Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Методы выработки технико-технологических решений при бурении в условиях неопределенности

ВАК РФ 25.00.14, Технология и техника геологоразведочных работ

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Батрак, Александр Федорович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ТЕОРИИ И МЕТОДИКЕ ВЫРАБОТКИ ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

РЕШЕНИЙ В БУРЕНИИ.

1.1. Краткая характеристика предмета и задач исследований.

2. ФОРМАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОПЫТА И ФОРМИРОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ БАЗ ДАННЫХ.

2.1. Особенности технологии разведочного бурения с позиций методики выработки решений.

2.2. Структура технологической системы бурового комплекса.

2.3. Технологическая интерпретация основных положений теории байесовского вывода.

2.4. Исходные данные технологического опыта и их первичная обработка.

2.4.1. Типовые модели устойчивых распределений вероятностей технологических явлений.

2.4.2. Определение функции распределения вероятностей и оценка плотности вероятности.

3. МЕТОДИКА ФОРМИРОНИЯ БАЗЫ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ НА ПРИМЕРЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОНДИЦИОННОГО ВЫХОДА

КЕРНА ПРИ РАЗВЕДОЧНОМ БУРЕНИИ НА УГОЛЬ.

3.1. Классификация угольных месторождений по сложности отбора керна.

4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННОЙ СЕТИ РАЗВЕДОЧНЫХ ПЕРЕСЕЧЕНИЙ.

4.1. Алгоритм формирования рационального технологического обеспечения при бурении направленных скважин.

4.2. Математическая модель определения рационального сочетания основных и дополнительных стволов скважин при направленном бурении.

4.3. Пример реализации математической модели при обосновании рационального технологического обеспечения для разведки

Западной зоны Гумёшевского месторождения меди.

5. ВЫРАБОТКА ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ НА

ОСНОВЕ ОЦЕНКИ СОВМЕСТИМОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ БУРОВОГО КОМПЛЕКСА И ПРОГНОЗЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РИСКОВ.

5.1. Основные положения методики.

5.2. Структура технологических задач.

5.3. Количественное определение мер относительной совместимости и несовместимости технико-технологических решений.

5.4. Расчет условных вероятностей решения технологических задач на основе байесовского подхода (расчет условных вероятностей при совместной реализации неоднозначных решений).

5.5. Описание компьютерной программы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Методы выработки технико-технологических решений при бурении в условиях неопределенности"

Аюгуал ьность темы. Методы выработки технико-технологических решений при проектировании и производстве буровых работ всегда были и остаются ключевым вопросом технологии бурения. Этому посвящена фактически вся отраслевая инструктивная, нормативная и справочная литература. Однако с появлением компьютерных методов анализа или, как принято сейчас говорить, информационных технологий появились качественно новые возможности оценки, сопоставления и выбора способов и средств бурения для различных геолого-технических условий производства работ.

На примере других областей науки, техники и производства практикой установлены огромные возможности вычислительной техники по моделированию и сопоставлению самых сложных процессов и явлений. Однако в бурении по существу технологической проблематики таких примеров неоправданно мало.

Использование компьютера при решении проектных и управленческих технологических задач в бурении требует решения ряда теоретических проблем, связанных с выявлением и формализацией системных технологических взаимосвязей.

Прогноз последствий того или иного решения по выбору инструмента, оборудования, режимов бурения и т.д. требует глубокой теоретической проработки.

И в теоретическом, и в практическом плане актуальность работы связана с решением насущных задач компьютеризации технологии бурения.

Цель работы. Целью работы является создание методической базы и программно-алгоритмического обеспечения, позволяющего осуществлять прогноз хода технологического процесса бурения в различных геолого-технических условиях при использовании определенного набора способов и средств.

Сопоставление вариантов решений с учетом возможных последствий их реализации по всему комплексу оценочных параметров (производительность уг лубки, выход керна, удержание трассы скважины в заданных пределах, обеспечение кондиций околоствольного пространства, в том числе соблюдение экологических нормативов и др.) ' позволит минимизировать риск технологического брака.

Практическая цель работы — повышение реальной управляемости процесса бурения. V

Идея работы заключается в том, что производственный опыт может быть путем применения специальных процедур переведен в компьютерную форму, позволяющую исследовать и воспроизводить его в аналитических целях с использованием методов синтеза различных комбинаций факторов, технологических явлений и характеристик.

Основные задачи исследований. Выполнение поставленной цели достигается:

1. Проведением анализа существующих теорий и методик прогноза для различных производственных процессов и систем.

