Моделирование производственного процесса

Министерство образования  и науки Российской Федерации  
 
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»  
 
Факультет информационных технологий  
 
Кафедра системного анализа и управления 
 
 

Курсовой  проект

по  дисциплине: “Системное проектирование и реинжиниринг бизнес-процессов"

                                            Пояснительная записка 
 

ОГУ 220100.62.4 4 11.07 ПЗ 
 
 
 
 
 

      Руководитель работы

      _____________ ____Тугов В.В.

     ”_____”______________2011 г.

                Исполнитель

                студент  группы 08 САУ(б)

         _____________ Дьяков Е.Г.

”_____”______________2011 г.  
 
 
 
 
 
 

Оренбург 2011

Министерство  образования и науки Российской Федерации  
 
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»  
 
Факультет информационных технологий  
 
Кафедра системного анализа и управления 

Задание на курсовую работу 

    Моделирование производственного  процесса 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Дата выдачи задания “___”______________2011 г.

Руководитель  Тугов В.В.

 Исполнитель

студент группы 08 САУ(б) Дьяков Е.Г.

Срок защиты работы “___”______________2011 г. 

Аннотация 

    Пояснительная записка содержит 36 страницы, 4 рисунка, 1 таблицу,3 приложения и 15 источников.

    В курсовом проекте рассматриваются основные параметры процесса бурения, а также проводится предпроектное обследование предприятия, анализируется технологический процесс, разрабатывается структурная и функциональная схема процесса бурения, проводится оптимизация параметров процесса, разрабатывается математическая модель данного процесса. 

Содержание 

1   Анализ технологического процесса...................................................................5

1.1 О технологическом процесса..............................................................................5

1.2 История развития.................................................................................................9

     1.3 Структура бурового предприятия......................................................................9

     1.4 Схема разработки технологии бурения скважин…………………………….10

2    Выбор оборудования и анализ эффективности процесса бурения................11

   2.1 Выбор бурового оборудования.........................................................................11

     2.2 Эффективность процесса бурения....................................................................13

     3  Описание разрабатываемой системы управления...........................................16

     3.1 Разрабатываемая система……………………………………………………...17

     3.2 Вращательное бурение нефтяных  скважин………………………………….19

   3.3 Входная информация, выходные  данные, относительно модели Stratum.....22

   3.4 Используемые средства прикладных программ..............................................23

   4    Оптимизация процесса бурения.......................................................................24

    4.1 Математическое описание процесса бурения……………………………….24

     4.2 Алгоритм решения задачи.................................................................................29

      Заключение……………………………………………………………………30

      Список использованных источников …………………..……………………37

          Приложение A………………………………………………….

           Приложение B……………………………………………………………………

           Приложение C…………………………………………………………………… 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Введение 

      Теоретические исследования в  области совершенствования управления  процессом бурения и его оптимизации  получили новые возможности практической  реализации с появлением управляющей техники и созданием на ее основе систем автоматизированного управления.

    Систем автоматизированного управления процессом  бурения скважин на 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.

    Оптимизация технологических процессов с использованием современной техники должна обеспечить интенсификацию производства, повышение качества и снижение себестоимости продукции.

    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 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[5].

       Целью проекта является повышение эффективности процесса бурения за счет оптимизации.

    В курсовом проекте рассматриваются  основные параметры процесса бурения, в дальнейшем рассматривается следующие задачи:

       - провести предпроектное обследование предприятия ;

       - проанализировать технологический процесс;

       - разработать структурную и функциональные схемы процесса бурения;

       - разработать математическую модель для управления процессом бурения;

       - провести оптимизацию параметров процесса бурения. 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.   Анализ технологического процесса

1. О технологическом  процессе

     Бурение - процесс сооружения горной выработки цилиндрической формы —скважины, шпура или шахтного ствола — путём разрушения горных пород на забое, бурение осуществляется, как правило, в земной коре, реже в искусственных материалах (бетоне, асфальте и др.). В ряде случаев процесс бурения включает крепление стенок скважин (как правило, глубоких) обсадными трубами с закачкой цементного раствора в кольцевой зазор между трубами и стенками скважин.

     Область применения бурения многогранна: поиски и разведка полезных ископаемых; изучение свойств горных пород; добыча жидких, газообразных и твёрдых (при выщелачивании и выплавлении) полезных ископаемых через эксплуатационные скважины; производство взрывных работ; выемка твёрдых полезных ископаемых; искусственное закрепление горных пород (замораживание, битумизация, цементация и др.); осушение обводнённых месторождений полезных ископаемых и заболоченных районов; вскрытие месторождений; прокладка подземных коммуникаций: сооружение свайных фундаментов и др[7].

     Существует  множество способов бурения, их классификация представлена в приложение 1. 

     По  характеру разрушения породы, применяемые  способы бурения делятся на:

- механические — буровой инструмент непосредственно воздействует на горную породу, разрушая её;

- немеханические — разрушение происходит без непосредственного контакта с породой источника воздействия на неё (термическое, взрывное и др.).

     Механические  способы бурения подразделяют на:

- вращательные;

- ударные;

- вращательно-ударные;

- ударно-вращательные.

       При вращательном бурении порода  разрушается за счёт вращения  прижатого к забою инструмента.  В зависимости от прочности  породы при вращательном бурении  применяют буровой породоразрушающий инструмент режущего типа; алмазный буровой инструмент; дробовые коронки, разрушающие породу при помощи дроби[6].

     Ударные способы бурения разделяются  на:

- ударное бурение или ударно-поворотное (бурение перфораторами, в том числе погружными, ударно-канатное, штанговое и т.п., при которых поворот инструмента производится в момент между ударами инструмента по забою);

- ударно-вращательное (погружными пневмо- и гидроударниками, а также бурение перфораторами с независимым вращением и т.п.), при котором удары наносятся по непрерывно вращающемуся инструменту;

- вращательно-ударное, при котором породоразрущающий буровой инструмент находится под большим осевым давлением в постоянном контакте с породой и разрушает её за счёт вращательного движения по забою и периодически наносимых по нему ударов. Разрушение пород забоя скважины производится по всей его площади (бурение сплошным забоем) или по кольцевому пространству с извлечением керна (колонковое бурение). Удаление продуктов разрушения бывает периодическое с помощью желонки и непрерывное шнеками, витыми штангами или путём подачи на забой газа, жидкости или раствора[8].

       Иногда бурение подразделяют  по типу бурового инструмента:

- шнековое;

- штанговое;

- алмазное;

- шарошечное  и т.д.

  По типу буровой машины разделяются на:

- перфораторное;

- пневмоударное;

- турбинное  и т.д.

     Бурение развивалось и специализировалось применительно к трём основным областям техники: наиболее глубокие скважины (несколько км) бурятся на нефть и газ, менее глубокие (сотни м) для поисков и разведки твёрдых полезных ископаемых, скважины и шпуры глубиной от нескольких м до десятков м бурят для размещения зарядов взрывчатых веществ (главным образом в горном деле и строительстве)[10]. 

2. История развития

     Бурение скважин на нефть и газ. В Китае свыше 2 тыс. лет назад впервые в мировой практике вручную бурились скважины (диаметром 12—15 см и глубиной до 900 м) для добычи соляных растворов. Буровой инструмент (долото и бамбуковые штанги) опускался в скважину на канатах толщиной 1—4 см, свитых из индийского тростника. Бурение первых скважин в России относится к 9 в. и связано с добычей растворов поваренной соли (Старая Русса). Затем соляные промыслы развиваются в Балахне (12 в.), в Соликамске (16 в.). На русских соляных промыслах издавна применялось ударное штанговое бурение. Во избежание ржавления буровые штанги делали деревянными; стенки скважин закрепляли деревянными трубами. В 17 в. в рукописном труде «Роспись, как зачать делать новая труба на новом месте» («Известия императорского археологического общества», 1868, т. 6, отд. 1, в. 3, с. 238—55) подробно описаны методы этого периода. Первый буровой колодец, закрепленный трубами, был пробурен на воду в 1126 в провинции Артуа (Франция), отсюда глубокие колодцы с напорной водой получили название артезианских.

