Автоматическое управление зенитным углом искривления ствола скважины тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Никульшин, Иван Викторович

• Никульшин, Иван Викторович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Никульшин, Иван Викторович

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ

НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННЫМ БУРЕНИЕМ.

1.1 Обоснование необходимости внедрения автоматизированных систем управлением процессом бурения.

1.2 Системы контроля геолого-геофизических и технологических параметров при бурении скважин.

1.2.1 Информационно-измерительные системы в бурении.

1.2.2. Наземные автоматизированные системы контроля геолого-геофизических и технологических параметров бурения.

1.3 Обзор систем автоматического управления процессом бурения.

1.4. Устройства, управляющие пространственным положением ствола скважины.

ВЫВОДЫ.

ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ ПОЛОЖЕНИЕМ СТВОЛОВ СКВАЖИН В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ.

2.1 Понятие об инклинометрии скважины.

2.2. Основы естественного и искусственного искривления скважин.

2.3 Факторы, оказывающие влияние на процесс искривления.

2.3.1 Зависимость интенсивности искривления от режима бурения.

2.3.2 Влияние геологических условий забоя на искривление ствола скважины.

2.3.3Влияние технологических факторов на искривление.

2.3.4 Влияние осевой нагрузки на долото на интенсивность искривления

2.4 Наклонно-направленное бурение скважин.

ВЫВОДЫ.

КОМПОНЕНТЫ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ИСКРИВЛЕНИЕМ.

3.1 Выбор забойного измерительного устройства.

3.2 Выбор канала передачи данных.

ВЫВОДЫ.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ИСКРИВЛЕНИЯ СТВОЛА СКВАЖИНЫ.

4.1 Анализ процесса бурения, как объекта автоматического управления.

4.2 Построение математической модели изменения зенитного угла искривления ствола скважины.

ВЫВОДЫ.

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЗЕНИТНОГО УГЛА ИСКРИВЛЕНИЯ СТВОЛА СКВАЖИНЫ.

5.1 Выбор измерительного устройства для системы автоматического регулирования.

5.2 Система автоматического регулирования зенитного угла искривления ствола скважины.

5.3 Подбор критерия оптимальности для системы автоматического регулирования.

5.3.1 Типовые критерии оптимальности, применяемые в бурении.

5.3.2 Критерии оптимальной проводки наклонно-направленной скважины

5.4 Алгоритм оптимального управления.

5.5 Имитационное моделирование процесса искривления.

5.6. Оценка погрешности адаптивной САР.

5.6. 1 Оценка погрешности измерения.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматическое управление зенитным углом искривления ствола скважины»

В течение последних лет в России наблюдается существенный спад общего промышленного производства, в значительной степени это отразилось и в нефтяной и газовой промышленности. Суммарная добыча нефти за этот период сократилась почти в 2 раза. Наметилась тенденция к снижению объема добычи газа. Истощаются запасы эксплуатируемых в течение 50-60 лет месторождений нефти и газа практически во всех регионах Сибири, Кавказа, Башкирии, Татарстана, Нижней Волги.

Возникает необходимость поиска, разработки и практической реализации новых более перспективных технологий, обеспечивающих сокращение финансовых, материальных, технических и временных затрат на выполнение как основных, так и вспомогательных операций при строительстве скважин. Одним из путей решения возникающих при этом проблем является автоматизация всех процессов строительства скважин.

Практика бурения в различных регионах страны показывает, что повышение технико-экономических показателей строительства скважин неразрывно связано с проблемой оптимального управления бурением.

Отклонение текущих значений технологических параметров от проектных создает ряд осложнений и серьезных аварий, преодоление которых требует значительных затрат времени и материальных средств на всех этапах строительства скважин.

Эти обстоятельства выдвигают на первый план необходимость получения достоверной информации о протекании чрезвычайно сложного технологического процесса бурения скважин и оперативного управления этим процессом.[5]

Чрезвычайно важно обеспечить возможность управления пространственным положением ствола скважины непосредственно во время бурения, что позволит избежать отклонения траектории ствола скважины от проектной, что в свою очередь снизит вероятность осложнений при бурении.

