ЗМІСТ ВСТУП 17 РОЗДІЛ 1 АНАЛІЗ МЕТОДІВ TA ТЕХНІЧНИХ ЗАСОБІВ АВТОМАТИЗОВАНОГО УПРАВЛІННЯ ПРОЦЕСОМ БУРІННЯ СВЕРДЛОВИН ЕЛЕКТРОБУРАМИ 23 1.1 Характеристика об ' єкта керування 23 1.2 Аналіз методів та технічних засобів автоматизованого управління процесом буріння свердловин електробурами 39 1.2.1 Регулятори подачі долота 39 1.2.2 Контроль кута нахилу свердловини, азимута і положення відхилювана 43 1.2.3 Методи автоматизованого управління буровою установкою 50 1.3 Вибір методу та аналіз проблем, що виникають під час побудови адаптивних систем керування із змінною структурою 56 1.4 Вибір та обґрунтування напряму досліджень 63 РОЗДІЛ 2 ТЕОРЕТИЧНЕ ОБҐРУНТУВАННЯ АДАПТИВНОГО МЕТОДУ КЕРУВАННЯ ПРОЦЕСОМ БУРІННЯ СВЕРДЛОВИН ЕЛЕКТРОБУРАМИ 65 2.1 Загальна постановка задачі адаптивного керування 65 2.1.1 Обґрунтування необхідності адаптації в автоматизованій системі управління процесом буріння свердловин електробурами 65 2.1.2 Математична модель об'єкта керування 69 2.1.3 Механічні характеристики занурного електродвигуна, долота і сумісні механічні характеристики електробура 75 2.2 Причини нестабільності роботи електробурів 82 2.3 Вибір способу адаптації 90 2.3.1 Класифікація задач оптимального керування 90 2.3.2 Класифікація задач і методів адаптивного керування 92 2.4 Розроблення правил зміни структури блоку адаптації 96 2.4.1 Обґрунтування вибору параметрів, що є основними для розроблення правил зміни структури керувального пристрою 96 2.4.2 Вибір кількості термів для нечіткого опису базових змінних в F- перетворенні осьового навантаження на долото F(t) і потужності двигуна електробура P(t) : 101 2.5 Синтез функціональної структури адаптивної системи керування процесом буріння свердловин електробурами 113 Висновки до розділу 2 119 РОЗДІЛ 3 ТЕОРЕТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ЩОДО РОЗРОБЛЕНОГО МЕТОДУ АДАПТИВНОГО КЕРУВАННЯ ПРОЦЕСОМ БУРІННЯ СВЕРДЛОВИН ЕЛЕКТРОБУРАМИ 121 3.1 Розроблення методу передпрогнозного фрактального аналізу часових рядів для визначення рівнів персистентності показників процесу буріння свердловин електробурами 121 3.1.1 Постановка задачі передпрогнозного фрактального аналізу часових рядів 121 3.1.2 Практичне застосування сукупності методів визначення рівнів персистентності параметрів і показників процесу буріння свердловин електробурами 124 3.2 Аналіз мультиколінеарності (MK) показників процесу буріння нафтових і газових свердловин електробурами 127 3.3 Метод трансформації автоматизованої системи управління процесом буріння свердловин як стохастично-хаотичним об'єктом, що розвивається в часі 134 3.4 Автоматична система зі змінною структурою для керування процесом буріння свердловин електробурами 137 3.5 Показники якості автоматичних систем регулювання режимів буріння нафтових і газових свердловин електробурами 142 Висновки до розділу 3 147 РОЗДІЛ 4 АНАЛІЗ І УЗАГАЛЬНЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕНЬ АДАПТИВНОЇ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ ПРОЦЕСОМ БУРІННЯ СВЕРДЛОВИН ЕЛЕКТРОБУРАМИ 150 4.1 Синтез структури FL-блока адаптації для визначення необхідності керувальних дій на основі бази знань користувача про параметри процесу буріння 150 4.2 Розроблення функціональних схем, алгоритмів і приладів контролю енергетичних показників ефективності процесу буріння свердловин електробурами 153 4.3 Удосконалена структура системи автоматизованого управління процесом буріння свердловин електробурами 169 Висновки до розділу 4 171 ВИСНОВКИ 172 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 175 ДОДАТКИ 193 Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.13.07 "Автоматизація процесів керування". - Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, Івано-Франківськ, 2018. У дисертаційному дослідженні вирішено актуальне науково-прикладне завдання підвищення ефективності процесу буріння похило-скерованих і горизонтальних свердловин електробурами, що