Методы и алгоритмы оперативного управления направленным бурением скважин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Агзамов, Зуфар Варисович

• Агзамов, Зуфар Варисович
• кандидат технических наук
• 1997

Оглавление диссертации кандидат технических наук Агзамов, Зуфар Варисович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1.ПРОБЛЕМА ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ Н.НГС . 15 1.1.Анализ современного состояния, в области систем

управления искривлением ствола ННГС

1.1.1.Параметры траектории ННГС ..'

1.1.2.Общий подход к решению проблемы формирования

траектории ННГС

1.1.3.Анализ современного состояния в области систем управления технологическим процессом бурения ННГС (СУ ТПБ)

1.1.4.Современный уровень развития СУ НБ. Проблема

. внедрения АСОУ НБ

1.1.5.Измерительные системы АСОУ НБ

1.1.6.Система осуществления управления

1.1.7.Система формирования управления СУНБ

1.2.Обзор современного состояния научных

исследований, в области экспертных систем с целью исследования возможностей их применения в

управлении бурением нефтяных скважин

1.3. Выводы и результаты по первой главе.

Постановка задачи исследования

ГЛАВА 2.РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

ТРАЕКТОРИИ СКВАЖИНЫ ННГС

2.1.Буровой инструмент как объект управления при

формировании ствола ННГС

2.1.1.Существующие подходы к построению модели

движения КНБК

2.1.2.Обобщенный подход к описанию медленных движений

КНБК

2.1.3.Режимы бурения ННГС по типу применяемой КНБК

2.1.4.Требования к модели движения КНБК как объекта оперативного управления

2.1.5.Общий подход к построению модели движения КНБК

2.1.6.Модель движения на режиме бурения ОКНБК

2.1.7.Учет геометрической закрутки

2.1.8.Модель движения на режиме бурения НКНБК

2.1.9. Многорежимная модель движения КНБК как объекта управления

2.2. Алгоритмы прогноза движения бурового инструмента '

при формировании траектории ННГС

2. 2.1. Общий подход

2.2.2.Выбор аппроксимирующих функций

2. 2.3.Идентификация математической модели движения

КНБК при направленном бурении

2.2.4.Алгоритм прогноза движения с постоянными

интенсивностями

2.2.5.Обобщенный алгоритм прогноза движения бурового инструмента на основе модели в дифференциальной

форме

2.2.6.Оценка эффективности алгоритма прогноза

2.3.Выводы и результаты по второй главе

ГЛАВА 3.РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ

ДВИЖЕНИЕМ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ БУРЕНИИ ННГС

. 3.1.Задача управления формообразованием траектории

скважины

3.2.Общая математическая постановка задачи

оперативного управления траекторией ННГС

3.3.Комплекс показателей эффективности управления траекторией ННГС

3.3.1.Показатели точности управления траекторией ННГС

3. 3.2.Показатель экономичности управления

траекторией ННГС

3.4. Концепция решения задачи оперативного управления движением бурового инструмента при бурении ННГС

3. 5. Разработка алгоритмов оперативного управления на

участке набора зенитного угла

3.5.1.Особенности управления на участке набора

зенитного угла

3.5.2.Общая математическая постановка задачи

оперативного управления на участке набора зенитного угла

3.5.3.Определение множества достижимости конечных

точек для ФОКНБК

3.5.4.Исследование алгоритмов терминального управления

на участке набора зенитного угла

3.5.5.Анализ эффективности обобщенного алгоритма терминального управления

3.6.Разработка алгоритмов оперативного управления на участке стабилизации зенитного угла

3.6.1.Особенности управления на участке стабилизации

зенитного угла

. 3.6.2.Общая математическая постановка задачи

оперативного управления на участке стабилизации зенитного угла

3.6.3.Разработка алгоритма оперативного управления на участке стабилизации зенитного угла

3.6.4.Анализ эффективности алгоритма оперативного управления на участке стабилизации зенитного угла

3.7.Выводы и результаты по третьей главе

ГЛАВА 4.КОМПЛЕКС ПРИКЛАДНОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ НАПРАВЛЕННЫМ БУРЕНИЕМ ННГС

4.1.Обзор программных средств управления стволом

скважины

4.2.Функциональная структура ПО АСОУ НБ

4.3.Алгоритмическая структура КППО АСОУ НБ

4.4.Расчет проектных профилей

4.4.1.Обзор методик расчета проектного профиля

4.4.2. Общий подход к построению алгоритма расчета проектного профиля пространственного типа для анизотропной среды

4.4.3.Алгоритм расчета проектного профиля пространственного типа с постоянными интенсивностями

4.4.4.Анализ эффективности алгоритма расчета пространственного профиля

4. 5.Выводы и результаты по четвертой главе

1 ГЛАВА 5.НОВЫЕ ПОДХОДЫ К УПРАВЛЕНИЮ ДВИЖЕНИЕМ БУРОВОГО

ИНСТРУМЕНТА С ПРИМЕНЕНИЕМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ

5.1.Новые подходы к прогнозированию траектории

скважины

5.1.1. Нечеткое прогнозирование

5.1.2. Вероятностное прогнозирование

5.2.Концепция прогнозирующего управления с

сохранением текущего управления

5. 2.1. Режимы бурения ННГС по характеру искривления

траектории

5.2.2.Концепция оперативного управления на проектных

1 сильноискривленных участках

5.2.3.Концепция оперативного управления на проектных слабоискривленных участках

5.2.4.Управление направленным движением бурового инструмента на основе нечеткой логики

5.3.Разработка структуры АСОУ НБ с экспертной управляющей системой

5. 3.1. Постановка задачи разработки ЭУС АСОУ НБ

5.3.2.Анализ предметной области процесса бурения

скважин с использованием IDEF-технологии

5.3.3.Методы оперативного управления траекторией

. скважины

5.3.4. Структура базы данных КНБК

5. 3.5.Структура системы оперативного управления на

основе ЭУС

5.3.6.Структура и функции экспертной управляющей

системы

5.3.7.Порядок работы ЭУС

5.4. Выводы и результаты по пятой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и алгоритмы оперативного управления направленным бурением скважин»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Истощение основных нефтяных месторождений, обуславливающее необходимость разработки труднодоступных залежей (бурение в сложных геологических условиях, тонких пластов, уплотнение сетки скважин и т.д.), а также появление новых технологий (бурение узких туннелей для прокладки кабелей под естественными препятствиями - реки, болота) предъявляет более жесткие требования по точности к процессу бурения. Это, в свою очередь, приводит к появлению новых задач управления бурением не только по направлению (зенитный и азимутальный углы), но и по точному положению скважины в пространстве (декартовы координаты) относительно других объектов.

За рубежом к настоящему времени известно более 200 систем управления траекторией ствола скважин, разработанных фирмами Shell Development, General Elektric, Exxon Production Research, Gearhart - Owen Industries и др., которые относятся, в основном, к классу телеизмерительных (Measurement While Drilling - MWD) -систем. Они обеспечивают измерение во время бурения основных параметров направления ствола скважины (азимут, зенит, угол ориентации поверхности инструмента), оценки пласта, параметров самого процесса бурения (скорости бурения, давления бурового раствора и т.д.). Имеющиеся за рубежом экспериментальные установки управления бурением посредством телеуправляемых с поверхности земли компоновок, изменением режима бурения, поворотом ротора бурильной колонны изготовлены в единичных образцах, дорогостоящи (1,8-2,0 млн. долларов) и не обеспечивают возможность непрерывного, полностью автоматического (без вмешательства оператора) управления движением бурового инструмента на основе замкнутых систем с обратной связью.

В нашей стране сегодня нет серийно выпускаемых телесистем для управления бурением, кроме системы СТЭ для электробурения. Однако низкие точность и надежность, необходимость применения специальных труб с кабельными секциями ограничивает возможность применения систем СТЭ в массовом бурении.

В настоящее время бурение наклонно-направленных и горизонтальных скважин (ННГС) составляет значительную долю в общем объеме буровых работ. Строительство ННГС, в отличие от

вертикальных, влечет за собой значительное повышение существующих и введение специальных требований к технологии проводки скважины. Одним из таких требований является формирование оптимальной пространственной траектории ствола скважины, обеспечивающей вскрытие продуктивного пласта в заданной области с учетом геологических и технологических ограничений. Качество выполнения данного требования непосредственно определяет эффективность ННГС, включая затраты на строительство и эффект от ее эксплуатации.

В современной практике бурения ННГС применяется двух -уровневый подход к решению данной задачи:

1) предварительное проектирование;

2) оперативное управление.

На этапе предварительного проектирования рассчитывается оптимальная проектная траектория ННГС и соответствующая ей программа управления технологическим процессом. Сложность проводки ННГС по проектной программе в реальных условиях обуславливается труднопредсказуемым характером внешних возмущающих воздействий (геологических, технических), вызывающих "естественное" отклонение ее геометрических параметров от расчетных.