Исследования отечественных ученых: Варламова В,П., Грачева Ю.В., Грачева Б.А., Демихова В,И., Есауленко В.Н., Калинина А.Г., Кузнецова Г.М., Лукьянова Э.Е., Леонова А,И., Малюги А.Г., Молчанова A.A., Пилюцкого О.В., Рыбакова В.В., Шишкина О.П. и др. обеспечили разработку и создание различных средств контроля технологических параметров процесса бурения, появление новых конструктивных технологических и методологических принципов повышения их метрологических характеристик.[5, 11, 15, 16, 41]

Повышение скоростей бурения и увеличение глубин, бурение наклонно - направленных скважин еще более усложняет процесс управления, при этом контроль процесса бурения по наземным параметрам существенно усложняется. В связи с этим становится практически невозможным поддержание оптимального режима бурения и предупреждения различных аварий и осложнений.

Все сказанное выше показывает, насколько актуальна проблема создания технических средств и методов контроля и автоматического управления процессом бурения скважин на основе информации, полученной на забое. Особое значение здесь приобретает контроль за пространственным положением ствола бурящейся скважины, так как он обеспечивает повышение технико-экономических показателей бурения на 20-30%. Но разработка систем автоматического регулирования сдерживается тяжелыми условиями, в которых они должны функционировать.

Тяжелые условия работы средств измерения параметров режима бурения на забое, где температура может достигать 200°С и более, давление 100-150 МПа, а вибрации десятки и даже сотни g (ускорение свободного падения), вынуждают вести поиск надежных элементов для работы в этих условиях. Такими элементами могут оказаться струйные или элементы аэрогидродинамического действия.

Также необходимо обеспечить оперативную передачу забойной информации на поверхность для своевременного оказания управляющего воздействия на процесс, и реализовать алгоритмы для вычисления управляющего воздействия.

Таким образом, создание системы автоматического регулирования пространственным положением ствола скважины, позволяющей повысить точность проходки и минимизировать возможность возникновения аварийных ситуаций и осложнений, является актуальной проблемой.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Никульшин, Иван Викторович

Основные выводы по диссертационной работе следующие:

1. Проведен анализ систем управления пространственным положением ствола бурящейся скважины. Установлено, что большинство существующих систем регулирования имеют ограниченный диапазон применения, не могут быть использованы непосредственно в процессе бурения. Показано, что для эффективного управления проводкой ствола скважины необходимо использовать систему автоматического непрерывного регулирования реального времени.

2. На основании анализа средств регулирования забойных параметров сформулированы принципы создания забойных систем для контроля и управления пространственным положением стволов скважин в процессе бурения.

3. Изучены физические процессы искривления, построена математическая модель процесса искривления ствола скважины.

4. Разработано устройство автоматического регулирования зенитного угла искривления скважины (патент РФ № 1Ш2380537) и изготовлен макет забойного датчика зенитного угла искривления ствола скважины.

5. Предложены критерии оптимальности управления траекторией при наклонно-направленном бурении.

6. Разработан алгоритм адаптации параметров регулятора, обеспечивающий минимизацию критерия качества.

7. Синтезирована система адаптивного регулирования зенитного угла искривления ствола скважины.

8. Проведено имитационное моделирование спроектированной системы. Показана эффективность предложенных критериев оптимальности. Показано, что использование адаптивной системы регулирования позволяет улучшить качество переходного процесса при воздействии на объект неконтролируемых возмущений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Тенденция к увеличению глубины бурящихся на горных предприятиях скважин, увеличение числа наклонно направленных и горизонтальных скважин приводит к острой необходимости непрерывного управления технологическими параметрами в течение всего времени бурения. Особое значение в этих условиях приобретает контроль за пространственным положением ствола скважины и в, частности, контроль и управление зенитным углом отклонения скважины. До настоящего времени не существует систем автоматического регулирования забойного угла искривления скважины, обладающих достаточными надежностными характеристиками и обеспечивающие необходимые параметры качества. В то же время, имеются технологические устройства, необходимые для создания высокоточной системы автоматического регулирования, в частности -быстродействующие глубинные датчики зенитного угла искривления скважины, канал связи между забоем и устьем, электронные регуляторы, работающие на поверхности скважины.

В работе получены результаты, позволяющие утверждать, что можно построить точную и быстродействующую систему автоматического регулирования зенитного угла искривления ствола скважины, основываясь на уже существующих разработках. Это достигается путем использования струйного аэродинамического забойного датчика, комбинированного канала передачи данных и алгоритмов оптимального управления.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Никульшин, Иван Викторович, 2010 год

1. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы,- М.: Высшая школа.- 1989.-263 с.