2. Разработкой методики формализации нестрогих технологических данных (интуитивных, неточных, неполных технологических представлений) и методики формирования баз исходных данных, фиксирующих производственный и научный опыт.

3. Технологической интерпретацией основной теоремы Байеса и разработкой общего аналитического выражения для расчета вероятности развития геолого-технических осложнений, аварий, отклонений от нормального течения технологического процесса в различных условиях при использовании различных средств бурения.

4. Разработкой частных методик и компьютерных программ для условий бурения на уголь и для решения отдельных задач направленного бурения.

5. Разработкой программно-алгоритмического обеспечения, позволяющего выполнять решение технологических задач в соответствии с условиями работ.

6. Разработкой методики расчета вероятностей технологических рисков в разведочном бурении.

Методика исследований. Поставленные задачи решались путем сбора и анализа производственных данных, выполнения опытного бурения и сравнения расчетных данных с результатами практических работ. Теоретические исследования базировались на теории принятия решений, основах системного анализа и его приложения к технологической практике разведочного бурения.

Научная новизна. Предложен новый метод формализации нестрогой (интуитивной, неточной, неполной) технологической информации и формирования компьютерных баз исходных данных, фиксирующих производственный и научный опыт. Разработана теоретическая основа, практическая методика и компьютерные программы прогноза последствий и оценки технико-технологических решений. Впервые разработана методика расчета взаимовлияния геолого-технических факторов и элементов средств бурения на итоговый технологический результат и оценка сравнительной эффективности технологических цепей средств бурения.

На защипу выносятся следующие положения:

1. Исходные технологические данные, составляющие производственный и научный опыт бурения, могут быть с необходимой и достаточной полнотой формализованы и подготовлены к использованию в компьютерных вычислениях с помощью типовых моделей устойчивых распределений вероятности.

2. Прогноз последствий технико-технологических решений в бурении (вероятность развития геолого-технических осложнений, возникновения буровых аварий, технологического брака или недостаточной производительности) может осуществляться расчетным путем на основе теории байесовского вывода, если известны или предполагаются с некоторой степенью достоверности: вероятность у проявления активных геолого-технических факторов; параметры технической эффективности способов и средств бурения; характер влияния активных геолого-технических факторов на результативность средств бурения.

3. Относительная технологическая совместимость средств бурения (элементов оборудования, операций, материалов и реагентов) определяется мерой возрастания технологических рисков, соответствующих тем или иным сочетаниям элементов, определяемых расчетным путем по байесовской методике.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Все выводы и рекомендации данной работы построены на практическом материале, на обобщении и анализе обширного производственного опыта, накопленного и систематизированного автором на протяжении почти двадцати лет. Все предложенные методики и компьютерные программы легко проверяемы и могут корректироваться и уточняться с появлением новых данных или уточнением старых.

Практическая ценность работы заключается в создании методики, позволяющей использовать имеющийся производственный и научный опыт путем его компьютерного анализа и синтеза с целью повышения общей управляемости процесса бурения, минимизации технологических рисков и предотвращения геолого-технических осложнений, аварий и аномальных ситуаций в процессе бурения. Практическая значимость работы по замыслу позволяет уменьшить неоправданные затраты, сосредоточить имеющийся потенциал на решении действительных технологических задач и проблем.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Ш Международной научной конференции «Новое в геологии» (Москва, МГГА, 2001г.), на V Международном симпозиуме «Бурение скважин в осложненных условиях» (Санкт-Петербург, СПбГГИ (ТУ), 2001г.), на Межрегиональной научно-практической конференции «100-лет со дня рождения профессора Б.И, Воздвиженского» (Екатеринбург, У111 А, 1999г.), на научном семинаре кафедры технологии и техники разведки У111А (Екатеринбург, 2002г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в семи научных статьях и одном учебно-методическом пособии. Подготовлена к печати научная монография.

Внедрение результатов. Результаты исследований в виде методик и производственной инструкции для технологического персонала внедрены в ОАО «Интагео». Отдельные методики, изложенные в диссертации, вошли в учебно-методическое пособие «Технологические расчеты в бурении», которое используется при обучении студентов на кафедре технологии и техники разведки МПИ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти

Заключение Диссертация по теме "Технология и техника геологоразведочных работ", Батрак, Александр Федорович

Выводы, делаемые на основе неясных и неточных субъективных суждений, также неоднозначны и «вероятностны», но по мнению сторонников байесовского подхода они имеют максимальную степень достоверности, достижимую в условиях неполноты и неточности исходных данных, а вырабатываемые на их основе решения имеют максимальную степень обоснованности. Задача данной работы по сути - приложение общей теории байесовского вывода к практике разведочного бурения. Задача не является тривиальной, т.к. требует нестандартной интерпретации содержания всех составляющих процесс бурения: геолого-технических условий, операций и средств бурения.

