RU2798233C1 - Method of operational optimal control of the process of drilling of oil and gas wells - Google Patents

Method of operational optimal control of the process of drilling of oil and gas wells Download PDF

Info

Publication number
RU2798233C1
RU2798233C1 RU2022110898A RU2022110898A RU2798233C1 RU 2798233 C1 RU2798233 C1 RU 2798233C1 RU 2022110898 A RU2022110898 A RU 2022110898A RU 2022110898 A RU2022110898 A RU 2022110898A RU 2798233 C1 RU2798233 C1 RU 2798233C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
drilling
bit
model
optimal
rock
Prior art date
Application number
RU2022110898A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Александрович Цуприков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ")
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ")
Application granted granted Critical
Publication of RU2798233C1 publication Critical patent/RU2798233C1/en

Links

Abstract

FIELD: drilling oil and gas wells.
SUBSTANCE: invention can be used for automatic operational optimal process control using a drilling machine. A method for optimal adaptive control of the process of drilling oil and gas wells is claimed consisting of regulating the axial load on the bit, the model of the mechanical drilling speed is corrected based on the bottom rock, said model represents the interaction of the rock at the bottom of the well with the work of the bit, obtaining results of downhole measurements of the mechanical speed every 0.3 m of rock drilling as a result of the work of the bit at the bottom, updating the drilling speed model, determining the optimal axial load on bit according to the updated drilling speed model, transferring the value of the optimal axial load on bit to the surface equipment control system, drilling the next 0.3 meters of rock with a new load on the bit and multiple repetition of the operations of obtaining, updating, determining, transferring and drilling during the operation of the well. At the same time, the control is carried out according to the updated model of the drilling process, built on the basis of the McLaren series for the sine function based on the mathematical expression given in the claim materials. Moreover, the model has a mathematical maximum in terms of the axial load parameter, which makes it possible to calculate the optimal bit load according to the criterion of maximum mechanical speed.
EFFECT: increase in the accuracy of drilling mode control and an increase in the mechanical speed of well drilling due to control optimization according to a new mathematical model with one adjustable parameter.
1 cl

Description

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин и может быть использовано для оперативного оптимального управления процессом.The invention relates to the field of drilling oil and gas wells and can be used for operational optimal process control.

Известен способ регулирования процесса бурения по патенту SU 1231946, Е21В 44/ 00 от 27.11.1995, включающий использование модели процесса бурения, представляющей собой экспоненциальный тренд механической скорости проходки, которую получают в результате шести и более экспериментальных данных бурения в интервале пласта одинаковой буримости с последующей их аппроксимацией методом наименьших квадратов. Далее коэффициенты модели бурения подставляют в критерий «минимум стоимости метра проходки», содержащий выражение зависимости времени бурения t от осевой нагрузки на долото G, частоты его вращения n и расхода бурового раствора Q в виде полинома первой степени, и производят поиск минимума критерия методом штрафных функций. Полученные оптимальные параметры устанавливают на буровой установке и дальнейшее регулирование бурения производят на оптимальных уставках G, n и Q. Обновление модели производится через каждые 0,3 метра проходки. Одновременно рассчитывают время бурения до смены долота и по доверительному интервалу тренда механической скорости определяют границы пластов с одинаковой буримостью. Модель содержит параметры, представляющие геологию формации, окружающей ствол скважины. Система скважинного оборудования содержит измерительные приборы, расположенные над долотом на колонне бурильных труб. Измерения условий бурения содержат измерение по оценке параметров пласта. Автоматическая подстройка позволяет выполнять автоматическое оптимальное регулирование процесса углубления скважин, которое может быть использовано для прогнозирования оптимальных значений показателей работы долот при неоднородных по буримости пластах.A known method of controlling the drilling process according to patent SU 1231946, E21B 44/00 dated 11/27/1995, including the use of a drilling process model, which is an exponential trend of the penetration rate, which is obtained as a result of six or more experimental drilling data in the formation interval of the same drillability, followed by their approximation by the least squares method. Further, the coefficients of the drilling model are substituted into the criterion "minimum cost of a meter of penetration", which contains the expression of the dependence of the drilling time t on the axial load on the bit G, its rotation frequency n and the flow rate of the drilling fluid Q in the form of a polynomial of the first degree, and the minimum of the criterion is searched for by the penalty function method . The obtained optimal parameters are set on the drilling rig and further drilling regulation is carried out at the optimal settings G, n and Q. The model is updated every 0.3 meters of penetration. At the same time, the drilling time is calculated before changing the bit, and the boundaries of formations with the same drillability are determined from the confidence interval of the mechanical velocity trend. The model contains parameters representing the geology of the formation surrounding the wellbore. The downhole equipment system contains measuring devices located above the bit on the drill string. The drilling conditions measurements comprise a formation estimation measurement. Automatic tuning allows you to perform automatic optimal control of the well deepening process, which can be used to predict the optimal values of bit performance in heterogeneous formations.

Недостатки: управление ведётся в ручном, а не автоматическом режиме; способ требует предварительного проведения шести и более экспериментов для получения экспоненциального тренда механической скорости проходки; при смене породы требуется новые эксперименты; модель в виде экспоненциального тренда не имеет экстремума; полином первой степени может не обеспечить требуемую точность моделирования.Disadvantages: control is carried out in manual, not automatic mode; the method requires preliminary six or more experiments to obtain an exponential trend of ROP; when changing the breed, new experiments are required; the model in the form of an exponential trend does not have an extremum; the polynomial of the first degree may not provide the required modeling accuracy.

Известен способ оптимального адаптивного управления процессом бурения скважин (патент 2595027 RU С1, 20.08.2016), при котором осуществляют подстройку модели процесса бурения, содержащей осевую нагрузку на долото G, частоту его вращения n и расход бурового раствора Q, представляющей взаимодействие условий в забое скважины с долотом бурильной колонны и буровым раствором, получение через каждые 0,3 метра множества результатов скважинных измерений условий бурения в ходе работы в скважине, обновление модели процесса бурения на основе результатов скважинных измерений условий бурения и рабочих данных наземного оборудования, принятых от системы управления наземным оборудованием, осуществляют определение множества оптимальных параметров бурения на основе обновленной модели процесса бурения, передачу в систему управления наземным оборудованием данных об оптимальных параметрах бурения и многократное повторение операций получения, обновления, определения и передачи в ходе работы в скважине.There is a known method for optimal adaptive control of the drilling process (patent 2595027 RU C1, 20.08.2016), in which the drilling process model is adjusted, containing the axial load on the bit G, its rotation frequency n and the flow rate of the drilling fluid Q, representing the interaction of conditions in the bottom hole with drill string bit and drilling fluid, getting multiple downhole measurements of drilling conditions every 0.3 meters during operation in the well, updating the drilling process model based on the results of downhole measurements of drilling conditions and surface equipment operating data received from the surface equipment control system , determining a set of optimal drilling parameters based on the updated model of the drilling process, transmitting data on optimal drilling parameters to the surface equipment control system and repeatedly repeating the operations of obtaining, updating, determining and transmitting during operation in the well.

Недостаток: способ предусматривает применение модели, содержащей три параметра управления G, n и Q , при этом параметры n и Q системой управления не регулируются. Disadvantage: the method involves the use of a model containing three control parameters G, n and Q , while the parameters n and Q are not regulated by the control system.

Задачей изобретения является оптимизация способа адаптивного автоматического управления процессом бурения нефтегазовых скважин по новой математической модели с одним регулируемым параметром. The objective of the invention is to optimize the method of adaptive automatic control of the process of drilling oil and gas wells according to a new mathematical model with one adjustable parameter.

Техническим результатом является увеличение точности управления режимом бурения и увеличение механической скорости проводки скважины за счет оптимизации управления по новой математической модели с одним регулируемым параметром. The technical result is an increase in the accuracy of drilling mode control and an increase in the mechanical speed of well drilling due to control optimization according to a new mathematical model with one adjustable parameter.

Технический результат достигается путем адаптивного управления процессом бурения скважин, при котором модель процесса бурения, представляющую взаимодействие породы на забое скважины с долотом бурильной колонны постоянно обновляют через каждые 0,3 метра проходки на основе результатов скважинных измерений скорости бурения и осевой нагрузки на долото (т.е. модель подстраивают под породу на забое), осуществляют определение оптимальной осевой нагрузки на долото на основе обновленной модели процесса бурения, передачу на привод буровой данных об оптимальном параметре бурения, разбуривание следующих 0,3 метра проходки на оптимальной нагрузке на долото и многократное повторение операций получения, обновления, определения, передачи и разбуривания в ходе работы скважины, отличающимся тем, что управление осуществляют по математической модели процесса бурения, построенной на основе ряда Макларена для функции синуса вида The technical result is achieved by adaptive control of the drilling process, in which the drilling process model representing the interaction of the rock at the bottom of the well with the drill string bit is constantly updated every 0.3 meters of penetration based on the results of downhole measurements of drilling speed and axial load on bit (i.e. e. the model is adjusted to the rock at the bottomhole), the optimal axial load on bit is determined based on the updated model of the drilling process, the transmission of data on the optimal drilling parameter to the drilling drive, the drilling of the next 0.3 meters of penetration at the optimal load on bit and repeated repetition of operations receiving, updating, determining, transmitting and drilling during the operation of the well, characterized in that the control is carried out according to the mathematical model of the drilling process, built on the basis of the McLaren series for the sine function of the form

Figure 00000001
Figure 00000001

где υм - механическая скорость проходки, м/ч; kυ - размерный коэффициент буримости породы, представляющий модель пластов; G - осевая нагрузка на долото, Н; CG - размерная константа. Модель имеет математический экстремум по параметру G, что позволяет рассчитывать оптимальную осевую нагрузку на долото.where υm - ROP, m/h; k υ - dimensional coefficient of drillability of the rock, representing the reservoir model; G - axial load on the bit, N; C G - dimensional constant. The model has a mathematical extremum in the G parameter, which makes it possible to calculate the optimal WOB.

Способ предусматривает многократное обновление коэффициентов модели kυ и CG по результатам скважинных измерений, расчет оптимальных нагрузок на долото по критерию "максимум механической скорости", их передачу на привод буровой установки и выполнение бурения на рассчитанном параметре. The method involves multiple updating of the model coefficients k υ and C G based on the results of downhole measurements, calculation of the optimal weights on bit according to the "maximum mechanical speed" criterion, their transfer to the drilling rig drive and drilling on the calculated parameter.

Управление производится по целевой функцииManagement is carried out according to the objective function

Figure 00000002
Figure 00000002

где υм - механическая скорость проходки, м/ч; where υm - ROP, m/h;

kυ - размерный коэффициент буримости породы; k υ - dimensional coefficient of rock drillability;

G - осевая нагрузка на долото, Н; G - axial load on the bit, N;

CG - размерная константа.C G - dimensional constant.

Способ оптимального адаптивного управления бурением реализуется следующим образом:The method of optimal adaptive drilling control is implemented as follows:

1. В начале бурения по заданным проектом данным (или из опыта бурильщика) по модели (1) рассчитывается оптимальное значение Gопт для достижения критерия «максимум механической скорости υм = mах».1. At the beginning of drilling, according to the data specified by the project (or from the experience of the driller), according to model (1), the optimal value of G opt is calculated to achieve the criterion "maximum mechanical speed υm = max".

2. Оптимальный параметр Gопт устанавливается на буровом оборудовании и производится бурение 0,3 м проходки. 2. The optimal parameter G opt is set on the drilling equipment and 0.3 m of penetration is drilled.

