Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ПАНФИЛОВА НАТАЛЬЯ ГЕННАДЬЕВНА
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ УПРАВЛЕНИИ БЕСТРАНШЕЙНОЙ ПРОКЛАДКОЙ ТРУБОПРОВОДА НА ОСНОВЕ ВИБРАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка
информации (информатика)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Сургут - 2012
Работа выполнена в Тюменском государственном нефтегазовом университете
Научный руководитель доктор физико-математических наук,
профессор
Борзых Владимир Эрнестович
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,
профессор
Кутрунов Владимир Николаевич
доктор технических наук,
профессор
Инютин Сергей Арнольдович
Ведущая организация Томский государственный университет
систем управления и радиоэлектроники
Защита состоится 22 мая 2012 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 800.005.06 при ГОУ ВПО Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа - Югры по адресу: 628412, Тюменская область, г. Сургут, пр-т Ленина, 1.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа - Югры по адресу: 628400, г. Сургут, пр-т Ленина, 1.
Автореферат разослан л 19 апреля 2012 года.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
На сегодняшний день одной из передовых технологий в области создания и ремонта инженерных коммуникаций является бестраншейная прокладка трубопроводов. Бестраншейная технология, по сравнению с открытым способом прокладки труб, позволяет значительно снизить объемы земляных работ, сократить сроки строительства, свести к минимуму риск возникновения аварий и вмешательство в экологию и ландшафт. Наиболее распространенным методом бестраншейной прокладки трубопроводов является горизонтально направленное бурение. Одним из важных этапов при использовании этого метода является протягивание трубопровода в стволе пробуренной скважины, когда плеть трубопровода крепится к расширителю на шарнирах, не передающих вращения расширителя, и протягивается по направлению, обратному при бурении скважины.
Многочисленные исследования показали, что большая заболоченность некоторых районов строительства трубопроводов (Аплонов С. В., Шмелев Г. Б., Краснов Д. К., Мандель А. Я., Чеховский А. Л.) приводит к увеличению протяженности переходов, а, следовательно, и к росту сил сопротивления протягиванию трубопровода в скважине (Александров М. М., Иорданов Д. С., Джонсон К., Демкин Н. Б., Розенблат Г. М.). Это является причиной повышения стоимости строительства переходов, так как требуется более мощное буровое оборудование. В ряде случаев, в частности при страгивании трубопровода после его неподвижного контакта со стенками скважины, свинчивании бурильных труб, резкий рост сил сопротивления становится причиной возникновения прихватов трубопровода, что влечет дополнительные финансовые затраты на строительство переходов.
Существующие методы, направленные на снижение сил сопротивления протягиванию трубопровода в стволе скважины, такие, как балластирование трубопровода водой (Кулагин В. П., Лебедев Е. А., Богданов Е. П., Петров Н. А., Кониев Т. В.), введение смазывающих добавок в буровой раствор (Конесев Г. В., Спивак А. И., Мавлютов М. Р., Прокопьев Г. А., Григорян А. А.), лишь частично решают эту проблему, не обеспечивая требуемый уровень снижения сил сопротивления протягиванию трубопровода в стволе пробуренной скважины, а также, не устраняя возможности возникновения прихватоопасных ситуаций.
Одним из путей решения этой проблемы является применение вибрации при бестраншейной прокладке трубопроводов. Гусев Б. В., Гончаревич И. С., Дейв Рунт исследовали процесс бурения скважин фрезой с виброприводом. Баркан Д. Д., Блехман И. И., Бромберг Г. И., Минаев В. И. в своих работах исследовали применение вибропрокола для снижения сил сопротивления при проходке горизонтальных скважин в бестраншейной технологии прокладки трубопроводов. Кершенбаум Н. Я., Костылев А. Д., Лускин А. Я., Ренди Лонг в своих исследованиях использовали оборудование для виброударного горизонтального продавливания труб большого диаметра с целью снижения сил трения при контакте трубы с грунтом.
Анализ результатов, полученных отечественными и зарубежными исследователями в области применения вибрационных воздействий при бестраншейной прокладке трубопроводов, показывает, что вибрация способствует снижению сопротивления при внедрении трубы в грунт, а также преодолению этого сопротивления за счет перехода сухого трения в условно вязкое. Однако вопрос научно обоснованного применения вибрационных технологий для снижения сил сопротивления при бестраншейной прокладке трубопроводов остается недостаточно изученным, что диктует необходимость построения систем анализа такого сложного объекта, как управление процессом протягивания трубопровода в стволе скважины при наложении вибрационных воздействий. Практика показывает, что применение вибрационных технологий требует создания инструментария для расчета частоты вибрационных воздействий и автоматизированной системы поддержки принятия решений (далее АС ППР) для управления процессом протягивания трубопровода в стволе скважины, что, учитывая ежегодно возрастающие объемы строительства переходов с применением бестраншейных технологий прокладки трубопроводов, является актуальной научно-технической задачей.