досягається розробленням системи адаптивного управління із змінною структурою, з урахуванням апріорної та поточної невизначеності об'єкта керування щодо його параметрів і структури. Здійснено аналіз сучасних методів синтезу керувальних впливів в бурінні і тенденцій світової автоматики щодо існуючих підходів до проблеми автоматизованого управління бурінням свердловин електробурами. Подано характеристику процесу буріння свердловин електробурами як об'єкта керування. Проаналізовано існуючі методи і засоби автоматизації процесу буріння свердловин електробурами. Виявлено, що на даний момент немає систем автоматизації, які забезпечують ефективне управління цим процесом при бурінні похило-скерованих і горизонтальних свердловин в умовах апріорної та поточної невизначеності щодо структури і параметрів об'єкта керування. Розглянуто і проаналізовано систему автоматизованого управління режимами буріння нафтових і газових свердловин електробурами. Показано, що для підвищення ефективності управління доцільно здійснювати адаптацію системи до зміни геосередовища шляхом використання додаткового блока адаптації, побудованого на засадах Fuzzy Logic. За результатами аналізу сформульована загальна постановка задачі, що дало змогу запропонувати узагальнену функціональну структуру системи автоматизованого керування бурінням свердловин електробурами та сформувати математичну модель об'єкта керування. Досліджено вплив різних механічних характеристик долота на сумісну механічну характеристику електробура та отримано інформаційні моделі, що дозволяє використати їх у системі on-line моніторингу, для оптимального руйнування породи. З'ясовано причини нестабільності роботи електробурів, що дало змогу виявити причини зміни їх параметрів, з'ясувати які еквівалентні параметри системи змінюються і що змінюється в об'єкті керування. На основі аналізу методів адаптивного і робастного керування вибрано спосіб адаптації системи керування процесом буріння свердловин електробурами, який ґрунтується на зміні структурі системи за допомогою додаткового блока адаптації, який дозволяє змінювати керовану величину в залежності від умов буріння. На засадах методів Fuzzy Logic і діаграм Вейча розроблено правила зміни структури блока адаптації, за яких система керування набуває властивості пристосовуватися до мінливості параметрів та характеристик електробура і навколишнього середовища, що дозволило отримати характеристичне поле та синтезувати структурні схеми блока адаптації на елементах базису І, АБО, НІ. Отримано рівняння, що визначає рівні коригувальних сигналів додатних зворотних зв'язків за частотою обертання долота і глибиною свердловини, які повинні бути введені в систему автоматичного регулювання потужності двигуна електробура. Це дало змогу синтезувати структури адаптивної системи керування процесом буріння свердловин електробурами з урахуванням інформації про орієнтування бурового інструменту. На основі реалізації процедури послідовного R/S-аналізу проаналізовано фрактальні розмірності та показники Херста для таких параметрів і показників процесу буріння свердловини електробурами: осьового навантаження на долото; струму навантаження двигуна електробура; потужності, що споживає двигун електробура; механічної швидкості буріння; часу, що витрачається на буріння 1 м свердловини; питомих витрат енергії. Виявлено, що найбільшу силу тенденції мають питомі витрати енергії, струм, потужність, яку споживає двигун електробура і час, витрачений на буріння 1 м свердловини. Аналіз досліджуваних часових рядів показав, що вони є персистентними і процесу буріння властива трендовість. Це явище запропоновано використати для вирішення завдань раннього виявлення відхилень технологічного процесу від норми в реальному часі. Оцінено автокореляційні впливи досліджуваних часових рядів, що підтверджує трендостійкість даних рядів. Така тенденція буде продовжена у майбутньому