СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ БУРЕНИЕМ СКВАЖИН

Полезная модель относится к области управления процессом бурения на углеводороды, а именно - к оптимизированному выполнению различных операций бурения, основанному на измерениях технологических и скважинных параметров.
Процесс бурения относится к категории одних из самых сложных технологических процессов. При оптимизации управления бурением отдается предпочтение оперативным методам на основе математических моделей [Бражников В.А., Фурнэ А.А. Информационное обеспечение оптимального управления бурением скважин - М: Недра, 1989 - 209 с.]
Известны системы управления бурением (в дальнейшем СУБ) на основе аналого-цифровых измерительных систем, например [Куликовский Л.Ф., Ушмаев В.И. Информационно-измерительные системы для управления процессом бурения. М., «Недра», 1972, 174 с]. Система управления предполагает: наличие априорного схематичного алгоритма, построенного на примитивной математической модели и изложенного в нормативных документах и инструкциях; ограниченное количество наземной измерительной информации (вес буровой колонны, давление в напорном трубопроводе и др.). Подобные системы ориентированы, в основном, на использование опыта и достаточно высокой квалификации бурового персонала, восполняющей недостатки в информационном и алгоритмическом обеспечении, и применяются в современной практике бурения неглубоких скважин с простой траекторией в силу того, что подобные технологии управления обладают ограниченной эффективностью.
Известны СУБ, способные функционировать в автоматическом и автоматизированном режимах (RU 2208153, МПК Е21В 44/00, опубликовано 10.07.2003 г.; RU 2244117 МПК Е21В 44/00, опубликовано 10.01.2005 г.), в которых
повышение эффективности обеспечивается за счет оптимизации и актуализации модели технологического процесса с использованием измеренных наземных и глубинных параметров на данной буровой площадке. То есть модель процесса бурения непрерывно обновляется по результатам измерений его параметров, и на основе обновленной модели процесса бурения определяется набор оптимальных параметров воздействия и передается исполнительным устройствам.
Недостатком указанных систем является ограниченность информационных ресурсов для оперативного изменения модели и алгоритмов управления, т.к. используется информация с ограниченной территории, кроме того, отсутствует возможность удаленного мониторинга и управления процессами бурения.
Наиболее близкой к предлагаемой является система управления бурением (Нестерова Т.Н., Кузнецов Ю.А., Макаров А.А. Удаленный управляемый мониторинг бурения как элемент информационной системы «Сопровождение строительства скважин»// Научно-технический вестник «Каротажник». Тверь: Изд. АИС, 2005. Вып.5-6). Упомянутая система управления построена с использованием классической иерархической структуры, содержащей на первом (нижнем) уровне - буровые площадки, на втором - управляющее звено (региональная технологическая служба, и др.), на третьем (верхнем) уровне - управляющий центр нефтедобывающей компании. На буровой площадке размещаются наземные исполнительные устройства, информационно-измерительное устройство, включающее датчики наземных параметров, телеметрическое устройство, соединенное с датчиками глубинных инклинометрических параметров, дисплей бурильщика, автоматизированные рабочие места управляющих операторов и контролеров, объединенные локальной информационно-вычислительной сетью, управляемой сервером буровой. Управляющее звено содержит информационно-вычислительную систему, формирующую единую (для всех буровых площадок) базу данных, которая содержит проектную и фактическую информацию по строительству
скважин по всем функциональным областям (производство, технология, геология и др.) и обеспечивает оперативное управление строительством скважин, реализованное соответствующей подсистемой на втором уровне управления.
Основными недостатками системы управления бурением являются:
1. Ограниченность функциональных возможностей, обусловленная отсутствием оперативного учета глубинных технологических и геофизических параметров, а также исключение столь эффективных средств осуществления управления, как глубинные (забойные) исполнительные механизмы.
2. Рабочие модели техпроцессов формируются и корректируются только в удаленном управляющем звене, что приводит к снижению оперативности управления.
3. Связь между буровыми площадками осуществляется через удаленное управляющее звено, что делает процесс управления нерациональным и усложненным.
4. Имеется противоречие между непрерывным характером техпроцессов на буровых площадках и календарным графиком работы служб управления, что приводит к необходимости избыточного дежурного квалифицированного персонала, способного принимать корректные решения при осложнениях, авариях и т.д.