Объект исследования
Процессы управления бестраншейной прокладкой трубопровода при наложении на него локального вибрационного воздействия.
Предмет исследования
Методы системного анализа, управления и обработки информации при построении автоматизированной системы поддержки принятия решений, обеспечивающей эффективный процесс прокладки трубопровода при наложении локального вибрационного воздействия.
Цель работы
Повышение эффективности управления процессом бестраншейной прокладки трубопроводов при наложении вибрационных воздействий путем создания автоматизированной системы поддержки принятия решений.
Задачи исследования
- Обзор и анализ существующих методов снижения сил сопротивления при управлении процессом бестраншейной прокладки трубопроводов.
- Получение и анализ экспериментальной зависимости, описывающей процесс взаимодействия трубопровода со стенками скважины в области факторного пространства, определяемого условиями:
- непрерывного протягивания трубопровода в стволе пробуренной скважины;
- страгивания трубопровода после его неподвижного контакта со стенками скважины - при наложении вибрационных воздействий на локальную зону контакта трубопровода со стенками скважины.
- Разработка вычислительной модели для расчета требуемой частоты вибрационного воздействия в процессе протягивания трубопровода в стволе пробуренной скважины, учитывающей его взаимодействие со стенками скважины, параметры труб, пространственное положение трубопровода и состав промывочного раствора.
- Разработка алгоритмов расчета требуемой частоты вибрационных воздействий и функционирования автоматизированной системы поддержки принятия решений при управлении процессом протягивания трубопровода в стволе пробуренной скважины.
Методические основы и достоверность исследования
В представленной работе использованы методы системного анализа, аппарат теории управления, механики, колебаний механических систем, методы экспертной оценки, численные методы, методы теории принятия решений. Для имитационного моделирования применяется среда матричного программирования Simulink системы компьютерной математики MATLAB.
Достоверность и обоснованность научных положений, основных выводов и полученных в работе результатов основаны на корректном применении математических методов, фундаментальных положений физики, механики, теории управления и принятия решений, а также апробацией основных теоретических положений диссертации в печатных трудах и докладах на научных конференциях. Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается использованием большого объема экспериментального материала и подтверждается совпадением результатов моделирования и вычислительного эксперимента с результатами испытаний в промысловых условиях.
Научная новизна
- Впервые установлена экспериментальная зависимость коэффициента трения трубопровода о глинистую корку от параметров промывочного раствора и частоты вибрационных воздействий, накладываемых на зону их контакта, которая позволяет производить адаптацию разработанной вычислительной модели реальному процессу протягивания трубопровода (2, 3 пункты паспорта специальности 05.13.01).
- Впервые получена экспериментальная зависимость доли адгезионной составляющей силы сопротивления страгиванию труб в стволе скважины от времени их неподвижного контакта с глинистой коркой, содержания смазывающей добавки в промывочном растворе и частоты накладываемых на зону их контакта вибрационных воздействий, которая позволяет производить адаптацию разработанной вычислительной модели реальному процессу протягивания трубопровода при наличии его неподвижного контакта со стенками скважины (2,3 пункты паспорта специальности 05.13.01).
- Разработана вычислительная модель для расчета требуемой частоты
вибрационного воздействия, накладываемого на локальную зону контакта трубопровода со стенками скважины в процессе его протягивания в стволе пробуренной скважины (5 пункт паспорта специальности 05.13.01).
- Разработаны алгоритмы расчета требуемой частоты вибрационных
воздействий и функционирования автоматизированной системы поддержки принятия решений при управлении процессом протягивания трубопровода с учетом наложения вибрационных воздействий (4,9 пункты паспорта специальности 05.13.01).
Основные защищаемые положения
1. Экспериментальная зависимость коэффициента силы трения трубопровода о стенки скважины при его бестраншейной прокладке от содержания смазывающей добавки в промывочном растворе и частоты вибрационных воздействий.
2. Экспериментальная зависимость доли адгезионной составляющей сил сопротивления страгиванию трубопровода в скважине от времени неподвижного контакта трубопровода со стенками скважины, содержания смазывающей добавки в промывочном растворе и частоты вибрационных воздействий.
3. Вычислительная модель процесса прокладки трубопровода в стволе скважины, позволяющая производить расчет требуемой частоты вибрационных воздействий.
4. Автоматизированная система поддержки принятия решений при управлении процессом протягивания трубопровода в стволе скважины с учетом наложения вибрационных воздействий на локальную зону их контакта.
Практическая ценность
1. Разработанная вычислительная модель процесса прокладки трубопровода позволяет количественно оценить эффективность вибрационных воздействий с учетом параметров трубопровода, бурового раствора и пространственного положения трубопровода.
2. Разработанные алгоритмы расчета требуемой частоты вибрационных воздействий и автоматизированная система поддержки принятия решений позволяют участникам проекта по бестраншейной прокладке трубопровода принимать управляющие решения в процессе протягивания трубопровода в стволе скважины.