2.4.1. Типовые модели устойчивых распределений вероятностей технологических явлений

В процессе исследований выполнен анализ и обработка большого объема опытных данных, результатов экспериментов и производственных наблюдений по широкому кругу технологических проблем разведочного бурения: обеспечение производительности бурения, керносбережение, стабилизация и коррекция трасс скважин (направленное бурение), крепление стенок и обеспечение кондиций околоствольного пространства. Исследовались геолого-технические факторы, препятствующие и способствующие решению задач бурения, способы и средства бурения, их взаимовлияние при решении различных комплексов задач бурения, а так же различные явления, сопровождающие технологический процесс: геолого-технические осложнения, аварии, различные виды технологического брака. Предметом разработки является методика оценки технологических рисков при использовании различных способов и средств бурения в различных геолого-технических условиях при недостоверных и неполных исходных данных на основе формальных моделей и компьютерных процедур их анализа.

В качестве базового элемента технологического анализа в данной работе предлагаются типовые модели устойчивых распределений вероятности (УРВ), фиксирующие частоту проявления характерных технологических событий или распространенность активных геолого-технических факторов.

Типовая модель - фиксированный опыт бурения, который показывает, что одно технологическое событие встречается чаще других. Такая типовая модель, например, в виде гистограммы или огибающей ее кривой распределения относительных частот выражает фактические ожидания технолога на

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Формализация производственного технологического опыта бурения как условие использования опытных данных в компьютерных вычислениях не может базироваться исключительно на методах классической математической статистики, т.к. в технологии признается лишь реальный конкретный результат, а не его среднестатистический физически не существующий аналог.

2. Технологически адаптированные модельные аналоги статистических форм выражения устойчивых взаимосвязей -типовые модели устойчивых распределений вероятности - могут и должны использоваться в качестве знаковых смысловых операционных систем, максимально воспроизводящих ценную информацию, содержащуюся в интуитивных, приблизительных, неточных данных производственного и научного технологического опыта.

3. Теория байесовского вывода на основе вычисления субъективных вероятностей - на основе анализа поля нестрогих суждений — на сегодняшний день является наиболее полной и соответствующей предмету бурения, технологической проблематике, методологической и основой для решения практических задач бурения.

4. Совместимость отдельных элементов средств бурения в различных условиях и при решении различных задач не может далее (при наличии информационных технологий) оставаться предметом интуитивного «бурового искусства» - на сегодняшний день имеются достаточные программные продукты, позволяющие определять строгие показатели совместимости

211 отдельных элементов цепей технологических средств бурения на расчетной основе. 5. Имеется компьютерная программа «Расчет технологической совместимости элементов средств бурения», которая позволяет, помимо этого, решать широкий круг технико-технологических задач по выбору и обоснованию различных средств бурения.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Батрак, Александр Федорович, Екатеринбург

1. Ошкордин О.В., Фролов С.Г., Пурвшский Н.Г. Методы системного анализа в технологии разведочного бурения. — М.: Геоинформмарк, 1993.-36 с.

2. Агаев С.Г. Системный подход к управлению технологическим процессом разрушения горных пород. М.: Недра, 1993. -304 с.

3. Урманцев Ю.А. Общая теория систем (проблемно-теоретический очерк для геологов и минералогов). М.: МИНГ, 1986. - С. 2-9.

4. Система. Симметрия. Гармония / Под ред. В.Ю. Урманцева. — М.: Мысль, 1988.

5. Садавский В.Н. Общая теория систем как метатеория // Вопросы философии. -1972. -№ 4.

6. Болдинг К. Общая теория систем — скелет науки // Исследования по общей теории систем. М, 1969.

7. Певзнер Л.Д. Основы теории систем. Часть 1. Математические модели теории систем: Учебное пособие. М.: МГИ, 1985.

8. Райфа X. Анализ решений : Введение в проблему выбора в условиях неопределенности. -М.: Недра, 1977.

9. Кипи Р., Райфа X Принятие решений при многих критериях предпочтения и замещения. М.: Радио и связь, 1981.

10. Евланов Л.Г. Теория и практика принятия решений. М.: ИУНХ, 1984.

11. Трухаев Р.К, Лернер B.C. Динамические модели процессов принятия решений. Кишинев, 1974.

12. Розен В.В. Цель оптимальность - решение. (Математические модели принятия оптимальных решений). - М.: Радио и связь, 1982.

13. Трухаев Р.И. Модели принятия решений в условиях неопределенности. М.: Радио и связь, 1981.

14. Хей Дж. Введение в методы байесовского статистического вывода. М.: Финансы и статистика, 1987.

15. Козловский Е.А., Питерский В.М., Комаров М.А Кибернетика в бурении. -М.: Недра, 1982. -298 с.

16. Козловский Е.А., Питерский В.М, Комаров М.А. Кибернетические системы в разведочном бурении. М.: Недра, 1985. -285 с.

17. Мирзаджанзаде А.Х., Гамзатов С.М., Ширин-Заде С.А. Применениесовременных математических методов исследования буровых•упроцессов. 1984. -55 с. (Обз. инф. ВНИИ орг., упр. и экон. нефтегаз. пром-ти. Нефт. пром-сть. Сер. Бурение).

18. Левицкий A3. Использование геолого-технологической информации в бурении. М.: Недра, 1992.

19. Левицкий" А. С. Использование данных геолого-технологического контроля для оптимизации бурения. —1987, №5/124, -52 с. (Обз. инф. ВНИИ орг., упр. и экон. нефтегаз. пром-ти. Бурение.).

20. Фролов С.Г. Математический аппарат решения задачи по выработке технико-технологических решений // Совершенств, техн. и технол. бур. скв. на тв. полезн. ископ.: Межвуз. науч. темат. сб. Екатеринбург: УГГГА, 1994.

21. Значение статистической информации о бурении для определения степени риска при проводке скважин. Drilling statistics influence most-appropriate risk technigue. Caldweii Robert H., J. Daniel «Oil and Gas J.» 1985, 83, №52, 136-138, 140-141, 143-144.

22. Bullow W. V. Geologisches model und gruppierte konditionen als grandlage fur arbeitsschrifte der erkundung fester minera-lischer rochstoffe // Zeitschrift fur angewandte geologie. -1990. №2. -s.68-71.

23. Ошкордин O.B., Подкорытов B.H. Системная организация технологического опыта // Совершенствование техники и технологиибурения скважин. Вып. 19: Межвуз. науч. темат. сб. — Екатеринбург, УГГТА, 1996.-С. 42-51.

24. Ошкордин О.В. О применимости классической и байесовской статистики в технологическом анализе при бурении скважин // Совершенствование техники и технологии бурения скважин. Вып. 18: Межвуз. науч. темат. сб. Екатеринбург, УГГТА, 1995. -С. 92-96.

25. Drilling efficiency. Word Mining Eguipment, 1987, vol. 12(1), N 1, p.13-14.

26. Фролов С.Г. Математическое моделирование технологического процесса разведочного бурения скважин: Уч. пос. Екатеринбург, УГГТА, 1999.

27. Ткаченко В.И. О выборе критериев эффективности технических средств и технологии бурения // «Разраб. и внедрение эффектив. техн. и технол. добычи нефти». Куйбышев, 1986 -С. 85-93.

28. Okpobiri GA., Люки C.U. Volumetrik reguirements bor foam and mist drilling operations. SPE Drilling Engineers, 1986,1,1, p. 71-88.

29. Козловский E.A., Питерский B.M. Результаты научных исследований по оптимизации буровых работ. М.: ВИЭМС, 1981.

30. Питерский В.М., Комаров М.А., Мурашов С.Ф. и др. Принципы построения автоматизированной системы управления процессом бурения // Техн. и технол. геологоразведочных работ; орг. пр-ва: Экспресс-информация. -М.: ВИЭМС, 1983, вып.2.

31. Скрябин P.M. О теоретических основах оптимизации технологического режима алмазного бурения. Якут. ун-т. Якутск, 1988, -6 с.

32. Пути оптимизации техники бурения. Prazcky G.M. Prostredky optimalizace ve vrtne technologh. «Sb. ved. pr. VSB Ostrave. R. horn.-geol.», 1978 (1980), 24, №1, -s 47-79.

33. Питерский В.М. Микропроцессорная техника в автоматизации разведочного бурения. // Технологические и методические средства автоматизации буровых работ. JL: ВИТР, 1985. -С.47-49.У

34. Козловский А.Е. Оптимизация процесса бурения (структура и элементы управления). С-Пб.: ВСЕГЕИ, 2000. -246 с.

35. Dirikel J.J. Wong Danny. Application of sensitivity analysia to the optimization of petroleum drilling operations. Computers and Operation Results. 1984, vol. 11, N2, p. 129-140.

36. Ситников КБ. Влияние ограничений на показатели процесса бурения геологоразведочных скважин // Известия Уральского горного института. Вып. 4. -Екатеринбург, 1993. -С. 142-149.