3. Полученное в ходе бурения значение механической скорости υм измеряется и по каналу обратной связи передается в систему управления наземным оборудованием скважины.3. The value of the mechanical velocity υm obtained during drilling is measured and transmitted via the feedback channel to the control system of the surface equipment of the well.

4. Значения коэффициентов kυ и CG модели (1) перерассчитываются, тем самым модель адаптируется к породе на забое.4. The values of the coefficients k υ and C G of the model (1) are recalculated, thereby the model adapts to the rock at the bottomhole.

5. Для модели с новыми коэффициентами рассчитывается Gопт для достижения максимума функции (1), новое Gопт устанавливается на буровой, разбуриваются следующие 0,3 метра проходки с измерением полученной скорости бурения и т.д.5. For the model with new coefficients, G opt is calculated to achieve the maximum of function (1), a new G opt is installed on the drilling rig, the next 0.3 meters of penetration are drilled with the measurement of the obtained drilling speed, etc.

Таким образом, за счет оптимизации управления по новой математической модели с одним регулируемым параметром достигается увеличение точности управления режимом бурения и увеличение механической скорости проводки скважины. Thus, by optimizing the control according to a new mathematical model with one adjustable parameter, an increase in the accuracy of controlling the drilling mode and an increase in the mechanical speed of the well drilling are achieved.

Claims (3)

Способ оптимального адаптивного управления процессом бурения нефтегазовых скважин регулированием осевой нагрузки на долото, при котором осуществляют корректировку под породу на забое модели механической скорости бурения, представляющей взаимодействие породы на забое скважины с работой долота, получение через каждые 0,3 м результатов скважинных измерений механической скорости бурения породы в результате работы долота на забое, обновление модели скорости бурения, определение оптимальной осевой нагрузки на долото по обновленной модели скорости бурения, передачу в систему управления наземным оборудованием значения оптимальной осевой нагрузки на долото, разбуривание следующих 0,3 метра породы на новой нагрузке на долото и многократное повторение операций получения, обновления, определения, передачи и разбуривания в ходе работы скважины, отличающийся тем, что управление осуществляют по обновленной модели процесса бурения, построенной на основе ряда Макларена для функции синуса вида A method for optimal adaptive control of the process of drilling oil and gas wells by regulating the axial load on the bit, in which the rock at the bottom is corrected for the model of the mechanical drilling speed, which represents the interaction of the rock at the bottom of the well with the work of the bit, obtaining results of downhole measurements of the mechanical drilling speed every 0.3 m formation as a result of the work of the bit at the bottomhole, updating the drilling speed model, determining the optimal axial load on bit according to the updated drilling speed model, transferring the value of the optimal axial load on bit to the surface equipment control system, drilling the next 0.3 meters of rock with a new load on bit and repeated repetition of the operations of obtaining, updating, determining, transmitting and drilling during the operation of the well, characterized in that the control is carried out according to the updated model of the drilling process, built on the basis of the McLaren series for the sine function of the form
Figure 00000003
,
Figure 00000003
,
где υм - механическая скорость проходки, м/ч; kυ - размерный коэффициент буримости породы, представляющий модель пластов; G - осевая нагрузка на долото, Н; CG - размерная константа, при этом обновленная модель имеет математический максимум по параметру G, что позволяет рассчитывать оптимальную нагрузку на долото по критерию «максимум механической скорости».where υ m - ROP, m/h; k υ - dimensional coefficient of drillability of the rock, representing the reservoir model; G - axial load on the bit, N; C G is a dimensional constant, while the updated model has a mathematical maximum in the G parameter, which allows calculating the optimal weight on bit according to the “maximum mechanical speed” criterion.
RU2022110898A 2022-04-21 Method of operational optimal control of the process of drilling of oil and gas wells RU2798233C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2798233C1 true RU2798233C1 (en) 2023-06-19

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1260980A1 (en) * 1985-03-26 1986-09-30 Военный Инженерный Краснознаменный Институт Им.А.Ф.Можайского System for simulating dynamic processes in automatic control systems
SU1673728A1 (en) * 1989-08-09 1991-08-30 Свердловский горный институт им.В.В.Вахрушева Method of drilling conditions optimization
SU1231946A1 (en) * 1984-05-08 1995-11-27 Грозненский Нефтяной Институт Им.Акад.М.Д.Миллионщикова Method of controlling drilling
RU2595027C1 (en) * 2015-07-24 2016-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") Method for optimum adaptive control of well drilling process
WO2018106577A1 (en) * 2016-12-08 2018-06-14 Baker Hughes Incorporated Methods and systems for drilling boreholes in earth formations
US10352099B2 (en) * 2015-09-02 2019-07-16 Exxonmobil Upstream Research Company Methods for drilling a wellbore within a subsurface region and drilling assemblies that include and/or utilize the methods
RU2709851C1 (en) * 2019-04-16 2019-12-23 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") Method of optimal adaptive control of drilling and flushing of oil and gas wells

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1231946A1 (en) * 1984-05-08 1995-11-27 Грозненский Нефтяной Институт Им.Акад.М.Д.Миллионщикова Method of controlling drilling
SU1260980A1 (en) * 1985-03-26 1986-09-30 Военный Инженерный Краснознаменный Институт Им.А.Ф.Можайского System for simulating dynamic processes in automatic control systems
SU1673728A1 (en) * 1989-08-09 1991-08-30 Свердловский горный институт им.В.В.Вахрушева Method of drilling conditions optimization
RU2595027C1 (en) * 2015-07-24 2016-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") Method for optimum adaptive control of well drilling process
US10352099B2 (en) * 2015-09-02 2019-07-16 Exxonmobil Upstream Research Company Methods for drilling a wellbore within a subsurface region and drilling assemblies that include and/or utilize the methods
WO2018106577A1 (en) * 2016-12-08 2018-06-14 Baker Hughes Incorporated Methods and systems for drilling boreholes in earth formations
RU2709851C1 (en) * 2019-04-16 2019-12-23 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") Method of optimal adaptive control of drilling and flushing of oil and gas wells

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6968909B2 (en) Realtime control of a drilling system using the output from combination of an earth model and a drilling process model
CN110500034B (en) Method for establishing neural network model, determining torsional pendulum drill string parameters and directionally drilling
US7044239B2 (en) System and method for automatic drilling to maintain equivalent circulating density at a preferred value
US20190234145A1 (en) Drilling control and information system
RU2643057C2 (en) Managing wellbore exploitation with use of uncertainty calculations
US9995129B2 (en) Drilling automation using stochastic optimal control
RU2641054C2 (en) Control of borehole drilling operations
US7980326B2 (en) Method and system for controlling force in a down-hole drilling operation
RU2670302C2 (en) Automated design of the optimal directional drilling path
CA2920181C (en) Removal of stick-slip vibrations in a drilling assembly
WO2002042605A1 (en) Method of and system for controlling directional drilling
RU2688652C2 (en) Methods of operation of downhole equipment based on conditions in wellbore
RU2495240C1 (en) Method for adaptive control of well-drilling process
US11111771B2 (en) Methods of drilling a wellbore within a subsurface region and drilling control systems that perform the methods
RU2595027C1 (en) Method for optimum adaptive control of well drilling process
RU2642590C1 (en) Method of optimal adaptive control of oil-gas wells drilling process on three mode parameters
RU2798233C1 (en) Method of operational optimal control of the process of drilling of oil and gas wells
RU2244117C2 (en) Method for controlling operations in well and system for well-drilling
US10240414B2 (en) Regulating downhole fluid flow rate using an multi-segmented fluid circulation system model
RU2709851C1 (en) Method of optimal adaptive control of drilling and flushing of oil and gas wells
CN118339357A (en) Data driven model for controlling and optimizing hydrocarbon production
RU2180398C2 (en) Method of control over process of drilling of inclined- horizontal holes