     Развитие  методов и техники бурения  в России начинается с 19 в. в связи с необходимостью снабжения крупных городов питьевой водой. В 1831 в Одессе было образовано «Общество артезианских фонтанов» и пробурены 4 скважины глубиной от 36 до 189 м. В 1831—32 бурили скважины в Петербурге (на Выборгской стороне), в 1833 в Царском Селе, в Симферополе и Керчи, в 1834 в Тамбове, Казани и Евпатории, в 1836 в Астрахани. В 1844 была заложена первая буровая скважина для артезианской воды в Киеве. В Москве первая артезианская скважина глубиной 458 м пробурена на Яузском бульваре в 1876. Первая буровая скважина в США пробурена для добычи соляного раствора близ Чарлстона в Западной Виргинии (1806).

     Поворотным  моментом, с которого начинается бурный прогресс в бурения, было развитие нефтедобычи. Первая нефтяная скважина была пробурена  в США случайно в 1826 близ Бернсвилла в Кентукки при поисках рассолов. Первую скважину на нефть заложил  в 1859 американец Дрейк близ г. Тайтесвилла в Пенсильвании. 29 августа 1859 нефть была встречена на глубине 71 фута (около 20 м), что положило начало нефтяной промышленности США. Первая скважина на нефть в России пробурена в 1864 около Анапы (Северный Кавказ).

     Технические усовершенствования бурения в 19 в. открываются предложением немецкого инженера Эйгаузена (1834) применять так называемые ножницы (сдвигавшаяся пара звеньев при штанговом бурении). Идея сбрасывать соединённое со штангами долото привела к изобретению во Франции Киндом (1844) и Фабианом (1849) свободно падающего бурового инструмента («фрейфала»). Этот способ получил название «немецкий». В 1846 французский инженер Фовель сделал сообщение о новом способе очистки буровых скважин водяной струей, подаваемой насосом с поверхности в полую штангу. Первый успешный опыт бурения с промывкой проведён Фовелем в Перпиньяне (Франция)[11].

3. Структура бурового предприятия 

     Цикл строительства скважины (ЦСС) включает следующие виды работ:

- подготовительные работы к строительству ( строительство подъездных путей, линий электропередач, линий связи, трубопроводов, кустового основания, бурение скважины на воду и т.д.);

- строительно-монтажные работы (сборка буровой установки и привышечных сооружений);

- подготовительные работы к бурению (осмотр и наладка оборудования, оснастка талевой системы, бурение и крепление шурфа, установка направления  и др.);

- бурение ствола скважины и его крепление;

- оборудование устья, испытание скважины на приток, сдача скважины в эксплуатацию;

- демонтаж буровой установки и привышечных сооружений, транспортировка их на новую точку, нейтрализация отходов, рекультивация земель;

     Организация цикла строительства скважин  в своей основе содержит взаимоотношения  между производственными бригадами, основными производственными фондами (буровыми установками) и конечной продукцией (скважинами).

     При специализированной организации производственного  процесса все работы на буровой ведутся 5-7 бригадами, которые специализируются на выполнении технологически  однородных работ. После окончания работ бригады переходят на следующие объекты.

     При комплексной организации ЦСС  все работы возлагаются на производственные бригады, насчитывающие 30-40 человек. В  эти бригады включаются рабочие  разных специальностей, которые ведут  все работы, начиная с вышкомонтажных и кончая опробованием скважин

     Строительство нефтяных и газовых скважин осуществляется  буровыми предприятиями, имеющими различную организационно-правовую форму и разную степень автономности в структуре нефтегазодобывающих компаний. Примем традиционное наименование бурового предприятия: «Управление буровых работ» (УБР).

     УБР представляет собой сложную технико-экономическую систему и состоит из большого числа элементов (техники, оборудования, технологических процессов и приемов, коллективов людей, зданий, сооружений и др.), функционирующих в тесном взаимодействии для достижения общей цели при наличии внешних и внутренних случайных возмущений.

Характерными  особенностями УБР являются:

- наличие целей функционирования , определяющих ее назначение;

- наличие управления, представляющего собой целенаправленное воздействие на систему;

- наличие иерархической структуры, состоящей из нескольких уровней подсистем в соответствии с их взаимоотношением;

- наличие процесса функционирования, заключающегося в обмене материалами и информационными потоками в подсистемах.

   Основной  целью функционирования УБР является создание новых основных производственных  фондов – скважин.

   Строительство нефтяных скважин – сложный многостадийный процесс, включающий строительство дорог, водоводов, линий электропередач и связи, транспортирование и монтаж бурового оборудования и сооружений, бурение и крепление ствола скважины, испытание продуктивных пластов и т.д. Реализация этих этапов, часто взаимосвязанных осуществляется посредством  вспомогательные, обслуживающие и управленческие процессов, которые являются базой для формирования производственной структуры УБР. 
 Организационная структура УБР (приложение 2) включает производственные подразделения, участвующие в изготовлении основной продукции- скважин, и органы управления предприятием. В ней также  отражены  организационные, иерархические и технические особенности предприятия.

     Центральная инженерно-технологическая служба (ЦИТС);   районные инженерно-технологические службы (РИТС); вышкомонтажный цех (ВМЦ) или  контора (ВМК);  цех опробования скважин (ЦОС) или контора (КОС) относятся к структурным подразделениям основного производства.

   К структурным подразделениям вспомогательного производства относятся: цех крепления  скважин (ЦКС) или тампонажная контора (ТК); база производственного обслуживания (БПО), состоящая из прокатно-ремонтных  цехов бурового оборудования (ПРЦБО), электроснабжения (ПРЦЭЭ), турбобуров и труб (ПРЦТТ), цеха пароводоснабжения (ЦПВС);  цеха промывочной жидкости (ЦПЖ), цеха автоматизации производства (ЦАП).

   К непромышленным хозяйствам  относятся автотранспортная контора (АТК), строительно-монтажное управлени (СМУ) или ремонтно-строительный участок (РСУ)., жилищно-коммунальная контора (ЖКК), учебно-курсовой комбинат (УКК) и ряд других подразделений.

   Строительство скважин представляет собой  совокупность комплексов  отдельных процессов, отличающихся  друг от друга технологическими особенностями, применяемыми  техническими  средствами и выполняемыми специализированными подразделениями. Каждый  комплекс во многом является самостоятельным, состоящим из основных,  вспомогательных, обслуживающих и управленческих процессов. Например, в вышкомонтажном комплексе, основной процесс по строительству вышки и монтажу оборудования выполняется вышкомонтажными бригадами, а реализация вспомогательных процессов сосредоточена  в цехе металлоконструкций, заготовительном, ремонтно-механическом.  Обслуживающие процессы  осуществляют управление производственно-технического обслуживания и комплектации оборудования  (УПТО и КО), управление технологического транспорта (УТТ), центральные базы производственного обслуживания (ЦБПО), входящие в состав нефтегазодобывающих компаний. Управленческие процессы протекают в аппарате вышкомонтажного цеха,  в отделах главного механика, главного энергетика и т.д.

   Выполнение  основных производственных процессов  в строительстве скважин –  бурение и крепление ствола скважины, а также иногда опробование эксплуатационных скважин – осуществляет буровая  бригада.

   Вспомогательные и обслуживающие  процессы сосредоточены в цехах базы производственного обслуживания УБР: ПРЦБО, ПРЦЭЭ, ПРЦТТ, ЦПВС, ЦПЖ и др.

   Аппарат УБР  выполняет планово-организационные и оперативно-хозяйственные функции, которые делятся в основном на задачи планово-перспективного развития и оперативного управления производством.

   В перспективном плане на пять лет и более намечаются основные направления и темпы развития буровых работ, пути совершенствования техники и технологии работ для обеспечения необходимого роста объемов бурения.

   В текущем плане рассматриваются  годовые задачи с разбивкой по кварталам с целью выполнения государственного плана по строительству  скважин путем эффективного использования  наличных ресурсов, внедрения новой  техники и технологии, прогрессивных  методов организации труда и  управления.

   Важная  составная часть оперативного управления – оперативное планирование (месячное, декадное, суточное). На этапе оперативного планирования составляются детальные  графики работ на каждом объекте, планируется подготовка производства, определяется потребность в материальных и трудовых ресурсах, устанавливаются  задания всем обслуживающим и  обеспечивающим подразделениям. Главной задачей оперативного управления, помимо планирования является контроль за ходом выполнения заданий на всех производственных объектах, регулирование производства при возникновении отклонений фактического состояния от планируемого, оперативный учет количественных и качественных результатов работы.

   Оперативные управленческие процессы в УБР возлагаются  на районную инженерно – технологическую службу (РИТС). Это орган оперативного контроля, учета и регулирования хода производства. РИТС организует  бесперебойную  работу  буровых бригад, ведет оперативный

контроль  за выполнением  плана-графика строительства скважин, контролирует своевременность обеспечения бригад  материально-техническими ресурсами, оперативно реагирует на заявки, вызванные аварийными ситуациями.  Основным оперативным учетным документом в РИТС является «Журнал  контроля за технологией бурения и учета работы бригад бурения и опробования скважин». РИТС обязан принимать своевременные конкретные меры по ликвидации аварий и осложнений и  регулярно информировать центральную инженерно-технологическую службу (ЦИТС) о результатах работ.

заданий по проходке и работам, обеспечивающим выполнение заданий буровых бригад, а также по аварийным заявкам. ЦИТС координирует деятельность РИТС,  БПО и других вспомогательных подразделений по оперативному регулированию производственного процесса. При этом ЦИТС осуществляет разработку месячных и декадных планов-графиков по строительству скважин, руководство работой РИТС, круглосуточный  оперативный контроль производства, координацию деятельности  всех  производственных подразделений УБР, сбор и обработку информации по всем производственным объектам, организацию работ по ликвидации аварий и т.д[12]. 

4.   Схема разработки технологии бурения скважин

     Основу  технико-технологических решений при бурении нефтяных и газовых скважин составляет технический проект, содержание которого определяет все основные технические решения, номенклатуру и количество технических средств для реализации выбранной технологии на всех этапах строительства скважин. Эффективность технологических решений определяется степенью научной обоснованности принимаемых решений и достоверностью  исходной информации. При этом большую роль играет накопленный в регионах опыт, так как проектирование многих технологических процессов требует постоянного уточнения математических моделей и логических принципов выбора технологических решений в зависимости от конкретизации геолого-геофизических условий бурения. Представленная ниже схема проектирования технологии бурения является обобщением научных и практических достижений в отрасли за последние десятилетия. Общая схема разработки технологии бурения геологоразведочных скважин на полезные ископаемые представлена в приложении 3[1].

     Выбор профиля скважины:

     На  начальном этапе разработки технологии бурения нефтяных и газовых скважин необходимо определить профиль ствола скважины для наклонно-направленного бурения, который во многом  определяет выбор расчетных схем для последующих этапов. В частности, от этого решения зависят расчеты бурильных и обсадных колонн, выбор компоновок низа бурильных колонн и т. д.

- выбор и расчет профиля скважины. Выбор профиля  зависит от геологических условий на месторождении, глубины скважины по вертикали, величины отклонения, интенсивности набора и падения зенитного угла на данном месторождении при бурении с отклонителем или без него и др;

- выбор компоновок низа бурильной колонны для реализации профиля наклонной или вертикальной скважины. Основной критерий при выборе компоновки низа бурильной колонны для бурения  вертикальной скважины или того или иного участка профиля ствола наклонной скважины – интенсивность измененения зенитного угла при бурении этой компоновкой.