دانشگاه خلیج فارس

دانشکده گاز و پتروشیمی

گروه مهندسی نفت

پایان‌نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی نفت گرایش حفاری و بهره‌برداری

استفاده از مدل‌سازی هوشمند در فرآیند طراحی و عیب یابی عملیات حفاری

استاد راهنما:

دکتر عباس خاکسار منشاد

دکتر حبیب رستمی

بهمن‌ماه 1392

چکیده

در عملیات حفاری، با انتخاب درست ابزار مورد استفاده و همچنین پیش‌بینی دقیق و به موقع پارامترها و مشکلات احتمالی می‌توان این عملیات را در زمان و هزینه کمتر انجام داد. مقاومت فشاری تک محوره سنگ سازند، یکی از ویژگی‌های اصلی سنگ به شمار می‌آید که نقش به‌سزایی در انتخاب مته حفاری دارد. در صورت پیش‌بینی صحیح این ویژگی می‌توان مته مناسب برای حفاری سنگ مورد نظر را انتخاب کرد. از طرفی مته حفاری خود یکی از ابزارهای اصلی در عملیات حفاری به شمار می‌رود که تأثیر مستقیم بر نرخ نفوذ حفاری دارد. نرخ نفوذ مناسب زمان و هزینه‌های عملیات حفاری را کاهش می‌دهد. در عملیات حفاری گاهی اوقات با مشکلاتی مواجه می‌شویم که باعث کند شدن حفاری و افزایش هزینه‌ها می‌شود. از جمله این مشکلات می‌توان به هرزروی گل و گیر رشته حفاری اشاره کرد. در صورتی که بتوان این مشکلات را به درستی پیش‌بینی کرد می‌توان از توقف حفاری جلوگیری و خطرات ناشی از آن را نیز رفع کرد. لذا اطلاع دقیق از موارد مذکور حیاتی است. تحلیل اطلاعات میدانى، عنصر اصلى کاهش هزینه و بهبود عملیات حفارى و توسعه ابزارهاى تحلیل اطلاعات میدان، یکى از راه‌هاى توسعه و بهبود عملیات حفارى به شمار می‌رود. در صنعت حفاری برای شناسایی مشکل و یا بهبود عملیات عموماً از تست‌های آزمایشگاهی و فرمول‌های تجربی استفاده می‌شود؛ یا برای رفع مشکل از تجربیات گذشته استفاده می‌شود. در این پروژه سعی شده، از مدل‌سازی هوشمند برای پیش‌بینی، عیب‌یابی، رفع عیب و بهبود پارامترهای عملیات حفاری استفاده کنیم. هوش مصنوعی حوزه‌ای ترکیبی از علوم کامپیوتر و آمار است. در حالت عمومی این روش‌ زمانی ارزش خود را نشان می‌دهد که روی مجموعه‌ی بزرگی از داده‌ها پیاده‌سازی شده و الگوها و قوانین موجود در آن‌ها را نمایان سازد. این پروژه در چهار بخش با استفاده از داده‌های ثبت روزانه دکل حفاری و عملیات نمودارگیری و به کمک شبکه‌های عصبی و الگوریتم‌های بهینه‌سازی انجام ‌شد. نتایج حاصله در موضوعات مورد بحث همگی گویای دقت و کارایی بالای استفاده از روش‌های هوشمند است.

عنوان                                                                                                                        صفحه

فصل اول: مقدمه

1-1- اهمیت و بیان مسئله …………………………………………………………………………………………………………………………………….. 1

    1-1-1- مقاومت فشاری تک محوره سنگ سازند  …………………………………………………………………………………… 1

    1-1-2- مته حفاری و نرخ نفوذ  ……………………………………………………………………………………………………………………… 2

    1-1-3- هرزروی سیال حفاری  ………………………………………………………………………………………………………………………. 3

     1-1-4- گیر رشته حفاری  ……………………………………………………………………………………………………………………………… 4

فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشته

2-1- مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 7

2-2- مقاومت فشاری تک محوره سنگ سازند ………………………………………………………………………………………………. 7

    2-2-1- روش‌های محاسبه UCS ……………………………………………………………………………………………………………………. 7

        2-2-1-1- تست آزمایشگاهی …………………………………………………………………………………………………………………… 7

        2-2-1-2- روابط تجربی ……………………………………………………………………………………………………………………………… 9

        2-2-1-3- شبکه عصبی مصنوعی …………………………………………………………………………………………………………. 12

2-3- انتخاب مته مناسب و بهبود نرخ نفوذ حفاری ……………………………………………………………………………………… 12

    2-3-1- روش‌های حل مسئله ………………………………………………………………………………………………………………………. 12

        2-3-1-1- روش هزینه به ازای حفاری ………………………………………………………………………………………………….. 14

        2-3-1-2- مدل انرژی مخصوص …………………………………………………………………………………………………………….. 14

        2-3-1-3- مدل بورگین- یانگ ……………………………………………………………………………………………………………… 15

        2-3-1-4- هوش مصنوعی ………………………………………………………………………………………………………………………. 15

2-4- هرزروی سیال حفاری ………………………………………………………………………………………………………………………………. 17

    2-4-1- روش حل مسئله ………………………………………………………………………………………………………………………………. 17

         2-4-1-1- استفاده از مواد هرزگیر ………………………………………………………………………………………………………… 17

         2-4-1-2- دوغاب‌های ترکیبی ………………………………………………………………………………………………………………. 17

         2-4-1-3- حفاری زیر تعادلی ………………………………………………………………………………………………………………… 18

         2-4-1-4- استفاده از لوله جداری ………………………………………………………………………………………………………… 18

2-5- گیر لوله حفاری ………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 19

    2-5-1- روش‌های حل مسئله ………………………………………………………………………………………………………………………. 19

        2-5-1-1- مدل کینگزبرو و همپ کینگ ……………………………………………………………………………………………….. 19

        2-5-1-2- مدل بیگلر و کان ……………………………………………………………………………………………………………………. 19

        2-5-1-3- مدل گلاور و هاوارد ……………………………………………………………………………………………………………….. 20

        2-5-1-4- روش هوش مصنوعی …………………………………………………………………………………………………………….. 20

2-6- چرایی استفاده از روش‌های هوشمند ……………………………………………………………………………………………………. 21

فصل سوم: مروری بر روش‌های یادگیری ماشینی و الگوریتم‌های بهینه‌سازی

3-1- مقدمه  ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 23

3-2- مفهوم شبکه  ……………………………………………………………………………………………………………………………………………. 24

3-3- شبکه عصبی مصنوعی  ………………………………………………………………………………………………………………………….. 24

    3-3-1- مدل یک نرون تک ورودی  ………………………………………………………………………………………………………….. 26

    3-3-2- تابع انتقال  ……………………………………………………………………………………………………………………………………… 28

3-4- انواع شبکه های عصبی  …………………………………………………………………………………………………………………………. 28

    3-4-1- شبکه عصبی پرسپترون چندلایه  ………………………………………………………………………………………………. 28

    3-4-2- شبکه عصبی پیمانه ای  ………………………………………………………………………………………………………………… 30

    3-4-3- ماشین بردار پشتیبان  ………………………………………………………………………………………………………………… 32

3-5- الگوریتم‌های بهینه‌سازی  ……………………………………………………………………………………………………………………… 34

     3-5-1- الگوریتم ژنتیک  …………………………………………………………………………………………………………………………… 34

     3-5-2- الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات  ………………………………………………………………………………………….. 39

     3-5-3- الگوریتم ترکیبی ژنتیک و ازدحام ذرات  …………………………………………………………………………………. 41

فصل چهارم: آماده‌سازی اطلاعات جهت مدل‌سازی و آنالیز

4-1- مقدمه  …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 44

4-2- مطالعه میادین مورد بررسی  ………………………………………………………………………………………………………………….. 44

     4-2-1- میدان نفتی اهواز  ………………………………………………………………………………………………………………………….. 44

     4-2-2- میدان نفتی مارون  ……………………………………………………………………………………………………………………….. 46

4-3- آماده‌سازی داده‌ها جهت استفاده در مدل‌سازی  ………………………………………………………………………………. 50

     4-3-1 جمع‌آوری داده‌ها  …………………………………………………………………………………………………………………………….. 50

          4-3-1-1- مقاومت فشاری تک محوره سنگ سازند  ………………………………………………………………………. 50

          4-3-1-2- انتخاب مته حفاری و بهبود نرخ نفوذ  …………………………………………………………………………….. 51 

          4-3-1-3- هرزروی سیال حفاری  ……………………………………………………………………………………………………… 52

          4-3-1-4- گیر لوله حفاری  …………………………………………………………………………………………………………………. 54

     4-3-2- پیش‌پردازش داده‌ها  …………………………………………………………………………………………………………………… 55

          4-3-2-1- آنالیز داده‌ها و تأیید صحت و دقت آن‌ها  …………………………………………………………………….. 55

          4-3-2-2- همسان‌سازی داده‌ها  ………………………………………………………………………………………………………. 56

     4-3-3- تقسیم بندی داده‌ها  …………………………………………………………………………………………………………………… 57

     4-4- مدل کردن  ………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 58

4-5- معیارهای عملکرد مدل ………………………………………………………………………………………………………………………….. 58

فصل پنجم:  آنالیز و تحلیل اطلاعات

5-1- مقدمه  ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 60

5-2- مقاومت فشاری تک محوره سنگ سازند  ……………………………………………………………………………………………. 60

    5-2-1- روش کار  …………………………………………………………………………………………………………………………………………… 60

        5-2-1-1- پیش‌بینی UCS توسط MLP  ……………………………………………………………………………………………… 60

        5-2-1-2- پیش‌بینی UCS  توسط MLP&GA  …………………………………………………………………………………. 63

5-3- انتخاب مته حفاری و بهبود نرخ نفوذ  …………………………………………………………………………………………………. 66

     5-3-1- روش کار  ………………………………………………………………………………………………………………………………………… 67

          5-3-1-1- پیش‌بینی مته حفاری  ……………………………………………………………………………………………………….. 67

          5-3-1-2- پیش‌بینی نرخ نفوذ حفاری  …………………………………………………………………………………………….. 68

          5-3-1-3- بهینه‌سازی نرخ نفوذ  ……………………………………………………………………………………………………….. 69

     5-3-2- بحث روی نتایج  …………………………………………………………………………………………………………………………… 72

         5-3-2-1- مته حفاری  …………………………………………………………………………………………………………………………… 72

         5-3-2-2- نرخ نفوذ و دبی جریان گل  ………………………………………………………………………………………………. 72

         5-3-2-3- فشار پمپ گل و سطح مقطع جریان  …………………………………………………………………………….. 74

         5-3-2-4- وزن روی مته و سرعت دوران رشته حفاری  ……………………………………………………………….. 75

         5-3-2-5- گرانروی گل  ………………………………………………………………………………………………………………………… 76

5-4- هرزروی سیال حفاری  ……………………………………………………………………………………………………………………………. 76

    5-4-1- روش کار  ………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 77

        5-4-1-1- پیش‌بینی کمی هرزروی سیال حفاری  …………………………………………………………………………….. 78

        5-4-1-2- پیش‌بینی کیفی هرزروی سیال حفاری  …………………………………………………………………………… 79

        5-4-1-3- کاهش میزان هرزروی سیال حفاری  ……………………………………………………………………………….. 82

5-5- گیر لوله حفاری  ………………………………………………………………………………………………………………………………………. 85

     5-5-1- روش کار  ………………………………………………………………………………………………………………………………………… 85

          5-5-1-1- پیش‌بینی گیر مکانیکی و اختلاف فشاری  ……………………………………………………………………. 85

          5-5-1-2- پیش‌بینی گیر اختلاف فشاری  ……………………………………………………………………………………….. 87

          5-5-1-3- کاهش احتمال گیر لوله حفاری  ……………………………………………………………………………………… 88

فصل ششم: نتایج و پیشنهادها

6-1- نتایج  …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 92

6-2- پیشنهادها  ………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 94

منابع ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 95

پیوست ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 102

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.