2. Алексеев Е.Р., Чеснокова O.B. Matlab 7.- М.:НТ Пресс, 2006. 464с

3. Андриевский, Б. Р. Избранные главы ТАУ с примерами на языке MATLAB / Б. Р. Андриевский, А. Л. Фрадков. СПб.: Наука, 1999. - 467 с.

4. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. -М.: Наука, 1966.

5. Бицута В.К. Сб.тр./ЧИГУ Автоматизация и электрификация объектов нефтяной промышленности Грозный, 1978-Вып.1.

6. Богачева A.B. Пневматические элементы систем автоматического управления. М., Машиностроение 1966 г.

7. Вержбицкий В.М. Численные методы. -М.ЮОО «Издательский дом «ОНИКС 21 век», 2005. 400с.

8. Власов А.Д., Мурин Б.П. Единицы физических величин в науке и технике. М., Энергоатомиздат, 1990 г.

9. Вострокнутов Н.Г., Евтихиев H.H. Информационно-измерительная техника. Учебн.пособие для специальности «Информационно-измерительная техника» вузов. М.: Высш.шк., 1997, — 232 с.

10. Ю.Ганджумян P.A., Калинин А.Г., Никитин Б.А. Инженерные расчеты при бурении глубоких скважин. М.: Недра, 2000, - 489 с.

11. П.Грачев Ю.В., Варламов В.П. Автоматический контроль в скважинах при бурении и эксплуатации. М.: Недра, 1968, - 327с.

12. Дегтярева A.M., Есауленко В.Н. Методы и забойные средства контроля в процессе бурения пространственного положения стволов глубоких скважин. НТЖ строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. ВНИИОЭНГ. №5, 2006.

13. Демихов В.И., Леонов А.И. Контрольно-измерительные приборы при бурении скважин. — М.: Недра, 1980, — 304 с.

14. Демихов В. И. Средства измерения параметров бурения скважин. М. Недра 1990 г.

15. Есауленко В. Н. Теория и практика систем контроля и автоматического управления забойными параметрами для совершенствования техники и технологии бурения скважин. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Том 1, 2. 1994 г.

16. Есауленко В.Н. Контроль и автоматическое регулирование забойных параметров в процессе бурения глубоких скважин на нефть и газ: Моногр. Астрах.гос.техн.ун-т. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2003, — 188 с.

17. Есауленко В.Н., Каган А.И., Леонов А.И. Устройство для измерения угла искривления скважин. Изв. ВУЗов Сер Нефть и газ. 1975. - No.5

18. Есауленко В.Н., Есауленко Н.В., Погуляева A.M. Блок питания измерительной аппаратуры аэродинамического действия. НТЖ строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. ВНИИОЭНГ. №4, 2008,- 15-16с.

19. Есауленко В.Н., Есауленко Н.В., Дегтярева A.M. Струйный датчик зенитного угла искривления скважины. НТЖ строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. ВНИИОЭНГ. №5, 2006.

20. Есауленко В.Н., Дегтярева A.M. Средства измерения зенитного угла искривления стволов глубоких скважин в процессе бурения. Вестник

21. Курганского ун-та.-серия «Технические науки». — Вып.2-4.1. Курган: Изд-во Курганского гос.ун-та, 2006, — 202 с.

22. Есауленко В.Н., Дегярева A.M., Есауленко Н.В. Комбинированный канал связи забоя с устьем скважины. НТЖ строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. М.: ВНИИОЭНГ. №10, 2007, - 60 с.

23. Есауленко В.Н., Никульшин И.В. Погуляева A.M., Математическая модель аэродинамического датчика зенитного угла искривления ствола скважины. Известия высших учебных заведений. СевероКавказский регион. Технические науки. №1, 2009г. 110-113 е.

24. Жеваго К.А. Привод буровых установок. М.: Недра, 1964г. 406с.

25. Загарий Г.И., Шубладзе A.M. Синтез систем управления на основе критерия максимальной степени устойчивости // Энергоатомиздат. -1988. -104с.

26. Ильин В.А. Телеуправление. -М.: , 1985

27. Исакович Р.Я., Попадько В.Е. Контроль и автоматизация добычи нефти и газа.-М.: Недра, 1985, —351с.

28. Калинин А.Г. Искривление скважин. М.: Недра, 1974, - 304 с.

