Новикова Рогозникова доклад
advertisement
УДК 550.8(075.8) МЕТОДИКА ПОИСКА ОПТИМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА БУРЕНИЯ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ Новикова Е. И., Рогозникова П. А. Научный руководитель доктор техн. наук В. В. Нескоромных Сибирский федеральный университет В настоящее время бурение широко используется во многих сферах промышленного производства. Процесс сооружения скважин зачастую требует колоссальных затрат, поэтому его стараются оптимизировать. На процесс бурения влияют параметры режима бурения: осевая нагрузка, частота вращения инструмента и количество подаваемой промывочной жидкости, а также множество факторов, таких как износ инструмента, тип используемого инструмента и свойства буримой породы, глубина, на которой производится бурение и многие другие. Исследование каждого из этих факторов в отдельности займет большое количество времени, что в свою очередь приведет к лишним затратам, также не исключены ошибки при самостоятельных расчетах. Именно поэтому целесообразно использовать определенные критерии для оптимизации такого многофакторного процесса как бурение скважины. Разрабатываемая нами методика позволяет определять оптимальные значения вышеназванных параметров на основе поиска оптимальных значений факторов, а также обнаруживать влияние различных факторов путем анализа комплекса данных на основе метода полного факторного эксперимента и предлагается как аналитическая основа системы автоматизированного управления процессом бурения. Процесс поиска оптимальных условий будет осуществляться в режиме непрерывного диалога компьютера, бурового агрегата осуществляющего процесс бурения и человека, управляющего процессом. Буровой агрегат при этом должен быть оборудован системой датчиков, задействованных в компьютеризованную систему управления процессом. В практике бурения известны системы автоматизации управления бурением, наиболее современная из них – система APC. В данной системе критерием оптимизации и управления бурением служит значение показателя RPI – число оборотов 1 на сантиметр подачи или , где hоб – углубление за один оборот бурового hоб инструмента. На основе этого критерия системой предлагаются оптимальные значения параметров режима бурения с целью повышения скорости бурения, а также производится автоматизация самого процесса бурения в соответствии с изменением условий. На наш взгляд, данная система могла бы быть более совершенной, если бы за критерий принимался не на один, а, например, три основных параметра – такие как механическая скорость бурения, углубление за один оборот и энергоемкость процесса, поскольку при оценке и поиске оптимальных условий на основе только одного показателя можно значительно проиграть в других не менее важных, таких как ресурс долота, энергетические затраты на процесс бурения и др. Исходя из этого, в разрабатываемой нами методике за основные критерии оптимизации приняты: механическая скорость бурения vм, стремящаяся к максимальному значению, энергоемкость процесса N/vм (N – затраты мощности на бурение), стремящаяся к минимуму и отражающая ресурс бурового инструмента, углубление породоразрушающего инструмента за один оборот hоб (согласно рекомендациям зарубежных специалистов, значение, соответствующее оптимальной зоне управления процессом бурения, равно 0,1-0,125 мм/об). Методика включает в себя создание и обработку математических моделей для каждого из выбранных критериев оптимизации, что позволяет выразить из них уравнения для расчета значений тех или иных параметров режима бурения в соответствии с конкретными условиями. Для примера рассмотрим обработку и анализ по критерию hоб. Для упрощения анализа будем брать во внимание два параметра: осевую нагрузку и частоту вращения. Математическая модель углубления за оборот в общем виде выглядит следующим образом: hоб=A+B·Poc+C·ω+D·Poc·ω, где A – среднее значение отклика (углубление за один оборот); B, C, D – опытные коэффициенты, отражающие степень влияния параметра режима бурения на углубление за один оборот. Тогда выражение для расчета осевого усилия Poc при заданном углублении за оборот будет выглядеть так: Poc=(hоб-A-C·ω)/(B+D·ω) Отсюда следует, что задавая величину частоты вращения при заданной величине углубления за оборот можно определить соответствующую этому углублению и выбранной частоте оптимальной осевой нагрузки. Предполагается, что построение моделей и решение уравнений при реализации методики управления процессом бурения будет производиться на компьютере с мгновенной оценкой всех критериев оптимизации. В качестве примера применения такой методики приведем исследование бурения диорита однослойными алмазными коронками. Были заданы максимальное и минимальное значения двух параметров режима бурения: частоты вращения долота и осевой нагрузки для данной породы и данного типа инструмента. Закодировав данные и проанализировав математические и графические модели критериев оптимизации, мы выявили нехватку темпа роста осевой нагрузки. Увеличив темп ее роста, мы получили новые модели механической скорости, углубления за оборот и энергоемкости процесса, соответствующие разному темпу роста Poc. Оптимальному режиму бурения, как уже говорилось, соответствует максимальное значение механической скорости при минимальном значении энергоемкости. Совместив графические модели двух этих критериев, мы определили значения параметров, при которых выполняется условие оптимального режима бурения, а именно, линии графика vм, соответствующие максимальному значению, пересекают линии графика N/vм, соответствующие минимальному значению, что свидетельствует о высокой производительности и рациональному использованию ресурса инструмента. Рис. 1 – график механической скорости после увеличения темпа роста Poc Рис. 2 – график энергоемкости после увеличения темпа роста Poc а б в Рис. 3 – совмещенные графики механической скорости и энергоемкости, соответствующие разному темпу роста Poc: а – в 2 раза больше первоначального, б – в 2,5 раза больше, в – в 3 раза больше Для наглядности представим вышеупомянутые графики, представленные на рис. 1, 2 и 3. Перспективы дальнейшей работы в направлении создания эффективной методики поиска оптимальных параметров режима бурения – разработка методики управления процессом бурения с учетом, помимо двух вышеназванных параметров режима бурения, третьего – потока промывочной жидкости Q, а также вывести закономерности влияния различных иных факторов. На наш взгляд, усовершенствованные системы автоматизированного управления позволят значительно упростить и удешевить процесс бурения, поэтому очень важно развивать данную методику. 1. Литература Нескоромных В.В. Оптимизация в геологоразведочном производстве: учебное пособие – Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2013. – 246 с.