Одним из путей решения данной проблемы является осуществление оперативного управления траекторией ННГС, под которым понимается процесс выработки и осуществления корректирующего управления в процессе бурения по результатам оценки текущего состояния точки забоя, обеспечивающего проводку траектории ствола скважины с минимальным отклонением от проектной. Одной из ведущих тенденций, обеспечивающей повышение качества оперативного управления, является внедрение автоматизированных систем управления траекторией скважин (АСУ ТС). Проведенный анализ современного уровня развития отечественных и зарубежных АСУ ТС свидетельствует о значительных достижениях в данной области, которые характеризуются следующим:

- внедрение измерительных телеметрических систем, включающих высокоточные глубинные измерительные преобразователи, микропроцессорную технику обработки информации, непрерывные каналы передачи данных на поверхность (ШГО, БМШБ - системы);

- разработка и внедрение устройств осуществления управления, включая телеуправляемый буровой инструмент, автоматизированные

исполнительные механизмы.

Наряду с развитием вышеуказанных систем, сегодня имеется значительное отставание в области решения задачи выработки оперативного управления АСУ ТС, современный уровень которых характеризуется ручным способом вычисления корректирующего управления. Центральным звеном при этом является оператор (технолог) буровой установки, вычисляющий корректирующее управление траекторией на основе упрощенных представлений о процессе движения бурового инструмента, представленного в виде таблиц, номограмм, а также предыдущего опыта бурения. Имеющаяся вычислительная техника применяется при этом, в-основном, для обработки и регистрации измерительных данных и не решает задачу выработки управления, что обуславливается прежде всего отсутствием специального математического и программного обеспечения системы оперативного управления траекторией ННГС.

Повышение требований по точности, высокий уровень неопределенности процесса управления, наличие сильных возмущений, опасность возникновения внештатных ситуаций обуславливают необходимость применения для этих целей повышают гибкость управления проводкой скважины и улучшают ее качество. Под интеллектуальным управлением в данном случае понимается такое нетрадиционное для области бурения управление, как использование аппарата экспертных систем (ЭС) и правил нечеткой логики.

На основании вышесказанного можно сделать вывод об актуальности проблемы разработки математического и программного обеспечения автоматизированной системы управления направленным бурением ННГС, основанного прогнозировании движения бурового инструмента с использованием математических моделей и методов современной теории управления, с целью повышения эффективности проводки скважин.

На основании сделанного вывода сформулированы цель и задачи данной диссертационной работы.

Цель работы. Разработка математического и прикладного программного обеспечения автоматизированной системы оперативного управления направленным бурением (АСОУ НБ) с применением методов оптимального и интеллектуального управления, обеспечивающего повышение эффективности управления траекторией движения бурового

инструмента при формирования ННГС.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

1. Математическая постановка задачи оперативного управления направленным бурением ННГС, включая построение математической модели движения бурового инструмента как объекта управления для решения задачи прогноза и оперативного управления направленным бурением ННГС.

2. Разработка математического обеспечения АСОУ НБ, включая разработку алгоритмической структуры АСОУ НБ.

3. Имитационное моделирование и исследование эффективности разработанных алгоритмов прогноза и оперативного управления траекторией ННГС.

4. Исследование возможности применения методов интеллектуального управления для повышения эффективности оперативного управления направленным бурением.

5. Разработка комплекса прикладного программного обеспечения АСОУ НБ, обеспечивающего эффективное принятие решений по оперативному управлению бурением ННГС на базе управляющей ЭВМ.

Методы исследования. При решении поставленных задач в работе был применен математический аппарат дифференциальной геометрии, системного анализа, математической статистики, теории оптимального управления, автоматического регулирования, теории искусственного интеллекта.

Научная новизна:

1. Построена многорежимная математическая модель движения бурового инструмента на основе объединения кинематического и статистического подходов, определяющая основные закономерности движения и влияние неучтенных геологических факторов на процесс формирования траектории ННГС.

2. Сформулирована математическая постановка задачи оперативного управления траекторией ННГС как задачи управления траекторией движения бурового инструмента на основе выбранной математической модели на различных участках проектной траектории и режимах бурения. Предложен подход к решению данной задачи с использованием прогнозирующей обратной связи, формирования

- и -

алгоритмов управления на отдельных участках траектории и оперативной коррекции их в процессе бурения.

3. Предложена алгоритмическая структура математического обеспечения АСОУ НБ, включающая в себя:

- алгоритмы расчета проектного профиля пространственного

типа;

- алгоритмы краткосрочного и долгосрочного прогноза траектории ННГС на основе модели, идентифицируемой в процессе бурения;

- алгоритмы терминального управления траекторией ННГС;

- алгоритмы регулирующего управления движением бурового инструмента.

4. Поставлена и решена задача анализа достижимости траекторией скважины заданной области пространства на основе критерия минимального количества переключений управляющего воздействия.

5. Разработана функциональная-структурная схема иерархической интеллектуальной автоматизированной системы оперативного управления направленным бурением скважин.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Показано, что применение новых подходов к развитию математического обеспечения АСОУ НБ, основанных на построении алгоритмов прогнозирования траектории и управления движением бурового инструмента с использованием нечеткой логики, статистической классификации и теории экспертных систем позволяет расширить в 1.5..2 раза диапазон действия внешних возмущений на движение бурового инструмента, повысить на 20..30% точность оперативного управления траекторией, снизить на 30..50% затраты на формирование управляющих воздействий в процессе бурения ННГС.

Разработан комплекс прикладного программного обеспечения выработки оперативного управления траекторией ННГС ориентированный на IBM - совместимую управляющую ЭВМ. Данный комплекс внедрен в ГНПП "Пилот" в качестве программного обеспечения управляющей ЭВМ в составе перспективной АСОУ НБ.

Работа выполнена на кафедрах промышленной электроники и вычислительной техники и защиты информации Уфимского государственного авиационного технического университета в

соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных научно -исследовательских работ УГАТУ по темам: АП-ПЭ-12-93-ПЗ, АП-ПЭ-04-94-ГР, АП-ПЭ-59-95-03, ИФ-ВТ-22-95-0Г, ИФ-ВТ-04-96-0Г, АП-ПЭ-59-96-03, АП-ПЭ-59-97-03.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно технических конференциях и совещаниях:

- Всероссийской научно - технической конференции "Автоматизация технологического проектирования", г.Пенза, 1991г.;

- 2-ой и 3-й Межреспубликанских научно-технических конференциях "Методы и средства управления технологическими процессами", г.Саранск, 1991 г., 1993 г.;

- 1-м Всероссийском совещании "Новые направления в теории систем с обратной связью", г. Уфа, 1993 г.;

- Международной конференции "Интеллектуальные автономные системы (ИАС-4)", г.Карлсруэ, Германия, 1995 г.;

- Всероссийской научно - технической конференции "Проблемы нефтегазового комплекса России", г. Уфа, 1995 г.;

- Всероссийской молодежной научно-технической конференции "Информационные и кибернетические системы управления и их элементы", г. Уфа, 1995 г.;

- Международной конференции "Методы и средства управления технологическими процессами", г. Саранск, 1995 г. ;

- Молодежной научной конференции "XXII Гагаринские чтения", Москва, 1996г.;

- Всероссийской научной конференции "Фундаментальные проблемы нефти и газа", ГАНГ им. Губкина, Москва, 1996 г;

- Конференции "Проблемы машиностроения, конструкционных материалов и технологий", г.Уфа, 1997 г.

Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 16 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из 176 страниц машинописного текста, включающего введение, пять глав, заключение, список литературы из 83 наименований.

Содержание работы. В первой главе рассмотрена проблема повышения эффективности управления технологическим процессом направленного бурения ННГС. Приведены результаты анализа современного уровня развития технического и математического обеспечения в данной области, а также обзор современного состояния научных исследований в области экспертных систем с целью исследования возможностей их применения в управлении бурением скважин. Обоснована целесообразность разработки и поставлена задача проектирования специального математического и программного обеспечения автоматизированной системы оперативного управления направленным бурением ННГС (АСОУ НБ) с применением 1 интеллектуальных методов управления. Выбрано направление исследования, сформулированы цель работы и задачи исследования.

Во второй главе приведены результаты анализа бурового инструмента как многорежимного объекта управления при решении задачи формирования траектории ННГС. Сформулированы требования к математической модели движения бурового инструмента как многорежимного объекта управления, включая режимы бурения ориентируемой и неориентируемой компоновками низа бурильной . колонны (КНБК). Проведен анализ существующих подходов к построению модели движения КНБК и обоснован выбор модели движения бурового инструмента на основе, комбинации кинематического и статистического способов описания. На основе предложенной модели 1 движения КНБК разработаны алгоритмы прогноза движения бурового инструмента при формировании траектории ННГС. Сформулированы требования к прогнозу движения КНБК с позиций алгоритмов поиска управления. Рассмотрены вопросы выбора аппроксимирующих функций и идентификации математической модели движения КНБК при направленном бурении.

