XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение.

Автоматизация технологического процесса составляет важную часть научно-технического прогресса в проведении геологоразведочных работ. Теоретические исследования в области совершенствования управления процессом бурения и его оптимизации получили новые возможности практической реализации с появлением управляющей микропроцессорной техники и созданием на ее основе систем автоматизированного управления.

В отрасли в течение ряда лет проводятся исследования по созданию микропроцессорных систем автоматизированного управления геологоразведочным бурением, реализующие методы и средства универсального, многофункционального управления, способного в отличие от жестких аналоговых решений осуществлять гибкую технологию бурения.

Необходимость этого вытекает из анализа производственной деятельности геологоразведочных организаций по выполнению плановых заданий. Несмотря на то, что внедрение современного оборудования, инструментов, прогрессивной технологии бурения, средств механизации и автоматизации отдельных операций, совершенствование организации труда в целом обеспечило выполнение этих заданий, в разведочном бурении остаются значительные резервы повышения производительности труда и улучшения его технико-экономических показателей. Эти резервы заключаются, прежде всего, в оптимизации и автоматизации оперативного управления процессом бурения скважин и в совершенствовании организации работ.

Сегодня, в условиях интенсифицированного производства возросших скоростей бурения резко повысилась физическая нагрузка на буровой персонал. Учитывая также и тенденцию к росту глубин бурения разведочных поисковых скважин, можно утверждать, что возросли психологическая нагрузка и ответственность за решения, принимаемые бурильщиком в процессе бурения. Уже сейчас время простоев из-за неправильных технологических решений в процессе бурения составляет 5-7% общего баланса рабочего времени.

Процесс бурения, особенно глубоких скважин, протекающий в условиях значительной неопределенности, подвергается сильным и непредсказуемым возмущающим воздействиям, основа которых - как горно-геологические, так и технико-технологические факторы. Бурильщику приходится отступать от проектной технологии, использовать свой опыт, знания, интуицию, чтобы вовремя обнаружить изменение категории буримости пород, неблагоприятную технологическую ситуацию; хорошие мастера работают на грани искусства. С помощью систем автоматизированного управления можно более жестко нормировать процесс бурения, широко внедрять передовые технологии бурения.

Современные тенденции повышения скорости и роста глубин бурения автоматизации требуют автоматизации технологического процесса управления бурением, что показывает актуальность данной темы [1]. Для широкого внедрения систем автоматизации технологических процессов требуется анализ существующих автоматизированных систем при бурении скважин, что и является целью данной работы.

Для достижения поставленной цели рассмотрим следующие задачи:

- провести анализ современной технологии бурения скважин;

- провести аналитический обзор цифрового бурения, как инструмента повышения эффективности процесса бурения.

1 Автоматизация производственных процессов в нефтяной и газовой промышленности.

Автоматизация производственных процессов в нефтяной и газовой промышленности призвана обеспечить рост производительности труда, сокращение оперативного персонала при обслуживании технологического оборудования, снизить трудоемкость оперативного управления и повысить его информативность.

Средства автоматизации, внедренные на нефтяных и газовых промыслах, позволили резко повысить производительность добычи и снизить трудоемкость этого процесса.

Современные нефтяные и газодобывающие предприятия представляют собой сложные комплексы технологических объектов, рассредоточенных на больших площадях и в мало пригодных для проживания регионах страны. Отличительные особенности этих промыслов:

1) непрерывность и однотипность технологического цикла;

2) связь всех технологических объектов месторождения через единый нефтяной пласт;

3) недостаток информации о процессах, происходящих в нефтяных пластах;

4) большая инерционность происходящих в нефтяном пласте процессов;

5) непостоянство пластового притока нефти или газа на месторождение;

6) уникальность условий залегания и состава полезного ископаемого на каждом месторождении.

Для добычи нефти и газа последовательно применяют следующие технологические процессы:

1) бурение скважин для вскрытия продуктивного пласта;

2) транспортировку определенным способом нефти или газа до уровня земной поверхности (технологический процесс добычи);

3) первичную обработку (подготовку) добытого сырья;

4) транспортировку нефти или газа по магистральным трубопроводам к потребителям или на переработку [2].

Основная трудность автоматизации бурения нефтяных или газовых скважин заключается в том, что информация о происходящих забойных процессах пока может быть получена только косвенным образом с помощью поверхностной аппаратуры, измеряющей реакцию узлов буровой установки на результат протекания этих процессов. Точность замера результата забойных процессов с помощью поверхностной аппаратуры не всегда достаточна для эффективного управления процессом бурения в автоматическом режиме.

