Нелінійне оптимальне керування побудовою траєкторії глибокої свердловини

Заголовок (англійською): 
Nonlinear optimal control of the construction trajectory of a deep well
Автор(и): 
Андрусенко О.М.
Гайдайчук В.В.
Котенко К.Е.
Лазарева М.В.
Автор(и) (англ): 
Andrusenko O.M.
Gaidaichuk V.V.
Kotenko K.E.
Lazareva M.V.
Ключові слова (укр): 
криволінійне буріння, глибокі свердловини, оптимізація траєкторії, оптимальне керування
Ключові слова (англ): 
curvilinear drilling, deep boreholes, trajectory optimization, optimal control
Анотація (укр): 
Використання методів теорії оптимального проектування та управління може забезпечити значні переваги при розробці оптимальних траєкторій для буріння нафтових і газових свердловин. На сьогодні нафтогазова промисловість стикається з проблемами, пов'язаними з видобутком та перерозподілом нафтогазових ресурсів. Сучасне буріння часто здійснюється на великих глибинах, де спостерігаються граничні значення швидкостей, гідростатичних тисків і температур, а також параметрів міцності та зношування матеріалів бурильних колон, під впливом фрикційних явищ, інтенсивних коливань і нестабільності всієї системи. Геометричний вигляд траєкторії свердловини, що залежить від структури нафтогазового родовища та прилеглих геологічних порід і їх механічних властивостей, має значний вплив на ефективність буріння, продуктивність свердловини, а також на ризики виникнення нештатних і аварійних ситуацій. Траєкторія свердловини, а також трудові витрати, довжина та вартість її проходки, значною мірою залежать від розташування бурової установки щодо нафтогазоносного резервуару. Отже, координати цієї установки на поверхні землі або моря, тобто її позиціонування, можуть виступати як один із керуючих параметрів у задачі оптимізації траєкторії. На базі методів диференціальної геометрії, нелінійного програмування та обчислювальної математики поставлено задачу про оптимальне керування трасуванням траєкторії глибокої свердловини. Сформульовані нелінійні диференціальні рівняння осьової лінії свердловини, в якості керуючої функції обрана її кривина. Розглянуті різні форми цільових функціоналів, що дозволяють згладжувати траєкторії, а також мінімізувати вартість бурильних робіт при різноманітних обмеженнях, що викликані геологічною неоднорідністю гірських порід в зоні буріння і розташуванням нафто- та газових шарів. Вирішення оптимізаційної задачі здійснюється методом ортогонального проектування антиградієнта цільового функціоналу на лінеаризовані обмеження.
Анотація (англ): 
The use of optimal design and control theory methods can provide significant advantages in developing optimal trajectories for drilling oil and gas wells. Today, the oil and gas industry faces problems associated with the production and redistribution of oil and gas resources. Modern drilling is often carried out at great depths, where the limiting values of speeds, hydrostatic pressures and temperatures, as well as the strength and wear parameters of drill string materials are observed, under the influence of frictional phenomena, intense vibrations and instability of the entire system. The geometric shape of the well trajectory, which depends on the structure of the oil and gas field and adjacent geological rocks and their mechanical properties, has a significant impact on drilling efficiency, well productivity, as well as on the risks of abnormal and emergency situations. The trajectory of the well, as well as the labor costs, length and cost of its penetration, largely depend on the location of the drilling rig relative to the oil and gas reservoir. Therefore, the coordinates of this rig on the surface of the earth or sea, i.e. its positioning, can act as one of the control parameters in the trajectory optimization problem. Based on the methods of differential geometry, nonlinear programming, and computational mathematics, the problem of optimal control of deep well trajectory tracing is posed. Nonlinear differential equations of the well centerline are formulated, and its curvature is chosen as the control function. Various forms of objective functions are considered that allow smoothing trajectories, as well as minimizing the cost of drilling operations under various constraints caused by the geological heterogeneity of rocks in the drilling zone and the location of oil and gas layers. The optimization problem is solved by the method of orthogonal projection of the antigradient of the objective functional onto linearized constraints.
Публікатор: 
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр): 
Опір матеріалів і теорія споруд, 2025, номер 114
Назва журналу, номер, рік випуску (англ): 
Strength of Materials and Theory of Structures, 2025, number 114
Мова статті: 
Українська
Формат документа: 
application/pdf
Дата публікації: 
05 Июнь 2025
Номер збірника: 
Університет автора: 
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського, проспект Берестейський, 37, Київ, 03056/ Kиївський національний університет будівництва та архітектури, проспект Повітряних Cил, 31, Київ, 03680
Литература: 
 
  1. Avriel, Mordecai Nonlinear Programming: Analysis and Methods. — Dover Publishing, 2003. ‑ 544 pp.
  2. Jan Brinkhuis and Vladimir Tikhomirov Optimization: Insights and Applications. ‑ Princeton University Press, 2005. ‑ 680 pp.
  3. Luenberger, David G.; Ye, Yinyu. Linear and Nonlinear Programming. International Series in Operations Research & Management Science. ‑ 116 (Third ed.) New York: Springer, 2008. ‑ 546 pp.
  4. Ross, I.M. A Primer on Pontryagin’s Principle in Optimal Control. ‑ Collegiate Publisher, 2009. ‑ 82 pp.
  5. Ruszczynski, Andrze. Nonlinear Optimization. ‑ Princeton, NJ: Princeton University Press, 2006. ‑ 464 pp.
  6. Гуляев В.И., Баженов В.А., Кошкин В.Л. Оптимальное управление движением механических систем. ‑ Киев, УМКВО, 1988. ‑ 232 с.
  7. Richard E. Bellman. Dynamic Programming. Princeton Landmarks in Mathematics. ‑ Princeton, 2010. ‑ 392 pp.
  8. Gulyayev, V., Glazunov, S., Glushakova, O., Vashchilina, E., Shevchuk, L., Shlyun, N., Andrusenko, E. Modelling Emergency Situations in the Drilling of Deep Boreholes. ‑ Cambridge Scholars Publishing, 2019.
  
References: 
 
  1. Avriel, Mordecai Nonlinear Programming: Analysis and Methods. ‑ Dover Publishing, 2003. ‑ 544 pp.
  2. Jan Brinkhuis and Vladimir Tikhomirov Optimization: Insights and Applications. ‑ Princeton University Press, 2005. ‑ 680 pp.
  3. Luenberger, David G.; Ye, Yinyu. Linear and Nonlinear Programming. International Series in Operations Research & Management Science. ‑ 116 (Third ed.) New York: Springer, 2008. ‑ 546 pp.
  4. Ross, I.M. A Primer on Pontryagin’s Principle in Optimal Control. ‑ Collegiate Publisher, 2009. ‑ 82 pp.
  5. Ruszczynski, Andrze. Nonlinear Optimization. ‑ Princeton, NJ: Princeton University Press, 2006. ‑ 464 pp.
  6. Gulyayev, V.I., Bazhenov, V.A., Koshkin, V.L. Optimal Control of Mechanical Systems Motion. ‑ UMK VO, Kyiv , 1988. ‑ 232 pp. (in Russian).
  7. Richard E. Bellman. Dynamic Programming. Princeton Landmarks in Mathematics. ‑ Princeton, 2010. ‑ 392 pp.
  8. Gulyayev, V., Glazunov, S., Glushakova, O., Vashchilina, E., Shevchuk, L., Shlyun, N., Andrusenko, E. Modelling Emergency Situations in the Drilling of Deep Boreholes. ‑ Cambridge Scholars Publishing, 2019.