В третьей главе рассмотрены подходы к синтезу алгоритмов оперативного терминального управления бурового инструмента при бурении ННГС. Рассмотрена общая задача управления формообразованием траектории скважины и сформулирована математическая . постановка задачи оперативного управления траекторией ННГС как задачи управления траекторией движения КНБК. 1 Разработана концепция оперативного управления движением КНБК на участках набора и стабилизации зенитного угла при формировании траектории ННГС. Показано, что на этапе коррекции траектории

скважины достаточно не более трех интервалов управления. Представлены результаты имитационного моделирования и оценки эффективности разработанных алгоритмов.

В четвертой главе приведено описание разработанного комплекса прикладного программного обеспечения управляющей ЭВМ АСОУ НБ, реализующего разработанное алгоритмическое обеспечение оперативного управления траекторией' ННГС. Приведен обзор программных средств управления стволом скважины, по результатам которого обоснована целесообразность разработки уникального ПО АСОУ НБ. Комплекс ориентирован для использования на базе IBM -совместимой ЭВМ. Комплекс является инструментальным средством, решающим следующие задачи: расчет проектных профилей пространственного типа, оперативная выработка значений управляющих воздействий, прогноз траектории бурящейся скважины. Комплекс может быть применен в следующих вариантах: на базе универсальной ЭВМ инженерно-вычислительного центра; на базе автономной универсальной ЭВМ, расположенной на буровой; на базе универсальной ЭВМ,сопряженной с телеметрической системой; на базе специальной ЭВМ, входящей в состав автоматизированной системы управления, сопряженной с телеметрической системой и исполнительным механизмами.

В пятой главе . описан подход к объединению разработанного математического и алгоритмического обеспечения в рамках интеллектуальной автоматизированной системы оперативного управления направленным бурением скважин, основанной на применении теории экспертных систем, статистической классификации и нечеткой логики. Разработана общая функционально-структурная схема, отражающая применяемые в рамках данной системы методы автоматизированного и автоматического управления. Предлагаются подходы к прогнозу на основе аппарата статистической классификации и нечеткой логики.' Разработаны алгоритмы регулирующего управления на основе нечеткой логики, позволяющие использовать знания высококвалифицированных технологов-буровиков. Предлагается структура экспертной управляющей системы, используемой на этапах проектирования проектной и опорных траекторий.

В заключении приведены основные выводы и результаты, полученные в диссертационной работе.

1. ПРОБЛЕМА ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ ННГС

Решается проблема оперативного управления траекторией наклонно-направленных и горизонтальных скважин (ННГС). Приведены результаты анализа современного уровня развития технического и математического обеспечения в данной области, а также обзор в ' области экспертных систем применительно к процессу бурения ННГС. Обоснована целесообразность разработки и поставлена задача проектирования специального математического и программного обеспечения автоматизированной системы оперативного управления направленным бурением ННГС (АСОУ НБ) с применением методов интеллектуального управления.

1.1. Анализ современного состояния в области систем управления искривлением ствола ННГС

Искусственное отклонение скважин обусловлено наклонным многозабойным (разветвленно направленным) и кустовым (многоствольным) бурением. Бурение ' таких скважин ускоряет освоение новых нефтяных и газовых месторождений, разведку полезных ископаемых, снижает капиталовложения и уменьшает затраты дефицитных материалов [34].

Наклонно-направленная или горизонтальная скважина, в отличие от вертикальной, предполагает искусственное отклонение траектории ствола от вертикали по заданной проектной траектории.

Основной задачей проводки ННГС является формирование траектории скважины, обеспечивающей попадание в заданную целевую область (точку вскрытия продуктивного пласта) и удовлетворяющей технологическим требованиям и требованиям безопасности.

1.1.1. Параметры траектории ННГС

Для математического описания траектории ННГС в работе использованы следующие параметры и обозначения:

1 - длина скважины - расстояние по оси скважины от устья до

точки замера (м);

б - зенитный угол - угол между вертикалью и наклоном скважины (град);

р - угол наклона - угол между горизонтальной плоскостью и наклоном скважины (град);

а - азимутальный угол - угол между направлением на магнитный север и горизонтальной проекцией касательной к скважине в точке замера (град);

А6 - зенитное искривление скважины - разность между величинами зенитных углов в двух последовательных точках замера (град);

Да - азимутальное искривление скважины - разность между величинами азимутальных углов в двух последовательных точках замера (град);

- интенсивность зенитного искривления - отношение зенитного искривления к длине отрезка'оси скважины, на котором оно произведено (град/м);

1а - интенсивность азимутального искривления - отношение азимутального искривления к длине отрезка оси скважины, на котором оно произведено (град/м);

I, - общее искривление скважины - угол между касательными к скважине в двух точках замера (град);

1 - общая интенсивность искривления скважины - отношение общего искривления к длине отрезка скважины, на котором оно произошло (град/м);

г - радиус кривизны траектории скважины в точке замера -величина, обратная общей интенсивности искривления скважины (м);

э, т, п - направляющие косинусы'углов между касательной к скважине и координатными осями;

А - апсидальная плоскость - вертикальная плоскость, проведенная через касательную к скважине в точке замера;

Т - плоскость действия отклонителя - проходит через две пересекающиеся прямые: ось долота и касательную к скважине;

Ч - угол перекоса отклонителя - угол перекоса осей верхней и нижней секций отклонителя;

ф - угол установки отклонителя - угол между апсидальной плоскостью и плоскостью действия отклонителя;

аоткл ~ азимут отклонителя на вертикальном участке

отсчитываемый по часовой стрелке угол между нулевым азимутом и проекцией плоскости действия отклонителя на горизонтальную плоскость;

фр- угол поворота ротора - равен азимуту отклонителя в • начальный момент спуска бурильной колонны, остается ему равным после спуска колонны при условии, если' колонна при спуске не проворачивалась; при провороте колонны соответственно увеличивается или уменьшается;

б - геометрическая закрутка бурильной колонны - величина изменения угла установки отклонителя при спуске колонны в скважину без проворота ротора; в общем случае под геометрической закруткой понимается эффект самопроизвольного изменения угла установки отклонителя по мере продвижения бурового инструмента.

й(0,х, у,ъ) - правая система декартовых координат, центр О которой совпадает с устьем скважины, ось Ох направлена по касательной к магнитному меридиану и на магнитный Север, ось 0z | направлена вертикально вниз, ось Оу дополняет правый трехгранник.

В процессе бурения ННГС систематически осуществляется измерение цилиндрических координат точки забоя скважины:

- длина скважины (1);

- азимутальный угол (а);

- зенитный угол (0)

- угол установки отклонителя (<р).

Измеряемые координаты характеризуют траекторию скважины, и дают однозначное представления о ее пространственном положении.

1.1.2. Общий подход к решению проблемы формирования

траектории ННГС

При решении проблемы формирования траектории ствола ННГС применяют известную эвристическую схему двухэтапной оптимизации [48]:

1) проектирование программной (оптимальной) траектории и соответствующей программы оптимального управления;

2) оперативное корректирующее управление.

На этапе проектирования программной траектории на основе статистических моделей долгосрочного прогнозирования [52] рассчитывается оптимальная проектная траектория ННГС Хп (рис. 1.1), обеспечивающая достижение цели бурения и выполнение технологических требования, а так же соответствующая проектная программа управления ип„ определяющая порядок смены типов КНБК и их параметры по длине скважины, обеспечивающий движение по проектной траектории.

Проблема формирования траектории ННГС

у

Наземное оборудование

X

Т4,-----

Буровой инструмент

Действительная траектория Буровой инструмент

Прогнозируемая траектория

Проектная траектория

Криволинейны конус

Проектная точка вскрытия продуктивного пласта

Круг допуска

Рис.1.1.

Проектная траектория ствола ННГС состоит из нескольких типовых проектных участков. Исходной информацией для расчета проектного профиля является устье скважины и целевая конечная точка вскрытия продуктивного пласта. Исходя из имеющихся условий вибирается тип профиля и рассчитываются его -.участки. При расчете профиля стремятся к оптимальности: минимум затрат на бурение и управление, максимум безопасности и т.д. при выполнении технологических ограничений.

Проектная программа управления задает порядок смены КНБК и типовых управляющих воздействий по длине ствола скважины.

Но в реальных условиях сложно провести ННГС по проектной программе, что обусловливается труднбпредсказуемым характером внешних возмущающих воздействий, вызывающих "естественное" отклонение ее параметров от расчетных. Возникновение данных возмущающих воздействий обусловлено различными факторами, к основным из которых относятся следующие [18]:

- геологические факторы, связанные с тем, что скорость бурения и направление естественного искривления ННГС в породах с различными физико-механическими свойствами также различны. К причинам возникновения данных воздействий относятся: слоистость, сланцеватость, трещиноватость, анизотропность горных пород, перемежаемость пород различной твердости, степень наклона пластов к горизонту и др.

- технические факторы, связанные' с тем, что отклонения параметров бурового инструмента и режима бурения от расчетного приводят к интенсивной разработке стенок скважины, вызывающей дополнительный перекос бурильной компоновки и отклонению оси скважины от проектной. К причинам возникновения данных отклонений можно отнести неправильную установку ротора бурильного станка, применение бурильных компоновок с неправильной конструкцией и размерами, плохого качества и др.

В результате действия данных возмущающих факторов возникают существенные осложнения при проводке скважины, такие как смещения забоя фактической траектории скважины на десятки и сотни метров от проектной траектории, возникновение резких перегибов и уступов ствола скважины, что может привести к невыполнению цели бурения и возникновению аварийных ситуаций.

Путем решения данной проблемы является оперативное управления направленным бурением ННГС, т.е. выработка и осуществление корректирующего управления в процессе бурения, производимые по результатам оценки текущего состояния точки забоя, обеспечивающие достижение цели управления (Ск) и выполнение требований ограничений к параметрам траектории ствола скважины. В результате находится новая программа оперативного управления, отличная от проектной тем, что в ней могут встречаться нетиповые для участков КНБК (например, ОКНБК на

I

- 20 -

участке стабилизации) и нетиповые управления (например, на участке набора зенитного угла угол установки отклонителя, отличный от ноля). Как уже отмечалось, решение задачи оперативного управления осуществляется с помощью системы управления направленным бурением скважины (СУ НБ).

1.1.3. Анализ современного состояния в области систем управления технологическим процессом бурения ННГС (СУ ТПБ)

Бурение ННГС представляет собой сложный технологический процесс, включающий в себя комплекс задач, решаемых с помощью системы управления технологическим процессом бурения (СУ ТПБ), в которую СУ НБ входит в качестве составной части (рис.1.2).

Рис.1. 2.

Круг задач АСУ ТПБ разделяется на две основные группы, характеризующие различные стороны процесса бурения и решаемые соответствующими подсистемами управления :

1) задачи управления технологическим режимом бурения система управления режимом бурения (СУ РБ). Данные задачи ставят своей целью обеспечение максимальной экономической эффективности процесса бурения с точки зрения затрат на его реализацию. При этом в качестве критериев эффективности используются [67]:

- механическая скорость проходки : vm -» шах;

- рейсовая скорость проходки: vp шах;

- энергозатраты: w3 -» min;

- производительность: nc min;

- себестоимость проходки: сб -» min.

К существующим системам данного класса относятся такие, как системы типа АВТ (автомат веса-тока), АПД (автомат подачи долота), АРП (автоматический регулятор подачи), БР-1 (буровой регулятор), АНС-1 (экстремальное устройство подачи долота) [67].

Рассмотрение задач СУ РБ является предметом самостоятельных исследований и выходит за рамки данной работы.

2) задачи управления процессом формирования траектории скважины - система управления направленным бурением скважины (СУ НБ). Решение данных задач является предметом исследований, проведенных в работе.

t

1.1.4. Современный уровень развития СУ НБ.

Проблема внедрения АСОУ НБ

Одной из ведущих тенденций развития СУ НБ является автоматизация процесса оперативного управления траектории ННГС или внедрения АСОУ НБ, связанная с включением в состав системы цифровых вычислительных устройств (мини и микроэвм, спецвычислителей), решающих в реальном масштабе времени задачи обработки информации и формирования значений управляющих воздействий; разработкой и внедрением бурового инструмента с телеуправляемыми параметрами, позволяющего осуществлять | управление направленным бурением скважины без остановки самого процесса бурения; применением телеизмерительных систем, обеспечивающих непрерывное измерение параметров состояния забоя скважины.

Обобщенная техническая структура АСОУ НБ показана на рис.1.3 и содержит следующие подсистемы:

1) компоновка низа бурильной колонны (КНБК);

2) колонна бурильных труб (КБТ);

2) измерительные системы (ИС);

3) система формирования управления (СФУ);

4) система осуществления управления (СОУ).

Ниже рассмотрено современное состояние развития технического , и математического обеспечения подсистем АСОУ НБ.

Обобщенная техническая структура АСОУ НБ

Рис. 1.3

1.1.5. Измерительные системы АСОУ НБ

Измерительные системы (ИС) выполняют функцию наблюдения и контроля за положением точки забоя бурящейся скважины. Обобщенная техническая структура ИС включает в себя следующие основные элементы (см. рис.1.3):

1) глубинное измерительное устройство (ГИУ) - первичное | измерение параметров точки забоя, предварительная фильтрация данных, сжатие информации, преобразование в сигнал, передаваемый на поверхность. Существует два типа ГИУ, определяющих классификацию измерительных систем:

- автономные ГИУ (автономные ИС) - измеренная информация накапливается в ГИУ и считывается после его извлечения на поверхность;

- телеизмеряющие ГИУ (телеизмерительные ИС) - измеренная информация поступает из ГИУ на поверхность непрерывно в процессе измерения по каналу передачи данных.

Современное состояние развития ГИУ характеризуется внедрением высокоточных первичных преобразователей [4,19,29,58] и микропроцессорной техники для предварительной обработки данных, обеспечивающих достаточно высокую точность измерения параметров пространственного положения точки забоя.'

2) канал передачи данных (КПД) - выполняет функцию передачи информации от ГИУ к наземным устройствам. В настоящее время нашли применение следующие типы КПД [30,32]:

- электрический проводной канал;

- электрический беспроводной канал;

- гидравлический канал;

- акустический канал.

К современным ИП, использующим КПД относятся:

- системы с периодическим измерением параметров (автономные каротажные системы): требуют остановки процесса бурения для проведения измерений. Используют, как правило, электрический проводной канал передачи данных. К 'системам данного класса относятся такие, как КИТ, КИТА, ИМ-1, ИМ-30, МИР36, "Зенит -40У" и др. [44];

- системы с непрерывным измерением параметров (телеметрические системы) - обеспечивают измерения в процессе бурения. Используются все типы каналов передачи данных. По международной классификации данные системы относятся к классу MWD систем (Measurement While Drilling). Среди отечественных MWD систем наибольшее развитие получили системы с электрическим проводным каналом связи, такие как СТЭ, СТТ, ЭТО. К отечественным системам с гидравлическим каналом связи относятся системы "ЭХО АТ-3", "Пилот" и др. Зарубежные MWD системы, как правило, основаны на применении гидравлического 'канала передачи данных, среди которых можно отметить следующие: система EX LOG фирмы Sovering Oil and Gas, система фирмы Teleco Oilfield Services Inc., система фирмы Mobil Research and Development, система SS-1 фирмы BecField Drilling Services и др. [4,6,34].

3) наземное приемное устройство (НПУ) - выполняет функции приема информации от ГИУ; обработку и отображение информации:

■восстановление, отбраковка аномальных измерений, фильтрацию; оценку неизмеряемых параметров; прогноз; отображение; хранение; документирование. Современное состояние НПУ характеризуется широким применением спецвычислителей, микроэвм, универсальных ПЭВМ с развитым математическим и программным обеспечением. К указанным системам можно отнести такие, как Sperry Sun, Gerghart Geodata, Becfield и др., к отечественным системам можно отнести систему "Пилот", основанную на применении спецвычислителя на базе микроэвм "Башкирия" [4,17,29,46,54,59,65].

На основании вышесказанного сделан вывод о том, что современный уровень развития измерительных систем СУ НБ позволяет осуществлять эффективное автоматизированное управление процессом формирования траектории ННГС.

1.1.6. Система осуществления управления

Система осуществления управления (СОУ) выполняет функцию реализации управляющих воздействий, значения которых формируются в СФУ. Обобщенная техническая структура СОУ включает в себя следующие основные элементы (см.рис.1.3):

1) буровой мастер (буровая бригада) - обеспечивает координацию и функционирование элементов СОУ, вследствие ручного характера большинства операций по реализации управления траекторией ННГС на серийных буровых установках;

2) средства реализации управления, включая следующие:

- подъем на поверхность и спуск в-Забой КНБК;

- формирование структуры КНБК;

- формирование геометрических параметров КНБК;

- пространственную ориентацию КНБК в забое.

Современное развитие СОУ характеризуется разработкой и внедрением средств, обеспечивающих автоматизацию процесса реализации управления. Данные средства предполагают наличие исполнительных механизмов, обеспечивающих телерегулирование параметров КНБК без остановки процесса бурения.

В настоящее время разработаны телеуправляемые отклонители, позволяющие осуществлять автоматическое управление интенсивностью искривления в процессе бурения путем изменения угла перекоса

отклонителя при бурении ориентируемым типом КНБК. В качестве примера данных отклонителей можно привести следующие: отклонитель многопозиционный управляемый 0МУ172,195,240, отклонитель -стабилизатор ОСУ 125,195, переводник с переменным изгибом Telepilot в составе системы фирмы CMF International, система Eastman Crlstensen [6].

Разработаны системы автоматического управления приводом ротора, обеспечивающие следящее регулирование величины угла установки отклонителя при бурении ориентируемым типом КНБК, определяющего положение плоскости 'искривления траектории скважины. В качестве примера можно привести автоматический привод ротора, разработанный в ГНПП "Пилот".

На основании вышесказанного сделан вывод, что современный уровень развития средств реализации управляющих воздействий на буровой инструмент позволяет осуществлять автоматизированное управление траекторией ННГС.

