МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

Методы исследования объектов

Оптимизируются те или иные объекты. Для оптимизации объекта следует иметь об этом объекте достаточное количество априорной информации.

Априорная информация - уровень достоверной информации об объекте исследования, позволяющей построить модель того или иного уровня детализации и достоверности.

Как правило, чем выше уровень детализации объекта, тем ниже уровень достоверности. Важно найти приемлемое соотношение этих параметров. И здесь методы и средства оптимизации, задачи оптимизации напрямую связаны с научными методами, методами исследований объектов. Для хорошо исследованных объектов достаточно этот объект изучить, используя имеющуюся информацию, т. е. литературу, отчеты о выполненных научно- исследовательских работах и др. В результате изучения известного объекта берется для оптимизации известная апробированная модель. Но такие модели будут интересны с точки зрения их оптимизации, если требуется этот объект применить для функционирования в относительно новых условиях.

Пример 1. Известны основные особенности технологии проходки скважин твердосплавной коронкой типа СА при бурении горных пород III—V категорий по буримости. Но каковы будут особенности технологии бурения такой коронкой при проходке осадочных пород, насыщенных крупными обломками, каждый из которых может быть сравним с гораздо более прочными горными породами?

Довольно часто объекты бывают индивидуально сложны или вовсе мало изучены, и тогда невозможно обойтись без их исследования, которое предполагает аналитическую проработку, экспериментальное изучение и получение какой-либо модели объекта. Модель объекта может быть составлена только на основании имеющейся об объекте информации. Если информации недостаточно, и созданная модель не отвечает минимальным требованиям достоверности, то такая модель будет неадекватна. В этом случае следует осуществить поиск новых, более глубоких и детализированных данных об объекте для построения более полной, адекватной модели.

При исследовании объекта используют аналитические методы, т. е. методы, основанные на применении математики, физики, теоретической механики, химии и других наук. Задачей аналитических методов является получение той или иной теоретической (математической) модели объекта.

По определению Е.А. Козловского, «математическая модель процесса бурения представляет собой динамическую аналогию данного объекта с нетождественным подобием свойств» [10].

В философии понятие модели связано «с мысленно представляемой или материально реализованной системой, которая, отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение дает нам новую информацию об этом объекте [19].

Таким образом, модель процесса бурения - воспроизведенный в той или иной степени охвата по объему и детализации влияющих факторов процесс формирования ствола скважины.

Построение математической модели - получение уравнения, выражающего критерий эффективности системы в виде функции определенного количества ее переменных, из которых, по крайней мере одно поддается управлению. В дополнение к этому уравнению модель может характеризоваться системой равенств или неравенств, представляющих собой ограничения на переменные.

Математическая модель позволяет производить расчеты для определения рациональных значений параметров управления, что может быть актуально при проектировании технологий и технических средств, в том числе при проектировании с использованием компьютерных программ типа Nastran for Windows. Математические модели могут использоваться для непосредственного управления процессом бурения, например, углубкой скважины, если полученная модель положена в основу управляющей программы.

Бурение как прикладную науку невозможно смоделировать без экспериментальных работ, которые могут выполняться на стенде или в производственных условиях.

Стендовые исследования, как правило, предшествуют производственным и могут выполняться на стендах, воспроизводящих объект в натуральную величину (буровые стенды с использованием буровых станков и стандартного бурового инструмента) или на моделях. Модели в данном случае воспроизводят реальные условия и агрегаты в уменьшенном виде, демонстрируя упрощенный процесс. При создании моделей размеры объекта и параметры процесса должны определяться расчетом на основании теории подобия.