Повысить точность этой аппаратуры можно путем использования сложных алгоритмов, учитывающих одновременно несколько косвенных параметров проявления забойного процесса. Однако это возможно при условии применения в управлении процессом бурения современных вычислительных устройств, в том числе и микропроцессорной техники.

Проходка нефтяных или газовых скважин может выполняться одним из двух возможных способов: роторным или турбинным.

Роторное бурение скважин (рис. 1)применяется на начальном этапе их сооружения, когда они бурятся по относительно слабым и геологически сложным породным горизонтам. При этом способе бурения вращение буровому долоту передается от механизма вращения буровой установки вращением буровой колонны [2].

Рисунок - 1. Технологическая схема роторного бурения скважин

Осевое усилие на долото создается частью веса буровой колонны, которая подвешивается с помощью вертлюга и канатной полиспастной системы на буровой вышке. Величина этого усилия регулируется тормозным моментом на барабане буровой лебедки. На этот барабан наматывается канат полиспастной системы подвески буровой колонны. Для удаления продуктов бурения из забойной части скважины во внутреннюю полость буровой колонны подается буровой раствор, плотность которого достаточна для выноса на земную поверхность продуктов разрушения забоя. Этот раствор подается под давлением, которое создается буровым насосом. После выноса на устье скважины продуктов бурения буровой раствор очищается от них, дополнительно обрабатывается и вновь закачивается в скважину. Для того чтобы при бурении стенки скважины не подвергались разрушению, они закрепляются специальными трубами, которые называют обсадными. Эти трубы на всей длине скважины соединяются в обсадную колонну [2].

Рисунок 2 - Технологическая схема турбинного бурения скважин

Особенностью технологии турбинного бурения является то, что буровая колонна в этом случае остается неподвижной, а вращение бурового долота обеспечивается специальным устройством, которое называется турбобуром. Турбобур находится в нижней части буровой колонны и с помощью встроенной в его конструкцию системы турбин преобразует давление бурового раствора в момент вращения долота, жестко связанного с этой системой. После выхода из турбобура буровой раствор омывает забой скважины и, как в предыдущем способе бурения, выносит продукты бурения на устье скважины. В остальном эта технология мало отличается от предыдущей.

Разновидностью турбобуров являются электробуры, которые оборудуются асинхронными электродвигателями специальной конструкции, электроэнергия к которым подается по специальному кабелю, расположенному во внутренней полости труб буровой колонны. Момент от этого двигателя через редуктор передается буровому долоту. Сложность этой конструкции состоит в том, что буровой раствор на забой скважины должен проходить через электродвигатель и редуктор [2].

2 Классификация буровых скважин

Все скважины, бурящиеся с целью региональных исследований, поисков, разведки и разработки месторождений подразделяются на следующие категории и группы.

Геологоразведочные скважины делят на опорные, параметрические, структурно - картировочные, поисковые и разведочные.

Опорные скважины бурят для изучения геологического строения и гидрогеологических условий крупных геоструктурных элементов (регионов) для выбора наиболее перспективных направлений геологоразведочных работ.

Параметрические скважины бурят для измерения параметров геофизических свойств и температуры пород в условиях их естественного залегания, изучения и выявления перспективных районов для детальных геологопоисковых работ.

Структурно - картировочные скважины бурят для выявления и изучения геологических структур, элементов залегания пластов пород и для контроля и уточнения данных геологической и геофизической съемок.

Поисковые скважины бурят для открытия новых месторождений полезных ископаемых.

Разведочные скважины бурят для оконтуривания и определения запасов полезного ископаемого, установления горнотехнических условий и выбора метода его эксплуатации [3].

Эксплуатационные скважины бурят для добычи нефти и газа, подземных вод, рассолов, содержащих соли брома, йода и других компонентов; для подземной газификации углей, выплавки серы и озокерита, выщелачивания железа, марганца, фосфоритов, меди и солей урана, возгонки ртути, подземного сжигания серы, скважинной гидродобычи углей и фосфатов; использования тепла земных недр. В соответствии с добываемым полезным ископаемым эксплуатационные скважины подразделяют на нефтяные, газовые, гидрогеологические, геотехнологические, гидротермальные.

Технические скважины бурят для решения различных инженерных задач [3].