29. Калинин А.Г., Кульчицкий В.В. Естественное и искусственное искривление скважин. М.: Институт Компьютерных Исследований, 2006, — 640 с.

30. Калинин А.Г., Ганджумян P.A., Мессер А.Г. Справочник инженера-технолога по бурению глубоких скважин/Под ред. проф. А.Г. Калинина. -М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2005, 808 с.

31. Калинин А.Г., Никитин Б.А. Повышение газонефтеотдачи продуктивного пласта при бурении горизонтальных и разветвельно-горизонтальных скважин. М.: ВНИИОЭНГ, 1995, - 76 с.

32. Калинин А.Г., Левицкий А.З., Никитин Б.А. Технология бурения разведочных скважин на нефтегаз. — М.: Недра, 1998, — 440 с.

33. Капля Е.В., Кузеванов B.C., Шевчук В.П. Моделирование процессов управления в интеллектуальных измерительных системах. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. 512 с.

34. Ковриго Ю.М., Мовчан А.П., Полищук И.А. Метод построения самонастраивающихся регуляторов для промышленного применения // ААЭКС, №1(15), 2005.

35. Козловский Е.А. Оптимизация процесса разведочного бурения. -М.: Недра, 1975,-303 с.

36. Козловский Е.А., Гафиятулин Р.Х. Автоматизация процесса разведочного бурения. М.: Недра, 1977, - 215 с.

37. Комаров С.Г. Техника промысловой геофизики. -М.:Гостоптехиздат, 1958.

38. Кулаков М.В. Технические измерения и приборы для химических производств. Учебник для вузов. Изд. 2-е перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1974, - 464 с.

39. Лукьянов Э.Е. Исследование скважин в процессе бурения. М.: Недра, 1979.

40. Малюга А.Г., Есауленко В.Н., Афонин Л.А. Технические средства контроля пространственных характеристик скважин. Обзорн.информация, Сер.приборы, средства автоматизации и системы управления. М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, 1986, - 42 с.

41. Меньков A.B., Острейковский В.А. Теоретические основы автоматизированного управления — М.: Издательство Оникс, 2005, — 640 с.

42. Миракян В.И., Рукавицин В.Н. Системы контроля геофизических и технологических параметров при бурении скважин // Обзорн. информация, Сер. Автоматизация и телемеханизация нефтяной промышленности. -М.ВНИИОЭНГ, 1986, No.6.

43. Никульшин И.В. Система автоматического регулирования зенитного угла искривления ствола скважины. НТЖ Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. ВНИИОЭНГ. №10, 2010.- 37-38с.

44. Никульшин И.В., Есауленко В.Н., Григулецкий В.Г. Построение математической модели процесса искривления ствола бурящейся скважины. НТЖ Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. ВНИИОЭНГ. №11, 2010.- 32-35с

45. Новиков Ю.В., Калашников O.A., Гуляев С.Э. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. М.: «Эком», 1997г.

46. Нагорный B.C., Денисов A.A. Пневматические и гидравлические устройства автоматики. — М. Высшая школа. 1978 г.

47. Плишке H.A., Цыкунов А.М, Адаптивные системы управления процессом бурения. Бишкек: Илим, 1991. - 168с.

48. Погуляева A.M. Экспериментальное исследование аэродинамического датчика зенитного угла искривления ствола скважины. НТЖ Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. М.: ВНИИОЭНГ, № , 2008, - 43 с.

49. Сборник задач по теории автоматического регулирования и управления / Под ред. В.А. Бесекерского. М.: Наука, 1978. - 512 с.

50. Свалов A.M. Механика процессов бурения и нефтегазодобычи. -М.: «Либроком», 2009.-256 с.

51. Советов Б.Я. Моделирование систем. М.: Высш. шк, 1998, - 319с.

52. Справочник по средствам автоматизации /Под редакцией В.Э.Низе и И.В.Антика-М.:, Энергоатомиздат, 1983.-393 с.

53. Справочник инженера по бурению в двух томах /Булатов А.И., Аветисов А.Г. -М.:Недра, 1989.

54. Сулакшин С.С. Направленное бурение. -М.: Недра, 1987.-272 с.

55. Тюкин И. Ю., Терехов В. А. Адаптация в нелинейных динамических системах. -М.:ЛКИ, 2008.-384 с.

56. Фомин В.Н., Фрадков А.Л., Якубович В.А. Адаптивное управление динамическими объектами. М.:Наука, 1981. - 448 с.

