بهينه كردن نرخ حفاري در سيستم هاي حفاري با استفاده از ساختار جديد كنترل كننده پيش بين مقاوم

Optimizing the Rate of Penetration (ROP) in Rotary Drilling Systems by using new Robust Model Predictive Control

حفاري يكي از فرآيند هاي مكانيكي بسيار حياتي در صنعت نفت و گاز است كه كنترل پارامترهاي عملياتي آن به منظور افزايش بهره وري و كاهش هزينه هاي گران قيمت در اين فرآيند تنظيم مي شود. هدف اصلي در اين مقاله، ارائه يك راه كار نوين جهت تنظيم و بهينه سازي نرخ حفاري با بهره گيري از گشتاور موتور گردان در سيستم حفاري مي باشد. در اين مقاله، پيكر بندي جديدي بر مبناي كنترل كننده هاي مقاوم پيش بين براي رديابي مقادير كاري مرجع تكه اي-ثابت معرفي مي گردد. براي اين منظور، يك كنترل كننده پيش بين مقاوم مبتني بر ايده تيوب مطرح مي شود كه تيوب هاي آن بر مبناي مجموعه هاي قابل دسترس سيستم ارائه شده است. يك سيستم حفاري شامل موتور گردان، لوله هاي حفاري و مته، به عنوان بستر تست نمونه براي ارزيابي عملكرد اين روش كنترلي در نظر گرفته شده است. سيستم حفاري در نظر گرفته شده با استفاده از ساختار مدل بورگين و يانگ، به عنوان يك مدل رياضي كامل حفاري، بصورت يك سيستم خطي توام با عدم قطعيت هاي محدود و جمع شونده مدل سازي مي شود. مهمترين بخش نوآورانه در اين مقاله مربوط به ادغام مساله رگولاتوري با مساله رديابي است. مزاياي روش كنترلي معرفي شده نسبت به رويكردهاي كنترلي معمول بر حسب خصوصيات پايداري و مقاوم در سيستم حفاري شبيه سازي شده مورد بررسي قرار داده مي شود و برتري نتايج حاصل در شبيه سازي ها نشان داده شده است.

Drilling is one of the most critical mechanical process in oil and gas industry and its operational parameters should be properly tuned to reduce drilling time and consequently enhance efficiency of the drilling process. The main objective in this paper is to present a new method to regulate and optimize the Rate of Penetration (ROP) of the system with top drive rotary motor torque in drill string. The paper presents a formulation of a robust receding horizon controller to track piecewise constant references. To achieve this, a tube-based Robust Model Predictive Control (RMPC) is introduced in which the tubes are based on reachable sets. A drilling system is assumed as a test bed for evaluating the performance of the proposed control scheme. The assumed drilling system is modeled as a linear system with additive bounded uncertainties by using Bourgoyne and Young model which is known as a complete mathematical drilling model. The most important novelty of this manuscript corresponds to integration of both tracking and regulatory objectives in one control framework. Simulations demonstrate the effectiveness of the stability and robust characteristics of the proposed RMPC scheme in terms of its stability and robust characteristics with respect to the usual control approaches.