Результаты исследований представляют интерес для буровых предприятий при управлении процессом прокладки трубопровода путем наложения вибрационных воздействий. Предложенные алгоритмы и автоматизированная система поддержки принятия решений апробированы при сооружении перехода через реку Тура.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы и результаты исследований были представлены для обсуждения на научно-технических конференциях различного уровня:
1. Доклад на III Международной научно - технической конференции Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании, Тюмень, 2008 г.
2. Доклад на XVI Всероссийской научно - практической конференции молодых ученых и студентов Инновации. Интеллект. Культура, Тобольск, 25 апреля 2008 г.
3. Доклад на Всероссийской конференции по математике и механике, посвященной 130-летию Томского государственного университета и 60-летию механико-математического факультета, Вычислительная математика и компьютерное моделирование, Томск, 2008 г.
Опубликовано по теме диссертации 5 статей, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК России, 3 тезиса докладов, получено 3 авторских свидетельства на изобретение.
Структура и объем работы
Диссертационная работа изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц, 39 рисунков. Состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 134 наименований и трех приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель, объект, предмет, задачи исследования, определены научная новизна, выносимые на защиту положения и практическая значимость работы.
В первой главе проведен анализ современного состояния проблем, связанных со снижением сил сопротивления протягиванию трубопровода в стволе скважины при бестраншейной технологии строительства переходов, в рамках которого диссертантом рассмотрены основные этапы бестраншейной прокладки трубопроводов методом горизонтально направленного бурения, существующая система управления процессом протягивания трубопровода в скважине, проведен обзор методов, применяемых для снижения сил сопротивления, возникающих при взаимодействии трубопровода со стенками скважины, а также уравнений, описывающих этот процесс.
Системный анализ процесса бестраншейной прокладки трубопровода позволил определить, что управление этим процессом заключается в целенаправленном снижении силы сопротивления протягиванию трубопровода в скважине. В качестве входных параметров существующей системы управления в этом процессе выступают: балластирование трубопровода водой и введение смазывающих добавок в буровой раствор. На выходе системы - сила сопротивления протягиванию трубопровода в стволе скважины. Критерием эффективности системы управления является уровень снижения силы сопротивления. Оценка влияния входных параметров показала, что балластирование трубопровода водой и введение смазывающих добавок в буровой раствор позволяют снизить силы сопротивления лишь на 3% и 5% соответственно. Это обусловило необходимость поиска других методов снижения сил сопротивления при бестраншейной прокладке трубопровода.
Проведенный автором анализ ряда работ, посвященных применению вибрационных установок при бестраншейной прокладке трубопроводов методами прокола и продавливания, показал, что вибрационные воздействия позволяют снизить силы сопротивления на 24% и 15% соответственно. Наличие положительных результатов исследований позволило сделать вывод о возможности применения вибрационных технологий при бестраншейной прокладке трубопровода методом горизонтально направленного бурения путем наложения вибрации при протягивании трубы в стволе скважины.
С целью введения вибрационного воздействия в качестве входного параметра в существующую систему управления протягиванием трубопровода в стволе скважины автором диссертационной работы был проведен анализ уравнений, описывающих процесс взаимодействия трубопровода со стенками скважины при его протягивании. Показано, что эти уравнения не учитывают всей области факторного пространства, влияющего на процесс движения трубопровода в скважине, который может быть как непрерывным, так и с технологическими остановками. Это говорит об отсутствии научно обоснованного применения вибрационных технологий в существующей системе управления бестраншейной прокладкой трубопроводов.
Сделан вывод о необходимости исследования процесса взаимодействия трубопровода со стенками скважины в различных режимах его движения и получения зависимостей, учитывающих влияние значимых для этого процесса факторов, включая вибрационные воздействия.
Во второй главе приведены результаты получения и анализа автором экспериментальных зависимостей, описывающих процесс взаимодействия трубопровода со стенками скважины при его бестраншейной прокладке, с учетом наложения вибрационных воздействий, при условии непрерывного движении трубопровода в скважине и его страгивания после неподвижного контакта со стенками скважины.
С непрерывным движением трубопровода в скважине связано исследование коэффициента трения. С целью получения экспериментальной зависимости, описывающей коэффициент трения при взаимодействии трубопровода со стенками скважины, автором был проведен анализ факторного пространства, влияющего на процесс непрерывного движения трубопровода в стволе скважины, с применением метода априорного ранжирования. Априорное ранжирование факторов проводилось на основе информации о значимости факторов, представленной в работах Зимона А. Д., Машкова Ю. К., Чичинадзе А. В., Иорданова Д. С. и других исследователей. По результатам априорного ранжирования были выделены значимые факторы: процентное содержание в промывочном растворе смазывающей добавки и частота вибрационных воздействий, накладываемых на локальную зону контакта труб со стенками скважины.
Для численного определения коэффициента трения был проведен анализ приборной базы, представленной в работах Прокопьева Г. А., Гайворонского А. Т., Шахбазбекова К. Б. и других. Установлено, что существующие приборы не учитывают факторного пространства, определенного при априорном ранжировании. Для численной оценки коэффициента трения автором была разработана экспериментальная установка, моделирующая процесс взаимодействия трубопровода со стенками скважины при его непрерывном протягивании, структурная схема которой представлена на рис. 2.
Рис.2. Структурная схема экспериментальной установки
для численного анализа коэффициента трения
Двигатель постоянного тока 1 с постоянными магнитами, питаемый от источника постоянного тока 10 вращает жестко соединенный с его валом имитатор трубопровода 2, покрытый по наружной поверхности полиэтиленовой пленкой. К имитатору трубопровода 2 по его образующей прижимается с заданным усилием через рычаг, соединяющий площадку 5 с тарированным весом 8, фильтрационная корка 6. На общем с двигателем 1 основании 7 установлен двигатель постоянного тока 4 с постоянными магнитами, питаемый от источника постоянного тока 11 с жестко закрепленным на его валу эксцентриком 3 для наложения радиальных колебаний на зону контакта имитатора трубопровода 2 с фильтрационной коркой 6. В цепь питания двигателя 1 включен миллиамперметр для измерения тока питания обмотки якоря двигателя 1. Площадка под фильтрационную корку имеет радиус изгиба на 20% больше радиуса имитатора, учитывая, что на практике диаметр скважины больше диаметра трубопровода в 1,2 раза.
Проведенный автором научный эксперимент на разработанной установке позволил получить зависимость коэффициента трения от процентного содержания смазывающей добавки в промывочном растворе и частоты вибрационного воздействия. Проверка по критерию Фишера показала с 95% - ной доверительной вероятностью адекватность полученной экспериментальной зависимости, которая имеет следующий вид:
, (1)
где - коэффициент трения;
- согласующий размерность коэффициент по частоте вибраций, 1/с;
- относительное содержание смазывающей добавки в буровом растворе, %;
- частота вибрации, Гц.
Анализ полученной эмпирической зависимости коэффициента трения от частоты и содержания смазывающей добавки (рис. 3) показал, что введение в промывочный раствор смазывающей добавки приводит к снижению коэффициента трения в зоне контакта трубопровода со стенками скважины на 10%, в то время как наложение на зону контакта вибрационного воздействия позволяет снизить коэффициент трения на 50%.
С физической точки зрения это объясняется освобождением под действием вибрации связанной в глинистой корке воды, становящейся своеобразным смазывающим компонентом в зоне контакта трубопровода со стенками скважины.
Таким образом, полученные экспериментальным путем результаты подтверждают предположение о более высокой эффективности применения вибрационных технологий для снижения сил сопротивления при протягивании трубопровода в стволе пробуренной скважины, по сравнению с балластированием трубопровода водой и введением смазывающей добавки в промывочный раствор.
Рис.3. Зависимость коэффициента трения от частоты вибрационного воздействия и содержания смазывающей добавки в промывочном растворе; - экспериментальные точки
Ввиду того, что в процессе бестраншейной прокладки трубопровода существуют технологические остановки, связанные со свинчиванием бурильных труб, наращиванием плетей трубопровода, потребовалось исследование адгезионной составляющей сил сопротивления, возникновение которой обусловлено неподвижным контактом трубопровода со стенками скважины.
Для получения зависимости, описывающей процесс взаимодействия трубопровода со стенками скважины, автором был проведен анализ факторного пространства, влияющего на адгезионную составляющую сил сопротивления движению трубопровода в стволе скважины, с применением метода априорного ранжирования. Априорное ранжирование факторов было проведено на основе информации о значимости факторов, представленной в работах Бабаян Э. В., Дерягина В. Б., Александрова М. М., Розенблата Г. М. и других исследователей. Значимыми определены следующие факторы: время неподвижного контакта трубопровода со стенками скважины, содержание смазывающей добавки в промывочном растворе и частота вибрационных воздействий на зону их контакта.
Для численного определения адгезионной составляющей сил сопротивления автором был проведен анализ опубликованной в печати приборной базы, который показал, что существующие модельные установки не охватывают всей области факторного пространства, определяемого характером взаимодействия трубопровода со стенками скважины при его страгивании после неподвижного контакта.
Автором была разработана экспериментальная установка, моделирующая процесс страгивания трубопровода после его неподвижного контакта со стенками скважины. Структурная схема экспериментальной установки представлена на рис.5, где на площадке, имитирующей стенки скважины 5, размещается образец глинистой корки, на которую устанавливается имитатор трубопровода 4. На основании 6 установлен двигатель постоянного тока 1, питаемый от источника питания постоянного тока 7 и имеющий на своем валу эксцентрик 2 для создания вибрационных воздействий в зоне контакта имитатора 4 с глинистой коркой 5. При увеличении наклона площадки 3 фиксируется момент начала страгивания имитатора 4, что свидетельствует о равенстве сил сопротивления силам тяжести.
