CC BY
39
-□ □-
У статтi розглянуто основш фактори, як впли-вають на достовiрнiсть результатiв автоматизова-ного контролю стану породоруйтвного тструмента в процеы буртня свердловин на нафту i газ. Аналiз роботи запропонованог автоматизованог системи виявив найбшьш вiдповiдальнi пидсистеми, вплив яких на достовiрнiсть ктцевого результату найбшьший. Запропоновано застосувати технологи штучного ттелекту для реалiзацiг алгоритмiв роботи цих тд-систем
Ключовi слова: контроль, система, стан, буртня, iдентифiкацiя, розтзнавання, прогнозування, породо-
руйтвний, долото, достовiрнiсть
□-□
В статье рассмотрены основные факторы, влияющие на достоверность результатов автоматизированного контроля состояния породоразрушающего инструмента в процессе бурения скважин на нефть и газ. Анализ работы предложенной автоматизированной системы выявил наиболее ответственные подсистемы, влияние которых на достоверность конечного результата наибольшее. Предложено применить технологии искусственного интеллекта для реализации алгоритмов работы этих подсистем
Ключевые слова: контроль, система, состояние, бурение, идентификация, распознавание, прогнозирование, породоразрушающий, долото, достоверность -□ □-
УДК 681.518:622.248:004.94
ОЦ1НКА ДОСТОВ1РНОСТ1 АВТОМАТИ-ЗОВАНОГО КОНТРОЛЮ СТАНУ ПОРОДО-РУЙН1ВНОГО 1НСТРУМЕНТУ
I. I. Ч и гу р
Кандидат техычних наук, доцент Кафедра автоматизаци технолопчних процеав i мошторингу в еколоп'Т 1вано-Франмвський нацюнальний техшчний ушверситет нафти i газу вул. Карпатська, 15, м. 1вано-Франмвськ, УкраТна, 76019 E-mail: [email protected]
1. Вступ
Одним iз основних факторiв тдвищення ефек-тивност процесу буршня свердловин на нафту i газ е забезпечення працездатност технолопчного облад-нання до якого вщноситься i породоруйнiвний шстру-мент, i забезпечення режимiв його роботи у вщповщ-ностi з вимогами технолопчного регламенту.
Основними породоруйшвними шструментами, якi на даний час використовуються для бурiння свердловин е шарошковi та алмазнi долота. У проце« роботи елементи долiт зношуються: в шарошкових долотах -опори та озброення, в алмазних - озброення. Зноше-не долото тдлягае тдйому на поверхню для замши. Зважаючи на глибину бурiння (бшьше 3000 м), його вартiсть та вартшть породоруйнiвного iнструменту (для алмазних доли - 50 000 $ i бiльше), задача ефек-тивного вщпрацювання породоруйнiвного iнструмен-ту та визначення оптимального моменту часу для його замiни в зв'язку iз зношенням е актуальною i вiд 11 вирiшення залежить економiчна ефективнiсть i беза-варшшсть процесу будiвництва свердловини.
2. Аналiз лiтературних джерел
Породоруйнiвний шструмент ввдноситься до класу складних об'екпв нафтогазовидобувно! промисловос-Ti, що фyнкцiонye в умовах шформацшно! невизначе-ностi [1], у зв'язку i3 чим оператору-буровику важко
оперативно ощнити його стан за наявними шформа-цiйними ознаками на гирлi свердловини.
Основними ознаками складност е наступнi [2]:
- стохастичшсть поведiнки i складнiсть матема-тичного опису;
- нестацiонарнiсть режимiв роботи;
- неповна вiдтворюванiсть експерименпв;
- велика кiлькiсть нерегламентованих сташв;
- часовi обмеження на контроль i дiагностику стану об'екта.
У зв'язку з цим актуальною е задача розробки автоматизовано1 системи контролю стану породоруй-швного шструменту на вибо1 свердловини i прийняття вiдповiдних дш для попередження небажаних на-слщюв, таких як катастрофiчне зношення, утворення передаваршних ситуацiй i ускладнень, що можуть виникнути в процеа буршня при взаемодп долота з прськими породами вибою свердловини.
Аналiз роби виявив, що iснуе два основних класи методiв контролю стану породоруйтвного шструменту - контактш i безконтактнi [1, 3]. З проаналiзованих методiв найбiльшого застосування знайшли безкон-тактнi методи контролю з використанням рiзних кри-терпв [2, 4, 5], як таю, що володтть б^ьшою точнiстю i достовiрнiстю, однак 1хне застосування обмежене стацiонарними умовами буршня. 1ншим шляхом от-римання шформацп про ресурс породоруйнiвного шструменту е аналiз вiбрацiйних сигналiв колони бурильних труб на гирлi свердловини [6, 7], однак недолжом цього методу е зменшення достовiрностi
ё
контролю iз зростанням глибини буршня. Для тдви-щення достовiрностi контролю стану доли запропоно-вано [8] доповнити iснуючi критерii iнтелектуальними моделями виявлення катастрофiчного зношення поро-доруйнiвного шструмента, якi базуються на викорис-танш нечисловоi iнформацii про процес буршня.
Однак розглянуп методи не враховують специфiку побудови загальноi системи автоматизацп процесом бурiння свердловин як eдиноi системи, що виконуе функцii контролю, розтзнавання, оцiнки стану, про-гнозування i прийняття рiшень.
З урахуванням вищевикладеного виникае необхщ-нiсть у розробщ комплексноi системи контролю i керу-вання процесом бурiння свердловин породоруйшвним iнструментом в реальних промислових умовах.
3. Мета i задачi дослщження
Метою даноi статтi е тдвищення ефективностi управлiння процесом буршня нафтових i газових свердловин породоруйшвними iнструментами рiзних типiв шляхом отримання достовiрноi iнформацii про '¿х реальний техшчний стан на вибоi свердловини.
Основною задачею, яка виршуеться в данш роботi, е оцiнка факторiв, що впливають на достовiрнiсть ре-зультатiв роботи автоматизованоi системи контролю стану породоруйшвного iнструменту та виявлення шляхiв и пiдвищення.
4. Загальш принципи автоматизованого контролю стану породоруйшвного шструмента
Основними задачами, яю виршуе системи автоматизованого контролю за процесом вщпрацювання породоруйнiвного iнструменту е [1]:
- забезпечення неперервного спостереження за станом об'екта контролю;
- забезпечення своечасного i достовiрного прийняття ршень в процеа роботи i вибiр стратеги по попередженню i лiквiдацii наслiдкiв ввд регламентова-них станiв об'екта контролю;
- забезпечення змши параметрiв процесу буршня у вщповщност до змши стану контрольованого об'екту.
Стан породоруйшвного шструмента як об'екта контролю характеризуеться сукупшстю поточних зна-чень його атрибупв (параметрiв) i зв'язкiв [1, 8, 9]. У процеа функщонування складовi об'екта (озброення, опори) взаемоджть мiж собою та з розбурюваними породами, в результат чого змшюеться iхнiй стан та стан об'екта в щлому. Ця змiна е подiею. Параме-тричнi ознаки ще' поди е подiбними до ознак подш, викликаних впливом на об'ект зовшшшх керуючих чи збурюючих факторiв, до яких вiдносяться змiна осьового навантаження на долото, змша частоти його обертання, змша витрати промивально' рщини, змiна фiзико-механiчних властивостей розбурюваних порщ та iншi. Послiдовнiсть подш i вiдповiдних 'м станiв може бути вщображена у виглядi дiаграми подiй та станiв об'екта. Поява подш i станiв може вщбуватися в детермiнованi та випадковi моменти часу.
У загальному випадку вся множина сташв породоруйшвного шструменту як об'екта контролю може
бути за ознакою регламентованост подмена на два класи: клас регламентованих сташв (працездатний стан) i нерегламентованих сташв (зношення породо-руйнiвого iнструменту, передаваршш стани та мож-ливi ускладнення) [1]. Множина нерегламентованих сташв у свою чергу по ознащ аваршност подшяеть-ся на два класи: клас сташв, що передують аваршнш ситуацп та клас аварiйних ситуацш. За ознакою складностi клас нерегламентованих сташв можна подшити на шдкласи простих i складних станiв. Проси стани вщповщають режиму роботи об'екта контролю, коли в нерегламентованому сташ знахо-диться не бiльше одше' структурно' одиницi об'екту, наприклад зношення або озброення, або опор долота. Для складних сташв характерним е наявшсть у нерегламентованому сташ двох i б^ьше складових одиниць об'екта (наприклад одночасне зношення опор i озброення шарошкового долота). За ознакою сумшносш всi простi стани можна розд^ити на сумiснi та несумiснi. При цьому до сумшних станiв вщносяться тi простi стани, якi можуть в сукупноси створювати складнi стани.