1.1.7. Система формирования управления СУ НБ

Система формирования управления (СФУ) выполняет функцию вычисления величин управляющих воздействий, обеспечивающих достижение цели управления траекторией ННГС. СФУ включает в себя следующие основные элементы (см. рис.1.3):

1) оператор буровой установки (БУ) - центральное звено, на серийных буровых установках. Осуществляет операции по выработке и принятию решений по управлению траекторией ННГС

2) вычислительный центр РИТЦ - осуществляет выработку управления в критических ситуациях по информации, передаваемой оператором БУ;

3) канал связи (КС) - осуществляет радио или проводную телефонную связь оператора БУ с информационным пунктом УБР (ИП УБР).

4) ЭВМ - предназначена для автоматизации процесса выработки управления.

Существуют следующие способы организации взаимодействия элементов СФУ:

1) оператор БУ принимает решение без применения вычислительных средств на основе информации ИП УБР;

2) оператор БУ принимает решения на основе рекомендаций ИП

■ УБР;

3) оператор БУ принимает решение на основе рекомендаций управляющей ЭВМ;

4) решение принимает управляющая ЭВМ.

В современных СУ НБ применяется первый или второй принцип организации процесса формирования управления, определяющие ручной принцип управления и являющиеся наименее эффективными. Так, при первом способе, значение управления определяет оператор на основе опыта проводки предыдущих скважин, второй способ является труднореализуемым и применяется только в критических ситуациях. При этом ЭВМ применяется для отображения состояния точки забоя и , прогноза дальнейшего движения.

К наиболее эффективным способам организации процесса выработки управления относятся способы 3 и 4. При этом способ 4 определяет автоматический принцип управления, который в настоящее время является труднореализуемым вследствие недостаточного уровня технического развития телеуправляющих исполнительных механизмов КНБК. Поэтому наиболее эффективным способом организации является способ 3, определяющий автоматизированный принцип управления.

Однако применение автоматизированного принципа управления в настоящее время затруднено из-за отсутствия эффективного математического, алгоритмического и программного обеспечения решения задачи выработки оперативного управления на базе ЭВМ.

На основании вышеприведенного анализа сделан следующий вывод: одним из путей повышения эффективности оперативного управления траекторией ННГС является разработка специального математического и программного обеспечения выработки управления, с учетом существующего уровня автоматизации подсистем АСОУ НБ.

Техническая реализация АСОУ НБ возможна путем применения специальных управляющих ЭВМ, сопряженных с измерительным каналом, или использования ЭВМ, входящей в состав существующих измерительных систем АСОУ НБ.

Далее в работе рассматриваются предлагаемые подходы к решению задач, связанных с проектированием данного математического и программного обеспечения АСОУ НБ.

1.2. Обзор современного состояния научных исследований в области экспертных систем с целью исследования возможностей их применения в управлении бурением нефтяных скважин

Современные интеллектуальные системы автоматизированного управления строятся на основе интеграции элементов интеллектуальных технологий в автоматизированные системы управления. Инструментальные средства интеллектуальных технологий . выполняют функции интеллектуального анализа информации, фиксации критических отклонений показателей ' от нормальных режимов функционирования объектов, классификации данных, моделирования ситуаций, создания схем принятия решений, визуализации данных.

Экспертные системы успешно применяются в области бурения нефтяных скважин. Примером могут служить следующие экспертные системы [69]:

DRILLING ADVISOR - помогает буровому мастеру при бурении нефтяных скважин разрешать вопросы, связанные с прихваткой долота, диагностируя наиболее вероятные причины прихватки, и рекомендует ряд мер для преодоления трудности и снижения вероятности ее повторения;

LITH0 - помогает геологам интерпретировать данные каротажа нефтяных скважин, чтобы охарактеризовать породы, через которые проходит скважина;

MUD - помогает инженерам обеспечивать оптимальные свойства бурового раствора, диагностируя причины затруднений, связанных с применением раствора, и предлагает способы их устранения и др.

Проект интеллектуальной системы автоматизированного управления процессом бурения нефтяных скважин должен учитывать особенности объекта управления как сложной динамической системы, функционирование которой описывается большим количеством характеристик, неоднозначностью и неопределенностью их измерения и анализа. Перед оператором, управляющим процессом бурения | нефтяной скважины, стоит сложная задача осуществления мониторинга измеряемых величин, отображающих процесс бурения, анализа информации и принятия управляющих решений. Для поддержки принятия решений оператором предлагается построить интеллектуальную систему автоматизированного управления на основе экспертной управляющей системы, возложив на нее перечисленные выше функции

■интеллектуального управления.

Управляющие экспертные системы могут полностью заменить человека в каких-то специализированных областях. Так, ECESIS [69] обеспечивает автономное управление системой жизнеобеспечения (СЖ), применяемой на борту обитаемой космической станции. Система решает, как изменить режимы работы различных подсистем СЖ при переходе из земной тени на освещенный солнцем участок орбиты. Она также наблюдает за СЖ, переключая режимы ее работы в ответ на различные события. Хотя ECESIS имеет смешанную архитектуру, включающую как основанную на правилах, так и использующую семантическую сеть схемы представления, в ней применяется байесовская модель учета неопределенности, разработанная для системы PROSPECTOR. Она разработана в "Боинг Аэроспейс Компани" и доведена до уровня исследовательского прототипа.

Управляющая экспертная система может строить управление не только исходя из заложенных в ней знаний, но и применять модели управляемых объектов. Так, экспертная система NPPC помогает операторам атомной электростанции определять причины возникновения некоторых нештатных ситуаций (например, повышение температуры в реакторе за пределы нормы), применяя правила в сочетании с моделью работы станции. NPPC использует модель первичного контура системы охлаждения, включающую насосы, реактор, парогенератор и аварийную систему охлаждения активной зоны, для диагностирования причины возникновения нештатного режима или аварийной ситуации, а затем предлагает меры для исправления положения. Модель состоит из совокупности алгоритмов, основанных на "здравом смысле", имеющих доступ к соответствующим диагностическим правилам. Система разработана в Технологическом институте штата Джорджия и доведена до уровня исследовательского прототипа.

В последнее десятилетие экспертные системы разрабатываются и эксплуатируются в виде систем с базой знаний. Их используют в управлении сложными технологическими процессами, в здравоохранении, страховании, банковском деле и других областях, чтобы с помощью правил и объектов, суммирующих накопленный опыт, повысить качество принимаемых решений [79].

Мировой опыт показывает, что системы с базами знаний необходимо встраивать в самые важные бизнес-процессы и

■ организовывать работу персонала так, чтобы они могли максимально использовать их преимущества для достижения наилучших результатов. Например, в системы управления для интеллектуального анализа данных встраиваются модули, использующие байесовские оценки условной вероятности для сложных гипотез. Такие оценки исключительно удобны на практике, так как позволяют объединять результаты экспериментов (опросов и выборочных обследований) с мнением экспертов. Так работают многие современные экспертные системы. Другой популярный сейчас подход к экспертным оценкам -обучение нейронных сетей. Отличительная особенность современных методов учета мнений экспертов - отказ от строгой двузначности классического исчисления предикатов первого порядка. Накопленный опыт разработки и эксплуатации диктует необходимость использования нечетких множеств. В табл. 1.1 показаны сравнительные характеристики экспертных'систем 80-х и 90-х годов, которые отражают основные тенденции в разработке экспертных систем.

Таблица 1.1

Характеристики

Экспертные системы 80-х г. г.

Экспертные системы 90-х г. г.

Модели

представления знаний

Логические модели Продукционная модель Фреймы

Семантические сети

Логические модели с нечеткой логикой Продукционные модели Семантические сети

Модели, основанные на прецедентах

Программная реализация

Специализированные языки

программирования (Пролог, 0PS-5, FRL) Базовое программное обеспечение - MS DOS

■Традиционные языки пр о гр аммир о в ания Взаимодействие со стандартными СУБД Базовое программное обеспечение - Windows 3.11, NT, 95; Unix

Аппаратная реализация

Персональные компьютеры (напр., IBM PC)

Рабочие станции вычислительных сетей (DEC, HP, SUN, IBM)

Принцип применения

Автономный

Базы знаний, встроенные

интеллектуальные

системы

Из табл.1.1 видно, что наиболее перспективными и широко

■используемыми моделями представления знаний являются логическая модель с нечеткой логикой и продукционная модель. Для разрабатываемой экспертной системы предлагается использовать продукционную модель с включением в нее факторов уверенности для отображения нечетких знаний.

Экспертная система для управления бурением относится к классу систем, работающих в реальном времени. Это означает, что она должна реагировать на поступающую информацию о процессе бурения в порядке ее поступления. Время реакции экспертной системы должно быть меньше, чем время, необходимое оператору для принятия управляющих решений. ' Другой особенностью функционирования экспертной системы реального времени является необходимость работы с неполной, нечеткой информацией, получаемой от датчиков технологического процесса. Поэтому в экспертной системе должны быть предусмотрены средства для работы с нечеткими данными. Функционирование экспертной системы в реальном времени происходит в условиях работы объекта по заранее намеченной программе; однако должны быть предусмотрены средства прерывания заданной программы при отклонениях параметров бурения от заданных значений, превышающих допустимые пределы, а также при незапланированных событиях (отказах, ошибках оператора и т.д.). Система должна обеспечивать оценку значимости событий, классифицировать ситуации, складывающийся на объекте управления, и формировать в зависимости от класса ситуации управляющие решения в соответствии с правилами, хранящимися в базе знаний.

Одно из назначений экспертных систем реального времени (ЭС РВ) - заменить человека в управлении процессами, требующими незамедлительной реакции оператора [41]. Этот сектор рынка бурно развивается: 70% всех продаваемых в мире специализированных экспертных систем составляют экспертные системы реального времени. К сожалению, в России практически отсутствуют готовые коммерческие продукты в данной области. Научными институтами создана мощная теоретическая база, существуют многочисленные разработки демонстрационных, исследовательских или узкоспециальных систем, решающих специфические задачи отдельных организаций. Однако все они, как правило, не отвечают требованиям, предъявляемым к экспертным системам управления сложными технологическими процессами, такими, как процесс добычи

•нефти. Для эффективного использования экспертной системы необходима проблемно-предметная ориентация системы, использование традиционных языков программирования вместо языков искусственного интеллекта, интегрируемость, открытость и переносимость на различные аппаратные платформы, ориентация на архитектуру клиент-сервер.

В ноябре 1994 г. на российском рынке появилась экспертная система реального времени (ЭС PB) G2 производства американской фирмы Gensym, представителем которой в России является компания "Аргуссофт". G2 3.0 - базовое программное обеспечение для построения экспертных систем реального времени для конкретных задач, позволяющее избежать трудоемкого программирования и автоматически обеспечивающее соблюдение стандартов по переносимости, открытости и интегрируемости. Это объектно -ориентированная система с графическим представлением объектов и дружественным интерфейсом пользователя. В ней используется интерактивная графика. G2 работает на платформах DEC, HP, SUN, IBM, Intel в операционных средах Unix, VMS, Windows. Система поддерживает сетевые протоколы TCP/IP и DECnet. Она может работать в неоднородной сети. Блок взаимодействия с внешним миром обеспечивает обмен с базами данных (Oracle, SyBase, DEC Rdb), программируемыми контроллерами ведущих фирм, системами сбора данных (ABB, Siemens и др.) и концентраторами данных (DEC BASEstar, SETPOINT SETCIM, Allen Bradley Pyramid Integrator).

Для успешного функционирования G2 требуется 32 Мбайт оперативной памяти (6 Мбайт клиентской части). Приложения G2 используются для составления планов, интеллектуального управления производственным процессом, проверки данных и измерительных приборов, предупреждения нештатных ситуаций, выполнения необходимых процедур при останове и возобновлении производства, контроля качества в реальном времени, контроля загрязнения окружающей среды, консультирования и обучения персонала. Они применяются в химической, металлургической и пищевой промышленности, станкостроении, управлении транспортными потоками, обучении. Особенно много приложений G2 разрабатывается в настоящее время для нефтяных и газовых компаний. G2 стоит от 17 тыс. до 40 тыс. долл. В России ни одного экземпляра еще не продано, однако интерес к системе проявили в первую очередь

представители нефтяных компаний.

В качестве других типичных представителей современных экспертных систем реального времени можно назвать экспертные системы RTWorks и EXSYS. В таблице 1.2 приведены сравнительные характеристики различных экспертных систем реального времени.

Высокая цена системы, требования к аппаратной части и отсутствие прецедентов окупаемости использования инструментальных средств разработки ЭС в России могут привести к тому, что планы по созданию приложений G2 так и останутся планами. Фирма Talarían - ближайший конкурент Gensym - разработала оболочку экспертных систем RTWorks. Однако в RTWorks, которая стоит дешевле, не реализована часть возможностей G2.

Тем не менее, экспертные системы, построенные на базе RTWorks, могут также эффективно использоваться для управления технологическими процессами в реальном времени: например, для управления региональными узлами глобальных вычислительных сетей, управления системами спутниковой связи и т.д. Экспертные системы, использующие оболочку RTWorks, могут обрабатывать несколько тысяч правил на каждую секунду.

В качестве аппаратных платформ для RTWorks могут, например, использоваться SPARC- DECSTATION-, НР9000~/7хх и т.д. В качестве базового программного обеспечения используются операционные системы Sun OS - 4.1.1, Open VMS VAX 6.1 и т.д.

Как видно из табл.1.2, универсальные коммерческие оболочки экспертных систем реального времени обладают весьма широкими возможностями по предоставлению экспертных консультаций пользователю в реальном времени. Однако постановка задачи интеллектуального управления бурением скважин предполагает использование экспертной системы в качестве подсказчика оператору и установку на платформе персональной ЭВМ. Следовательно, избыточность функций и режимов работы вышеперечисленных экспертных систем, высокие требования к аппаратному обеспечению и операционным средам, а также большие цены не позволяют рекомендовать использование G2, RTWorks и EXSYS для решения поставленной задачи. Поэтому предлагается разработать новую специализированную экспертную систему рбального времени- В то же время, для разработки базы знаний этой экспертной системы возможно использование готовых оболочек экспертных систем,

-например, EXSYS, обладающей весьма эффективными и наглядными средствами разработки правил для баз знаний. Предлагается реализовать экспертную систему на платформе IBM PC в операционной среде Windows (автономный вариант, реализующий лишь наиболее необходимые функции интеллектуального управления), или реализовать экспертную систему в архитектуре клиент - сервер с размещением базы знаний и механизма' логического вывода на сервере, а компонент взаимодействия оператора с экспертной системой - на рабочих станциях.

Сравнительные характеристики ЭС PB

Таблица 1.2

Наименование ЭС PB

Фирма разработчик

Функции и применение

Требования к

аппаратному

обеспечению

Стоимость, тыс. долл.

G2

RT-W0RKS

EXSYS

Gensym, USA

Talarian

Corp.

Mountain

View,

USA

Exsys, Inc.

Albuquerque, USA

Приложения используются для составления планов, интеллектуального управления производственными процессами, проверки данных и измерительных приборов, предупреждения нештатных ситуаций, выполнения необходимых процедур при останове и возобновлении производства, контроля качества в реальном времени, контроля загрязнения окружающей среды, консультирования и обучения персонала.

Анализ, принятие решений, планирование, диагностика, идентификация, поиск неисправностей

Принятие решений, диагностика отказов, управление сложными системами, прогнозирование, планирование, идентификация

Платформы DEC, HP, SUN, IBM, Intel в операционных средах Unix, VMS,

Windows.

SPARC-

DECSTATIGN -HP9000~/7xx операционные среды Unix, Windows, VAX

Платформы Sun

SparcStation IBM,

Macintosh в операционных средах Windows, Unix, Apple

17-40

18

1.495

Сформулируем требования к экспертной управляющей системе реального времени. Идеальная область применения ЭС РВ - область, где оператор контролирует оперативную информацию (обычно выведенную на дисплей) и возможно необходимо своевременно принимать управляющие решения, область, где люди перегружены постоянными потоками информации. К такому классу проблемных областей относится процесс управления бурением скважин. С учетом вышесказанного можно сделать вывод о том, что разрабатываемая экспертная система должна выполнять следующие функции:'

- поддержка принятия управляющих решений оператором в реальном времени;

- диагностика отклонений от штатных режимов бурения;

- предоставление оператору текстовой и графической информации в удобной и наглядной форме;

- предоставление объяснений оператору по поводу сделанных рекомендаций (по запросу);

- обучение новым правилам распознавания ситуаций, возникающих на объекте управления, и правилам принятия решений.

1.3. Выводы и результаты по первой главе. Постановка задачи

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Агзамов, Зуфар Варисович

Основные результаты, полученные в диссертационной работе:

1. Построена многорежимная математическая модель движения бурового инструмента на основе концепции объединения кинематического и статистического подходов, определяющая основные закономерности движения и влияние неучтенных геологических факторов на процесс формирования траектории ННГС.

2. Сформулирована математическая постановка задачи управления траекторией ННГС как задачи оперативного управления движением бурового инструмента на основе выбранной математической модели на различных участках проектной траектории и режимах бурения. Предложен подход к ее решению с использованием прогнозирующей обратной связи, формирования алгоритмов управления на отдельных участках траектории и оперативной коррекции их в процессе бурения.

3. Предложена алгоритмическая структура математического обеспечения АСОУ НБ, включающая в себя:

- алгоритмы расчета проектного профиля пространственного типа;

- алгоритмы краткосрочного и долгосрочного прогноза траектории ННГС на основе модели, идентифицируемой в процессе бурения;

- алгоритмы терминального управления траекторией ННГС;

- алгоритмы регулирующего управления движением бурового инструмента.

4. Поставлена и решена задача достижимости в процессе оперативного управления траекторией скважины заданной области пространства на основе критерия минимального количества переключений управляющего воздействия. Показано, что для обеспечения требуемой точности не хуже 0.3 м, на участке набора зенитного угла до 300.400 м. достаточно не более трех интервалов переключений управления.

