окружающей среды, назначение скважины, технико-технологические условия и конструктивные особенности оборудования, применяемого при приготовлении тампонажного раствора, от характеристик жидкости для затворения магнезиальной смеси, температуры сухой смеси и жидкости. Далее, после установления требуемого времени загустевания раствора, необходимо подобрать такие компоненты и их количество чтобы получить смесь с требуемыми характеристиками. К таким характеристикам относятся: время загустевания (тзаг), пластическая вязкость (ПВ),

седиментационная стабильность (С20), время схватывания раствор и прочностные характеристики цементного камня [2].

Для принятия решений по подбору рецептуры рассмотрен подход на основано метода прецедентов (метод вывода по случаям). Метод прецедентов при принятии решений основан на использовании знаний о предыдущих ситуациях или случаях (прецедентах). При рассмотрении новой проблемы (текущего случая) отыскивается похожий прецедент в базе знаний. Прецедент в базе знаний включает в себя проблемную ситуацию, которая описывает состояние исследуемого процесса, решение этой проблемы. Вместо того, чтобы искать решение каждый раз, используется решение, принятое в сходной ситуации, адаптированное к изменившейся ситуации текущего случая. После того, как текущий

случай будет обработан, он вносится в базу знаний вместе со своим решением для его возможного использования в будущем. Применение метода прецедентов схематично представлен на рис.1. Получая заказ по регламенту введенном на скважине определяется тип колонны. Кондуктор -колонна устанавливаемая после обсадной колонны. Она защищает пресноводные пласты от загрязнения нефтью, газом или соленой водой из более глубоких продуктивных слоев. Тех.колонна -промежуточная обсадная колонна, предохраняющая скважину от потерь бурового раствора в пластах неглубокого залегания. В зависимости от типа колонны выбирается база прецедентов. Из базы данных передаются данные о температурном диапазоне окружающей среды и требуемом времени перемешивания смеси в машинах заказчика, зависящим от их типа. Они являются признаками базы прецедентов

(знаний). В базе знаний по заданному правилу на основе признаков подбирается наиболее близкий к текущей проблемной ситуации на скважине прецедент с отвечающем ему решением проблемы, включающие значения времени загустевания (тзаг), пластической вязкости (ПВ), седиментационной стабильности (С20). Это решение включается в вектор признаков на базы прецедентов рецептуры СМТС. Из базы прецедентов по заданному правилу выбирается прецедент с известным решением по рецептуре, наиболее близкие к текущей проблемной ситуации. Решение проверяется затем на значениях характеристик цементного раствора (тзаг, ПВ, С20) путем подстановки значений компонентного состава смеси в экспериментально - статистические модели связи «характеристики раствора -компонентный состав» из базы моделей связи.

УПРАВЛЕНИЕ СТАДИЕЙ РАЗРАБОТКИ РЕЦЕПТУРЫ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА СУХИХ ТАМПОНАЖНЫХ МАГНЕЗИАЛЬНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ НЕФТЯНЫХ И

ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Рисунок 1 - Алгоритм применения метода прецедентов.

Важной задачей является отыскание в базе знаний прецедента, наиболее близко соответствующего возникшей текущей проблемной ситуации. Для извлечения подходящего ситуации прецедента рассматривается следующий подход, основанный на нечетком алгоритме метода динамических сгущений [3].

Пусть каждый из к прецедентов Р1, ..., Р2, ..., Рк характеризуется т признаками, достаточно полно характеризующими объект. Введем в рассмотрение т-мерное

пространство Rm . Тогда каждому прецеденту в признаковом пространстве соответствует

точка х е Rm, а текущей проблемной ситуации точка V(V) е Rm.

Текущая проблемная ситуация с определенной мерой ц1. = 1(Ц = 1, т; I = 1, к)

для каждого } -го признака будет принадлежать к пространству признаков

каждого из прецедентов Р1 ,(1 = 1,к) .

Причем

Ц (х) е [0,1], £ ц' = 1(] = 1т; I = 1Д) .

г=1

Значения мер принадлежности

Ц (х),(х = х, е Rm; Ц = 1, т;I = 1, к) для всех признаков

х1,; (Ц = 1, m; I = 1, к) рассчитываются в

1'

соответствии

м\(x)=

выражениями

xj - V, 2

j j

при

x'i - Vj

xj * Vi; j = 1, m; l = 1, Ik

МС (x) =

11, где xj = Vj, c = l 0, где xj * V,j, c * l

для логических переменных х,.

Для выбора в базе знаний ситуации вводится норма

^ (х) = ||Ц I, I = 1, к Ц = m

Для каждого из прецедентов вычисляют значения функции

Прецедент, отвечающий текущей проблемной ситуации, выбирается в соответствии со следующим правилом

max I М||Ь pv

i

где Pv - извлеченный из базы знаний прецедент.

Рассмотрим пример подбора рецептуры для цементирования колонны типа кондуктор при следующих условиях: температура окружающей среды более 15°С, и время перемешивания 29 минут. Из базы прецедентов выбирается наиболее близкое в

смысле функции F (x) решение к данной

проблемной ситуации (таблица 1).

Таблица 1 Фрагмент базы прецедентов характеристик раствора.

№ прец еден та Решение проблемной ситуации Признаки

тзап ми н С20, кг/м ПВ, сПз T окруж ающе й среды , °С Врем я пере меши вания , мин

1 242 56 150,5 более 15 26

6 310 105 142,6 более 15 30

10 195 16 210 менее 15 23

При обработке данных по алгоритму метода прецедентов ближе всего к новой проблемной ситуации подходит ситуация из таблицы 1 с порядковым номером 6. Из таблицы 2 выбирается рецептуру по признакам, подходящим к нашей проблемной ситуации.

с

2

и

Таблица 2

Фрагмент базы прецедентов рецептуры СМТС

№ со ст ав а Решение проблемной ситуации Признаки

тзаг МдО, мин Соде ржан ие МдО акт % Ж:Т Тзап мин С20, кг/м3 ПВ, сПз

1 95 20 0,8 242 56 150,5

6 95 10 0,85 310 105 142,6

10 75 20 0,75 195 16 210

При обработке данных была подобрана рецептура со следующими массовыми долями компонентов в составе: активная вяжущая добавка - 83,5%;

МдОакт - 9,2%; расширяющая добавка -4,2%; облегчающая добавка -3,1%.

Выбранные в рецептуре компоненты имеют следующие свойства: время загустевания МдО - 95 мин; отношение Ж:Т -0,85.

Так как многие качественные характеристики компонентов зависят от партий, необходимо на складе подобрать компоненты со схожими показателями качества.

Для подтверждения достоверности полученных с применением метода прецедентов результатов при разработке рецептуры дополнительно использован метод экспертных оценок. И если рецептура смеси, предлагаемая для конкретных условий, не отвергается методом экспертных оценок, то ее можно рекомендовать для проверки путем лабораторного смешивания с дальнейшей передачей на производство. В противном случае следует провести дополнительные лабораторные

исследования по подбору рецептуры, с учетом результатов и метода прецедентов и метода экспертных оценок. Сущность метода экспертных оценок заключается в проведении экспертами интуитивно-логического анализа проблемы с количественной оценкой суждений и формальной обработкой результатов. Наиболее распространенными методами оценки опроса экспертов являются метод рангов, метод непосредственного

оценивания, метод сопоставлений. Для рассматриваемой проблемы был выбран метод рангов[4,5].

Выбранной группе экспертов в эксперименте по оценки возможности применения метода экспертных оценок при планировании исследования было предложено по имеющимся данным о горногеологических особенностях скважины разработать рецептуру в которую входят 6 основных компонентов. Экспертам (Э^ необходимо было приписать каждому компоненту ранги ( К), характеризующие их роль в составе смеси как основы для качественного цементирования обсадных колонн в скважинах (более важным факторам присваиваются первые номера). По результатам опроса составляется таблица 3.

Таблица 3 Результаты экспертного опроса

Эксперты Компоненты К (] = 1,6)

К1 К2 К3 К4 К5 К6

Э1 1 2 2 3 3 1

Э2 1 2 2 2 3 1

Э3 1 2 3 3 3 2

Э4 1 1 2 3 2 1

Э5 1 1 1 2 3 2

Для последующего анализа необходимо нормировать таблицу 3, нормированный ранг оценок экспертов, представляющий собой среднее арифметическое их мест в таблице 3.