впродовж певного відрізку часу. Це сприяє вирішенню завдань системи адаптивного управління процесом буріння свердловин електробурами шляхом зміни структури системи. Використано алгоритм Фаррара-Глобера для виявлення явища мультиколінеарності між показниками процесу буріння свердловин електробурами. Встановлено зв'язок між досліджуваними параметрами процесу буріння в різні моменти часу за допомогою автокореляційної функції та функції спектральної щільності. Автокореляційні функцій підтвердили, що досліджуваний процес є стаціонарним та ергодичним. Оскільки існує щільний зв'язок між досліджуваними параметрами, то запропоновано використовувати для автоматичного керування процесом буріння електробурами один із досліджуваних параметрів - струм навантаження двигуна електробура або потужність, яку споживає електробур. Запропоновано метод трансформації автоматизованої системи управління процесом буріння свердловин, який побудований на засадах бази правил Мамдані-типу, що дозволить значно покращити ефективність функціонування системи підтримки процесів прийняття рішень щодо оптимізації управління даним процесом. На основі аналізу стійкості і показників якості системи автоматичного регулювання процесом буріння глибоких свердловин електробурами, яка має змінну структуру, доведено, що найбільш раціональною є структура, яка забезпечує автоматичну стабілізацію активної потужності двигуна електробура. Система у цьому випадку є робастною за показниками запасу стійкості і коливальності. Із збільшенням глибини свердловини доцільним буде перехід на автоматичне регулювання потужності на валі двигуна електробура, замість регулювання осьового навантаження на долото. Синтезовано структуру FL-блока адаптації для визначення необхідних керувальних дій на основі бази правил Мамдані-типу про показники процесу буріння вертикальних і похило-скерованих свердловин електробурами. Використання FL-блока адаптації в автоматизованій системі управління процесом буріння дозволяє скоротити час адаптації процесу до змін умов буріння порівняно з тривалістю операцій, що виконує бурильник. Запропоновано удосконалену структуру системи автоматизованого управління процесом буріння свердловин електробурами, яку можна використовувати для буріння нафтових і газових свердловин, а також на сланцевий газ. Вона передбачає статичну оптимізацію процесу поглиблення свердловини на основі поточної інформації даних геолого-технічного наряду, що закладені в локальну базу даних, та архівних даних, що містяться в базі даних. Розроблено функціональну структурну систему для керування процесом буріння свердловини, за допомогою якої оптимізується вибір режиму буріння та покращується процес керування бурінням. Для цього запропоновано підтримувати такі параметри як осьове зусилля на долото або активну потужність двигуна електробура. Зміну керованої величини з осьового зусилля на активну потужність двигуна електробура запропоновано здійснювати при переході долота на горизонтальні ділянки свердловини за командою від блока адаптації. Система обробляє подану поточну інформацію з пульта управління із бази даних та від давачів ваги колони бурильних труб й активної потужності електробура. Алгоритм керування забезпечує статичну оптимізацію процесу буріння шляхом пошуку оптимальних значень керувальних дій згідно з критерієм оптимізації - мінімумом собівартості метра проходки. Забезпечення ефективності системи автоматизованого керування процесом буріння свердловин електробурами здійснюється шляхом пошуку оптимального режиму буріння, а також швидкою перебудовою з одного режиму на інший у зв'язку зі зміненими умовами. З підвищенням якості процесу керування знижуються витрати на буріння свердловини. Основні положення дисертаційної роботи успішно апробовані та впроваджені. Ключові слова: автоматизоване управління, буріння, електробур, синтез, Fuzzy Logic, адаптивна система, база правил Мамдані-типу.