5. Показано, что применение новых подходов к построению математического обеспечения АСОУ НБ на основе использования алгоритмов прогноза и управления движением, применения методов нечеткой логики, статистической классификации и теории экспертных систем позволяет расширить в 1.5.2 раза диапазон воздействия внешних возмущений на движение бурового инструмента, повысить на 20.30% точность оперативного управления траекторией, снизить на 30.50% затраты на формирование управляющих воздействий в процессе бурения ННГС.

6. Разработан комплекс прикладного программного обеспечения перспективной АСОУ НБ на основе разработанного математического и алгоритмического обеспечения, сформулированы требования и рекомендации по построению экспертной системы реального времени для управления проводкой ННГС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Агзамов, Зуфар Варисович, 1997 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Абдулаев Н.Д., Петров Ю.П. Теория и методы проектирования оптимальных регуляторов. -Л.: Энергоатомиздат, 1985.- 240 с.

2. Алюков М.В.,Никулина М.Б. Математическое обеспечение компьютеризированных систем контроля и управления проводкой наклонно-направленных скважин //Изв.вузов,сер."Нефть и газ", N8, 1989. - С.21-29.

3. Александров М.М. Взаимодействие колонны труб со стенками скважины. -М.: Недра, 1982 -СА4~2£

4. Р. И. Алимбеков, В. И. Васильев, И.Ф. Нугаев, З.В.Агзамов. Автоматическое управление с прогнозированием для автономного робота-бура // Интеллектуальные автономные системы: Международное научное издание, Уфа-Карлсруэ, 1996. С.51-56.

5. Р.И. Алимбеков, В.И. Васильев, И.Ф. Нугаев, З.В.Агзамов. Система автоматизированного управления траекторией движения бурового инструмента // Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий: Сборник трудов, Уфа, Тилем", 1997. С.122-130.

6. Бадовский H.A. Технический прогресс в бурении // Нефтяное хозяйство, N 2, 1993 - С. 59 -61.

7. Батенко А.П. Системы терминального управления. - М.: Радио и связь, 1984. - 160 с.

8. Беляев В.М.,Гусман М.Т.,Эскин М.Г. Современное состояние кустового бурения с применением забойных двигателей. - М.: изд.ВНИИОЭНГ, 1989 , Вып. 12. -61с.

9. Биишев А.Г., Немироваский Е.А., Сулейманов В.И., Кислицин А.Г. Повышение качества наклонно-направленных скважин путем оперативного контроля траектории. // Совершенствование процессов бурения скважин и нефтедобычи/ Сб. науч. тр., вып.78, Уфа, БашНИПИнефть, 1985 - С.5-8.

10. Бражников В.А., Фурнэ A.A. Информационное обеспечение оптимального управления бурением скважин. М.: Недра, 1989.-206 с.

И. Бронзов А.С.,Оганов Г.С. Компьютеризация в области бурения скважин на нефть и газ //Нефтяное хозяйство, N 1, 1992. -С. 53-54.

12. Брук В.М., Петров O.A. Методы многокритериальной оптимизации проектных решений. - Л: СЗПЙ, 1990.-76 с.

13. Васильев Б.А.,Васильев Ю.С.,Кильдибеков В.А.,Семенец В. И. Шарнирный отклонитель как эффективное техническое средство при бурении горизонтальных скважин //Нефтяное хозяйство, N 4, 1993,- С. 69-70.

14. Васильев Ю.С.,Ропяной А.Ю.,Семенец В.И. Опыт бурения горизонтальных скважин и перспективы его развития //Нефтяное хозяйство, N 6,1992 - С.12-14.

15. Васильев В.И.,Ивановский А.С.,Нугаев И.Ф. Многорежимное управление траекториями нефтяных скважин //Методы и средства управления технологическими процессами : Тезисы 3-ей Межреспубликанской научно-технической конференции, г.Саранск, 1993. - С. 16.

16.Григулецкий В.Г. Оптимальное управление при бурении скважин.М.: Недра, 1988. - 229 с.

17. Дахнов В.Г. Интерактивная система обработки инклинометрической информации //Изв.вузов,сер."Нефть и газ", N 8,1989.- С. 30-35.

18. Дахнов В.Г. Интерактивная система обработки инклинометрической информации. // Труды МИНГ им. Губкина, вып. 211.-М.: изд. МИНГ, 1987. - С. 30-35.

19. Демихов В.И. Средства измерения параметров бурения скважины: Справочное пособие. - М: Недра, 1990. - 269 с.

20. Дмитриевский А.Н. Отраслевая научно-техническая программа "Геоинформатика" // Труды МИНГ им. И.М. Губкина, вып.211. - М.: изд. МИНГ, 1987. - С. 3-4.

21. Заде Л.А. Основы нового подхода к анализу сложных систем и процессов принятия решений // Математика сегодня: Сборник статей / (Пер. с англ.) М.: Знание, 1974. С.5-49.

22. А.С.Ивановский, И.Ф.Нугаев, З.В.Агзамов. Оптимизация управления траекторией нефтяных наклоннонаправленных скважин в процессе бурения // Методы и средства управления технологическими процессами: Сборник научных трудов, Саранск, 1991 гСЯЧ-%5.

23. Ивановский A.C., Агзамов З.В. Адаптивное оптимальное управление траекториями нефтяных скважин в процессе бурения // Новые направления в теории систем с обратной связью: Тезисы 1 Российского совещания, г. Уфа, 1993. - С.104.

24. Ивановский A.C., Нугаев И.Ф., Агзамов З.В. Прогнозирование траектории нефтяной скважины по идентифицируемой

дифференциальной модели //Методы и средства управления технологическими процессами : Тезисы 3-ей Межреспубликанской научно-технической конференции, г.Саранск, 1993. - С.34

25. Инструкция по бурению наклонных скважин с кустовых 1 площадок на нефтяных месторождениях Западной Сибири. РД

39-0148070-6.027-86. СибНИИНП, 1986.-138 с.

26. Иоганесян К.В. Спутник буровика: Справочник. -М: Недра, 1990. - 303 с.

27. Иоганесян P.A. Что же будет дальше с турбинным бурением // "Нефтяное хозяйство", N 2, 1993,- С.10-13.

28. Исследование, разработка и совершенствование алгоритмов и программ для ЭВМ по оптимизации проектирования и управления траекториями бурящихся скважин в Западной Сибири //Отчет о НИР: N ГР 01880004934, Инв. N-02.9.00006639- Ивано Франковский институт нефти и газа, 1989. - 65 с.

29. Исаченко В.В., Рыбаков А.Н., Фролов В.Г. Применение ' микропроцессоров в скважинных измерительных системах .// Обзор.

информация. Сер. " Автоматизация и телемеханизация в нефтяной промышленности", Вып. 4(72). - М.: ВНИИОЭНГ, 1989,- 31 с,

30. Исаченко В.В. Инклинометрия скважин. -М.: Недра, 1987. -300 с.

31. Искусственный интеллект. - В 3-х кн. Кн.2. Модели и методы: Справочник/Под.ред. Д.А. Поспелова - М.: Радио и связь, 1990. -340 с.

32. Использование систем MWD для оптимизации бурения. / Э-И "Техника и технология бурения скважин", N 22, 1988. М. : ВНИИОЭНГ. - С. 13.

33. Казак A.C. Эффективность разработки месторождений ' горизонтальными скважинами // Нефтяное хозяйство, N 7,1992 -

С. 49-51.

34. Калинин А.Г., Григорян H.A., Султанов Б.3. Бурение наклонных скважин:Справочник. -М.: Недра, 1990. -348 с.

35. Карнаухов М.Л., РязанцевМ.Ф. Справочник по испытанию скважин. - М.: Недра, 1984.-С67- 75.

36. Р.И. Алимбеков, В.И.Васильев, В. А-,Семеран, И.Ф.Нугаев, З.В.Агзамов. Проблема автоматизации управления траекторией ствола наклонно-направленных скважин // Проблемы механики и управления: Сборник трудов Ин-та механики УНЦ РАН, Уфа, 1994.-С.-153-465.

37. Козловский Е.А. Кибернетические системы в разведочном бурении .-М.: Недра, 1985. - 285 с.

38. Ковшов Г.Н., Ильчанинов В.П. К вопросу о пространственном искривлении скважин сучетом вращения долота . //Изв. вузов, сер. "Нефть и газ", N 10,1979. - С. 19-23.

39. Колесников Н.А.,Григулецкий В.Г.,Горин Г.И. Современные ' проблемы бурения нефтяных и газовых скважин //Изв.вузов,

сер. "Нефть и ra3",N 1, 1992. - С. 37 - 40.

40. А.С.Ивановский, И.Ф. Нугаев, З.В. Агзамов. Алгоритм автоматического управления процессом бурения нефтяных наклоннонаправленных скважин // Методы и средства управления технологическими процессами: Тезисы докладов на межреспубликанской научной конференции, Саранск, 1991.-С.24.

41. Макарова 0. Коммерческие экспертные системы - на научном семинаре Compu'ter-Week-Moscow, N17, 1995.-С.31.