Кожен стан об'екта контролю характеризуеться певним набором вхщних параметрiв, як можуть бути вимiрянi та проаналiзованi на вибо' свердловини ввд-поввдними технiчними засобами.
5. Оцiнка достовiрностi автоматизованого контролю стану породоруйнiвного шструменту
З урахуванням того, що задачею системи контролю е визначення належност дослщжуваного стану до одного з клаав стану - регламентованого або нерег-ламентованого i прийняття вщповщних дiй, цiльову функцiю системи контролю можна представити в на-ступному виглядi [10]:
м , .
Е = ЁN. {[е, - (1 - а) + 7а1а]■ Р, + [{^ (1 -Р)} + 2„.И ■ ^}, (1)
1=1
де М - юльюсть контрольованих нерегламентованих сташв об'екта; N - юльюсть перевiрок стану об'екта протягом часу роботи об'екта контролю Т; е, та ej - ефект вщ правильного прийняття рiшення, при контролi ¿-го нерегламентованого та]-го регламентованого станiв об'екту; та - коефiцiенти додаткових витрат вщ помилкового прийняття рiшення, виклика-ного а та в помилками вщповщно першого та другого роду при дiагностуваннi ¿-го стану об'екта; Р, та Pj -апрюрш ймовiрностi виникнення ¿-го нерегламентованого та]-го регламентованого станiв.
З виразу (1) можна зробити висновок, що параметрами, яю характеризують достовiрнiсть прийняття ршень в системi автоматизованого контролю е пара-метри а та в, яю е узагальненими, осюльки рiшення в системi приймаеться на основi сумiсноi роботи тдси-стем iдентифiкацii, розпiзнавання, прогнозування та вибору стратеги керування.
Середню статистичну оцшку R загально' достовiр-ностi прийняття рiшень в розглянутш системi за умо-ви, що шформатившсть сигналiв вiд об'екта контролю е незмшною, можна визначити як середню мiж а та в:
R =
a + ß 2
(2)
Враховуючи те, що загальна достовiрнiсть системи залежить ввд достовiрностi роботи тдсистем, що вхо-дять в Heï, то загальну достовiрнiсть прийняття ршен-ня можна представити наступним чином:
R = R1R2R3R4,
(3)
де ствмножники R4,R2,R3,R4 характеризують до-стовiрнiсть прийняття рiшень вiдповiдно на етапах щентифжацп, розпiзнавання, прогнозування та ви-бору стратеги керування. Кожен iз параметрiв виразу (3) визначаеться з врахуванням специфiки конкретноï тдсистеми.
Задача пiдсистеми iдентифiкацiï - виявити стан породоруйтвного тструмента, який не вщповщае номшальному i потребуе додаткового розтзнавання. Робота ^eï пiдсистеми базуеться на аналiзi вiдхилень бiжучих значень технолопчних параметрiв процесу бурiння G вщ '¿х заданих значень Gu.
Достовiрнiсть R1, а отже i яюсть функцiонування пiдсистеми залежить крiм G та Gu ще i вщ перiоду спо-стереження AT та часу контролю At1. З врахуванням (2) параметричну залежтсть достовiрностi R1 можна записати:
R1 = {a1,ß1,G,Gu,AT,At1}.
(4)
Параметри AT та At1 при використанш сучасних технiчних засобiв неперервного контролю та систем об-робки шформацп, близькi до нульових значень i не впли-вають на результати вдентифжацп, тому вважаемо, що:
Ri = {aj,ßi,G,Gu}.
(5)
Правило, яке визначае необхвдтсть розтзнавання стану об'екту контролю, мае наступний вигляд:
q =
Qa,G* > Gu,
Qb,G* < Gu,
(6)
де q* - множина статв об'екта контролю, що щентифь куеться; QA - регламентований (працездатний) стан -не потребуе розтзнавання; QB - нерегламентован стани - потребують розпiзнавання; G* - бiжучi зна-чення контрольованих параметрiв процесу буршня.
Параметр Gu, як правило, задаеться технологами-операторами i залежить вщ конкретноï свердловини та умов буршня. В зв'язку з цим основна помилка тдсистеми щентифжацп обумовлюеться похибками вимiрювання групи контрольованих параметрiв G, а також апаратними збоями. Ця помилка не залежить вщ стану об'екта контролю q* i е незрiвнянно малою по вщношенню до помилок тдсистем розтзнавання чи прогнозування [10], тому можна вважати ïï рiвною нулю, тобто a1 « 0 i ß1 « 0 . Таким чином достовiрнiсть результапв тдсистеми щентифжаци можна вважати наступною:
R1 = 1 -Oi+I « 1.
(7)
Задача тдсистеми розтзнавання - визначити належтсть дослiджуваного стану контрольованого об'екта до одного з тдклаив нерегламентованих ста-нiв. Достовiрнiсть розпiзнавання R2 визначаеться по-милками першого a2 та другого ß2 роду i може бути оцiнена згiдно виразу (2). В свою чергу a2 та ß2 зале-жать вщ таких параметрiв як ймовiрнiсна шформатив-нiсть ознаки розпiзнавання Ps та часу розтзнавання At2 , тобто
(О2,ß2 ) = f(P,At2
(8)
1з врахуванням (2), останнiй вираз можна предста-вити так:
R2 = f(P.,At2
(9)
Параметр Р5 характеризуе ймовiрнiсть правильного розтзнавання при використант деяко1 шформа-тивно1 ознаки. При наявностi декiлькох ознак в якост Р5 пропонуеться використати середню для цих ознак величину.
Вид функцп (9) залежить ввд методу розтзнавання. При розтзнавант деяко1 множини станiв М (1) загальний час одте1 процедури розпiзнавання Д^ залежить вiд кiлькостi контрольованих статв, що включен в процедуру, часу розтзнавання кожного стану Д^^ i визначаеться як:
At2 = £At(q,), q, eQB.
(10)
Задача пiдсистеми прогнозування полягае в про-гнозуваннi залишкового ресурсу породоруйтвного шструменту, що знаходиться в нерегламентованому стат.
Ощнка якосп роботи цieï пiдсистеми в значнiй мiрi залежить вiд спiввiдношення стохастичностi i детермь нованостi прогнозованого стану.
Достовiрнiсть прогнозу може бути оцiнена по ймо-вiрнiснiй величинi надiйностi прогнозу y , що визнача-еться за допомогою виразу для параметру статистики Стьюдента ta i таблиць t - розподшу, в яких приведенi значення y для ввдомих ta :
AVn-ï
(11)
де A - допустиме вiдхилення вiд заданоï точностi прогнозу; n - кiлькiсть дослiджуваних прогнозiв; S0 - оцiнка середнього квадратичного вщхилення прогнозних значень.
Таким чином, загальну достовiрнiсть результапв роботи пiдсистеми прогнозування можна оцшити на-ступним чином:
R3 = Y.
(12)
Задачею тдсистеми вибору стратеги керування е визначення оптимальноï стратеги SO по попереджен-ню i лжвщацп наслiдкiв нерегламентованих станiв, викликаних роботою породоруйтвного шструмента, таких як прихоплення бурильноï колони, обвал сть
S
0
нок свердловини та шшь Початковими даними для виршення ще! задачi е результати роботи пiдсистеми прогнозування N3.
Таким чином вибiр оптимально! стратеги SO здшс-нюеться згiдно наступного правила:
So = Fo(N3,S) = max^ej,So e S,Fo e F, (13)
де FO - функцiонал вибору оптимально! стратегii з множини можливих функцiоналiв F; e i 2 - вщповщно економiя i витрати у виглядi збиткiв вiд використан-ня конкретно! стратеги, якi входять у вираз щльово! функци (1); S - множина можливих стратегш, визначе-них експертами-бурильниками.
Як видно з (13), вибiр оптимально! стратегГ! визна-чаеться функцюналом FO i параметрами N3 i S. Множина S по ввдношенню до N3 е фжсованою протягом деякого iнтервалу часу, тому яюсть вибору стратегii визначаеться видом FO i початковими даними N3 до-стовГршсть яких оцiнюеться величиною (12).
Отже, достовГршсть R4 вибору оптимально! стратеги визначаеться як функщя:
R4 = f(Fo(N3)). (14)
Таким чином, проаналiзувавши (1), (7), (9), (11), (12), (14) можна зробити висновок, що основними параметрами автоматизовано! системи контролю стану породоруйшвного шструмента в процесi буршня свердловин, яю мають вплив на достовГршсть ре-зультатiв контролю, е M, Ni, Pi, PS, S0 . Щ параметри мають ймовГршсний характер i змшюються в деякому дiапазонi З цих параметрiв ильки Ps, S0 , що ввдповь дають тдсистемам розпiзнавання та прогнозування вщповщно, характеризують роботу системи, в« шшГ
е зовшшшми по вiдношенню до не! i не залежать ввд алгоритму роботи само! системи.