3 Сущность и схема процесса бурения скважин

Различают понятия "бурение" и "сооружение скважины". Под бурением понимают комплекс следующих операций, в результате которых выполнения которых создается буровая скважина.

Разрушение горной породы на забое.

Удаление разрушенной породы (шлама) с забоя на поверхность.

Закрепление стенок скважины в неустойчивых (обрушающих) породах.

Породу можно разрушать механическим, электрическим, термическим (тепловым), взрывным, химическим и другими способами.

Бурят обычно механическим способом различными породоразрушающими инструментами. При этом под воздействием статических и динамических нагрузок породоразрушающий инструмент сминает, раздавливает, режет, скалывает, дробит, истирает, уплотняет породы. Разрушение породы может происходить по всему забою или по кольцу с образованием ненарушенного столбика породы (керна).

Существуют следующие способы удаления частиц разрушенной породы:

гидравлический, при котором продукты разрушения выносятся потоком промывочной жидкости (вода, глинистый раствор, специальные промывочные жидкости на основе нефти, полимеров и др.);

пневматический, при котором продукты разрушения выносятся потоком сжатого воздуха или газов;

механический, осуществляется буровым или специальным инструментом (буровой стакан, ложковый или спиральный бур, шнек, желонка), что определяется способом бурения;

комбинированный использует два или три перечисленных выше способов одновременно или последовательно.

Стенки скважины в неустойчивых породах в процессе углубки наиболее часто закрепляют вяжущими промывочными жидкостями (глинистые, полимерные и пр.), а также цементом и цементосодержащими материалами, синтетическими смолами, замораживанием и др. [3] Для крепления скважин на более длительное время в основном применяют стальные обсадные трубы, но могут использоваться трубы из нержавеющей стали, чугуна, асбоцемента, пластмасс и других материалов.

Под сооружением скважины понимают комплекс работ по ее подготовке, бурению и поддержанию в устойчивом состоянии, проведению в ней необходимых исследований, ликвидации или сдаче ее в эксплуатацию.

Сооружение скважины, кроме бурения предусматривает выполнение следующих видов работ: монтаж буровой установки; испытание и исследования в скважине - каротаж; замер искривления и уровня жидкости, отбор проб воды, определение дебита с помощью откачек и т.п.; тампонирование скважины с целью разобщения и изоляции водоносных и поглощающих пластов; установка фильтра и водоподъемника в гидрогеологической скважине; предупреждение и ликвидация аварий скважины (ликвидационное тампонирование); разборка буровой установки и работы по рекультивации почвы. Перечисленные виды работ выполняются буровыми, монтажными, каротажными, гидрогеологическими и другими бригадами [3].

4 Характеристики процесса бурения как объекта автоматизированного управления.

Мировая практика в области создания автоматизированных систем сложных технологических процессов, выделяет следующие общие характеристики и факторы производства:

· необходимость частных и значительных перестроек рабочих режимов;

· мощность установки;

· возмущения, действующие на процессы;

· сложность процесса и др.

Процесс бурения геологоразведочных скважин характеризуется частыми и значительными перестройками рабочих режимов. Это связано как с частым стохастическим изменением свойств разбуриваемых пород, так и с другими факторами, например, изменением свойств породоразрушающего инструмента в процессе бурения и очистного агента, удлинением бурильного вала; специфическими операциями, обусловленными постановкой инструмента на забоя и его приработкой, подъемом керна, бурильных труб и др.

Другая общая особенность многих процессов, для которых обосновано применение автоматизированного управления - частые и сильные возмещающие воздействия, приводящие к экономическим потерям [4].

Процесс бурения, особенно глубоких скважин, протекающий в условиях значительной неопределенности, подвергается сильным и непредсказуемым возмущающим воздействиям, основа которых как горно-геологические, так и технико-технологические факторы.

Процесс бурения является не только производственным процессом, с точки зрения потребления материальных и трудовых ресурсов, но и результатом производства продукта труда, в виде сформированного (пробуренного) ствола скважины и полученного керна. Производство буровых работ также является научно-исследовательским процессом изучения и получения информации о строении земных недр.

Возникает парадокс: планируя, проектируя и нормируя процесс бурения, мы тем самым утверждаем, что знаем предмет труда - земные недра. Но скважины бурят, следовательно, мы не знаем предмета труда и стремимся получить новые знания о строении земных недр. Пока подготовляется процесс бурения, его проектирование мы рассматриваем как детерминированный процесс. После начала бурения и в ходе бурения этот производственный процесс приобретает характер стохастического, научно-исследовательского, информационного процесса. Противоречие между производственным и научно-исследовательским характером процесса бурения является его особенностью, которую необходимо учитывать при создании системы автоматизированного управления.

С точки зрения методики автоматического управления процесс бурения практически не исследован. Анализ диаграммы записи параметров режимов бурения, записанный с максимально допустимой частотой, показывает практически непрерывные изменения, как параметров, так и показателей процесса бурения. С какой частотой нужно управлять процессом бурения, как зависит его эффективность от частоты управления? При ручном управлении эти вопросы не возникали. При автоматическом управлении эта задача является принципиальной.

Управляющие воздействия от системы управления к управляемому объекту должны поступать своевременно и в соответствии с изменившимися условиями бурения. От быстродействия управления во многом висят качество управления и конечный результат. А поскольку процесс бурения динамичен и требует частой корректировки управляющих воздействий, по крайней мере в сильно перемежающихся породах, то очевидно, что автоматизированная система управления обладает преимуществом перед человеком.

Сложные с технологической или эксплуатационной точки зрения процессы могут быть объектом автоматизации управления с применением ЭВМ. Технологическая сложность процесса бурения обусловлена большим количеством технологических переменных, значения которых в той или иной степени определяют эффективность этого процесса, и множеством взаимодействий между ними, что требует приложения не всегда очевидных управляющих воздействий [4]. Это особенно проявляется в различных технологических ситуациях, от верного распознавания которых зависят управляющие воздействия бурильщиков. Эксплуатационная сложность обусловлена технологической сложностью и характеризуется требованием ведения процесса бурения на оптимальном уровне, в пределах установленной системы ограничений. Это усугубляется и тем, что бурильщику для выбора правильного решения необходимо помнить и предысторию процесса бурения за сравнительно длительный период времени.

Ручное управление даже двумя-тремя параметрами процесса бурения на оптимальном уровне в условиях частоперемежающихся пород и глубокой скважины вряд ли возможно.

Автоматизированное управление процессом бурения позволяет успешно изменять практически одновременно два-три параметра с недоступной человеку частотой. Следовательно, источником эффективности автоматизированного управления является, по крайней мере, уменьшение промежутка времени, поиск оптимального режима, быстрая перестройка с одного режима на другой в связи с изменившимися условиями, а также практически полное исключение нарушений процесса, приводящих к аварийным ситуациям. Кроме того, стратегия управления процессом бурения может быть построена на учете вычисляемых показателей (например, углубка за оборот). Эти косвенные переменные рассчитываются управляющей ЭВМ, использующей информацию об основных параметрах процесса бурения, которые измеряются серийной контрольно-измерительной аппаратурой [4].

5 Основные технико-технологические понятия процесса бурения

Понятие о буровом инструменте. Инструмент, предназначенный для бурения скважин, называется буровым. Буровой инструмент подразделяется по назначению: технологический, вспомогательный, аварийный и специальный. Технологический инструмент применяют непосредственно при бурении скважин: породоразрушающий инструмент (коронки, долота, расширители), кернорватели, колонковые трубы и соединения, УБТ, желонки, ударные штанги, шнеки, ведущие бурильные трубы. Набор технологического инструмента, соединенного в определенной последовательности, называется буровым снарядом. В зависимости от способа бурения различают колонковые, ударные, вибрационные и другие буровые снаряды. Например, в состав бурового снаряда при колонковом бурении входят колонковый набор, бурильная колонна, ведущая труба.

Вспомогательный инструмент предназначен для закрепления стенок скважины и обслуживания технологического инструмента. К вспомогательному инструменту относятся обсадные трубы и соединения, хомуты, ключи элеваторы, подкладные вилки и т.д. [5]

Аварийный инструмент предназначен для ликвидации аварий в скважинах. К аварийному инструменту относятся различные ловильные инструменты (метчики, колокола и т.д.), режущие инструменты (труборезы, фрезы и т.д.), силовые инструменты (выбивные бабы, вибраторы и т.д.) и др.

Специальный инструмент служит для выполнения специальных работ в скважинах, связанных с исправлением искривлений, бурением в заданном направлении и т.д.

Технологические понятия. Параметр режима бурения - это фактор, влияющий на показатели бурения, задаваемый, измеряемый и поддерживаемый бурильщиком или автоматом в процессе углубки скважины. К основным параметрам относятся: а) при вращательном бурении: осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент; частота вращения бурового снаряда; расход очистного агента; б) при ударном бурении: масса ударного снаряда; высота сбрасывания; частота ударов и др.

Совокупность параметров режима бурения, характеризующих работу породоразрушающего инструмента (скорость бурения), называется технологическим режимом бурения. Технологический режим бурения выбирается в зависимости от физико-механических свойств горных пород, глубины скважины, вида породоразрушающего инструмента и технических возможностей оборудования.

Оптимальный режим бурения обеспечивает получение наилучших технико-экономических показателей бурения.

Рациональный режим бурения устанавливается с учетом технических возможностей бурового оборудования и инструмента. Например, известно, что в монолитных крепких породах бурение импрегнированными алмазными коронками необходимо осуществлять на высоких частотах вращения (>700 - 1000 об/мин), но применяемый буровой станок не имеет этих скоростей или бурильная колонна может обрываться, следовательно, приходиться это учитывать и устанавливать рациональную частоту вращения ниже возможностей коронки.

Специальный режим бурения применяется для получения заданных качественных показателей бурения или решения специальных задач. Значения параметров при этом режиме отличаются от значений оптимального режима. Например, специальный режим устанавливается при бурении по полезному ископаемому, которое подвержено разрушению от механических воздействий и потока промывочной жидкости. При этом уменьшается частота вращения снаряда и расход промывочной жидкости.

Приработка алмазных коронок проводится также на специальном режиме, при котором осевая нагрузка и частота вращения ниже оптимального или рационального режимов. Иногда выделяют так называемый форсированный режим бурения [5].

Скорости бурения.

Технологические режимы влияют на показатели бурения, под которыми понимают количественные и качественные параметры сооружения скважины, скорость, стоимость 1 м пробуренной скважины, процент выхода керна, направление скважины и др.

Выполнение отдельных процессов при сооружении скважины может характеризоваться определенной скоростью бурения (механическая, рейсовая, техническая, коммерческая и цикловая).

Механическая скорость бурения - величина углубки скважины за единицу времени чистого бурения.

Под чистым бурением понимают время, в течение которого разрушаются породы на забое.

В практике в зависимости от момента определения различают начальную, конечную, среднюю, наибольшую механическую скорости.

Механическая скорость бурения - основной показатель, отражающий эффективность способа бурения, качество применяемых породоразрушающих инструментов, рациональность режимов их эксплуатации, совершенство применяемой буровой технологии и т.д.

Рейсовая скорость бурения - величина углубки скважины за единицу времени продолжительности рейса.

Рейсом называется комплекс работ, включающий в себя спуск и подъем бурового снаряда, чистое бурение, извлечение керна, замену породоразрушающего инструмента и др.

Рейсовая скорость зависит от механической скорости и глубины скважины и дополнительно характеризует износоустойчивость породоразрушающих инструментов, совершенство буровых снарядов, обеспечивающих высокопроцентный отбор керна, а также степень комплексной механизации и автоматизации выполнения спускно-подъемных и вспомогательных операций в течение рейса.

Техническая скорость бурения зависит от механической и рейсовой скорости и дополнительно отражает эффективность выполнения всех дополнительных производительных работ, связанных с сооружением скважины (крепление, цементирование, гидрогеологические и геофизические исследования и т.д.).

Коммерческая скорость бурения определяется объемом бурения за месяц с учетом также непроизводительных затрат (простои, осложнения, аварии) (в м/ст. - мес.),

Цикловая скорость бурения определяется отношением глубины скважины к затратам времени в месяц от перевозки бурового оборудования до ликвидации скважины (м/ст. - мес.) [5].

Цикловая скорость бурения характеризует уровень применяемых технических средств, технологии бурения, организации труда при сооружении скважины, ее ликвидации или сдаче в эксплуатацию [5].

6 Цифровое бурение, как метод повышения эффективности

Бурение скважин — дорогостоящий процесс, существенно влияющий на себестоимость добычи нефти. И чем дальше, тем сложнее и дороже он становится: чтобы эффективно разрабатывать трудноизвлекаемые запасы, нужно строить сложные, высокотехнологичные скважины. Повышать эффективность бурения помогают технологии Индустрии 4.0 — анализ больших данных, интернет вещей, искусственный интеллект. Целый ряд соответствующих цифровых проектов запущен в блоке разведки и добычи «Газпром нефти».

«Газпром нефть» давно занимается вопросами эффективности бурения, реализуя организационные и технологические проекты, о которых уже не раз писала «Сибирская нефть»: проект «Технический предел», Центр управления бурением, создание высокотехнологичных буровых установок для российского рынка и др. Причины повышенного внимания к этой сфере в недостаточной развитости российского нефтесервисного рынка. Отсутствие серьезной конкуренции приводит к тому, что участники рынка не спешат вкладывать значительные ресурсы в развитие и брать на себя связанные с этим дополнительные риски. Поэтому нередко внедрение новых технологий — инициатива самих нефтедобывающих компаний.

В «Газпром нефти» процесс проектирования и строительства скважин оцифрован: их расположение, траектория и конструкция рассчитываются в компьютерных симуляторах.

Потоки данных.

В «Газпром нефти» процесс проектирования и строительства скважин сегодня уже во многом оцифрован. Расположение скважин, их траектория и конструкция, отдельные операции (спуск обсадных колонн, цементирование ствола и др.) рассчитываются в специальных компьютерных симуляторах. Программное обеспечение позволяет оценить ожидаемую отдачу от пласта и найти оптимальные способы ее достижения.

В процессе бурения со скважины поступает обильный поток данных. Это показания датчиков геолого-технологических исследований (ГТИ), данные каротажа в процессе бурения, показания телеметрии наклонно направленного бурения, реология бурового раствора и т. д. [6]

Большое количество разноплановой информации по каждой скважине поступает в Центр управления бурением (ЦУБ) «Геонавигатор», и основная задача центра — обеспечить максимально эффективное использование данных при сопровождении и контроле процесса строительства скважин.

«Газпром нефть» стимулирует такое развитие в отрасли бурения, несмотря на то что ставки буровых компаний, использующих высокотехнологичное оборудование, неизбежно будут расти. Но если изменения позволят в итоге повысить скорость бурения, исключить или существенно сократить простои, итоговая стоимость скважины может оказаться ниже, а нефть и доход от ее реализации можно будет получить быстрее.

В перспективе — полная автоматизация буровых и применение решений на основе искусственного интеллекта, благодаря которым станет возможным удаленное управление буровой установкой, создание так называемых безлюдных буровых.

Планирование бурения, всевозможные расчеты и модели при проектировании скважин делаются сегодня с использованием импортного софта. В «Газпром нефти» его хотят заменить собственными разработками. Причин для этого несколько. Это и желание обезопасить себя от рисков ограничения доступа к таким продуктам, и высокая стоимость лицензий на ПО, и недостатки самого ПО: сложность обмена информацией между продуктами разных производителей, недостатки визуализации, отсутствие модулей, использующих машинное обучение и способных повышать эффективность работы. Чтобы решить эти проблемы, в компании началась разработка собственной программной платформы для бурения — ЭРА.ПИК.

ЭРА.ПИК — своеобразный конструктор, к которому будут присоединяться все новые модули-кирпичики — цифровые решения в области бурения. Первый базовый модуль — проектирование конструкции и профиля скважин. Это кросс-функциональный процесс, в котором задействованы самые разные специалисты. В программе его удалось максимально автоматизировать, упростив процедуры и сократив сроки согласования проекта разными службами.

Важной составляющей частью ЭРА.ПИК станут решения, основанные на технологиях машинного обучения. Аналогов им пока нет на рынке. Среди задач, которые сможет решать искусственный интеллект, — построение оптимального дизайна скважин на основе исторических данных, а также предсказание или более точное описание определенных ситуаций, складывающихся в процессе бурения.

При бурении скважин искусственный интеллект позволяет выявлять выход долота за пределы целевого (продуктивного) слоя еще до того, как об этом сообщат датчики телеметрии [6]. В силу конструктивной особенности бурового оборудования информация о типе породы и ее свойствах на основании показаний каротажных приборов в процессе бурения поступает с задержкой. В результате выход из коллектора или целевого интервала фиксируются, когда долото ушло от места выхода уже на 15–35 м.

В некоторых случаях опытный бурильщик способен по косвенным признакам (нагрузка на долото, скорость проходки и т. д.) определить, что долото вышло в другую породу. У специалистов «Газпром нефти» возникла идея, что такой навык можно развить у искусственного интеллекта, выявив в данных ГТИ указывающие на это скрытые закономерности.

Разработанный прототип использует машинное обучение, чтобы оперативно анализировать параметры, поступающие с бурового оборудования, — уровень вибрации, скорость бурения и вращения ротора, нагрузку на долото и др. Эти показатели изменяются в зависимости от характеристик пласта, и это позволяет оперативно определить состав породы, не дожидаясь поступления данных с датчиков на самом буровом инструменте.

Сейчас программа способна определять три литотипа (породы с определенным набором признаков) — песчаник, глину, карбонатизированный песчаник — и, соответственно, тот момент, когда долото переходит из одной породы в другую. Вероятность выявления смены литотипа с использованием созданного цифрового решения составляет не менее 70%. Обучение модели продолжается на новых скважинах: с каждой пробуренной скважиной точность становится выше.

Применение методики позволит в будущем повысить скорость бурения горизонтальной части скважин, снизить затраты на устранение ошибок и повысить качество проходки, а значит, и эффективность будущей эксплуатации.

Цифровое бурение.

В «Газпром нефти» идет работа над несколькими проектами по созданию своего рода цифровых помощников, которые используют инструменты машинного обучения для решения наиболее острых проблем в области бурения и внутрискважинных работ. Проекты реализуются в технологическом партнерстве с IBM и Сколтехом. «Программа проектов направлена на создание автоматизированной аналитической системы, способной в реальном времени решать задачу мониторинга и комплексной оптимизации процесса бурения скважины с учетом существующих технологических ограничений», — рассказывает руководитель программ проектов по бурению скважин Научно-Технического Центра «Газпром нефти» Игорь Симон.

Два проекта уже реализованы в рамках НИОКР и перешли на этап тиражирования в дочерних обществах «Газпром нефти» [6]. В рамках первого из них — «Определение литологической разности на забое скважины» — был разработан программный продукт, позволяющий минимизировать случаи выхода долота из целевого интервала (продуктивного слоя) на основании данных сопровождения бурения. Второй проект («Прогнозирование осложнений в процессе бурения») посвящен созданию решения, которое распознает в данных сопровождения бурения предвестники аварийных ситуаций и сообщает о них оператору.

Использование цифровых инструментов на всех этапах строительства скважин — неотъемлемая часть стратегии по цифровой трансформации блока разведки и добычи «Газпром нефти». Цифровые двойники и специализированные программные продукты позволяют повысить эффективность проводки скважин, кратно уменьшить риск аварий и осложнений в процессе бурения, заканчивания и освоения, снизить риск влияния человеческого фактора и в конечном итоге повышают безопасность всех производственных процессов с одновременным сокращением общей стоимости работ. Изменение подходов к разработке и применение цифровых технологий дают возможность вовлечения новых запасов на активах компании, ранее считавшихся нерентабельными, и позволяют с уверенностью говорить о достижении стратегических целей «Газпром нефти».

Дальнейшее развитие программы связано с еще двумя проектами. Первый — использование методов машинного обучения для более точного прогнозирования пространственного положения скважины — позволит принимать более качественные решение о дальнейшем бурении. Второй даст возможность в режиме реального времени определять продуктивность скважины и за счет этого сократит время на оценку эффективности бурения при текущем положении бурового инструмента. «Во всех этих случаях искусственный интеллект позволит принимать значимые решения о дальнейшем строительстве скважин значительно быстрее, не допуская простоя оборудования и, соответственно, повышения затрат на строительство скважины», — отмечает Игорь Симон.

Чтобы максимально эффективно использовать данные, важно, чтобы специалист вовремя обратил внимание на проблему и быстро принял необходимое решение. Эта задача в значительной степени связана с правильной визуализацией данных. Отдельный проект, направленный на решение этой задачи, реализуется в Центре управления бурением «Геонавигатор» «Газпром нефти». «Мы хотим представить привычную нам информацию под другим углом, извлечь максимум из каждого байта информации, поступающей в ЦУБ, расположить ее на экране так, чтобы специалист сразу видел все самое важное», — рассказывает руководитель направления в Научно-Техническом Центре «Газпром нефти» Нур Назаров.

Не менее важно и то, что информацией могут пользоваться специалисты разного профиля. Сейчас в ЦУБ работают представители девяти разных специальностей — от геологов до буровиков [6]. И у каждого свои потребности в информации по бурению. Однако раньше вывод данных на экраны был рассчитан в первую очередь на сотрудников службы оперативной инженерно-технической поддержки. Новая визуализация должна обеспечить более эффективное решение задач всеми сотрудниками. «Идея в том, что визуализация должна стать дополнительным инструментом в руках команды, а информация в ней воспринималась в том числе и специалистами непрофильных направлений», — поясняет Нур Назаров.

Аварийные осложнения при бурении — главный источник непроизводительного времени (НПВ) и, соответственно, повышения стоимости скважин. Во время устранения аварий буровая установка простаивает, между тем деньги за ее использование продолжают выплачиваться по суточной ставке.

Разработанный в «Газпром нефти» программный продукт позволяет распознавать в данных сопровождения бурения предвестники аварийных ситуаций и информирует оператора о вероятности возникновения осложнений. Например, такое осложнение, как дифференциальный прихват, программа определяет в среднем за полтора часа до его наступления. Программа рассчитана на снижение НПВ, связанного с осложнениями при бурении, на 15%.

Для создания модели были использованы исторические данные 40 скважин, признанных абсолютно здоровыми, эталонными. Они стали для программы примерами хорошего бурения, с которыми в дальнейшем процессе обучения сравнивались отклонения, предшествующие осложнениям и аварийным ситуациям. Обучение нейронной сети потребовало значительного количества кейсов и проводилось на исторических данных бурения Новопортовского, Восточно-Мессояхского и Оренбургского месторождений.

Новые средства визуализации позволят изменить сам подход к работе, иначе расставить приоритеты. Раньше инженер тратил определенное время в течение дня на работу с одной скважиной: изучение ее истории, проведение расчетов, составление выводов и рекомендаций. При этом на другие скважины внимания не хватало. Теперь же система будет сообщать о необходимости в нужный момент переключить внимание на другой объект.

Это основные, но далеко не все цифровые проекты в области бурения, которые реализует сегодня «Газпром нефть». Среди них и решения в области промышленной безопасности (видеоаналитика на буровой и удаленный мониторинг состояния здоровья сотрудников при помощи носимых устройств), проекты по регистрации истории бурового оборудования (позволят более точно определять, сколько проработали буровые трубы, верхний силовой привод и талевый канат для их своевременного обслуживания и замены), инструменты оценки эффективности бурения для более качественного планирования будущих затрат, проекты по повышению эффективности управления подрядчиками и др. [6]

Также в перспективе планируется создать возможности для мобильного доступа ко всей необходимой информации по мониторингу бурения. Пока такие решения трудно реализовать из-за ограничений информационной безопасности. Однако движение в сторону мобильности — не просто модный тренд. Для части сотрудников, работающих в полевых условиях (например, буровых супервайзеров), появление таких возможностей станет важным шагом к повышению эффективности работы [6].

Заключение.

В данной статье рассмотрена автоматизация производственных процессов в бурении. Разнообразные системы автоматизированного управления процессом бурения разведочных скважин на твердые полезные ископаемые позволяют не только управлять процессом бурения в реальном времени по любому из известных алгоритмов, но и собирать, накапливать и обрабатывать информацию о процессе бурения, а также диагностировать работоспособность отдельных узлов и механизмов. В данной работе подробно описано цифровое бурение, как метод повышения эффективности бурения скважин.

Список литературы.

Автоматизация технологического процесса составляет важную часть научно-технического прогресса в проведении геологоразведочных работ. Теоретические исследования [Электронный ресурс] (URL: https://100-bal.ru/ekonomika/161172/index.html) (Дата обращения: 06.11.2022).

Автоматизация процесса бурения нефтяных и газовых скважин. [Электронный ресурс] (URL: https://studopedia.su/14_75316_avtomatizatsiya-protsessa-bureniya-neftyanih-ili-gazovih-skvazhin.html) (Дата обращения: 06.11.2022).

Классификация буровых скважин. [Электронный ресурс] (URL: https://studfile.net/preview/7669402/page:3/) (Дата обращения: 06.11.2022).

Классификация буровых скважин. [Электронный ресурс] (URL: https://kazedu.com/referat/51293/4) (Дата обращения: 06.11.2022).

Основные технико - технологические понятия процесса бурения. [Электронный ресурс](URL:https://vuzlit.com/1539462/osnovnye_tehniko_tehnologicheskie_ponyatiya_protsessa_bureniya) (Дата обращения: 06.11.2022).

Цифровое бурение: как цифровые технологии повышают эффективность. [Электронный ресурс]

(URL: https://up-pro.ru/library/information_systems/automation_production/burenie-neft/) (Дата обращения: 18.11.2022).

Код для цитирования: Скопировать