42. Мальцев A.B., Дюков Л.М. Приборы и средства контроля процессов бурения: Справочное пособие. -М.:Недра, 1989. -253 с.

43. Мамедбеков O.K. Регулирование интенсивности искривления 1 наклонных скважин с использованием ориентируемых КНБК

//Изв.вузов, сер."Нефть и газ", N8, 1991,- С.20-22.

44. Миловзоров Г.В. Анализ инструментальных погрешностей инклинометрических устройств. Уфа: Гилем, 1997.-С.7-26.

45. Марко Д., МакГоен К. Методология структурного анализа и < проектирования. - М.: Метатехнология, 1992.-C.2Z-4S.

46. Мелик-Шахназаров A.M.,Фролов В.Г.Методы построения компьютеризованных систем контроля и управления проводкой наклонно-направленных скважин //Информационно-измерительные и вычислительные комплексы для нефтяной и газовой промышленности /Труды МИНГ им. И.М.Губкина, вып. 211. -М.:изд. МИНГ, 1987.-С. 10-21.

47. Мелик-Шахназаров А. М., ФроловВ.Г. Дахнов В.Г. Программа контроля пересечения стволов наклонно-направленных скважин при кустовом бурении / Э-И. Серия "Автоматизация и телемеханизация в нефтяной промышленности". - М. : ВНИИОЭНГ, 1985. - С. 6-12.

48. Моисеев H.H. Математические задачи-системного анализа. -М.: Наука, 1984. - 831 с.

49. И.Ф.Нугаев,' З.В.Агзамов. Интеллектуальная нечеткая система управления траекторией нефтяных скважин // Информационные

и кибернетические системы управления и их элементы: Тезисы докладов Всероссийской молодежной научно-технической конференции, УГАТУ, 1995.-С. 4-5:

50. Нгуен X.А. Предотвращение встречи стволов наклонно-направленных скважин //Изв. вузов,сер."Нефть и газ", N 3-4, 1992. - С.17-18.

51. Применение глубинного демпфера для стабилизации зенитного угла и азимута скважины /Б.З. Султанов, P.P. Сафиуллин,

A.B. Лягов и др. - Нефтяное хозяйство, 1986, N3. - С. 19-21.

52. Пейсиков Ю. С. Проблемы САПР (АСОУТ)-бурения .//Нефтяное хозяйство, N 8,1992,- С. 2-5.

53. Проблема автоматизации управления траекторией ствола наклонно-направленных скважин / Р. И. Алимбеков, В. И. Васильев,

B.А. Семеран и др. // Проблемы механики и управления . Сборник трудов Института механики УНЦ РАН. - Уфа, 1994. - С. 153-158.

54. Рапин В.А. Информационно-измерительные системы контроля забойных параметров, в процессе бурения. -М.:ВНИИОЭНГ, 1989,- С. 46-52.

55. Разработать и внедрить комплекс технико-технологических мероприятий для повышения скорости бурения и качества проводки кустовых наклонных скважин на морских месторождениях Азербайджана //Отчет о НИР: N ГР 01880004934, Инв.N-02.9.00006639- Иваново -Франковский инстстут нефти и газа, 1989. - 65 с.

56. РД 39-0148 070-6. 027-86 Инструкция по бурению наклонных скважин с кустовых площадок на нефтяных месторождениях Западной Сибири - СИБ НИИНП -1986.-С.5-36.

57. Ризванов Н. В., Латыпов Р. А., Давлетбаев М.Г., Кагарманов Н.Ф. Развитие техники и технологии бурения скважин в Башкирии //Нефтяное хозяйство, N 4, 1992 - С. 8-11.

58. Рыбаков А.Н.,Исаченко В.В. Первичная обработка измерительной информации в глубинной аппаратуре //Изв.вузов,сер."Нефть и газ", N 8,1989. - С. 81-84.

59. Рыбаков А.Н., Исаченко В.В. Автономная информационно-измерительная система контроля забойных параметров при бурении скважин // Информационно измерительные и вычислительные комплексы для нефтяной и газовой промышленности / Труды МИНГ им. Губкина, вып.211.- М.:изд. МИНГ, 1988. -С.46-52.

60. Самигуллин В.X.,Ризванов Н.М.,Юмашев P.X.,Логинов

Б. В.,Халявкин В.И. Новые достижения в области горизонтального бурения //Нефтяное хозяйство, N 6,1992 - С. 12 - 14.

61. Системы контроля за траекторией ствола скважины за рубежом /Обзорная информация, серия "Бурение". -М. ,ВНИИ0ЭНГ, 1980,- 87 с.

62. Солодовников В.В., Тумаркин В.И. Теория сложности и проектрование систем управления. - М. : Наука, 1990. - 168 с.

63. Сушон Л.Я.,Емельянов П.В.,Муллагалиев Р.Т. Управление искривлением наклонных скважин в Западной Сибири. -М:Недра,1988.

' -124 с.

64. Системы контроля за траекторией ствола скважины за рубежом //Обзорная информация, Сер. "Бурение".-М.: ВНИИОЭНГ, 1980.-87 с.

65. Е.Б.Старцева, С.В.Жернаков, 3.В.Агзамов., Экспертная система реального времени для управления процессом наклонно-направленного бурения // XXII Гагаринские чтения: Сборник тезисов докладов молодежной научной конференции, Москва, 1996 .-ООО-СИ.

66. Теория автоматического управления: Нелинейные системы управления при случайных воздействиях. /Нетушил А.В., Балтрушевич A.B. и др.; под ред. A.B. Нетушила, - М.: Высшая школа, 1983. -

1 432 с.

67. Терехов Н.И. Автоматическое регулирование и управление режимами бурения . -М.: Недра, 1982. -205 с.

68. Тищенко Н.М. Введение, в проектирование систем управления. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 248 с.

69. Хейс-Рот Ф., Уотерман Д. Построение экспертных систем.

1987.

70. Шагисултан И. 3., .Биишев А. Г., Кагарманов Н.Ф. Математическая модель пространственного искривления скважин // Технология бурения и заканчивания скважин в Башкирии/ Сб. науч. тр., вып.67, Уфа, БашНИПИнефть, 1983 - С.3-13.

71. Шагисултан И.3., Биишев А.Г., Кагарманов Н.Ф.

' Программное управление траекторией бурения на базе математической модели искривления скважин // Научно-технический прогресс при строительстве скважин : Сб. научных трудов,Вып.76.-Уфа: изд. БашНИПИнефть, 1987. -С.35-39.

72. Шагисултан И.З. Дифференциальные уравнения траекторий

бурения скважин // Современные проблемы буровой и нефтепромысловой механики: Сб.науч.тр./ Уфим.нефт.ин-т.- Уфа, 1990. С.122-130.

73. Шипилин А.Г.,Васильев Ю.С.,Семенец В.И. Техника и технология горизонтального бурения ■ за рубежом // Нефтяное хозяйство, N 8,1992. - С. 5-9.

74. Шипилин А.Г.,Васильев Ю.С., Семенец В.И. Горизонтальное бурение - зарубежный опыт //Нефтяное хозяйство, N 1, 1992. - С. 8-11.

75. В.И.Васильев, И.Ф.Нугаев, О.Г.Аполов, З.В.Агзамов. Интеллектуальное управление сложными динамическими объектами // Методы и средства управления технологическими процессами: Тез. докл. Международной научной конференции, Саранск, 1995.-С.45.

76. В.И.Васильев, И.Ф.Нугаев, З.В.Агзамов. Управление направленным движением бурового инструмента на основе нечеткой логики // Вопросы управления и проектирования в информационных и кибернетических системах: Межвузовский научный сборник, Уфа, 1996. -С.94-9&

77. Яглом И.М. Математические структуры и математическое моделирование. М.: Сов. радио, 1980. - 144 с.

78. Яремийчук P.C., Семак Г. Г. Обеспечение надежности и качества стволов глубоких скважин. - М.: Недра, 1982.-С.54-56.

79. В.И.Васильев, А.С.Ивановский, И.Ф.Нугаев, З.В.Агзамов. Моделирование процесса управления бурением нефтяных скважин // Автоматизация технологического проектирования: Тезисы докладов конференции, Пенза, 1991 -СЧ-8.

80. В.И.Васильев, И.Ф.Нугаев, З.В.Агзамов. Интеллектная система управления траекториями нефтяных скважин во время бурения // Проблемы нефтегазового комплекса России: Тезисы докладов всероссийской научно - технической конференции, УГНТУ, Уфа, 1995rCAS.

81. Т.Loofbourrow. "Экспертные системы еще живы", Computer-Week-Moscow, N24, 1995.-С. 1, 42-43.

82. V.I.Vasilyev,I.F.Nugaev, Z.V.Agzamov Automatic Control With Prediction For Autonomous Robot - Drill, Proc of the Intern. Conference "Intelligent Autonomous Systems"-, Carlsruhe, Germamy,

1 March 27-30, 1995, IOS Press, 1995, pp. 461-464.

83. Smaller operators reap benefits from horizontal drilling //Enhanced Recovery week , 1989, 27/XI. -p.34.