6. Висновки
Проведена оцшка факторiв, яю впливають на до-стовiрнiсть результапв роботи автоматизовано! системи контролю стану породоруйшвного шструмента, дозволила встановити, що найб^ьший вплив на результат контролю мають наступш параметри системи i об'екта контролю:
♦ М - юльюсть контрольованих нерегламентова-них станiв об'екта;
♦ ^ - юльюсть перевiрок стану об'екта протягом часу роботи об'екта контролю Т;
Р - апрюрна ймовiрнiсть виникнення ¿-го нерег-ламентованого стану об'екта;
Р5 - ймовiрнiсть правильного розпiзнавання стану об'екта при використанш iнформативноi ознаки;
S0 - оцшка середнього квадратичного вщхилен-ня прогнозних значень сташв об'екта контролю.
Встановлено, що з цих параметрiв тшьки Р5, S0 , яю вiдповiдають пiдсистемам розпiзнавання та прогнозування, вщповщно, характеризують роботу системи, ва iншi е зовнiшнiми по вщношенню до не' i не залежать вщ алгоритму '!'! роботи.
У результат проведених дослiджень виявлено, що основними шляхами тдвищення достовiрностi ре-зультатiв роботи запропоновано! системи е зб^ьшення ймовiрностi правильного розтзнавання стану об'екта та зменшення вщхилення прогнозних значень станiв об'екта вщ реальних. У зв'язку з цим для реалiзацii алгоритмiв розпiзнавання та прогнозування автома-тизовано! системи контролю пропонуеться застосува-ти нейро- та фаззь технологii штучного iнтелекту, яю довели свою ефективнiсть у подiбних завданнях [1, 8].
Лiтература
1. Семенцов, Г. Н. Основш концепцй створення автоматизовано! системи контролю за техшчним станом породоруйшвного шструменту [Текст] / Г. Н. Семенцов, I. I. Чигур // Нафтогазова енергетика. - 2007. - № 1. - С. 61-63.
2. Семенцов, Г. Н. Математичний анашз критерй'в вщпрацювання дол1т [Текст] / Г. Н. Семенцов, М. I. Горбшчук, I. I. Чигур // Нафтова i газова промисловють. - 2001 - № 6. - С. 15-19.
3. Шагеев, А. Ф. Автоматизированный мониторинг процессов обработки скважин - первая ступень интеллектуальных систем управления [Текст] / А. Ф. Шагеев, А. М. Тимушева, Л. Н. Шагаева, А. С. Гришин Нефтяное хозяйство. - 2000. - № 11. - С. 48-49.
4. Беликов, В. Г. Рациональная отработка и износостойкость шарошечных долот [Текст] / В. Г. Беликов, С. А. Посташ. - М.: Недра, 1972. - 160 с.
5. Бареев, М. Б. О критериях износостойкости вооружения долот [Текст] / М. Б. Бареев, И. И. Астафьев // Нефтяное хозяйство. - 1991. - № 7 - С. 7-10.
6. Zhu, X. Analysis of reamer failure based on vibration analysis of the rock breaking in horizontal directional drilling [Text] / X. Zhu, Y. Liu, H. Tong // Engineering Failure Analysis. - 2014. - Vol. 37. - P. 64-74. doi:10.1016/j.engfailanal.2013.11.016
7. Tang, J. A new method of combined rock drilling [Text] / J. Tang, Y. Lu, Z. Ge, B. Xia, H. Sun, P. Du // International Journal of Mining Science and Technology. - 2014. - Vol. 24, Issue 1. -P. 1-6. doi:10.1016/j.ijmst.2013.12.001
8. Чигур, I. I. Розробка методу контролю техшчного стану шарошкових долГт в умовах невизначеност процесу буршня [Текст]: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.11.13 / I. I. Чигур. - !вано-Франювський нацюнальний техшчний ушверситет нафти i газу. - ^ано-Франгавськ, 2000. - 20 с.
9. Ситников, Н. Б. Моделирование и оптимизация процесса бурения геологоразведочных скважин [Текст]: автореф. дис. ... д-ра. техн. наук: 05.13.07 / Н. Б. Ситников. - Уральская государственная горно-геологическая академия. - Екатеринбург, 2000. - 41 с.
10. Аралбаев, Т. З. Методы и средства построения адаптивных систем мониторинга и диагностирования сложных промышленных объектов [Текст]: автореф. дис. ... д-ра. техн. наук: 05.13.06 Т. З. Аралбаев. - Оренбургский государственна университет. - Оренбург, 2004. - 32 с.