5. Не предусмотрена возможность подключения на буровой площадке к внешним, по отношению к системе, базам данных и знаний.
6. Эффективность способа управления главным образом зависит от одной службы управления, к которой, следовательно, предъявляются повышенные требования к надежности, корректности принимаемых решений и формируемых директив.
7. Система обладает достаточной жесткостью структуры, ограниченными возможностями для резервирования, невысокой мобильностью.
Задачей полезной модели является повышение эффективности управления бурением скважин за счет учета глубинных технологических и геофизических параметров, а также благодаря применению распределенной структуры системы автоматизированного управления, обеспечивающей оперативность сбора и обработки информации.
Поставленная задача решается системой автоматизированного управления бурением скважин, содержащей размещенные на буровой площадке наземные исполнительные устройства, информационно-измерительное устройство, включающее множество датчиков наземных параметров, телеметрическое устройство, соединенное с датчиками глубинных инклинометрических параметров, дисплей бурильщика, автоматизированные рабочие места управляющих операторов и контролеров, объединенные локальной информационно-вычислительной сетью, управляемой сервером буровой, которая в отличие от прототипа дополнительно содержит датчики глубинных технологических и геофизических параметров и глубинные исполнительные устройства, соединенные с телеметрическим устройством, а также мобильный терминал, подключенный к локальной информационно-вычислительной сети. В свою очередь локальная информационно-вычислительная сеть через сервер буровой соединена с гетерогенной информационной сетью, объединяющей несколько буровых площадок с аналогичной структурой и внешние объекты. Кроме того, согласно изобретению гетерогенная информационная сеть содержит в себе различные каналы и средства связи, включая Интернет, GSM, радиолинии, спутниковую связь, кабельные линии связи и их комбинации.
Кроме того, согласно изобретению объединенные локальной информационно-вычислительной сетью устройства образуют распределенную базу данных и знаний, доступную через гетерогенную информационную сеть в реальном масштабе времени.
Кроме того, согласно изобретению устройства на буровой площадке объединены проводной или беспроводной связью или их комбинацией.
Преимущество предлагаемой системы заключается в следующем. Оперативный учет глубинных технологических и геофизических параметров позволяет адекватно, в реальном масштабе времени, оценить режимы работы и состояние бурового оборудования, характеристики разбуриваемых пород, а также осуществлять оценку литологического строения и свойств призабойной зоны. Это позволяет, непосредственно на буровой площадке, корректно и эффективно осуществлять мониторинг процесса и, соответственно, реагировать на все ситуации формированием управляющих воздействий с использованием более широкого диапазона средств, включая глубинные исполнительные устройства. Кроме того, оператору процесса предоставлены широкие возможности в части идентификации и адаптации математических моделей технологического процесса на основе широкой информационной базы гетерогенной сети, объединяющей другие буровые площадки и полезные внешние объекты. Следует отметить, что такой способ распределенного управления позволяет процедуры обработки измерительной информации и выработки управляющих воздействий осуществлять на других площадках и объектах, т.е. существенно повышается надежность за счет резервирования этих процедур управления.
Предлагаемая система инвариантна к расположению объектов и их количеству. Она может включать в себя множество открытых равнозначных распределенных объектов, связанных гетерогенной информационной сетью, причем состав и количество объектов системы может изменяться оперативно. При этом объекты системы могут организовывать информационные подсистемы произвольной конфигурации (при условии унифицированного алгоритмического обеспечения). Таким образом, не только широкая информационная база служит оптимизации управления, но и гибкая мобильная организационная структура может быть выстроена, исходя из решаемой задачи.
Один из важнейших элементов системы - гетерогенная информационная сеть (ГИС) может содержать в себе различные каналы связи и средства связи, при условии их совместимости. Автоматизация информационного обмена
на базе этой сети позволяет любому пользователю, подключенному к ГИС, в рамках его полномочий, получить оперативный доступ к необходимым ресурсам для решения текущих и перспективных задач.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена структурная схема автоматизированной системы управления бурением скважин. Система содержит: мобильный терминал 1; дисплей бурильщика 2; сервер буровой 3; автоматизированные рабочие места управляющих операторов и контролеров процессов 4, 5; телеметрическое устройство 6, соединенное с датчиками инклинометрических параметров 7, датчиками технологических параметров 8, датчиками геофизических параметров 9, глубинным исполнительным устройством 10; информационно-измерительное устройство 11 и наземные исполнительные устройства 12. Все перечисленные устройства буровой площадки объединены локальной информационно-вычислительной сетью 13, которая через сервер буровой 3, через гетерогенную информационную сеть (ГИС) 14 может быть соединена с другими буровыми площадками 15, 16, а также внешними объектами, такими как: уполномоченная служба управления, библиотеки нормативных и технологических документов, внутрипроизводственные базы знаний, а также базы знаний общего пользования, центры обработки информации, источники точного времени, погоды и т.д. Устройства на буровой площадке объединены проводной или беспроводной связью или их комбинацией.
Процесс управления бурением скважин осуществляется следующим образом. Работы на каждой буровой площадке выполняются согласно рабочего проекта, который может быть индивидуальным и групповым [Постановление №56 от 05.06.2003 г. Федерального горного и промышленного надзора России «Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности»]. Ввиду сложности процесса и объективной недостаточности априорной информации о параметрах и свойствах горных пород, через которые необходимо осуществить проходку, проект содержит, как правило, отчасти точные указания, в остальном - ограничительные требования. Числовые параметры и
характеристики проекта вводятся в сервер буровой 3, где происходит уточнение всех параметров применительно к данной скважине, например детальный расчет проектной траектории движения бурового инструмента.
В зависимости от выполняемой операции, осуществляется настройка бурового оборудования (наземного и забойного), которая может выполняться в ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах. Глубинные 6, 7, 8, 9 и наземные 11 средства измерения контролируют параметры техпроцесса и скважины, при этом в устройствах 6 и 11 происходит предварительная обработка измерительной информации с целью коррекции систематических и случайных погрешностей, повышения достоверности измерений. Причем достоверность информации может быть обеспечена за счет избыточности датчиков, структурными и/или алгоритмическими методами, резервированием каналов связи, дублированием мест хранения. Измеренные параметры поступают в базу данных сервера 3, где они становятся доступными частично или полностью, в зависимости от регламентируемых прав, для абонентов локальной информационно-вычислительной сети 13 и других уполномоченных объектов системы. В отличие от прототипа, выработку управляющих воздействий производят на буровой площадке под управлением и при участии операторов процесса, посредством автоматизированных рабочих мест 4 и 5. Этими же рабочими местами могут воспользоваться и контролеры (супервайзеры) технологического процесса. Управляющие воздействия распространяются через сеть 13 к устройствам 10, 12 и персоналу.
Система управления позволяет широко применять при контроле и выработке управляющих воздействий математические модели, особенно в наиболее сложных аспектах технологического процесса, таких например, как проводка скважин со сложной траекторией, глубоких и сверхглубоких скважин и т.д. [Алимбеков Р.И., Васильев В.И., Нугаев И.Ф., Агзамов З.В., Шулаков А.С. Компьютеризированные технологии управления бурением наклонно-направленных скважин.\ Нефтяное хозяйство, №12, 2000]. Это позволяет эффективно оптимизировать параметры техпроцесса, предупреждать
осложнения и аварии, однако требует оперативной и корректной модификации и настройки моделей на основе достаточно большого объема различного статистического материала, а иногда и баз знаний, что в данном случае - выполнимо.
Необходимо пояснить назначение мобильного терминала 1 и дисплея бурильщика 2 на буровой площадке. Наличие дисплея бурильщика 2 позволяет индицировать параметры техпроцесса, управляющие воздействия непосредственно на рабочем месте бурильщика для быстрого и однозначного информирования бурового персонала. Терминал 1 предназначен для мобильного мониторинга операций техпроцесса оператором, перемещающимся на буровой площадке. Он представляет собой переносное устройство (типа карманного компьютера), соединенное с сервером буровой каналом связи (беспроводным, проводным, комбинированным).
Процесс оптимизации выработки управляющего воздействия демонстрируется примером решения задачи проводки бурового инструмента по заданной траектории. В данном случае выработка управляющего воздействия может быть представлена следующими основными этапами:
1) Поиск в ГИС скважины (участка скважины), пробуренной в аналогичном режиме («скважина-аналог»). Причем учитываются геометрия ствола, свойства окружающих пород, применяемый инструмент. Поскольку в данном случае база данных не ограничивается «соседней скважиной» или «соседним промыслом», вероятность нахождения аналога высока.
2) Идентификация модели движения бурового инструмента на основе информации из базы данных «скважин-аналогов».
3) Синтез оптимального прогнозирующего управления на основе модели движения бурового инструмента, в соответствии со следующей постановкой задачи:
Дано:
0
- начальное состояние бурового инструмента (забой) Х;
k
- требуемое конечное состояние бурового инструмента X;
0
k
- интервал бурения по длине l∈[l, l].
Требуется:
opt
k
0
k
определить оптимальное управляющее воздействие U, обеспечивающее достижение минимального отклонения от требуемого конечного состояния X(l) за заданный интервал бурения l∈[l, l]:
opt
Выбор U осуществляют на основе прогноза траектории движения бурового
инструмента.
Следует пояснить, что контроль глубинных технологических параметров, наряду с наземными, призван обеспечить точность поддержания заданных технологических уставок, а слежение за инклинометрическими и геофизическими параметрами обеспечивает идентификацию положения ствола в пространстве. Использование дополнительных глубинных исполнительных устройств, например, управляемых отклонителей, позволяет повысить точность поддержания заданной траектории при сокращении количества спускоподъемных операций для настройки бурового инструмента.
В случае отклонения траекторных параметров за пределы допуска проводят повторную оптимизацию аналогично выше изложенной с учетом ранее полученной информации при проходке данного участка.
Следует отметить, что выработка управляющего воздействия может осуществляться на базе автоматизированного рабочего места управляющего оператора процесса как на данной буровой площадке, так и вне ее (другая буровая площадка или внешний объект). Во втором случае, обусловленном, например, объективной необходимостью подключения к процессу управления более квалифицированного оператора, отказом технических средств и др., взаимодействие осуществляется через ГИС, в реальном масштабе времени. Кроме того, возможна такая ситуация, что по тем или иным причинам (например, неудовлетворительная работа аппаратных средств) обработка измерительной информации данной буровой площадки также может осуществляться вне ее, через ГИС, в реальном масштабе времени. Возможность внешнего
управления и обработки информации базируется на внешнем доступе через ГИС и локальную информационно-вычислительную сеть к устройствам на буровой площадке.
Следовательно, исходя из назначения ГИС, она должна содержать в себе различные каналы и средства связи, включая Интернет, GSM, радиолинии, спутниковую связь, кабельные линии связи и их комбинации.
Еще один важный аспект, реализуемый в данной системе, - это возможность оперативной выработки стратегических и тактических решений, в условиях возникновения неординарных ситуаций, посредством организации мобильных технических совещаний персонала, находящегося на различных объектах системы в данный момент.
Таким образом, следует отметить, что в современных условиях территориальное размещение буровых при наличии ГИС не имеет принципиального значения, а наличие стационарной службы управления, осуществляющей процесс мониторинга и управления техпроцессами на всех буровых площадках нефтедобывающей компании, принципиально не обязательно и ее функции может взять на себя, например, мобильный объект, объект, размещенный на одной из буровых площадок или внешний объект. Т.е. система позволяет организовать мониторинг и управление данным процессом с другого объекта, например с другой буровой площадки (в обоснованных случаях), в автоматическом, полуавтоматическом или ручном режимах. Это особенно важно в условиях, когда отдельные работы на буровых проводят субподрядчики (соисполнители), имеющие собственные базы данных.
Предложенное изобретение позволяет, кроме прочего эффективно решать задачи экономико-организационного характера: комплектация, производственное планирование, формирование отчетов и т.д.
Таким образом преимущества предлагаемой системы автоматизированного управления бурением скважин заключаются в следующем.
1. Доминанта выработки управляющих решений и воздействий принадлежит буровой площадке, что позволяет быстро и адекватно реагировать на
изменение условий и параметров технологического процесса. Созданы все предпосылки для оперативной оптимизации этих параметров.
2. Система инварианта к расположению объектов и их количеству и позволяет осуществлять эффективное оперативное управление на основе широкого доступа к информационным ресурсам как внутри системы, так и вне ее.
3. Высокая надежность обеспечивается за счет возможности резервирования процедур управления на других объектах.
4. Снижена потребность в большом количестве высококвалифицированного персонала.