Теория подобия позволяет выдержать основные соотношения параметров, соответствующие функционированию реального объекта. При решении задачи с применением теории подобия добиваются тождества экспериментальных условий с реальными. Два явления, согласно теории подобия, будут тождественны только в том случае, если они качественно одинаковы и описываются равными значениями некоторых безразмерных параметров (так называемых определяющих критериев подобия), составленных из физических и геометрических величин, характеризующих эти явления. Например, следует добиваться соответствия геометрических параметров модели объекта в сопоставлении с реальным объектом. Два явления или исследуемых объекта (например, система «бурильная колонна - скважина») будут подобными, если все количественные характеристики одного из них будут получены путем умножения на постоянные числа (константы подобия), одинаковые для всех однородных величин (например, скорости в разных точках потока жидкости).

На основании экспериментальных исследований получают новые, уточняющие теоретическую модель, данные, которые позволяют перевести исследования на более высокий уровень достоверности.

Основной характеристикой объекта исследований является его сложность. Она определяется количеством разнообразия, или числом различимых состояний, в каждом из которых может находиться объект. В этом случае можно говорить о простых объектах, сложных объектах и системах объектов.

Следует иметь в виду, что нет четкой грани между этими видами объектов и что один и тот же объект может попасть в любую рубрику этой классификации в зависимости от цели его исследования.

Простой объект - это такой объект, в котором изменение влияющих факторов приводит к предсказуемому изменению выходных данных. Как правило, подобное может происходить только на определенном ограниченном

Зависимость v = f((o)

Рис. 3.2. Зависимость vM = f((o)

Зависимость v =f(P)

Рис. 3.1. Зависимость vM =f(P)

интервале изменения влияющих факторов.

Пример 2. Повышение осевого усилия Рос на интервале графика S (рис. 3.1) приводит к монотонному и пропорциональному повышению механической скорости бурения, что можно считать достаточно простым объектом на интервале изменения Рос от Р до Р2. Этот простой объект наиболее точно можно описать моделью «сверления», рассматривая в основном работу бурового инструмента - коронки или долота без учета влияния буровой компоновки или бурильной колонны.

Но вся «простота» этой модели превращается в «сложность» на интервале изменения осевого усилия более Р2, поскольку появляются дополнительные влияющие факторы, а работа инструмента происходит в области критического состояния, когда резко нарастает температура, прочностные характеристики инструмента становятся близки к критическим, возможны поломки резцов. На этом этапе анализа следует усложнить рассматриваемую модель, введя в нее новые влияющие факторы.

И тем более объект усложняется, если становится значительным влияние на процесс разрушения горных пород механики работы бурильной колонны, её динамических характеристик: колебаний и вибраций.

Аналогично можно рассмотреть влияние частоты вращения на механическую скорость бурения (рис. 3.2).

Иначе говоря, простой объект - такой объект, при функционировании которого выходной параметр (скорость бурения) изменяется под влиянием определенного одного или нескольких факторов, действие которого (-ых) учтено созданной моделью.

Сложный объект - это объект, при функционировании которого под влиянием факторов происходит изменение неучтенных параметров, которые, в свою очередь, оказывают влияние на выходной параметр. Иначе говоря, сложный объект - это объект, действие которого неадекватно созданной для оценки объекта модели. Для анализа и последующей оптимизации сложного объекта следует пересмотреть модель и учесть в ней те факторы, которые были ранее не учтены.

Система объектов может включать несколько отдельных «блоков», каждый из которых является сложным объектом.

Пример 3. Работа бурового агрегата как система объектов включает:

  • - работу бурового инструмента, осуществляющего углубку забоя;
  • - работу бурильной колонны, передающей буровому инструменту

крутящий момент, осевую нагрузку и промывочную жидкость;

  • - работу бурового станка;
  • - работу бурового насоса.

Например, если рассматривать работу такой системы, как бурильная колонна с буровым инструментом, осуществляющая бурение, то следует учитывать влияние работы бурильной колонны на основные выходные параметры - механическую скорость бурения, выход керна, затраты мощности на бурение. Таким образом, необходимо усложнить модель, перейдя от простой модели «Сверленые», к более полной и сложной модели «Бурение», анализ которой требует учета влияния работы бурильной колонны.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >