Моделирование производственного процесса

     Stratum функционирует на основе операционной  системы Window's (ее версиях Window's 95, 98 и Window's 3.11, Windows NT 4.0, Windows NT 5.0).  

     3.4 Математическое описание процесса бурения 

           Оптимальное управление процессом бурения есть, очевидно, частный случай проблемы оптимизации вообще или, с более общих позиций, частный случай операций. В этой связи сделаем несколько замечаний общего характера. Под операцией понимается совокупность действий, направленных на достижение некоторой цели. Пока цель не задана, не существует и операции.

      В настоящее время не имеется каких – либо формальных методов определения целей операций. Как правило, оперирующая сторона сама формирует себе цель операции. При этом она полагается на свой опыт и интуицию. Количественное описание операции дает математическая модель – ее математический эквивалент, который должен содержать все компоненты, характеризующие обстановку проведения операции. Ход операции описывается некоторым набором фазовых координат x_i (t) процесса. Степень соответствия хода операции поставленной цели характеризуется достигаемым значением функционала Q=Q[x₁(t), x₂(t), …, x_n(t)] – критерий эффективности. Критерий эффективности в модели операции единственен и может быть выбран столь же произвольно как произвольна цель.

Фазовые координаты процесса зависят от обстановки проведения операции – факторов, управлять которыми оперирующая сторона не в состоянии, но некоторые из них может контролировать. Исходя из информированности об указанных факторах, они могут быть разбиты на:

1. фиксированные, значения которых известны;
2. контролируемые (измеряемые);
3. неконтролируемые с известными распределениями;
4. неопределенные с неизвестными законами распределения (помехи),

относительно  которых известна только область  их изменения.

      Наиболее  распространенной и обобщенной формулой, определяющей зависимость механической скорости бурения от режимных параметров, является формула:

                                                                                                                    (3.4.1) 

      где - механическая скорость бурения; – скорость вращения бурового инструмента; – осевое усилие на забое; – константы, зависящие от типа инструмента и свойств породы.

      Реализация  целевого функционала предполагает предварительное формальное математического  описания процесса бурения как объекта  автоматического управления. Формализация процесса бурения, как и любого другого  производственного процесса, заключается  в построении для него математической модели – системы конкретных соотношений, описывающих элементарные явления  процесса и взаимоотношения между  ними с учетом основных возмущающих  факторов и ограничений.

      Очевидно, что математическая модель, описывающая  формализованный процесс функционирования, не в состоянии отразить все характерные  закономерности и процессы и учесть все факторы без исключения. Практически  достаточно учесть лишь основные стороны  исследуемого процесса. Не менее важно  обосновано исключить из рассмотрения второстепенные детали, поскольку «учет  факторов, влияния которых не является определяющим для оценки характеристик  и параметров данного процесса, приводит лишь к тому, что математические модели становятся чересчур громоздкими и плохо обозримыми, а точность решения задач при этом практически не увеличивается».

     В общем виде математическая модель процесса бурения может быть записана как: 

                                             (3.4.2) 

     где   - режимные параметры (скорость вращения инструмента, осевое усилие на забое, количество промывочного агента); V – пространство допустимых управлений; – компоненты вектора физико – механических свойств пород (контактная прочность, абразивность, хрупко – пластические свойства);  – неконтролируемые возмущения;     – постоянные, независящие от режима (тип долота, диаметр и глубина скважины и др.).

     В разработанной модели, осевую нагрузку подбирают, используя следующую формулу: 

                                                                                                                  (3.4.2) 

     где - площадь контакта долота с породой; p – твердость горных пород или предел текучести для пород, не дающий хрупкого разрушения.

     Механическую  скорость бурения можно определить как: 

                                                                                                          (3.4.3) 

     где к – коэффициент пропорциональности; P0 – нагрузка на осевой резец; Vм – механическая скорость бурения; – объединенный показатель механических свойств горных пород;

     Необходимое количество промывочного агента определят  по формуле: 

                                                                                                    (3.4.4) 

     где Q – подача насоса; D – диаметр скважины; d_н – наружный диаметр бурильных труб.