Таблица 4

Нормированные ранги_

Эксперты Компоненты К (] = 1,6)

К1 К2 К3 К4 К5 К6

Э1 1,5 3,5 3,5 5,5 5,5 1,5

Э2 1,5 4 4 4 6 1,5

Э3 1 3,5 5 4 5 3,5

Э4 2 2 4,5 6 4,5 2

Э5 2 2 2 4,5 6 4,5

т Е х 1=1 8 15 19 25 27 13

В качестве характеристики степени согласованности мнений специалистов целесообразно взять коэффициент конкордации. Значимость которого оценивается по х2 - критерию. Вычисленное значение х2 статистики равно 15,3. Табличное значение х2 для V = 5 и 5% уровня значимости х2 табл. = 11,07. Поскольку 11,07 < 15,3 то гипотеза о согласованности мнений

УПРАВЛЕНИЕ СТАДИЕЙ РАЗРАБОТКИ РЕЦЕПТУРЫ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА СУХИХ ТАМПОНАЖНЫХ МАГНЕЗИАЛЬНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ НЕФТЯНЫХ И

ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

экспертов в ранжировках принимается. На основе усредненных данных экспертного опроса составляется пробная рецептура, затворяется пробная смесь и оцениваются значения характеристик раствора.

При обработке данных была подобрана рецептура со следующими массовыми долями компонентов в составе: активная вяжущая добавка - 82,7%;

МдОакт - 10%; расширяющая добавка - 4,3%; облегчающая добавка -3%.

Выбранные в рецептуре компоненты имеют следующие свойства: время загустевания МдО - 93 мин; отношение Ж:Т -0,8.

Уравнения связи «характеристики раствора - компонентный состав» были получены в виде уравнений регрессии, с использованием ранее реализованного в натурном эксперименте некомпозиционного плана второго порядка[6]. Факторами при трехфакторном эксперименте являлись: содержание химически активного

тонкодисперсного магнезиального вяжущего, химическая активность МдО и отношение Ж:Т. Уровни и интервалы варьирования

факторов были выбраны на основе и с учётом априорной информации и представлены в таблице 5.

Таблица 5 Уровни и интервалы варьирования _факторов_

Факто Кодов Интер Уровни факторов

ры ое валы осно верх нижн

значе варьи вной ний, ий, -

ние рован ия , 0 +1 1

тзаг Х1 22 73 95 51

МдО,

мин

Соде Х2 10 10 20 0

ржани

е

МдОак т, %

Ж:Т Хз 0,05 0,8 0,85 0,75

Матрица некомпозиционного планирования приведена на в таблице 6.

Таблица 6

Матрица некомпозиционного плана второго порядка для трех факторов_

Номер опыта Х0 Х1 Х2 Хз Х1Х2 Х1Хз Х2Хз Х12 Х22 Хз2 У

1 +1 +1 +1 0 +1 0 0 +1 +1 0 У1

2 +1 +1 -1 0 -1 0 0 +1 +1 0 У2

з +1 -1 +1 0 -1 0 0 +1 +1 0 Уз

4 +1 -1 -1 0 +1 0 0 +1 +1 0 У4

5 +1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 У5

6 +1 +1 0 +1 0 +1 0 +1 0 +1 У6

7 +1 +1 0 -1 0 -1 0 +1 0 +1 У7

8 +1 -1 0 +1 0 -1 0 +1 0 +1 У8

9 +1 -1 0 -1 0 +1 0 +1 0 +1 У9

10 +1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 У10

11 +1 0 +1 +1 0 0 +1 0 +1 +1 У11

12 +1 0 +1 -1 0 0 -1 0 +1 +1 У12

13 +1 0 -1 +1 0 0 -1 0 +1 +1 У13

14 +1 0 -1 -1 0 0 +1 0 +1 +1 У14

15 +1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 У15

В результате обработки

эксперементальных данных, получены следующие уравнения регрессии: тзаг=243+47хг1 3,75х2+29,75х3-9,25х1 х2+ +8,75Х1Х3-3,25Х2Х3-18,38Х12-2,88Х22-7,38 Х32 ПВ=194,2-51,85x1-90,25x2-91,55хз+ +33,48Х1 Х2 +22,08х1 Х3+42,89Х2Х3+ +51,86x12 +51 ,86Х22+13,61 Хз2 С2О=63+30,63Х1-8,63Х2+34Х3-9,25Х1Х2+ +11 •х1 х3-1 1 ,5х2х3-1 8,13х12-3,63х22+ +0,13Хз2

Подстановка в уравнения регрессии нормированных значений факторов, соответствующих полученным при применении метода экспертных оценок и метода прецедентов, дали следующие значения характеристик тампонажного раствора:

• для метода прецедентов: тзаг = 305,3 мин; ПВ =140,2 сПз ; С20.= 123,5 кг/мз;

• для метода экпертных оценок: тзаг = 299,6 мин; ПВ = 131,5 сПз; С20.= 109,2 кг/м3.