37. Ситников Н.Б. Использование функции износа в математической модели процесса бурения // Изв. вузов. Горный журнал. -1989. -№11. -С.57-59.

38. Харбух Дж., Бонем-Картер Г. Моделирование на ЭВМ в геологии. -М.: Мир, 1984.

39. Ошкордгш О.В., Мецгер А А. Обоснование принципов рациональной организации технологической структуры средств геологоразведочного бурения на примере технологии кернометрии. Рукопись деп. в ВИНИТИ 13.10.88. №5009-88, М., 1988. -22 с.

40. Смирнов Б.В. Вероятностные методы прогнозирования в инженерной геологии. М.: Недра, 1983.

41. Rjabcsenko V.I. Стабильность стенок скважин. A fiirolyukfal stabilitasa. «Banyasz. es kohasz. lapok. koolaj es foldgas», 1979, 112,№ 7. -193-195 (венг.: рез. рус., англ., нем.)

42. Ивженко А.Н. Пути повышения эффективности бурения трещиноватых горных пород // «Бур. инструм. из сверхтверд, материалов». Киев, 1986.-40-45 с.

43. Mitchell B.J. Test dats fill theory dop an using foam as drilling fluid. Oil and Gas J., 1971, vol. 69,36, p. 96-101.

44. Krug J.A. Foam pressure loss vertical tubing Colorado School of Mines. -Oil and Gas J., 1975, vol. 73,40, p. 74-76, 78.

45. Костин Ю.С. Проектирование отклонителей на основе функционально-целевого метода // Техника и технология бурения геологоразведочных скважин: Межвуз. науч. темат. сб. Свердловск: Свердл. горный ин-т, 1985. - Вып. 8. -С.22-28.

46. Гаврилова Л.А. Алгоритм выбора спуско-подъемного комплекса установок для ремонта скважин // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые:я

47. Мирзаджанзаде AJC, Ширинзаде С.А. Повышение эффективности и качества бурения глубоких скважин. М.: Недра,1986. —278 с.

48. Джалаева В.Г. Особенности оценки экономической эффективности базовой организационно-технологической автоматизированной системы управления бурением (АСУ ОТ бурения) // «Экон. нефт. пром-ти».- М.- 1980. № 9. - 18-21 с.

49. Waller M.D., Ambrose D., Gassapi V.P. Drill performance monitoring // Geodrilling. -1988, № 49, -p.8-10,12-14.

50. Freese C., Never G. Probenabstand und erkurdungs-strategie-erfahrungen aus dem kupferschieferbergbau des se harzvorlandes // Zeitschrift fur angewandte geologie. -1989, №9, -s.262-268.

51. Pack J., Scoble M.J. Development and capabilities of microprocessor based drill monitoring instrumentation. Drillex'87: Pap. Conf., Stoneleigh, 7-10 Apr., 1987. London, 1987, p. 117-129.

52. Ошкордин О.В. О природе осложнений процесса бурения и принципах их прогнозирования // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые: Межвуз. науч.-темат. сб.-Екатеринбург: УГГТА, 1997.

53. Ошкордин О.В., Ковалъчук Д.А, Батрак А.Ф. О принципах классификации угольных месторождений по средствам их кернового опробования // Известия УЗТГА. Сер.: Геология и геофизика. Вып. 13. -С.181-185.

54. Heller J.P., Kuntatukkula MS. Critical Review of the Foam Rheology literature. Indastrials Engineering Reseach, 1987, vol. 26,2, p. 318-325.

55. Ахо А., Хопкрофт Дж., Ульман Дж. Построение и анализ вычислительных алгоритмов. -М.: Мир, 1979.

56. Мецгер А.А, Фролов С.Г. Обоснование рациональных углов скважины при подсечении рудного тела // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые: Межвуз. науч. темат. сб. Екатеринбург: УГИ, 1992.

57. Фролов С.Г., Тарасов Б.Н. Математический метод определениярациональной структуры стволов при направленном бурении.

58. Ошкордин О.В., Фролов С.Г. О системной трактовке механизма закономерного искривления скважин // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые: Межвуз. науч. темат. сб. Екатеринбург: УГГГА, 2000. -216 с.

59. Фролов С.Г., Батрак АФ. Влияние марковости на выбор управляющих решений цри бурении скважин // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые: Межвуз. науч. темат. сб. Екатеринбург: УГГТА, 2001.

60. Хан Г., Шапиро С. Статистические модели в инженерных задачах. ~М.: Мир, 1996.