Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow География arrow Оптимизация в геологоразведочном производстве

МЕТОДЫ, СРЕДСТВА И КРИТЕРИИ ОПТИМИЗАЦИИ

Общие сведения о методах, средствах и критериях оптимизации

Пример моделирования напряженного состояния забоя под торцом алмазной коронки в системе MD Nastran

Рис. 1.1. Пример моделирования напряженного состояния забоя под торцом алмазной коронки в системе MD Nastran

Методы оптимизации,

прежде всего, связаны с математикой, с достижениями различных направлений математической теории, обосновывающих логические решения, в настоящее время существенно усиленных использованием

компьютерных технологий.

В данном случае примерами могут служить такие средства, как вычислительные комплексы

Matlab, Excel и др.

Средствами оптимизации могут служить элементы линейной алгебры, дифференциальное

исчисление, математический анализ, методы математической статистики, теория матриц, методы и теория планирования эксперимента и др.

Средства оптимизации на основе компьютерных технологий в настоящее время могут давать многовариантные решения с мощной визуализацией образа модели (рис. 1.1). Например, это программные комплексы MSC Patran или MD Nastran. Эти комплексы созданы на основе такого математического аппарата как метод конечных элементов и позволяют производить расчеты напряжений, прочности, деформаций в заданных точках детали, узла, конструкции и создавать визуальные образы, в том числе в динамике. В настоящее время осуществляется проектирование с обязательным поиском оптимальных решений при создании новых моделей самолетов, автомобилей и других объектов техники.

MSC/NASTRAN for Windows (MacNeile Shreider Corporation/ NASA Structural Analysis) - система инженерного компьютерного анализа,

основанная на методе конечных элементов (МКЭ) и предназначенная для расчета статических напряжений и деформаций, устойчивости, определения собственных частот и форм колебаний, анализа тепловых установившихся и переходных процессов, а также задач статики и динамики в нелинейной постановке.

Геометрические модели для NASTRAN for Windows, являющиеся основой конечно-элементных моделей, можно формировать как с помощью препроцессора самой системы, так и импортировать их из какой-либо другой С/Ш-системы, с которой NASTRAN for Windows имеет интерфейс (форматы: DXF, IGES, ACIS, Parasolid, стереолитография). В любом из этих случаев система обеспечивает генерацию конечно-элементной модели. Генерация конечно-элементных сеток в препроцессоре системы может осуществляться как вручную, на основе указанных опорных точек, так и автоматически для сложных частей геометрической модели.

Необходимые для проведения анализа характеристики материалов и балочных сечений могут задаваться пользователем самостоятельно или выбираться из соответствующих библиотек, имеющихся в системе. Предусмотрена возможность моделирования практически всех типов материалов, включая композиты, гиперупругие и другие современные материалы.

Для моделирования внешних факторов, оказывающих влияние на конструкцию, в системе имеется выбор способов нагружения и закрепления конечно-элементной модели.

Кроме того, система может работать и с уже готовыми конечноэлементными моделями, которые были сформированы с помощью других систем и переданы в NASTRAN for Windows с использованием соответствующих интерфейсов.

Препроцессор системы обеспечивает полный визуальный контроль всех этапов моделирования, который помогает избежать ошибок при создании модели. Система позволяет выявить совпадающие (сдублированные) геометрические объекты, обнаружить неправильные соединения элементов, рассчитать массовые и инерционные свойства, оценить условия закрепления модели. Каждый из этих методов может быть использован в любое время для обнаружения потенциальных ошибок.

По окончании процесса формирования модели с помощью системы NASTRAN for Windows можно осуществить её конечно-элементный анализ, построенный на алгоритмах, которые обеспечивают максимальную точность, скорость и достоверность решения.

Постпроцессор системы NASTRAN for Windows располагает мощными средствами визуализации, позволяющими по завершении расчетов быстро обрабатывать полученные результаты. Вычисленные значения узловых перемещений (деформаций) обычно используют для изображения деформированного состояния модели и его анимации. Все существующие типы результатов могут быть представлены и в виде графиков.

Расширенные функции NASTRAN for Windows включают технологию процесса оптимизации проектов. При поиске оптимального решения пользователь может задать определенные ограничения либо целевую функцию с параметрами оптимизации и, вернувшись в препроцессорный блок, повторить расчет и оценить влияние внесенных изменений.

При оптимизации может производиться неограниченное варьирование параметрами формы, размеров и свойств объекта. Алгоритмы анализа при оптимизации позволяют исследовать влияние различных параметров на поведение целевой функции и управлять процессом поиска оптимального решения.

Метод конечных элементов

В геометрической модели, созданной в препроцессорном блоке, выделяются точки, в которых производят расчеты напряжений и деформаций. Количество выбранных точек определяет точность инженерного анализа, но при этом напрямую влияет на число решаемых в системе математических уравнений, количество которых определяется как произведение числа точек N на число степеней свободы каждой точки (обычно 3). Например, если рассчитывается работа балки круглого поперечного сечения (рис. 1.2), следует

Конечно-элементная модель в виде балки

Рис. 1.2. Конечно-элементная модель в виде балки

задать не менее четырех точек в каждом сечении, которые будут располагаться по длине балки через 10 см. Тогда в балке длиной 40 см будет всего 20 точек, в которых определяются напряжения и деформации, а уравнений для анализа будет 60.

При расчете сложной объемной модели число точек увеличивается геометрически и конечное число уравнений для расчета деформаций и напряжений может составлять несколько тысяч.

Напряжения и деформации связываются в виде уравнений с использованием полиномов. В задачах прочности минимальный функционал полной потенциальной энергии системы строится на разности сопротивлений тела деформациям и работы внешних сил.

Примеры компьютерного проектирования бурового инструмента Для проектирования резцов и долот современными компаниями- разработчиками бурового инструмента и оборудования используются современные компьютерные технологии инженерного проектирования на основе метода конечных элементов типа Nastran, Patran, Ansys.

Подразделение Smith Bits фирмы SMITH, входящей в структуру нефтегазовой сервисной компании Schluherger, разработало интегрированную инженерно-аналитическую систему IDEAS, в которой рассматривается работа резца в динамической среде бурения с учетом влияния всех компонент буровой компоновки. Основной задачей IDEAS является производство оптимальных по эффективности конструкций долот и значительное сокращение времени цикла разработки инструмента.

Моделирование в системе IDEAS начинается с анализа данных о показателях работы долота, геологических условий, информации об условиях бурения и износе долота. На основании этой информации разрабатываются и выполняются лабораторные испытания взаимодействия резцов с различными породами. По сравнению с другими системами проектирования долот, позволяющими оценить лишь взаимодействие резцов с породой, лабораторные данные из системы IDEAS представляют количественные параметры по фактическим усилиям на резцах и скоростям бурения. Информация используется для анализа конструкций долота с учетом литологических особенностей, аналогичных тем, для которых проектируется долото. В результате получается буровое долото, обладающее динамической стабильностью при рабочих параметрах и условиях эксплуатации, для которых оно предназначено, что способствует увеличению срока службы и повышению скорости проходки. Оптимизированные параметры могут поддерживаться для обеспечения более быстрой и продолжительной работы долота при снижении нагрузки на компоновку и оборудование буровой установки. Например, крайне интересна последняя разработка Smith Bits - долота с резцами типа PDC (policristalline diamont cutters) с вращающимися вокруг своей оси в процессе бурения алмазными резцами ONYX 360, ресурс которых существенно выше, чем у резцов зафиксированных в матрице долота.

Программа четырехмерного моделирования i-Drill, как составная часть системы IDEAS, позволяет прогнозировать поведение долота вместе с компоновкой, с использованием сверхмощных вычислительных машин, при помощи метода конечных элементов и данных, полученных в ходе лабораторных исследований свойств горных пород.

Модель, построенная с помощью синхронизированного по времени моделирования с шестью степенями свободы, достаточно точно прогнозирует силы и вибрации, которые зачастую оказывают решающие воздействие на отклоняющее усилие на долоте, срок службы забойных датчиков, целостность бурильной колонны и эффективность процесса бурения в целом.

Возможность выявления источника крутильных, осевых и поперечных колебаний позволяет специалистам по бурению и по искривлению ствола скважины определить необходимые изменения в компоновке снаряда и оптимизировать режимы бурения. Программа i-Drill обеспечивает пометровую оценку прочности бурильной колонны, получаемую измерением момента на изгиб в двух осях. Направление отклоняющих усилий на долоте определяются силами, возникающими на долоте при взаимодействии с породой с учетом динамики всей бурильной колонны.

Компания Smith Technologies разработала программу моделирования гидравлики бурения и очистки ствола Yield Point с целью оптимизации выбора типа и свойств бурового раствора в соответствии с условиями бурения. После ввода исходных данных программа Yield Point выполняет графическое моделирование свойств бурового раствора, скорости движения промывочной жидкости, механической скорости проходки, а также площади сечения гидромониторных насадок, а затем позволяет оценить влияние соответствующих параметров на гидравлические характеристики долота и очистку ствола скважины.

База данных по отработке долот Smith Bits (DRS) содержит информацию о трех миллионах отработанных буровых долот практически со всех нефтяных и газовых месторождений по всему миру. Помимо того что база данных по отработке долог DRS используется для проектирования долот, она также позволяет системе оптимизации выбора буровых долот DBOS обеспечить правильный выбор долот для эффективного бурения конкретной породы.