Из базы (таблица 1) был выбран прецедент для которого тзаг = 310мин; ПВ =142 сПз ; С20.= 105кг/м3, что позволяет сделать вывод о корректности применения метода прецедентов. Для подтверждения достоверности результатов было проведено пробное затворение СМТС в лабораторных условиях с рецептурой, соответствующей выбранному прецеденту, и получены следующие характеристики раствора тзаг = 304 мин; ПВ =137 сПз ; С20.= 112 кг/м3.

Результаты полученные при пробном затворении СМТС с выбранной по методу прецедентов рецептурой свидетельствуют, что метод приемлем для практического применения. При этом полученные рецептуры и характеристики раствора заносятся в базу знаний как новый прецедент.

Для обеспечения информацией всех участников жизненного цикла тампонажной смеси и управление его стадиями создается единое информационное пространство на базе PLM-системы, которое позволяет уменьшить время на поиски нужного прецедента в базе, организовать электронный документооборот, эффективно управлять производством и логистикой с наименьшими затратами времени, обеспечить гибкость производства СМТС[8].

Таким образом в процессе исследования были рассмотрены и оценены подходы основанные на методе прецедентов и методе экспертных оценок которые позволяют снизить затраты времени и ресурсов на создание и оптимизацию рецептуры для производства СМТС. Применимость этих методов и достоверность результатов исследования доказана с помощью регрессионных моделей связи «характеристики раствора - компонентный состав» и лабораторных затворений СМТС с подобранной рецептурой. Поскольку для применения метода прецедентов необходим большой объем информации предложено создание PLM-системы, в которой вся информация о предыдущих прецедентах будет упорядочена и легкодоступна.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Толкачев Г.М., Шилов А.М., Козлов А.С., Угольников Ю.С. Мялицин В.А., Бортников С.А.,

Коптев И.Р. Приготовление сухих смесей магнезиальных тампонажных материалов в стационарных условиях // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. 2008. №8. С. 43-45.

2. Применение магнезиальных цементов при бурении скважин и добыче нефти// Толкачев Г.М., Дулепов Ю.А., Шилов А.М. и др. - М: Изд. ЦП НТО НГП им. академика И.М. Губкина, 1987.

3. Шумихин А.Г., Дадиомов Р.Ю. Алгоритм поиска прецедентов производственных ситуаций в базе знаний.// ММТТТ-2002: сб. тр. междунар.науч. конф. Тамб. гос.техн. ун-т. - Тамбов, 2002. - Т.5.

4. Малимон М.В., Сокольчик П.Ю. Определение степени влияния показателей качества исходных компонентов на качество получаемой смеси в производстве сухих тампонажных смесей. // Наука. Технология. Производство - 2013: тезисы докладов Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых - 2013. С.91 - 93.

5. Малимон М.В., Шумихин А.Г. Планирование исследований при разработке рецептур и технологий гибкого производства сухих тампонажных магнезиальных смесей // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Химическая технология и биотехнология. 2014. № 1. С. 7-18.

6. Анисимова А.В., Малимон М.В., Козлов А.С., Скорогонов М.С. Оптимизация составов магнезиальных тампонажных материалов с использованием регрессионных зависимостей // Международный Научный Институт "Educatio" 2014г. №5. - С. 130-133

7. Шумихин А.Г., Малимон М.В. Применение PDM-технологии при управлении жизненным циклом магнезиальных тампонажных смесей для цементирования нефтяных и газовых скважин // Южно-Сибирский научный вестник . 2014. №2(6). С. 106-109.

Шумихин Александр Георгиевич

(Пермь, Россия) - профессор, д.т.н, заведующий кафедрой автоматизации технологических процессов химико-технологического факультета Пермского национального исследовательского

политехнического университета

Малимон Мария Владимировна (Пермь, Россия) - аспирант Пермского национального исследовательского

политехнического университета (614990, Пермский край, г. Пермь - ГСП, Комсомольский проспект, д. 29, e-mail: monoceross@mail. ru)