Рис.5. Структурная схема экспериментальной установки для исследования адгезионной составляющей силы сопротивления
По результатам проведенного автором научного эксперимента получено эмпирическое уравнение, устанавливающее зависимость доли адгезионной составляющей сил сопротивления от времени неподвижного контакта трубопровода со стенками скважины, частоты вибрационного воздействия, накладываемого на зону их контакта, и содержания смазывающей добавки в промывочном растворе. Проверка по критерию Фишера показала с 95% - ной доверительной вероятностью адекватность полученной эмпирической зависимости, которая имеет вид:
, (2)
где - доля адгезионной составляющей силы сопротивления, Н/м2;
= 0.23 - согласующий размерность коэффициент по времени, Н/с*м2;
= 14.00 - согласующий размерность коэффициент по содержанию смазывающей добавки, Н/м2;
= 2.20 - согласующий размерность коэффициент для адгезионной составляющей по частоте вибраций, Н*с/м2;
- время неподвижного контакта трубопровода со стенками скважины, с;
- процент содержания смазывающей добавки в промывочном растворе, %;
- частота вибрации, Гц.
На рис. 6 представлена зависимость доли адгезионной составляющей сил сопротивления от содержания смазывающей добавки в промывочном растворе и времени неподвижного контакта трубопровода со стенками скважины при отсутствии вибрационного воздействия, анализ которой показывает, что доля адгезионной составляющей сил сопротивления страгиванию трубопровода с увеличением времени его неподвижного контакта со стенками скважины резко возрастает, в то время как введение в промывочный раствор смазывающей добавки приводит к снижению доли адгезионной составляющей на 5%.
Рис.6. Зависимость доли адгезионной составляющей от смазывающей добавки и времени покоя при частоте вибрации равной нулю;
- экспериментальные точки
На рис. 7 представлена зависимость доли адгезионной составляющей сил сопротивления от частоты вибрационного воздействия на зону контакта трубопровода со стенками скважины и времени их неподвижного контакта при отсутствии смазывающей добавки в промывочном растворе.
Рис.7. Зависимость доли адгезионной составляющей от частоты вибрации и времени покоя при величине смазывающей добавки равной нулю;
- экспериментальные точки
Показано, что доля адгезионной составляющей сил сопротивления страгиванию трубопровода при наличии его неподвижного контакта со стенками скважины снижается на 35% с увеличением частоты вибрационного воздействия на зону их контакта и при определенных уравнением (2) условиях приводит к полному разрушению адгезионных связей.
Сделан вывод об адекватности полученных экспериментальных зависимостей реальному процессу протягивания трубопровода в стволе скважины. Отмечено, что применение вибрационных воздействий снижает не только коэффициент трения, но и адгезионную составляющую сил сопротивления, что позволит предупредить возникновение прихватов трубопровода при его протягивании.
В третьей главе представлены результаты разработки вычислительной модели процесса протягивания трубопровода в стволе пробуренной скважины, учитывающей наложение вибрационных воздействий на локальную зону контакта трубопровода со стенками скважины, с применением имитационного моделирования на ЭВМ.
За основу численной реализации модели процесса протягивания трубопровода в стволе скважины, с учетом наложения вибрационных воздействий, был выбран метод конечных элементов, при котором движение трубопровода в стволе скважины может быть представлено набором дискретных элементов. При этом характеристика исходной системы остается практически неизменной, то есть уравнение в частных производных, описывающее динамику движения трубопровода, может быть сведено к системе обыкновенных дифференциальных уравнений. В основу механического аналога движения трубопровода положена система дифференциальных уравнений, которая имеет вид:
;
;
, (3)
где ; ; ; ;
- масса дискретных элементов, кг;
- упругость материала трубопровода, коэффициент Пуассона;
- сила сопротивления движению, Н.
На рис.9 представлен один из блоков структурной схемы вычислительной модели процесса протягивания трубопровода в стволе пробуренной скважины, разработанной автором на основе системы дифференциальных уравнений (3).
где Кпер - коэффициент передачи;
Кос - коэффициент обратной связи;
Fтр - сила трения;
Fадг - адгезионная составляющая сил сопротивления;
Fин - сила инерции.
Рис.9. Блок структурной схемы вычислительной модели процесса протягивания трубопровода в стволе пробуренной скважины
По результатам проведенного автором анализа существующих программных продуктов в качестве средства компьютерного моделирования была выбрана среда матричного программирования Simulink системы компьютерной математики MATLAB. С помощью вычислительной модели, разработанной в среде Simulink, автором было проведено моделирование процесса протягивания стального трубопровода диаметром 530 мм с толщиной стенки 12 мм и длиной 900м, покрытого полипропиленовой пленкой, в стволе скважины диаметром 640 м при использовании бурового раствора из глинопорошка.
Результаты численного эксперимента показали, что наложение вибрационного воздействия на зону контакта трубопровода со стенками скважины позволило снизить силу трения в зоне их контакта до 50%. При этом управляющие воздействия, связанные с введением в промывочный раствор смазывающей добавки или балластированием трубопровода водой, в аналогичных условиях позволили снизить значение силы трения не более чем на 12% и 9% соответственно. Наложение вибрационного воздействия с частотой до 10 Гц при наличии адгезионных связей между трубопроводом и стенками скважины приводит к их полному разрушению, оставляя эффективность других управляющих воздействии на прежнем уровне.
Таким образом, результаты моделирования в разработанной вычислительной модели позволяют подтвердить предположение о большей, по сравнению с введением смазывающей добавки в промывочный раствор, эффективности вибрационных воздействий для снижения сил сопротивления, накладываемых на локальную зону контакта трубопровода со стенками скважины.
В четвертой главе представлены результаты разработки алгоритмов расчета требуемой частоты вибрационных воздействий и функционирования автоматизированной системы поддержки принятия решений при управлении процессом протягивания трубопровода в стволе пробуренной скважины с применением вибрационных воздействий.
Алгоритм расчета вибрационного воздействия при непрерывном движении трубопровода в скважине представлен на рис.10.
На первом этапе формируется пакет исходных данных: физико-механические характеристики бурильных труб, параметры промывочного раствора, длина трубопровода, геометрические параметры профиля ствола скважины, номинальное значение мощности буровой установки, величина натяжения буровой колонны, которая оперативно вносится оператором-технологом при расчете управляющего вибрационного воздействия.
На втором этапе расчета определяется значение коэффициента трения трубопровода о стенки скважины согласно уравнению (1).
На третьем этапе производится расчет величины силы прижатия трубопровода к стенкам скважины из отношения
. (4)
На четвертом этапе осуществляется вычисление силы сопротивления движению трубопровода в скважине с помощью разработанной вычислительной модели процесса протягивания трубопровода в стволе пробуренной скважины при отсутствии вибрационного воздействия.
На пятом этапе производится вычисление мощности , необходимой для преодоления сил сопротивления при протягивании трубопровода в стволе скважины согласно выражению
. (5)
где - скорость протягивания трубопровода, м/с.
Рис.10. Алгоритм расчета вибрационного воздействия при отсутствии неподвижного контакта трубопровода со стенками скважины
На шестом этапе осуществляется расчет мощности , необходимой для создания вибрационного воздействия, согласно формуле
, (6)
где - амплитуда колебаний, создаваемых буровой колонной, м;
- масса трубопровода, кг;
- частота вращения ведущей бурильной трубы, 1/с.
На седьмом этапе производится расчет разницы между номинальной мощностью бурового станка и мощностью, необходимой для преодоления сил сопротивления протягиванию трубопровода и мощностью, необходимой для создания вибрационного воздействия .
На восьмом этапе осуществляется сравнение предыдущего значения с последующим , полученным после увеличения частоты вибрационного воздействия на величину при невыполнении условия
. (7)
При выполнении условия (7) на дисплей ЭВМ оператора-технолога выводится оптимальное значение частоты вибрационного воздействия на данном этапе процесса протягивания.
При расчете частоты вибрационного воздействия, связанного со страгиванием трубопровода, в пакет исходных данных дополнительно вводится время его неподвижного контакта со стенками скважины .
Алгоритм расчета частоты вибрационного воздействия при страгивании трубопровода представлен на рис.11.
Рис.11. Алгоритм расчета вибрационного воздействия при страгивании трубопровода
На первом этапе в пакет исходных данных вводится: время неподвижного контакта трубопровода со стенками скважины , время свинчивания бурильной трубы , величина тягового усилия после свинчивания трубы .
На втором этапе производится расчет значения доли адгезионной составляющей сил сопротивления после свинчивания бурильной трубы согласно уравнению (2), где .
На третьем этапе осуществляется расчет площади контакта трубопровода со стенками скважины из отношения
. (8)
На четвертом этапе производится расчет значения доли адгезионной составляющей сил сопротивления после неподвижного контакта трубопровода со стенками скважины согласно уравнению (2), где .
На пятом этапе осуществляется вычисление необходимой для страгивания трубопровода силы сопротивления с учетом его неподвижного контакта со стенками скважины на основе разработанной вычислительной модели процесса протягивания трубопровода в стволе пробуренной скважины при отсутствии вибрационного воздействия.
На шестом этапе осуществляется вычисление мощности , необходимой для страгивания трубопровода в стволе скважины согласно выражению
, (9)
где - скорость движения трубопровода при страгивании, м/с.
На седьмом этапе производится вычисление мощности , необходимой для создания вибрационного воздействия согласно формуле
, (10)
где - амплитуда колебаний, создаваемых буровой колонной, м;
- масса трубопровода, кг;
- частота вращения ведущей бурильной трубы, 1/с.
На восьмом этапе осуществляется расчет разницы между номинальной мощностью бурового станка и мощностью, необходимой для страгивания трубопровода , а также мощностью, необходимой для создания вибрационного воздействия .