Компанией Varel разработан собственный программный продукт для проектирования инструмента под названием SPOT™. Компьютерное моделирование позволяет оценивать качества долот, их ресурс и производительность в процессе компьютерного тестирования. Улучшенная

Визуализация образа в системе анализа гидродинамики долот при компьютерном проектировании

Рис. 1.3. Визуализация образа в системе анализа гидродинамики долот при компьютерном проектировании: а - вид с торца долота; 6 - вид сбоку

система очистки забоя обеспечивается установкой направляющих насадок долота, обеспечивающих поток жидкости в радиальном направлении горизонтально забою вдоль линии расположения резцов. Горизонтальную струю жидкости обеспечивают насадки, установленные у центра долота, остальные насадки установлены ближе к периферии торца, направляя поток в направлении забоя. Такая комбинированная система размещения насадок на торце долота обеспечивает качественную очистку забоя и охлаждение резцов.

В компании Smith bits используют вычислительную гидродинамику (CFD) для моделирования взаимодействия бурового раствора с долотом и стволом скважины (рис. 1.3). Данные сложные алгоритмы дают возможность воспроизводить широкий диапазон забойных условий, а также позволяют осуществлять оценку влияния конфигурации лопастей и положения насадок на структуру потока с целью оптимизации работы долота и повышения эффективности бурения за счет максимально эффективного использования имеющейся гидравлической энергии.

Параметр оптимизации - формулировка цели оптимизации в количественном измерении.

Цель поиска оптимума направлена в будущее, и поэтому оптимизация - это процесс создания будущего результата функционирования системы в его количественном и качественном измерении. Например, это может быть уровень материального обеспечения, стоимость жизни и её уровень качества, те или иные технологические параметры и др.

Параметры оптимизации могут быть экономическими, техникоэкономическими, технико-технологическими, статистическими и др.

Параметр оптимизации должен удовлетворять следующим требованиям

[1,2]:

  • - быть эффективным с точки зрения достижения цели;
  • - быть универсальным;
  • - быть количественным и выражаться одним числом;
  • - быть статистически эффективным;
  • - иметь физический смысл, быть простым и легко вычисляемым;
  • - быть реально определяемым для всех различимых состояний системы.

Из многих параметров, характеризующих объект исследования, только

один, часто обобщенный, может служить параметром оптимизации, который выделяют как критерий оптимального решения. Назначение критерия оптимизации является сложной и очень ответственной задачей, поскольку от правильного выбора критерия кардинально зависят результаты оптимизации. Понятие оптимального решения может быть определено лишь с точки зрения конкретного критерия оптимальности.

Критерий оптимальности - количественный показатель, в соответствии с которым варианты достижения целей располагаются в порядке их предпочтения.

Как подчеркнуто в работе [10], «'... в общем случае критерий оптимального управления каким-либо технологическим процессом представляет собой величину, меняющуюся во времени, пространстве и характеризующую эффективность достижения поставленной цели управления».

Критерии оптимальности можно разделить на глобальные и локальные, технические и технико-экономические.

Глобальные критерии характеризуют законченный процесс, его основные результаты, например, законченный процесс бурения скважины. К ним можно отнести стоимость и время проходки ствола скважины и производные от них: средняя стоимость и время бурения 1 м скважины, техническая и коммерческая скорость бурения и др. Глобальные критерии являются не только итоговыми, но и интегральными и должны использоваться на стадии проектирования и постановки буровых работ, т. е. на первом этапе оптимизации, поскольку задачей первого этапа является выбор таких альтернатив, которые влияют на весь процесс в целом.

Локальные критерии характеризуют протекание процесса или законченную часть его, поскольку процесс бурения носит дискретный характер. К ним можно отнести мгновенную механическую скорость бурения, интенсивность износа породоразрушающего инструмента, рейсовую скорость, ресурс инструмента (проходка на инструмент), выход керна, расход алмазов на 1 м проходки, время «чистого» бурения и др.

Локальные критерии должны использоваться на втором этапе оптимизации, непосредственно в процессе выполнения работ, например, при выборе инструмента для бурения, определения для него оптимальных параметров режима бурения.

Важно отметить, что оптимальное исполнение и выдерживание локальных критериев позволяет получить оптимальные значения и глобальных критериев, поскольку эти критерии формируются как сумма локальных показателей.

Примером глобального критерия системы геологоразведочных работ может служить взаимодействие трех основных факторов, каждый из которых также может быть принят как глобальный критерий, определяющих при взаимодействии основной результат любой производственно-коммерческой деятельности [14]:

Результат взаимодействия трех основных факторов равняется прибыли - движущей силе любого проекта.

В данном случае под достоверностью понимается достаточность и точность получаемой при бурении (геологоразведочных работах) информации о рудной залежи. При бурении разведочных скважин это, прежде всего, весовой и качественный выход керна и получение иной качественной пробы, например, в виде шлама, определение достоверного положения скважины в пространстве недр, подсечение рудных залежей под заданными углами.

Время в приведенной зависимости - общее время выполнения работ, а стоимость - затраты на выполнение работ.

Достоверность - это глобальный критерий. Локальным критерием оптимальности, который можно использовать для достижения высокого уровня достоверности разведочных работ, может служить такой параметр, как выход керна К, который может быть линейным, объемным и весовым:

Линейный выход керна Кл, % определяется следующим соотношением:

где LK, Lq - длина керновой пробы и длина пробуренного интервала, с которого поднят керн, м.

Линейный выход керна, которым чаще пользуются из-за более простой процедуры измерения, не всегда является объективным показателем, т. к. не учитывает такого часто встречающегося при колонковом бурении явления, как избирательное истирание керна. В процессе избирательного истирания керна происходит разрушение более мягких частей породы или руды, и проба, получаемая из такого керна, будет недостоверной по количественному содержанию минералов, в том числе рудных. При линейном измерении выхода керна возможны значительные ошибки, например, в случае, если керн раздроблен или порода набухла.

Для более объективной оценки качества опробования на месторождениях следует применять оценку выхода керна по весовому показателю. Измерение выхода керна по весовому показателю связано с определенной сложностью, поскольку следует точно знать величину эталонного веса керна, с тем чтобы её сравнить с полученной пробой. Кроме того, вероятны отклонения от истинных значений за счет увеличения массы керна при его смачивании.

Более достоверно можно оценить выход керна по объемной пробе, измеряя объем керна QKt см3 в мерном сосуде и сравнивая с расчетным значением объема Qp, см3 керновой пробы. В этом случае выход керна:

где QK, Qp - объем полученного керна и расчетное значение объема керна, получение которого возможно в интервале бурения, см3.

Достоверность оценки положения пробуренной скважины в пространстве недр оценивается по результатам инклинометрии. Точность существующих приборов-инклинометров [13] обеспечивает погрешность в пределах ±5° по азимутальному углу и ±0,5 по зениту, что дает достаточно точную оценку положения ствола.

Схема для определения параметров возможных отклонений А ствола скважины от проектного направления

Рис. 1.4. Схема для определения параметров возможных отклонений А ствола скважины от проектного направления:

1 - проектное направление; 2 - фактическая траектория ствола скважины

Требования к направлению скважины, оценка качества и достоверности подсечения рудных тел формулируются в виде соблюдения предельных норм отклонения скважины от заданной геологической службой траектории. При этом на проектной глубине задаются предельные отклонения скважины от заданной точки подсечения А. В результате этого можно графически показать конус допустимых отклонений ствола скважины (рис. 1.4).

Выполнение требований по бурению скважины в пределах заданных отклонений при естественном искривлении скважин возможно при реализации технологий направленного бурения, таких как использование закономерностей естественного искривления, методы искусственного

искривления, применение различных буровых компоновок, снижающих интенсивность

естественного искривления скважин [13].

Поиск оптимальных условий, включающий выбор рациональных технических средств и технологий направленного бурения, способных обеспечить соблюдение требований к направлению скважины, является одной из задач оптимизации геологоразведочного бурения.

Пример 1. По данным компании Atlas Copco, при программе алмазного бурения 80 скважин глубиной 400 м и общем объеме буровых работ 32 000 м, круглосуточной работе одного бурового станка, для завершения работ потребуется 457 дней при стоимости проекта 2 580 тыс. дол. США.

Если 50 % интервала бурения будет опробовано по шламу, полученному при бурении пневмоударниками высокого давления, а 50 % - по керну, полученному при алмазном бурении, срок выполнения работ составит 301 день при стоимости работ 1 740 тыс. дол. США.

Если долю опробования по шламу увеличить до 75 %, то время выполнения работ составит 223 дня при стоимости работ 1 320 тыс. дол. США.

Сравнительный анализ показывает, что один станок, осуществляющий бурение по схеме 75 % опробования по шламу и 25 % по керну, способен заменить три станка алмазного бурения, осуществляющих полный отбор керна, при этом стоимость работ снизится практически в два раза.

В этом примере показано, что оптимизация по критерию прибыли, который является глобальным, возможна путем сочетания различных способов бурения и технологий опробования месторождений.

Наряду с экономическими критериями оптимизации, к которым можно отнести получаемую при выполнении работ геологоразведочных работ прибыль, возможны более детализованные технико-экономические и технологические критерии.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы