Предисловие.

Совершенствование различных видов целенаправленной деятельности является одним из главных направлений развития техники и технологии в XXI веке. Постав­ленная цель достигается различными путями, однако всегда необходимо считаться с различными ограничениями на затраты материалов, энергию, ресурсы времени и другие, необходимые для достижения поставленных целей. Из возможных путей не­обходимо выбрать «лучший». Однако понятие «лучший» весьма относительно, оно приобретает лишь тогда смысл, когда обозначен критерий, по которому оценивается то или иное решение, и еще лучше, если дается его количественная оценка.

Рассматривая процесс бурения, как объект оптимизации, следует иметь ввиду, что под этим термином понимаются целый ряд независимых или слабо зависимых друг от друга процессов:

• взаимодействие породоразрушающего инструмента с породой (разруше­ние породы, износ инструмента);

• производство спускоподъемных вспомогательных операций;

• крепление скважин;

• работа бурильного вала;

• отбор керна и др.

Технологический процесс бурения - объект оптимизации

Целью любых исследований является улучшение функционирования заданного объекта в различных направлениях, например, снижение трудоемкости, материало-емкости, энергоемкости, аварийности, повышение производительности, надежности, качества, экологической чистоты и т.д.

В зависимости от поставленной цели исследователь обосновывает различные за­дачи, стремится сочетать различные требования к оптимизации.

С формальной точки зрения под оптимизацией понимается процесс выбора наилучшего решения из множества допустимых вариантов в соответствии с количественным критерием (или критериями) при наличии технологических и технических ограничений, определяемых особенностями функционирования системы, т.е. необходимо найти такие значения параметров

, (1)

при которых целевая функция

(2)

достигает своего максимума (минимума) при выполнении ограничений

равенств

;

;

. . . . . . . . . . . . . . .

(3)

и неравенств

. . . . . . . . . . . . . . .

. (4)

Значения параметров, при которых выполняются все ограничения, называются допустимыми решениями.

В бурении большую группу составляют задачи, связанные с выбором технических средств, обоснованием параметров различных процессов и т.д.

Часто задачи такого рода решаются экспериментально путем установления парных зависимостей при поддержании других факторов на постоянном уровне. Например, для задачи о влиянии осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент , частоты вращения и расхода очистного агента на механическую скорость бурения :

при =const и =const;

при =const и =const;

при =const и =const. (5)

Результаты экспериментов могут быть наглядно представлены в декартовых координатах, но не могут дать ответа, при каких значениях , и механическая скорость бурения достигнет максимума.

Для ответа на этот вопрос необходимо провести многофакторный эксперимент с количеством опытов

, (6)

где - количество ступеней изменения факторов (количество уровней варьирования); - количество факторов; - количество повторных наблюдений, необходимых для получения статистически достоверных средних значений при каждом сочетании значений факторов , и .

Оптимальность системы и ее эффективность оценивается так называемым показателем эффективности, под которым обычно понимается критерий или параметр оптимизации (целевая функция) .

Выбор решения сводится к тому, чтобы параметр оптимизации принимал максимальное (или минимальное) значение:

, или . (7)

Часто на значение оказывают влияние случайные факторы (изменение физико-механических свойств горных пород, влияние колебательных процессов и др.). В таких случаях требуется проведение повторных наблюдений и в качестве параметра оптимизации может приниматься его среднее значение.

В ряде случаев оптимизация облегчается, если ее осуществлять поэтапно или последовательно после каждого “шага”. Рассмотрим операцию , состоящую из этапов (“шагов”). Обозначим эффективность операции в целом и назовем его “выигрышем”, который складывается из “выигрышей” на отдельных этапах :

. (8)

Вся операция представляет собой управляемый процесс. На каждом этапе выбираются значения управляемых факторов . Совокупность всех этапных управлений представляет собой управление системой в целом. “Выигрыш” всей операции при таком подходе далеко не всегда является максимальным.

.

В технологическом процессе бурения выделяются ряд целей, каждая из которых направлена на повышение технико-экономических, качественных, экологических и др. показателей. Решение поставленной цели осуществляется в свою очередь реше­нием конкретных задач, вытекающих из этой цели. Обозначим наиболее актуальные цели в технологии бурения:

• повышение скоростей бурения за счет совершенствования породоразру-шающего инструмента;

• тоже за счет применения рациональных режимов бурения, в том числе ис­пользования автоматических систем управления;

• снижение энергоемкости процесса бурения;

• повышение качества геологического опробования;

• механизация и автоматизация основных операций в бурении;

• повышение эффективности технических средств и технологии направлен­ного бурения;

• повышение эффективности преодоления различных геологических и тех­нологических осложнений, в том числе крепления скважины, ее ликвида­ции и т.п.

Формулирование проблемы предусматривает ее построение по следующим структурным блокам (программам):

• аналитического, изучающего и выявляющего основные факторы, влияю­щие на показатели процесса;

• прогнозного, осуществляющего прогноз условий функционирования объ­екта;

• целевого, формулирующего главные цели, подцели и иерархическую структуру объекта;

• программного, формулирующего основные пути реализации поставленных целей и средства для их реализации;

• организационного, создающего и формирующего рабочие органы, необхо­димые для достижения цели;

• рабочего, реализующего все предшествующие программы во времени и условиях функционирования объектов с учетом ограничений в ресурсах.