На девятом этапе производится сравнение предыдущего значения с последующим , полученным после увеличения частоты вибрационного воздействия на величину при невыполнении условия
. (11)
При выполнении условия (11) на дисплей ЭВМ оператора-технолога выводится требуемое значение частоты вибрационного воздействия.
Процесс управления протягиванием трубопровода в стволе пробуренной скважины осуществляется в режиме поддержки принятия решений оператором-технологом при выработке вибрационных воздействий на объект управления.
На рис.12 представлена функциональная схема автоматизированной системы управления процессом протягивания трубопровода в стволе пробуренной скважины при наложении вибрационных воздействий.
Рис.12. Функциональная схема автоматизированной системы управления процессом протягивания трубопровода в стволе пробуренной скважины при наложении вибрационных воздействий
Автоматизированная система управления включает в себя объект управления 1 (трубопровод), устройство измерения 2 (индикатор силы натяжения бурильной колонны), расчетный блок 4, вырабатывающий указания оператору-технологу 3 для принятия решения (требуемое значение частоты вибрационного управляющего воздействия) и регулирующий орган 5. В основу расчетного блока положены разработанные алгоритмы расчета требуемого значения частоты вибрационного воздействия на зону локального контакта трубопровода со стенками скважины.
Алгоритм функционирования автоматизированной системы поддержки принятия решений (рис.12) включает следующие этапы:
1. Получение оператором-технологом информации о значении тягового усилия с датчиков буровой установки.
2. Ввод оператором-технологом в АС ППР полученной информации о величине тягового усилия.
3. Расчет в АС ППР требуемого значения частоты вибрационного воздействия на основе разработанной вычислительной модели и вывод информации на дисплей.
4. Принятие оператором-технологом решения о подаче вибрационного воздействия рассчитанной частоты на трубопровод через вибрационное устройство. Оператор-технолог также может принять решение о том, что на данном этапе протягивания трубопровода не следует подавать вибрационное воздействие заданной частоты. Ответственность за правильность принятого решения возлагается на оператора-технолога.
В процессе протягивания трубопровода этапы 1- 4 повторяются.
В пятой главе приведены результаты апробации разработанной вычислительной модели в промысловых условиях при управлении процессом протягивания трубопровода в стволе скважины. Вычислительная модель положена в основу разработанной автоматизированной системы поддержки принятия решений.
Управление процессом протягивания трубопровода в стволе пробуренной скважины в условиях промысловых исследований осуществлялось при прокладке стального трубопровода диаметром 530 мм, с толщиной стенки 12 мм, покрытого тремя слоями полиэтиленовой пленки, с длиной перехода 272 м через реку Тура. Трубопровод состоял из 4-х плетей, наращиваемых по ходу его протягивания в пробуренную скважину. Глубина прокладки составляла 5м от дна русла реки. Процесс протягивания трубопровода не сопровождался расширением ствола скважины. Бестраншейную прокладку трубопровода осуществляло предприятие ООО ГНБ - Нефтестрой. Для прокладки трубопровода был использован буровой станок марки Ti Drill - 350 мощностью 350 тс.
Программа промыслового исследования включала в себя этапы подачи вибрационных воздействий при протягивании трубопровода в стволе скважины и перед его страгиванием после неподвижного контакта трубопровода со стенками скважины на интервале наращивания плети. Вибрационное воздействие осуществлялось созданием эксцентриситета бурильной колонны направляющим роликом бурового стола. Вращение буровых штанг продолжалось и после страгивания трубопровода. Нагрузочная диаграмма с расчетными значениями тягового усилия и значениями тягового усилия, полученными при промысловых исследованиях, при протягивании трубопровода в пробуренную скважину представлена на рис.13.
Рис.13. Нагрузочная диаграмма при протягивании трубопровода в пробуренную скважину
где:
- величина тягового усилия бурового станка, полученная при натурных исследованиях;
- величина тягового усилия бурового станка, полученная при моделировании процесса протягивания трубопровода;
1 - величина тягового усилия после наращивания 2-ой плети трубопровода;
2 - величина тягового усилия после наращивания 3-й плети трубопровода;
3 - тяговое усилие при страгивании трубопровода после 40 минутного неподвижного контакта со стенками скважины при наложении управляющего вибрационного воздействия;
4 - тяговое усилие протягивания трубопровода при наложении управляющего вибрационного воздействия;
5 - величина тягового усилия после наращивания 4-ой плети трубопровода.
Нагрузочная диаграмма бурового стола (рис.13) показывает, что при наложении вибрационного воздействия с частотой 1 Гц тяговое усилие бурового станка при протягивании трубопровода снизилось, по сравнению с отсутствием вибрации, на 15%, а при страгивании трубопровода после 40- минутного его неподвижного контакта со стенками скважины (точка 3 на рис.13) тяговое усилие уменьшилось более чем в 2 раза.