     Исходя  из математической модели процесса бурения  и используемых формул, в разработанной  модели, можно записать: 
 
 

     Для оптимизации процесса бурения в  собранной модели использовались режимные параметры. 
 

     3.5 Моделирование в программой среде Stratum 2000 

      Построим  модель, задача которой будет заключатся в подборке основных параметров бурения.

      Исходная  модель показана на рисунке 3. Описание имиджей:

      - имидж 1 высчитывает осевую нагрузку;

      - имидж 2 регулирует значение твердости  горных пород;

      - имидж 3 показывает результат  вычислений имиджа 1;

      - имидж 4 высчитывает окружную  скорость коронки;

      - имидж 5 регулирует значение механической  скорости бурения;

      - имидж 6 показывает результат  вычислений имиджа 4;

      - имидж 7 высчитывает скорость  восходящего потока;

      - имидж 8 регулирует подачу насоса;

      - имидж 9 показывает результат  вычислений имиджа 7;

      - имидж эффективность процесса  бурения. 

      

   Рисунок 3 – Исходная модель для оптимизации параметров процесса бурения 

     На  рисунке 4 представлена работа исходной модели, позволяющая регулировать параметры. 

     

Рисунок 4 – Процесс оптимизации параметров бурения

      Показатели  процесса бурения, которые используются в составленной модели представлены в таблице 1. 

Таблица 1- Показатели процесса бурения

 

     Был проведен анализ процесса бурения нефтяных скважин в ходе которого выяснено, что основными показателями отвечающими за эффективность бурения являются: осевая нагрузка на долото, частота вращения и расход промывочной жидкости. На основание этих показателей была собрана модель в программной среде Stratum 2000, которая позволяет подобрать оптимальные значения  показателей для различного вида грунта. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Заключение 

    В ходе курсового проекта были рассмотрены основные параметры процесса бурения, а также проведено предпроектное обследование предприятия, проанализирован технологический процесс, разработана структурная и функциональная схема процесса бурения, проведена оптимизация параметров процесса, разработана математическая модель данного процесса, собрана модель в программой среде Stratum 2000, позволяющая подбирать оптимальные показатели режимных параметров (скорость вращения инструмента, осевое усилие на забое, количество промывочного агента) для различного вида грунта в процессе бурения.   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Список  используемых источников 

1. Иоаннесян  Р.А. Основы теории и техники турбинного бурения, М-Л., 1953;

2. Лисичкин С.М., Очерки по истории развития  отечественной нефтяной промышленности, М.-Л., 1954;

3. Федюкин В.А., Проходка шахтных стволов и  скважин бурением, М., 1959; Огневое  бурение взрывных скважин, М., 1962;

4. Волков С.А., Сулакшин С.С., Андреев М.М., Буровое  дело, М., 1965;

5. Куличихин  Н.И., Воздвиженский Б.И., Разведочное  бурение, М., 1966;Техника бурения  при разработке месторождений  полезных ископаемых, М., 1966;

6. Вадецкий Ю.В., Бурение нефтяных и газовых  скважин, М., 1967;

7. Ханмурзин  И.И., Бурение на верхнюю мантию, М., 1967; Техника горного дела и  металлургии, М., 1968;

8. Скрыпник С.Г., Данелянц С.М., Механизация в автоматизация трудоёмких процессов в бурении, М., 1968;

9. Арш Э.И., Виторт  Г.К., Черкасский Ф.Б., Новые методы дробления крепких горных пород. К., 1966.

10. Бурение. Специальный  проект гильдии экологов  [Электронный ресурс] – М: Гильдия Экологов – Режим доступа : http://infoburenie.narod.ru/burenie.htm