57. Шевчук В.П. Расчет динамических погрешностей интеллектуальных измерительных систем. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 288 с.

58. Шишкин О.П. Вопросы инженерного расчета и конструирования электрического канала связи по бурильным трубам.// Изв. ВУЗов.Сер. Нефть и газ.-1964.- №5

59. Шишкин О.П., Грачев Б.А. О возможности канала связи по трубам в скважине./ Изв. ВУЗов, Сер. Нефть и газ.- 1962.- No.7

60. Шубладзе A.M., Уланов А.Г., Ткачев В.П., Гулзев B.C., Ланченко Н.П. Адаптивные промышленные регуляторы // Приборы и системы управления. 1981. - №7.-С.15-16.

61. Элементы и устройства струйной техники. Под ред. Ф.А. Короткова М. Энергия 1972 г.

62. Юнин Е.К. Введение в динамику глубокого бурения. М.гЛиброком. -2009.-168 с.бб.Юревич Е. И. Теория автоматического управления. СПб.: БХВ-Петербург, 2007. - 560с.

63. A.C. 313970 СССР, МКИ3Е21 5 0В 47/02. Устройство для измерения угла искривления скважины /В.Н.Есауленко, Л.А.Афонин, А.И.Каган, А.И.Леонов

64. A.C. 386127 СССР, МКИ3Е21В 47/022. Устройство для измерения угла искривления скважины./Л.А. Афонин, В.Н. Есауленко.Опубл. 14.06.73. Бюл.№26.

65. A.C. 473007 СССР, МКИ3Е21В 47/022. Устройство для измерения угла искривления скважины / Л.А. Афонин, В.Н. Есауленко. Опубл. 05.06.75. Бюл.№21.

66. A.C. 516808 СССР, М.Кл.2 Е21 В 47/022. Устройство для измерения угла искривления скважины /Л.А.Афонин, В.Н.Есауленко. Опубл. 05.06.76. Бюл.№21.

67. A.C. 1382936 СССР, МКИ3 Е21 В 47/022. Устройство для измерения угла искривления скважины /Д.А.Бородин, В.Н.Есауленко, С.И. Есауленко. Опубл. 23.03.88. Бюл.№11.

68. A.C. 1209837 СССР, МКИ3 Е21 5 0В 47/022. Устройство для измерения угла искривления скважины. /Д.А.Бородин, В.Н.Есауленко, С.В.Есауленко. Опубл. 07.02.86. Бюл.№5.

69. A.C. 608917 СССР, М.Кл.2 Е21 5 0В 47/022 Устройство для измерения угла искривления скважины. /В.Н.Есауленко, Л.А.Афонин. Опубл. 30.05.78. Бюл.№20.

70. Свидетельство на полезную модель 67635. Автоматизированная система управления проводкой наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин "Траектория" Рогачев O.K., Повалихин A.C., Оганов Г.С., Чайковский Г.П.

71. Патент РФ 2161701 Система управления траекторией скважины в процессе бурения. Абрамов Г.С.; Барычев A.B.

72. Патент РФ 2263782 Способ непрерывного контроля за направлением действия отклонителя, измерения зенитных и азимутальных углов скважин и устройство для его осуществления. Мендебаев Т.Н., Городецкий И.М., Бобылев Ф.А., Смашов Н.Д.

73. Патент РФ№ № RU 2285797 С1 2006г. Есауленко В.Н., Дегтярева A.M., Есауленко Н.В. Устройство для измерения зенитного угла искривления ствола скважины. Опубл. 20.10.06. Бюл.№29.

74. Патент № RU 2380537С1 2008г. Есауленко В.Н., Никулыпин И.В., Есауленко Н.В. Григулецкий В.Г. Устройство автоматического регулирования зенитного угла искривления скважины. Опубл. 27.01.10. Бюл.№29.

75. Заявка на изобретение 94027811. Система бурения направленных скважин. Водяник Г.М., Нуждин A.B.

76. Решение о выдачи патента на изобретение по заявке № 2007116243/03 от 21. 10. 2008г. Есауленко В.Н., Дегтярева A.M., Есауленко Н.В., Никулыпин И.В. Устройство для измерения зенитного угла искривления скважины.

77. Fox H.L., Wood O.L., Control Engineering, 11, №96 1964. p. 75-81.

78. Wright C.P., Joint Automatic Control Conf., Stanford Unin., June 24-26, 1964. p. 541-555.