Анализ расчетных данных при моделировании и данных натурного исследования позволил сделать вывод об адекватности с 95% доверительной вероятностью полученных экспериментальных зависимостей и вычислительной модели реальному процессу протягивания трубопровода в стволе пробуренной скважины.
Таким образом, разработанная автоматизированная система поддержки принятия решений является основой системного подхода при выработке вибрационных воздействий в управлении процессом протягивания трубопровода в стволе пробуренной скважины, которые обеспечивают более высокий уровень снижения сил сопротивления протягиванию трубопровода, что повышает эффективность управления этим процессом.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Разработаны экспериментальные установки для исследования взаимодействия трубопровода со стенками скважины при его непрерывном протягивании и в момент его страгивания после неподвижного контакта с глинистой коркой, которые позволяют исследовать данные процессы с учетом наложения вибрационного воздействия на локальную зону контакта трубопровода со стенками скважины.
2. Установлены экспериментальные зависимости коэффициента трения и доли адгезионной составляющей силы сопротивления в зоне контакта трубопровода с глинистой коркой от частоты вибрационного воздействия, времени неподвижного контакта трубопровода со стенками скважины и величины содержания смазывающей добавки в промывочном растворе, которые позволяют адаптировать разработанную вычислительную модель к реальным условиям протягивания трубопровода в скважине.
3. Разработанная вычислительная модель и алгоритмы расчета требуемой частоты вибрационного воздействия на локальную область трубопровода позволили построить автоматизированную систему поддержки принятия решений для управления процессом его бестраншейной прокладки. Это является основой научно обоснованного применения вибрационных технологий в процессе протягивания трубопровода в стволе пробуренной скважины.
4. Полученные экспериментальные зависимости, описывающие коэффициент трения, долю адгезионной составляющей сил сопротивления, и вычислительная модель процесса протягивания трубопровода в стволе скважины с учетом вибрационных управляющих воздействий могут служить инструментарием для разработки и совершенствования техники и технологии в области предупреждения и ликвидации прихватов трубопровода в стволе скважины.
Основные положения диссертации опубликованы:
В журналах, рекомендованных ВАК России:
1. Панфилова, Н. Г. Разработка математической модели взаимодействия трубопровода со стенками скважины // Известия вузов. Нефть и газ, № 3. - Тюмень, 2009. - С. 82-87.
2. Борзых, В. Э., Панфилова, Н. Г. Основы автоматизированного управления процессом протягивания трубопровода при его бестраншейной прокладке // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, № 1(21), часть 1. Томск: ТУСУР, 2010. - С. 82-85.
3. Борзых, В. Э., Панфилова, Н. Г. Практические аспекты управления протягиванием трубопровода при бестраншейной прокладке // Известия вузов. Нефть и газ, № 5. - Тюмень, 2010. - С. 82-84.
4. Борзых, В.Э., Панфилова, Н.Г. Моделирование процесса протягивания трубопровода в стволе пробуренной скважины при наложении на локальную зону их контакта вибрационных воздействий // Вестник ТюмГУ, № 7. - Тюмень: ГОУ ВПО ТюмГУ, 2011. - С.82-86.
В других печатных изданиях:
5. А.С. 2183722 RU C2, МКИ3 7 E21B 19/08. Способ создания осевой нагрузки и устройство для его осуществления / Н. Г. Панфилова, 2002. - 2с: ил.
6. А.С. 2186926 RU С1, МКИ3 7 E21B 4/14, 7/24. Вибрационное устройство для бурения скважин / Н. Г. Панфилова, П. А. Апасев, О. И. Кротов, 2002. - 3с: ил.
7. А.С. 2237791 RU C1, МКИ3 7 E21B 7/24. Вибрационное устройство для бурения скважин / Н. Г. Панфилова, 2004. - 3с: ил.
8. Панфилова, Н. Г. Разработка цифровой модели бестраншейной прокладки трубопровода с учетом его параметров и взаимодействия со стенками скважины // Материалы XVI Всероссийской научно - практической конференции молодых ученых и студентов Инновации. Интеллект. Культура (Тобольск, 25 апреля 2008 г.). Тюмень: ТюмГНГУ, 2008. - С. 30-31.
9. Панфилова, Н. Г. Задачи и результаты моделирования процесса бестраншейной прокладки магистральных трубопроводов // Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании: Материалы III Международной научно - технической конференции. Тюмень: ТюмГНГУ, 2008. - С. 152-155.
10. Панфилова, Н. Г. Совершенствование техники и технологии бестраншейной прокладки трубопровода // Нефтегазовый терминал. Выпуск 2. Тюмень: Типография ЭКСПРЕСС, 2008. - С. 85-86.
11. Панфилова, Н. Г. Моделирование распределенных систем с учетом их пространственного положения // Вычислительная математика и компьютерное моделирование: Сборник тезисов Всероссийской конференции по математике и механике, посвященной 130-летию Томского государственного университета и 60-летию механико-математического факультета. Томск: Томский государственный университет, 2008г. - С.139-140.
Соискатель Н. Г. Панфилова
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям