СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ ПРИЛИПАНИЯ-ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЯ В БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЕ
METHOD AND DEVICE TO REDUCE OSCILLATIONS OF STICKING-SLIPPING IN DRILLING STRING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к способу демпфирования колебаний прилипания-проскальзывания в бурильной колонне, способу бурения ствола скважины, способу расчета мгновенной скорости вращения компоновки низа бурильной колонны, бурильному механизму для использования в бурении ствола скважины, электронному регулятору для использования с бурильным механизмом и способу модернизации бурильного механизма на буровой установке.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Бурение нефтяной и/или газовой скважины включает в себя создание ствола скважины значительной длины, часто в несколько километров по вертикали и/или горизонтали до начала добычи. Бурильная колонна содержит буровое долото на своем нижнем конце и звенья бурильной трубы, свинченные вместе. Бурильную колонну, в целом, вращает бурильный механизм на поверхности, колонна, в свою очередь, вращает долото для проходки ствола скважины. Бурильный механизм обычно является верхним приводом или ротором, каждый из них является, по существу, тяжелым маховиком, соединенным с верхом бурильной колонны. Бурильная колонна является чрезвычайно гибкой конструкцией относительно длины ствола скважины, и во время бурения колонна перекручивается на несколько оборотов под действием крутящего момента на долоте, составляющего между около 500 и 10000 Нм. Бурильная колонна также демонстрирует сложные динамические эволюции, содержащие осевые, поперечные и крутильные вибрации. Одновременные измерения параметров бурового вращения на поверхности и на долоте выявляют, что бурильная колонна часто ведет себя как крутильный маятник, т.e. верх бурильной колонны вращается с постоянной угловой скоростью, тогда как буровое долото выполняет вращение с изменяющейся угловой скоростью, содержащей постоянную составляющую и наложенную крутильную вибрацию. В экстремальных случаях крутильная составляющая становится такой большой, что долото периодически полностью останавливается, в это время крутящий момент на бурильной колонне увеличивается до момента неожиданного возобновления вращения долота с угловой скоростью, значительно превышающей угловую скорость, измеренную на поверхности. Такое явление известно как прилипание-проскальзывание.
Прилипание-проскальзывание изучают более двух десятилетий и считают основным источником проблем, таких как чрезмерный износ долота, преждевременные отказы инструмента и низкая скорость бурения. Одной причиной данного являются высокие максимальные скорости, возникающие во время фазы проскальзывания. Высокие скорости вращения, в свою очередь, приводят к вторичным эффектам, таким как экстремальные осевые и поперечные ускорения и силы.
Большое число материалов и статей посвящено решению проблем прилипания-проскальзывания. Много материалов фокусируется на детектировании перемещения прилипания-проскальзывания и на регулировании колебаний рабочим средством, таким как добавление понизителей трения в буровой раствор, изменение скорости вращения или осевой нагрузки на долото. Хотя данные средства иногда помогают, они либо недостаточны или создают высокие дополнительные затраты.
В нескольких материалах также рекомендуют применение управления с элементами искусственного интеллекта верхним приводом для демпфирования и предотвращения колебаний прилипания-проскальзывания. В документе SPE 18049 Международной ассоциации буровых подрядчиков показано, что параметры крутящего момента, передаваемые по каналу обратной связи от выделенного датчика крутящего момента на колонне, могут эффективно обеспечивать подавление колебаний прилипания-проскальзывания посредством регулирования скорости в ответ на измерения изменений крутящего момента. В материале Jansen. J. D et al. " Active Damping of Self-Excited Torsional Vibrations in Oil Well Drillstrings", 1995, Journal of Sound и Vibrations, 179(4), 647-668 изложено, что недостатком данного подхода является необходимость новых и прямых измерений крутящего момента на колонне, которых нет в наличии. Патент US 5117926 раскрывает такие измерения, как другой тип обратной связи, на основе тока двигателя (крутящего момента) и скорости. Данная система производится и поставляется много лет под торговой маркой SOFT TORQUE. Главный недостаток данной системы заключается в том, что она является каскадной системой управления, использующей обратную связь по крутящему моменту последовательно с жестким регулятором скорости. Это увеличивает риск нестабильности при частотах выше частоты прилипания-проскальзывания.
Документ SPE 28324 указанной ассоциации под названием "Application of High Sampling Rate Downhole Measurements for Analysis and Cure of Stick-Slip in Drilling" раскрывает управление процессом бурения с использованием оборудования привода, включающего в себя пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор), двигатель, коробку передач и ротор. ПИД-регулятор старается поддерживать необходимую скорость вращения бурильной колонны, и предлагается возможность настройки ПИД-регулятора для предотвращения прилипания-проскальзывания. Вместе с тем, результат имитации показывает слабое демпфирование колебаний прилипания-проскальзывания, и в материале дано заключение, что ПИД-регулятор является слишком простой системой сервоуправления для предотвращения прилипания-проскальзывания.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение основано на представлении о том, что ПИ- или ПИД-регулятор можно фактически использовать для получения значительного демпфирования колебаний прилипания-проскальзывания бурильным механизмом. В частности, получено понимание, что ПИ- или ПИД-регулятор может быть настраиваемым для обеспечения демпфирования энергии крутильных волн на частоте прилипания-проскальзывания или вблизи нее.
В отличие от некоторых более ранних систем настоящее изобретение является пассивным в том смысле, что ни крутящий момент на колонне, ни крутящий момент на валу не нужны в петле обратной связи. Соответственно демпфирование можно получать без необходимости создания дополнительных датчиков для измерения крутящего момента колонны, в ином случае увеличивающего сложность и стоимость.
Согласно некоторым аспектам настоящего изобретения создан способ демпфирования колебаний прилипания-проскальзывания в бурильной колонне, содержащий следующие этапы:
(a) демпфирование колебаний прилипания-проскальзывания с использованием бурильного механизма сверху бурильной колонны; и
(б) регулирование скорости вращения бурильного механизма с использованием ПИ-регулятора;
отличающийся этапом (в) настройки ПИ-регулятора так, что бурильный механизм поглощает большую часть крутильной энергии от бурильной колонны на частоте колебаний прилипания-проскальзывания или вблизи нее. Бурильный механизм, например, может содержать верхний привод или ротор. Следует заметить, что ПИ-регулятор может быть настраиваемым один раз (например, при возникновении прилипания-проскальзывания первый раз или перед бурением) и при последующих случаях возникновения прилипания-проскальзывания ПИ-регулятор можно использовать вновь без перенастраивания.
Другой возможностью является перенастройка ПИ-регулятора каждый раз, когда возникает прилипание-проскальзывание или даже периодически во время фазы прилипания-проскальзывания при бурении. В одном варианте осуществления ПИ-регулятор настраивают перед использованием для управления бурильным механизмом для демпфирования колебаний прилипания-проскальзывания. Например, регулятор можно настраивать, когда возникают колебания прилипания-проскальзывания или это можно выполнять периодически во время бурения ствола скважины с увеличением длины бурильной колонны. Одной возможностью является выполнение настройки с добавлением каждой 30-метровой секции бурильной трубы к бурильной колонне.
В некоторых вариантах осуществления колебания прилипания-проскальзывания содержат крутильные волны, распространяющиеся побурильной колонне, и этап (в) содержит корректировку параметра I ПИ-регулятора для создания зависимости от приблизительного периода колебаний прилипания-проскальзывания и от действующего момента инерции бурильного механизма, при этом бурильный механизм имеет коэффициент отражения, зависимый от частоты крутильных волн, при этом коэффициент отражения является, по существу, минимальным на частоте колебаний прилипания-проскальзывания или вблизи нее. Следует заметить, что не существенным для частоты максимального поглощения бурильного механизма является точное совпадение с частотой колебаний прилипания-проскальзывания (которая в некоторых вариантах осуществления является основной частотой). Вследствие настройки ПИ-регулятора бурильный механизм имеет полосу частот поглощения достаточной ширины (например, ~0,4 Гц) и величины (например, меньше 85% отражения), так что демпфирование остается действующим, даже если две частоты не точно совпадают. Данное представляет значительное преимущество способа. Обычно основная частота колебаний прилипания-проскальзывания, встречающаяся в практике, лежит в диапазоне 0,1 Гц (период 10 с) - 0,5 Гц (период 2 с), и частота максимального поглощения, обусловленная ПИ-регулятором, может находиться в 50% основной частоты.
В некоторых вариантах осуществления низшая точка кривой коэффициента частоты-отражения имеет значение между около 50% (0,5) и 90% (0,9). Обнаружено, что коэффициенты отражения выше около 90% могут делать бурильный механизм слишком «жестким» и уменьшать шансы успешного демпфирования колебаний прилипания-проскальзывания. С другой стороны, обнаружено, что коэффициент отражения ниже около 50% делает бурильный механизм слишком «мягким» и показатель бурения может быть ухудшен, поскольку бурильный механизм реагирует на гораздо меньшие изменения в бурильном крутящем моменте на колонне, давая в результате большие изменения скорости.
Ширина полосы поглощения обратно пропорциональна действующему моменту инерции J бурильного механизма. Поэтому, при увеличении действующего момента инерции бурильного механизма, предпочтительным является, хотя данное не существенно, более точный приблизительный расчет или измерение периода прилипания-проскальзывания для обеспечения частоты наибольшего демпфирования, совпадающей с реальной частотой прилипания-проскальзывания.
s
s
s
2
В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно содержит этап корректировки параметра I согласно формуле I = ω J, где ω - приблизительная или расчетная угловая частота колебаний прилипания-проскальзывания и J - действующий момент инерции бурильного механизма. ω можно конечно выразить в показателях других параметров в данной формуле, таких как период или частота.
В других вариантах осуществления способ дополнительно содержит этап измерения приблизительного периода колебаний прилипания-проскальзывания для использования в корректировке параметра I. В некоторых вариантах осуществления данное измерение может быть выполнено автоматически, например, посредством ПЛК. В таком случае приблизительный период можно определить с использованием геометрии бурильной колонны или можно определить компьютерным наблюдением крутящего момента на валу. Другой возможностью является расчет приблизительного периода бурильщиком, например, хронометрированием с секундомером колебаний крутящего момента, показанных на пульте бурильщика, или определением на слух изменений звука двигателя (двигателей) бурильного механизма и хронометрирования периода таким путем. Бурильщик может вводить данные приблизительного периода прилипания-проскальзывания в пульт для обработки ПЛК для настройки параметра I ПИ-регулятора.
В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно содержит этап корректировки параметра Р ПИ-регулятора для приведения к порядку величины характеристического импеданса ζ бурильной колонны. Таким путем коэффициент отражения бурильного механизма можно уменьшить дополнительно, с увеличением демпфирующего эффекта.
В других вариантах осуществления способ дополнительно содержит этап корректировки параметра Р, такой, что коэффициент отражения не обращается в нуль, при этом предотвращается разделение основной моды колебаний прилипания-проскальзывания на две новых моды с отличающимися частотами.
a,
a
-
В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно содержит этап корректировки параметра Р по формуле P=ζ/ где коэффициент подвижности, допускающий корректировку параметра Р во время бурения, при этом поглощение энергии колебаний прилипания-проскальзывания бурильным механизмом может увеличиваться или уменьшаться. Коэффициент подвижности может корректировать автоматический регулятор (например, ПЛК) и/или может корректировать вручную бурильщик. Таким путем мягкость бурильного механизма можно корректировать для достижения баланса между демпфированием колебаний прилипания-проскальзывания и показателями бурения.
В некоторых аспектах способ дополнительно содержит этап увеличения коэффициента подвижности, если величина колебаний прилипания-проскальзывания существенно не уменьшается или они не исчезают. Таким путем мягкость бурильного механизма увеличивается (т.e. механизм делается более чувствительным к меньшим изменениям крутящего момента).
В других аспектах способ дополнительно содержит этап уменьшения коэффициента подвижности после, по существу, исчезновения колебаний прилипания-проскальзывания или уменьшения их величины, при этом производительность бурения увеличивается без повторного появления или роста величины колебаний прилипания-проскальзывания. Таким путем мягкость бурильного механизма уменьшается (т.e. он делается менее чувствительным к меньшим изменениям крутящего момента).
.
В некоторых вариантах осуществления ПИ-регулятор является отдельным от регулятора скорости бурильного механизма, и способ дополнительно содержит этап шунтирования регулятора скорости бурильного механизма ПИ-регулятором во время демпфирования колебаний прилипания-проскальзывания ПИ-регулятор может быть оборудован на буровой установке отдельно от бурильного механизма, как на новой буровой установке, так и в порядке модернизации на существующей буровой установке в полевых условиях. При использовании, когда возникают колебания прилипания-проскальзывания, ПЛК может переключать на себя специально выделенный регулятор скорости бурильного механизма (либо автоматически или под управлением бурильщика) для управления механизмом, как изложено выше.
В других вариантах осуществления бурильный механизм содержит ПИ-регулятор, и способ дополнительно содержит этапы настройки ПИ-регулятора, когда возникают колебания прилипания-проскальзывания, и исключение настройки ПИ-регулятора в ином случае. В таких вариантах осуществления ПИ-регулятор может являться частью специально выделенного регулятора скорости в бурильном механизме, таком как верхний привод. ПИ-регулятор можно создать как программное обеспечение, установленное на ПЛК или другом компьютерном механизме управления на месте изготовления. В работе ПИ-регулятор используется непрерывно, но может только нуждаться в настройке, как описано выше, когда возникают колебания прилипания-проскальзывания. Данную настройку можно включать в работу автоматически программным обеспечением устройства дистанционного управления бурением (например, пульта управления бурильщика на площадке работ или вне ее) и/или регулирование может осуществлять бурильщик, использующий пульт управления бурильщика.
В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно содержит этап расчета мгновенной скорости вращения компоновки низа бурильной колонны на нижнем конце бурильной колонны с объединением известной крутильной податливости бурильной колонны с изменениями в крутящем моменте на валу бурильного механизма. Данное является особенно полезным не обязательным признаком изобретения и при этом выходные данные могут отображаться на пульте управления бурильщика или иначе для помощи бурильщику для визуализациипроисходящего в скважине.
В других вариантах осуществления изменения крутящего момента на валу представляются только на основной частоте колебаний прилипания-проскальзывания, при этом этап расчета упрощен так, что может быть реализован ПЛК и выполнен в режиме реального времени. Изменения крутящего момента на валу содержат спектр частот, делающий сигнал крутящего момента на валу трудным для анализа. Мы понимаем, что достаточно только анализировать компонент основной частоты изменения крутящего момента на валу и что это обеспечивает выполнение анализа в режиме реального времени, на ПЛК, например.
В некоторых вариантах осуществления этап расчета содержит пропуск через полосовой фильтр сигнала крутящего момента на валу с центрированием полосового фильтра на приблизительной частоте колебаний прилипания-проскальзывания. Это помогает удалению большинства более высоких и более низких частот в сигнале крутящего момента. Приблизительную частоту можно определить, как описано выше.
В некоторых аспектах расчет мгновенной скорости вращения содержит определение скорости в скважине с использованием суммарной статической податливости бурильной колонны и фазового параметра, и определение суммы сигнала, пропущенного через фильтр низких частот, и представляющего скорость вращения бурильного механизма и скорости вращения в скважине.
В других вариантах осуществления способ дополнительно содержит этап периодического определения расчетных данных и вывода расчетных данных на пульт бурильщика, при этом бурильщику предоставляются, по существу, расчетные данные в режиме реального времени мгновенной скорости вращения компоновки низа бурильной колонны.
В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно содержит этап определения показателя интенсивности прилипания-проскальзывания, как отношения динамической амплитуды скорости в скважине к средней скорости вращения бурильного механизма, такой показатель интенсивности прилипания-проскальзывания используется для создания выходного сигнала, показывающего интенсивность прилипания-проскальзывания в данный момент времени.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения создан способ бурения ствола скважины, содержащий следующие этапы:
(а) вращение бурильной колонны бурильным механизмом для вращения бурового долота на нижнем конце бурильной колонны и осуществления проходки поверхности земли; и
(б) в ответ на детектирование колебаний прилипания-проскальзывания бурильной колонны использование ПИ-регулятора для управления бурильным механизмом, причем ПИ-регулятора, настроенного вышеописанным способом. Следует заметить, что ПИ-регулятор можно настраивать один раз (например, когда первый раз встречается прилипание-проскальзывание), и при последующем возникновении прилипания-проскальзывания ПИ-регулятор можно использовать без перенастройки. Конечно, другой возможностью является перенастройка ПИ-регулятора каждый раз, когда встречается прилипание-проскальзывание, или даже при постоянно действующем прилипании-проскальзывании. Способ настройки ПИ-регулятора можно поэтому использовать избирательно во время бурения для противодействия колебаниям прилипания-проскальзывания. В другие периоды времени ПИ-регулятор можно не настраивать, так что регулятор скорости бурильного механизма может работать в стандартном жестком режиме (т.e. с коэффициентом отражения приблизительно равным 1).
Согласно другому аспекту настоящего изобретения создан способ расчета мгновенной скорости вращения компоновки низа бурильной колонны на нижнем конце бурильной колонны, содержащий этапы объединения известной крутильной податливости бурильной колонны с изменениями крутящего момента на валу бурильного механизма. Такой способ можно выполнять как на площадке, так и вне ее, либо во время бурения или после бурения секции ствола скважины. Такой способ дает инструмент анализа бурения для определения, улучшает ли настройка ПИ-регулятора аспекта изобретения показатели бурения. Соответственно программное обеспечение для выполнения данного способа можно создавать отдельно от программного обеспечения для выполнения способа настройки. Программное обеспечение расчета скорости вращения можно создавать в регуляторе нового бурильного механизма (т.e. включать в состав на месте изготовления), при модернизации существующего бурильного механизма (например, выполнять либо на площадке или дистанционно с использованием спутниковой связи с компьютерной системой на буровой установке) или как компьютерный программный продукт (например, запоминающее устройство на компакт-дисках или как загрузка из веб-сайта) для установки оператором буровой установки.
В некоторых аспектах способ расчета скорости вращения дополнительно содержит этапы расчета, изложенные выше.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения создан бурильный механизм для использования в бурении ствола скважины, содержащий электронный регулятор с ПИ-регулятором и запоминающее устройство, сохраняющее исполняемые компьютером инструкции, при исполнении обеспечивающие настройку электронным регулятором ПИ-регулятора согласно этапам настройки, изложенным выше.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения создан электронный регулятор для использования с бурильным механизмом для бурения ствола скважины, содержащий ПИ-регулятор и запоминающее устройство, сохраняющее исполняемые компьютером инструкции, при исполнении обеспечивающие настройку электронным регулятором ПИ-регулятора согласно этапам настройки, изложенным выше. Такой электронный регулятор используется для модернизации существующих буровых установок или где требуется электронный регулятор, отдельный от бурильного механизма.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения создан способ модернизации бурильного механизма на буровой установке, содержащий этапы загрузки исполняемых компьютером инструкций в электронный регулятор на буровой установке, который предназначен для регулирования работы бурильного механизма, при этом исполняемые компьютером инструкции содержат команды для выполнения настройки регулятора, как изложено выше. Такую модернизацию можно выполнять на площадке работ или можно выполнять дистанционно с использованием, например, спутниковой связи.
Некоторые варианты осуществления данного изобретения не ограничены конкретными индивидуальными признаками, раскрытыми здесь, но включают в себя их комбинации с конструкциями, функциями и/или получаемыми результатами, отличающимися от известного уровня техники. Признаки изобретения описаны в широком смысле для лучшего понимания следующего подробного описания и для лучшей ясности вклада данного изобретения в технику. Имеются, естественно, дополнительные аспекты изобретения, описанные ниже, которые могут включать в себя объекты формулы данного изобретения. Специалистам в данной области техники, воспользовавшимся выгодами данного изобретения, его идеями и предложениями должно быть ясно, что концепции данного изобретения можно использовать как основу разработки других конструкций, способов и систем для осуществления и практического применения настоящего изобретения. Формулу данного изобретения следует читать, как включающую в себя любые юридически эквивалентные устройства или способы, не отходящие от сущности и объема настоящего изобретения.
Настоящее изобретение рассматривает и решает вышеупомянутые проблемы и давно существующие потребности и создает решение данных проблем и удовлетворяет данным потребностям в различных возможных вариантах осуществления и их эквивалентах. Специалистам в данной области техники, воспользовавшимся выгодами данного изобретения, вариантами реализации, идеями, описаниями и предложениями, другими целями и преимуществами, должны стать ясными из следующего описания некоторые предпочтительные варианты осуществления, приведенные с целью раскрытия изобретения в соединении с прилагаемыми чертежами. Детали данного описания не противоречат задаче заявки настоящего изобретении, вне зависимости от изменений формы, других изменений или добавления дополнительных улучшений.
Должно быть понятно, что различные варианты осуществления настоящего изобретения могут включать в себя одно, несколько или все раскрытые, описанные и/или перечисленные в формуле изобретения улучшения, и/или технические преимущества, и/или элементы в формуле данного изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже даны ссылки, только в качестве примера, на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее.
На фиг.1 показан схематичный вид сбоку буровой установки, использующей способ согласно настоящему изобретению.
На фиг.2 показана блок-схема ПИД-регулятора, содержащего регулятор скорости согласно настоящему изобретению.
На фиг.3 показан график частоты в зависимости от коэффициента отражения, дающий сравнение бурильного механизма, использующего регулятор скорости согласно настоящему изобретению, и стандартного регулятора скорости.
На фиг.4A показан снимок экрана первого окна, находящегося на пульте управления бурильщика для выполнения и регулирования способа согласно настоящему изобретению.
На фиг.4B показан снимок экрана второго окна, находящегося на пульт управления бурильщика, иллюстрирующий крутящий момент на валу привода в режиме реального времени и расчет скорости вращения в скважине компоновки низа бурильной колонны фиг.1.
На фиг.5 и 6 показаны графики, иллюстрирующие результаты компьютерной имитации, моделирующей способ согласно настоящему изобретению.
На фиг.7 и 8 показаны графики, иллюстрирующие результаты испытания способа согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На фиг.1 буровая установка 10 управляет буровой работой с использованием бурильной колонны 12, содержащей звенья бурильной трубы 14, последовательно свинченные вместе. Буровая установка 10 может являться любым видом буровой установки для нефтепромысла, общего назначения, бурения горнодобывающих или геотермальных объектов, включающей в себя: плавучие и наземные буровые установки, передвижные и буровые установки наклонного бурения, буровые установки на погружных, полупогружных платформах, на выдвигающихся опорах и буровых судах. Типичная бурильная колонна имеет длину 0-5 км и имеет в самой нижней части ряд утяжеленных бурильных труб или толстостенных бурильных труб (ТБТ). Утяжеленные бурильные трубы имеют более толстые стенки, чем бурильная труба для противодействия выпучиванию под действием сжимающих сил: бурильная труба может иметь внешний диаметр 127 мм и толщину стенки 9 мм, тогда как утяжеленная бурильная труба может иметь внешний диаметр до 250 мм и толщину стенки 85 мм, например.
Компоновка 16 низа бурильной колонны (КНБК) установлена на нижнем конце бурильной колонны 12. Типичная КНБК 16 содержит передатчик 18 измерений во время бурения (который может, например, представлять собой кабельную систему телеметрии, систему телеметрии по пульсациям бурового раствора, электромагнитную систему телеметрии, акустическую систему телеметрии или систему телеметрии по кабелированным трубам), центраторы 20, инструмент 22 для наклонного бурения (который может быть установлен в зонде или утяжеленной бурильной трубе), центратор с жесткими лопастями (фиксированными или подвижными) и буровое долото 28, которое при использовании вращается верхним приводом 30 через бурильную колонну 12.
Буровая установка 10 содержит бурильный механизм 30. Функцией бурильного механизма 30 является вращение бурильной колонны 12 и при этом долота 28 на нижнем конце. В настоящее время большинство буровых установок используют верхние привода для вращения бурильной колонны 12 и долота 28 для осуществления бурения. Вместе с тем, некоторые буровые установки используют ротор, и изобретение является одинаково применимым к таким буровым установкам. Изобретение является также одинаково применимым для бурения любых видов стволов скважин, например прямых, наклонно-направленных, горизонтальных или вертикальных.
Насос 32 размещен на поверхности и, при использовании, перекачивает буровой раствор через бурильную колонну 12 и через буровое долото 28 и служит для охлаждения и смазки долота во время бурения и подачи шлама на поверхность в кольцевом пространстве, образованном между бурильной колонной и стволом скважины (не показано).
Данные бурения и нужная информация отображаются на пульте 34 управления бурильщика, содержащем сенсорный экран 36 и устройство управления пользователя, например клавиатуру (не показано) для регулирования, по меньшей мере, некоторой части процесса бурения. Цифровой программируемый логический контроллер (ПЛК) 38 передает данные на пульт 34 и верхний привод 30 и принимает от них. В частности, бурильщик имеет возможность устанавливать команды управления скоростью и ограничение крутящего момента для верхнего привода для управления скоростью вращения бурового долота 28.
На фиг.2 показан ПЛК 38, содержащий энергонезависимую память 40 на базе флэш-технологии (или другое запоминающее устройство, такое как оперативная память с резервным питанием от батареи). Запоминающее устройство сохраняет исполняемые компьютером инструкции, при исполнении которых выполняются функции регулятора 42 скорости для верхнего привода 30. Регулятор 42 скорости содержит ПИ-регулятор с противодействием скручиванию, функционирующий, как описано более подробно ниже. В данном варианте осуществления регулятор 42 скорости является отдельным и отличным от верхнего привода 30. Вместе с тем, является возможным создание такой функциональности регулятора скорости, как описанная в данном документе, с частью встроенного специального выделенного регулятора скорости верхнего привода. Такую встроенную функциональность можно либо создавать на месте изготовления или она может являться частью обновления программного обеспечения, выполняемого на верхнем приводе, либо на площадке, или вне площадки работ. В других вариантах осуществления ПЛК может являться аналоговым ПЛК.
Настройка регулятора пропорционально-интегрального типа (ПИ-регулятора)
Бурильную колонну 12 можно рассматривать, как линию передачи для крутильных волн. Изменение момента трения на буровом долоте 28 или в других местах вдоль колонны генерирует крутильную волну, которая распространяется вверх и частично отражается на геометрических перегибах. Когда переданная волна достигает верхнего привода 30, она частично отражается назад в бурильную колонну 12. Для верхнего привода с высоким моментом инерции и/или жесткого регулятора скорости отражение является почти полным, при котором очень мало энергии поглощает верхний привод.
r
Для количественного определения созданного верхним приводом демпфирования можно получить следующий комплексный коэффициент отражения  для крутильных волн на стыке бурильная колонна/верхний привод:
Z
Z
где ζ - характеристический импеданс для крутильных волн и  - импеданс верхнего привода. Характеристический импеданс пропорционален полярному моменту инерции сечения трубы и изменяется приблизительно как диаметр трубы в четвертой степени. Отмечаем, что коэффициент отражения является комплексной функцией, где, в общем, как величина, так и фаза изменяются с частотой. Если регулирование скорости является жестким (т.e. ||>>ζ), то коэффициент отражения приближается к -1 и почти 100% энергии крутильных волн отражается назад в бурильную колонну 12 верхним приводом 30.
Комплексное представление импеданса верхнего привода можно вывести следующим образом. Если противодействием скручиванию регулятора скорости пренебречь (то есть нелинейной функцией, ограничивающей крутящий момент), крутящий момент на валу верхнего привода 30 можно выразить как:
P
I
set
где  и  - соответствующие долевой коэффициент и коэффициент интегрирования регулятора скорости, Ω - фактическая скорость на выходе привода (в рад/с) и Ω - уставка скорости привода (в рад/с).
n
P
I
g
g
2
Крутящий момент на валу является фактически суммой крутящих моментов двигателя, умноженной на передаточное отношение  (скорость двигателя/скорость на выходе, >1). Заметим, что регулирование скорости здесь относится к выходной оси верхнего привода. Более обычным для регулирования скорости является привязка к оси двигателя; в таком случае соответствующие значения  и  для регулирования скорости двигателя меньше приведенных выше с учетом делителя 1/n .
Пренебрегая потерями при передаче, уравнение движения вала на выходе верхнего привода:
где J - действующий момент инерции верхнего привода (включающего в себя редуктор и приводные двигатели) и T - внешний крутящий момент от колонны. Объединение уравнений (2) и (3) и применение преобразования Фурье дает следующее уравнение движения:
Ω, Ω
iωt
i
ω=2π
set
Для упрощения использованы одинаковые с уравнениями по времени обозначения переменных, хотя  и Т теперь представляют комплексные амплитуды. Неявно подразумеваемый зависящий от времени множитель составляет exp(), где =√-1 мнимая единица и f угловая частота верхнего привода 30. Если предположить, что отсутствует каскадная обратная связь через установленную скорость (как в системах с обратной связью по крутящему моменту), амплитуда установленной скорости сводится к нулю и приведенное выше уравнение упрощается:
Ω
Z
Отрицательное соотношение - T/ называют импедансом  верхнего конца колонны:
iω
D
D
Данный импеданс можно легко обобщить для идеального пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора (ПИД -регулятора) добавлением к нему нового параметра D, где D - производная регулятора. Положительный (нормальный) параметр  должен увеличивать действующий момент инерции верхнего привода, а отрицательный коэффициент должен ее уменьшать. На практике поскольку дифференцирование по времени измеренной скорости является основным процессом шума, увеличивающим высокочастотный шум, параметр Dв ПИД-регуляторе нормально объединяют с фильтром нижних частот. Данный фильтр вводит сдвиг фаз, делающий действующий импеданс более сложным, и при этом увеличивает риск создания нарушений устойчивости на некоторых частотах, как описано ниже. Поэтому, хотя ПИД-регулятор с параметром  можно использовать для выполнения аспекта настройки изобретения, данное не рекомендуется.
Объединение уравнений (1) и (6) дает следующее выражение для коэффициента отражения, действительное для верхних приводов с регулированием скорости ПИ-регулятором:
Его величина имеет минимум, равный:
ω
ω
s
когда мнимые параметры обращаются в нуль, то есть когда угловая частота верхнего привода 30 равна =√1/J. Для стандартных жестких регуляторов скорости данная частота в нормальных условиях выше частоты прилипания-проскальзывания (см. фиг.3 и соответствующее описание). Вместе с тем, мы сделали открытие, что корректировка параметра I ПИ-регулятора также корректирует максимальную частоту поглощения крутильных волн верхним приводом 30. В частности, параметр I можно корректировать так, что максимум поглощения энергии крутильных волн возникает на частоте  прилипания-проскальзывания или вблизи нее (т.e. когда величина коэффициента отражения минимальна) следующим образом:
Данная реализация является значительной, поскольку, как первый этап для достижения хорошего демпфирования, параметр I ПИ-регулятора является зависимым только от частоты прилипания-проскальзывания и действующего момента инерции верхнего привода 30. Поскольку действующий момент инерции легко определить либо перед проведением операции или из цифр, представленных изготовителем, и поскольку частоту прилипания-проскальзывания можно легко определить во время бурения, данное делает настройку ПИ-регулятора прямой, с достижением хорошего поглощения энергии колебаний прилипания-проскальзывания верхним приводом 30.
Данный первый этап настройки регулятора скорости является хорошим первым этапом на пути к эффективному демпфированию колебаний прилипания-проскальзывания. Вместе с тем, демпфирование можно дополнительно улучшить. В частности, ненастраиваемый параметр Р регулятора скорости все еще слишком высок, то есть P>>ζ, что сохраняет коэффициент отражения близким к -1. Нами сделано открытие, что для получения достаточного демпфирования колебаний прилипания-проскальзывания параметр Р регулятора скорости должен быть уменьшен до величины одного порядка с величиной характеристического импеданса ζ. Вместе с тем, нами также сделано открытие, что нежелательно полное превращение в нуль коэффициента отражения, поскольку при этом должны радикально меняться динамические свойства бурильной колонны 12 и режим маятника должен разделяться на два новых режима, каждый с отличающейся частотой. Кроме того, экстремально мягкий регулятор скорости, абсорбирующий почти всю энергию падающей волны, должен обуславливать очень высокую скорость флуктуаций верхнего привода 30 в ответ на изменения крутящего момента в скважине. Данное может уменьшать производительность бурения.
a,
a
ω
s
Нами сделано открытие, что параметр Р можно задавать, как нецелое кратное число характеристического импеданса ζ бурильной колонны, которое можно выразить, как P=ζ/ где  - нормализованный коэффициент подвижности (безразмерный) меньше единицы, настраиваемый оператором или компьютером в некоторых пределах, как описано ниже. С установлением параметра I, обуславливающего сведение на нуль мнимой части уравнения (7), установление параметра Р, как описано, обуславливает минимум коэффициента отражения (т.e. максимум поглощения энергии верхним приводом) при частоте  прилипания-проскальзывания, становящегося:
min
Допуская настройку коэффициента подвижности a, количество энергии, отраженной назад в бурильную колонну 12, можно регулировать в некоторых пределах. Данные пределы устанавливают, допуская только некоторый диапазон значений a, такой как 0,05-0,33. Данное соответствует диапазону величины r от около 0,9 до 0,5. Считается, что данный диапазон обеспечивает такое регулирование демпфирования, что колебания прилипания-проскальзывания могут подавляться. Если регулятор скорости 42 гораздо более жесткий, чем данный (т.e. коэффициент отражения больше около 0,9), мы находим, что слишком много крутильной энергии колебаний прилипания-проскальзывания отражается назад в бурильную колонну 12. Кроме того, если регулятор скорости 42 является слишком мягким (т.e. коэффициент отражения меньше около 0,5), мы находим, что данное может повлиять на показатели бурения (например, в отношении скорости проходки).
m
m
i
g
d
g
g
m
g
m
i
2
2
2
2
2
500 Нмс
τ
I
τ
Стандартный регулятор скорости выполнен с возможностью поддержания скорости двигателя постоянной и действительные постоянные P и I относятся к оси двигателя. Типичный приводной двигатель с номинальной мощностью 900 кВт и моментом инерции ротора J=25 кгм обычно регулируют регулятором скорости двигателя с P=. Коэффициент I регулятора скорости наиболее часто задают не напрямую, как коэффициент Р, деленный на постоянную интегрирования по времени обычно =0,3 с. Как пример, примем привод с одним двигателем, соединенным с выходным валом редуктором с моментом инерции J=250 кгм и передаточным отношением n=5,32. Действующий момент инерции привода тогда J=J+n J=960 кгм. Действующие коэффициенты регулятора скорости, относящиеся к выходному валу, аналогично P=n P≈14000 Нмс и =P/≈47000 Нм. В сравнении, характеристический импеданс ζ≈340 Нмс для типичной трубы в 5 дюймов (127 мм), что составляет только 2,4% реальной части импеданса привода.
a
На фиг.3 показан график 48 величины коэффициента отражения |r| как функции частоты и показана разница между стандартным жестким регулятором скорости (кривая 50) и настраиваемым регулятором скорости согласно изобретению (кривая 52). Последний рассчитан с коэффициентом подвижности =0,25 и параметром I, создающими максимальное демпфирование при 0,2 Гц (период прилипания-проскальзывания 5 с). При данной частоте отражение уменьшено от около 0,993 (стандартный ПИ-регулятор) до 0,6 (настраиваемый, как описано выше, ПИ-регулятор), что представляет собой значительное улучшение в демпфировании верхним приводом на частоте прилипания-проскальзывания.
Следует подчеркнуть тот факт, что в обоих случаях коэффициент отражения остается ниже 1, но приближается к данному пределу с приближением частоты либо к нулю или к бесконечности. Поэтому стандартный ПИ-регулятор никогда не создает отрицательного демпфирования, которое в ином случае усиливает компоненты крутильной вибрации. Вместе с тем, демпфирование является слабым на удалении от относительно узкой полосы поглощения на 1-2 Гц. По контрасту, настраиваемыйПИ-регулятор создает сравнительно широкую полосу поглощения с меньше 80% отражения между около 0,1 Гц и 0,4 Гц. Остается даже значительное демпфирование (|r|=0,965) при 0,6 Гц, что в три раза больше частоты прилипания-проскальзывания и близко ко второй резонансной частоте бурильной колонны.
ω
ω
s
s
Действующий момент инерции J бурильного механизма, характеристический импеданс ζ и частота прилипания-проскальзывания  изменяют ширину полосы поглощения кривой частота-отражение фиг.3. В частности, ширина полосы поглощения обратно пропорциональна отношению J/ζ. Для бурильного механизма с большим действующим моментом инерции и/или гибкой бурильной трубой, делающими данное отношение больше (например, больше 5), ширина полосы поглощения уменьшается. В таком случае становится более важным обеспечение более точного определения периода прилипания-проскальзывания (если возможно) так, что частота максимального демпфирования становится насколько возможно ближе фактической частоте прилипания-проскальзывания.
Уменьшение величины коэффициента отражения и соответствующее положительное демпфирование по всей полосе частот является очень важным и достигается только одним ПИ-регулятором. Данное является отличием от других активных способов, использующих каскадные петли обратной связи последовательно со стандартным регулятором скорости, или которые опираются на некоторые измеренные параметры, такие как крутящий момент на валу или на колонне для создания сигнала обратной связи на ПЛК. Фильтры, используемые в функциях обратной связи каскада, могут являться подходящими для демпфирования колебаний на основной частоте прилипания-проскальзывания, но могут обуславливать отрицательное демпфирование и нарушения устойчивости на более высоких частотах.
На практике параметр Р для настраиваемого регулятора скорости можно определить следующим образом:
9
-2
-6
4
-1
p
с
где G - модуль сдвига бурильной колонны (обычное значение 80×10Нм), I - полярный момент инерции сечения бурильной колонны (обычное значение составляет 12,2×10м) и  - скорость крутильных волн в бурильной колонне (обычное значение составляет 3192 мс).
ω
s
Для практического определения параметра I имеются две переменные, подлежащие расчету: (a) угловая частота  колебаний прилипания-проскальзывания и (б) действующий момент инерции J верхнего привода. Последний определяется относительно прямо и может либо быть подсчитан по теоретическим значениям момента инерции редуктора, или по передаточному отношению и моменту инерции ротора двигателя, или его можно найти опытным путем с проведением испытания ускорения, когда верхний привод 30 отсоединен от колонны. Обычная формула для подсчета момента инерции верхнего привода выглядит так:
TD0
gear
m
mr
-2
-2
n
где J - момент инерции верхнего привода с отсоединенным двигателем (обычное значение 100 кг·м),  - передаточное отношение (>1), n - число активных двигателей (значение по умолчанию 1) и J - момент инерции ротора двигателя (обычное значение 18,2 кг·м).
ω
s
Существует несколько путей расчета угловой частоты , включающих в себя: (I) подсчеты по геометрии колонны, (II) по ручным измерениям (например, с использованием секундомера) и (III) автоматическое определение в программном обеспечении ПЛК. Важным преимуществом настройки ПИ-регулятора аспекта изобретения является то, что действие демпфирования колебаний прилипания-проскальзывания получают даже если расчет периода прилипания-проскальзывания, используемый для настройки ПИ-регулятора, не совсем точен. Например, на фиг.3 показано максимальное демпфирование, возникающее при частоте 0,2 Гц. Даже если реальная частота прилипания-проскальзывания ниже или выше данной частоты, все равно, имеем хороший демпфирующий эффект (r~0,8), полученный между около 0,09 Гц и 0,4 Гц. Соответственно способы, используемые для расчета периода прилипания-проскальзывания, не обязательно должны быть особенно точными.
.
I Геометрия колонны
Возможен теоретический подход к определению периода прилипания-проскальзывания с использованием параметров бурильной колонны, имеющихся на площадке в журнале работ. Журнал работ ведется на площадке для каждой бурильной колонны и содержит подробные записи свойств каждой секции бурильной колонны (например, внешний диаметр, внутренний диаметр, тип трубы), секции, определенной, как отрезок длины (например, 300 м) бурильной трубы одного типа.
l
ω
b
b
b
Предположим, далее, что бурильная колонна 12 состоит из секции отрезка длины  одной бурильной трубы с сосредоточенным импедансом долота на нижнем конце, представленным Z. Данный импеданс может являться чистым реактивным импедансом момента инерции (iJ, где J- момент инерции компоновки низа бурильной колонны) или он может являться вещественной постоянной, представляющей сосредоточенное демпфирование (положительное или отрицательное) на буровом долоте 28. Уравнения крутящего момента сверху и на долоте представляют два граничных условия. Можно показать, что данные два граничных условия можно записать, как следующие матричные уравнения:
Z
d
где k - волновое число и - импеданс бурильного механизма.
Нетривиальные решения данной системы уравнений существуют, если детерминант системной матрицы приходит к нулю, то есть когда
r
r
d
b
Здесь коэффициенты отражения  и на приводе и на компоновке низа бурильной колонны соответственно введены, как следующее:
r
Z
r
Z
d
d
b
b
Заметим, чтокоэффициент отражения верхнего привода ≈-1 для жесткого регулятора скорости (||>>ζ) и коэффициент отражения долота равен единице для свободного конца (=0).
Корни уравнений (12) можно записать как:
n
r
r
d
b
d
b
где - не отрицательное целое число и αи α- аргументы (фазовые углы) комплексных коэффициентов отражения  и соответственно.
Соответствующие угловые частоты резонанса составляют:
Поскольку, в общем, величины и фазы коэффициента отражения являются зависимыми от частоты, приведенное выше уравнение является трансцендентным, без конкретных аналитических решений. Вместе с тем, его можно решить количественно на персональном компьютере или другом компьютере.
d
b
n
d
b
iω
t
Мнимый параметр приведенного выше уравнения представляет демпфирование собственных модов. Если |rr|<1, мнимая часть корня положительна, следовательно, представляющая нормальное, положительное демпфирование, обуславливающее убывание со временем зависящего от времени множителя exp (). По контрасту, если |rr|>1, демпфирование становится отрицательным, обуславливающим экспоненциальный рост малой амплитуды со временем.
d
d
b
b
b
d
b
s
=-1 и
π
Z
iω
=1 и
ω
ω
-1
Как пример, рассмотрим случай с полностью жестким регулятором скорости (|r|α=), вращающим бурильную колонну, с конечным моментом инерции на забое скважины (=J, |r|α=-2tan(J/ζ). Тогда самая низкая (теоретического прихвата и проскальзывания) частота становится:
ω
пс/(2l
ω
ω
C
С
l/(GI
)
s
b
s
b
s
b
p
Без дополнительного момента инерции компоновки низа бурильной колонны данное выражение уменьшается до =). Заметим, что резонансная частота уменьшается с увеличением момента инерции J. В экстремальном случае, когда J>>ζ, приведенную выше формулу можно переписать, как ≈1/√J, где =являетсястатической податливостью колонны. Данная формула является хорошо известной формулой для собственной частоты сосредоточенного момента инерции и пружинной системы.
Ωs
Ω(х=l)
T
Т
х
s
Нами найдено, что полезно изучение соотношения между амплитудой скорости нижнего конца ≡ и соответствующим крутящим моменте сверху ≡ (=0). Из приведенных выше уравнений можно показать, что данное соотношение составляет:
=
С использованием того факта, что характеристический импеданс можно записать как ζkl/(ωC),амплитуду скорости скважины можно выразить как:
r
kl≈п/2
kl
п/2
Отметим, что второй параметр приходит к нулю, если регулятор скорости является очень жестким (≈-1) или когда . Вместе с тем, если используют мягкий регулятор скорости и имеется высокий момент инерции вблизи долота, так что  для частоты прилипания-проскальзывания значительно меньше , тогда второй параметр может быть значительным и им не следует пренебрегать.
m
Теорию, изложенную выше, можно обобщить для колонн с множеством секций и также для случаев с распределенным демпфированием. Если линейный демпфирующий параметр включен в состав, обобщение обуславливает комплексные волновое число и характеристический импеданс и делает их не чисто вещественными. Если колонна состоит из m однородных секций, общее волновое решение состоит из 2m комплексных амплитуд скорости, представляющих пары распространяющихся вверх и вниз волн. Непрерывность угловой скорости и кручения по границам секции можно выразить 2(-1) внутренних граничных условий, дополняющими два концевых условия в уравнении (11). Данные условия можно устанавливать, как однородное 2m×2m матричное уравнение. Корни данной системы уравнений являются данными частотами, делающими матрицу системы сингулярной. Хотя возможно нахождение аналитического выражения для детерминанта системы, численные решения находит персональный компьютер или другой компьютер на площадке. IADC/SPE 15564 дает пример одного пути к данному решению, и его содержание включено в данный документ для всех целей в виде ссылки.
На фиг.4 показано типичное окно 50, имеющееся на пульте бурильщика, обеспечивающее бурильщику запуск ПК для расчета нового периода прилипания-проскальзывания на основе геометрии колонны. В частности, таблица 52 представляет секции бурильной колонны, включающие в себя КНБК, толстостенные бурильные трубы (ТБТ), и секции 1-6 бурильных труб. Имеющиеся поля для каждой секции следующие: длина, внешний диаметр и внутренний диаметр. Бурильщик первым определяет по журналу работ, на сколько секций разделена бурильная колонна. В данном примере бурильная колонна имеет восемь секций. Для каждой секции бурильщик вводит цифры в три поля. Кнопка 54 обеспечивает бурильщику запуск расчета нового периода прилипания-проскальзывания на основе геометрии колонны, введенной в таблицу 52. В частности, таблица устанавливает матричное уравнение 2m×2m, упомянутое выше, и ПЛК (не показано) использует численный способ для определения корней матрицы, делающих матрицу сингулярной. Наименьший корень является выходным значением 56 периода прилипания-проскальзывания в окне 50.
II Ручной расчет
Для ручного определения периода прилипания-проскальзывания бурильщик может наблюдать крутящий момент на валу, отображенный на пульте 34 бурильщика, и определять период посредством измерения периода изменения крутящего момента на валу с помощью секундомера. Данное легко выполнить, поскольку каждый период обычно составляет 2-10 с. Альтернативный способ заключается в том, что бурильщик слушает изменения высоты звука двигателя верхнего привода и определяет период времени таким путем. Как упомянуто выше, такие способы должны быть достаточными, если расчетная частота прилипания-проскальзывания не должна быть особенно близкой реальной частоте прилипания-проскальзывания для демпфирования колебаний прилипания-проскальзывания.
III Автоматический расчет
Автоматический расчет означает, что программное обеспечение ПЛК рассчитывает период прилипания-проскальзывания или частоту по измерениям, выполненным во время бурения. В частности, сигнал крутящего момента верхнего привода проходит через полосовой фильтр, пропускающий частоты в диапазоне 0,1-0,5 Гц (т.e. периода между 2 и 10 с), то есть фильтр отдает предпочтение компоненту прилипания-проскальзывания и подавляет все компоненты других частот. ПЛК затем детектирует период между каждым новым выходом за нулевой уровень пропущенного через фильтр сигнала крутящего момента и использует данные значения в фильтре рекурсивного сглаживания для получения стабильного и точного расчета периода. Фильтр окончательного сглаживания заморожен, когда либо показатель интенсивности прилипания-проскальзывания (см. ниже) падает ниже нижнего критического значения, или с запуском способа настройки.
Для помощи расчетчику периода быстро найти точный период оператор может либо вводить реалистическое пусковое значение или подбирать теоретическое значение, подсчитанное для фактической колонны (определенное согласно разделу Геометрия колонны, приведенному выше).
При использовании настраиваемый ПИ-регулятор включают в работу, когда имеется значительное перемещение прилипания-проскальзывания (определенное бурильщиком или программным обеспечением). Вместе с тем, расчет частоты прилипания-проскальзывания (измерения периода) имеет место перед фактическим использованием настраиваемого ПИ-регулятора для управления бурильным механизмом. По завершении работы устройство расчета периода выключают, когда ПИ-регулятор включен, поскольку естественный период колебаний прилипания-проскальзывания может немного изменяться при использовании плавного регулирования скорости.
Необходимость очень частой повторной настройки расчетной частоты не возникает, поскольку естественная частота прилипания-проскальзывания изменяется медленно с длиной бурильной колонны. Хорошей идеей, вместе с тем, является автоматическое обновление периода при каждом наращивании, т.e. когда следующие 30 м бурильной трубы добавляют в бурильную колонну. Для выполнения данного возможно использование анализа теоретической чувствительности для прогнозирования увеличения периода прилипания-проскальзывания с увеличением длины бурильной колонны. Одним путем выполнения данного (но не только путем) является нахождение теоретических периодов для двух отрезков длины колонны (скажем, L и L+200 м) и затем использование интерполяции для нахождения увеличения, вызванного добавлением секции 30 м для обновления расчетного периода.
Расчет показателя интенсивности прилипания-проскальзывания и мгновенной скорости долота
В дополнительном аспекте изобретения создан набор исполняемых компьютером команд в программном обеспечении ПЛК, обеспечивающих количественную оценку изменений скорости долота и расчет мгновенной скорости вращения долота. «Скорость долота» означает скорость вращения КНБК, если исключен вклад не обязательного забойного гидравлического двигателя. Данный аспект изобретения можно создать отдельно от аспекта настройки ПИ-регулятора или в объединении с ним.
С
Данный расчет получают, объединяя известный коэффициент  крутильной податливости бурильной колонны и изменения крутящего момента на валу. В общем, поскольку крутящий момент не дает строго периодического сигнала, но часто обладает широким диапазоном частот, точный подсчет является экстремально сложным и поэтому не подходит для реализации в ПЛК. Вместе с тем, нам понятно, что поскольку в перемещении прилипания-проскальзывания доминирует основная частота прилипания-проскальзывания, возможно достижение весьма хороших расчетов на основе только данной частоты.
s
s
s
2
Выше приведено ключевое уравнение (17), описывающее хорошую аппроксимацию для комплексной амплитуды скорости, как функции крутящего момента сверху колонны. Два параметра в данном выражении должны обрабатываться различно, поскольку они представляют гармонические составляющие с разностью фаз 90 градусов. При этом мнимый коэффициент iωT должен обрабатываться, как производная по времени крутящего момента после пропуска через полосовой фильтр, вещественный параметр ωTкоэффициентаможно аппроксимировать, как произведение крутящего момента после пропуска через полосовой фильтр и частоты прилипания-проскальзывания. Поскольку полосовой фильтр подавляет все частоты, кроме частоты прилипания-проскальзывания, возможно замещение прямого интегрирования по времени аппроксимацией на основе интегрирования. Данная аппроксимация основана на том факте, что iω≈-ω /(iω), где 1/(iω) представляет интегрирование по времени. Данная аппроксимация отдает предпочтение частоте прилипания-проскальзывания и подавляет высшие гармоники. Версия для интервала времени уравнения (17), подходящая для реализации в ПЛК 38, является следующей:
s
с
Здесь фазовый параметр kl=ωl/. В последней аппроксимации используют интегральную аппроксимацию для производной по времени и второй параметр опускают.
С
Хотя формула, приведенная выше, выполнена на основе односекционной колонны, имитации показывают, что она также обеспечивает хорошие расчеты для многосекционных колонн, если используют общий коэффициент  податливости колонны:
Версия алгоритма, реализованного в ПЛК 38 для расчета как мгновенной скорости КНБК, так и интенсивности прилипания-проскальзывания, содержит следующие этапы.
1. Расчет крутящего момента на колонне с корректировкой по действиям инерции (вычет действующего момента инерции двигателя, умноженного на угловое ускорение) и по использующемуся передаточному отношению для надлежащего масштабирования.
2. Пропуск через полосовой фильтр расчетного крутящего момента с центрированием полосового фильтра на наблюдаемой/расчетной частоте прилипания-проскальзывания. Фильтр должен являться фильтром второго порядка или выше, но может быть предпочтительно реализован в ПЛК, как последовательность рекурсивных фильтров бесконечной импульсной характеристики (БИХ).
3. Подсчет общей статической податливости бурильной колонны с использованием уравнения (19), приведенного выше.
=ω
s
s
4. Подсчет фазового параметра kll/c, где ω - определенная угловая частота прилипания-проскальзывания.
5. Подсчет динамической скорости в скважине с использованием либо точной или приблизительной версии уравнения (18), приведенного выше.
6. Подсчет показателя σ «интенсивности прилипания-проскальзывания», т.е. нормализованной амплитуды прилипания-проскальзывания, определяемого как отношение амплитуд динамической скорости в скважине к средней скорости вращения верхнего привода.
7. Нахождение мгновенной скорости, как суммы скорости верхнего привода после пропуска через фильтр низких частот и расчетной динамической скорости в скважине. Ограничение нулем, если расчетная скорость получается отрицательной.
8. Вывод данных для построения графика (например, частоты оборотов в минуту относительно времени).
9. Повторение этапов 1-8 для создания, по существу, расчета скорости долота в режиме реального времени.
Предусмотрено, что данный способ можно выполнять там, где выводят только данные расчета скорости КНБК или только показателя интенсивности прилипания-проскальзывания.
В отношении этапа 6, возможным путем расчета показателя интенсивности прилипания-проскальзывания является использование следующей формулы, где LP()означает пропуск через фильтр низких частот:
Поскольку описанный выше способ учитывает коэффициент отражения, он применяется как для стандартного, так и для настраиваемого устройства регулирования скорости. Во время переходных режимов ускорения, когда скорость верхнего привода значительно меняется, устройство расчета не является надежным и может давать большие ошибки. Тем не менее, мы считаем данный инструмент полезным для оценки условий в скважине, как автоматически в программном обеспечении, так и с отображением для анализа бурильщиком.
Отношение амплитуды динамической скорости к средней скорости верхнего привода является прямым и количественным измерением перемещения прилипания-проскальзывания, более подходящим, чем и динамический крутящий момент, и амплитуда относительного крутящего момента. Хотя расчетная скорость долота не имеет высокой точности, она дает ценные входные данные для мониторинга бурильщика по графику динамики ее развития, давая оператору более ясную информацию по тому, что происходит на долоте.
Интерфейс пользователя
Интерфейс пользователя создан для пульта 34 бурильщика, содержащего графический интерфейс (см. фиг.4A и 4B), дающий оператору прямую информацию о статусе прилипания-проскальзывания. Прилипание-проскальзывание показывают три различных индикатора:
«светофорный» индикатор 58 на фиг.4A с 3 уровнями прилипания-проскальзывания: зеленая лампочка для малых амплитуд (0-30%), желтая предупреждающая лампочка для значительной скорости колебаний (30-70%) и, наконец, красная лампочка для амплитуд выше расчетных. Данное процентное значение основано на интенсивности прилипания-проскальзывания, определенной выше.
Показатель интенсивности прилипания-проскальзывания отражается на графике 62 крутящего момента относительно времени на фиг.4B, для наблюдения развития прилипания-проскальзывания в течение определенного периода времени.
Расчет мгновенной скорости долота на графике 64 мгновенной скорости долота относительно времени на фиг.4B дает визуальное и прямое отображение состояния прилипания-проскальзывания.
Как упомянуто выше, окно 50 требует от оператора ввода краткого описания колонны, в терминах упрощенного описания журнала работ. Данный журнал работ имеет до 8 разделов, указывающих длину, внешний диаметр и массу погонного метра. Данную информацию используют для подсчета как теоретической расчетной частоты для самой нижней моды, так и статическую податливость бурильной колонны на данной частоте.
Оператор может включать и выключать настраиваемый ПИ-регулятор. В состоянии с выключенным регулятором используют стандартный регулятор скорости привода. Когда настройка включена, данный регулятор скорости шунтируется настраиваемым ПИ-регулятором 42, реализованным в ПЛК 38. Если регулятор привода в верхнем приводе 30 является современным цифровым регулятором, также возможно изменить сам регулятор скорости привода, вместо его шунтирования. Вместе с тем, если выбран способ шунтирования, данное достигается высокоскоростной передачей команд от ПЛК 38 на регулятор скорости в верхнем приводе 30 и динамическим регулированием ограничения выходного крутящего момента. В нормальном бурении данное ограничение крутящего момента используют, как ограничение по условиям безопасности для предотвращения повреждения колонны, если колонну неожиданно прихватывает. В режиме настраиваемого управления, когда ПЛК 38 динамически управляет ограничением крутящего момента, данное ограничение замещается соответствующим ограничением в программном обеспечении в ПЛК 38.
а
Оператор может также заменять коэффициент  защиты или подвижности в заданных пределах с помощью кнопок 60, обычно между 0,05 и 0,33. Высокий коэффициент предполагает более плавное регулирование скорости и меньшую возможность начала перемещения прилипания-проскальзывания или его продолжения. Недостатком высокого коэффициента являются большие флуктуации скорости верхнего привода в ответ на не приносящие вреда изменения в крутящем моменте на уровне колонны. Может являться необходимым выбор высокого коэффициентадля ослабления интенсивных колебаний прилипания-проскальзывания, но оператор должен уменьшать коэффициент, когда восстановлено плавное бурение.
a
Предусмотрено, что решение о включении и выключении настраиваемого регулирования скорости может принимать ПЛК 38 или другой электронный регулятор. Такой регулятор может осуществлять мониторинг мгновенных расчетов скорости долота, как изложено выше. Когда наблюдается рисунок прилипания-проскальзывания, регулятор может включить в работу настройку. Кроме того, регулятор может постепенно увеличивать подвижность или предотвращать увеличение мягкости верхнего привода 30, если величина колебаний прилипания-проскальзывания не уменьшается в течение заданного периода, например 2 минуты. После уменьшения колебаний прилипания-проскальзывания или, по существу, их исчезновения, устройство управления может постепенно уменьшать коэффициент подвижности (например, до =0,1) для улучшения производительности бурения.
Аппаратно-программное тестирование
Способ настройки ПИ-регулятора в последнее время широко испытывали в так называемых имитациях аппаратно-программного моделирования. В данных испытаниях программы ПЛК работают на физических ПЛК с интерфейсом имитационной модели привода и бурильной колонны.
Имитационная модель, используемая для аппаратно-программного тестирования способа настройки, имеет следующие признаки:
1. Привод моделируют как стандартный ПИ-регулятор скорости с крутящим моментом и ограничениями мощности и противодействием скручиванию. Регулятор крутящего момента или регулятор тока является совершенным в том смысле, что фактический крутящий момент принимают соответствующим установленному крутящему моменту без задержки.
2. Модель может обрабатывать данные множества приводных двигателей, соединенных выходным валом с редуктором.
3. Бурильную колонну моделируют как ряд элементов с сосредоточенным моментом инерции и пружинных элементов, выведенным из любого журнала работ. Длина звена, используемая в большинстве примеров, приведенных ниже, составляет приблизительно 28 м, что является обычной длиной тройной свечи. Следовательно, колонна длиной 3200 м, описанная ниже, состоит из 114 элементов.
4. Статический момент трения подсчитывают для каждого элемента, на основе теоретической контактной силы, являющейся функцией веса и угла наклона, кривизны и натяжения. Действие осевой нагрузки на долото и крутящего момента на долоте также включают в состав.
5. Динамический, зависимый от скорости момент трения моделируют как сумму трех параметров. Первый параметр является мягким вариантом кулоновского трения, второй представляет дополнительное статическое стартовое трение и третий является линейным демпфирующим параметром, независимым от контактных сил. Для имитации нестабильности с растущей амплитудой колебаний от плавного бурения данный коэффициент демпфирования должен быть отрицательным.
Модель была впервые разработана как модель Simulink в условиях Matlab. Она была позже реализована с инструментарием Simulation Module в условиях National Instrument LabView и работала на платформе мощного ПК. Хотя данный ПК не использует оперативную систему реального времени, его высокая мощность выполняет модель реального времени для всех практических целей.
Программа имитации LabView соединена с ПЛК так называемой SimbaPro PCI с адаптером профиля шины DP (децентрализованной периферии), который может имитировать все узлы DP, соединенные с ПЛК. Время обновления устанавливают на 10 мс (100 Гц), находящимся во времени цикла ПЛК (обычно 20 мс).
Результаты аппаратно-программного тестирования показаны на фиг.5. Используемая колонна имеет длину 3200 м, одинаковую с длиной колонны, используемой в испытании в полевых условиях (см. ниже). Теоретический период низшей моды составляет 5,2 с. На фиг.5 показан график 70 крутящего момента и скорость вращения бурильной колонны (кривая 72) и верхнего привода (кривая 74) во время периода в 150 с, включающего в себя интервал в 5 с, где скорость верхнего привода увеличивается от нуля до 100 об/мин. Настраиваемое регулирование скорости включается через 30 с после пуска вращения. Установившиеся колебания прилипания-проскальзывания получены вскоре после пуска. Период прилипания-проскальзывания стабилизируется около 5,3 с. Данное несколько больше теоретического периода колебаний маятника, но продленный период согласуется с тем фактом, что интервал прилипания является значительным. Отмечаем, что скорость верхнего привода почти постоянная во время данной части регулирования скорости.
Когда настраиваемое регулирование скорости включают, скорость верхнего привода (кривая 78) временно показывает ярко выраженные динамические изменения 79 в ответ на большие изменения крутящего момента. Но после нескольких периодов перемещение прилипания-проскальзывания исчезает и скорость верхнего привода, а также скорость долота становятся плавными. Когда настраиваемое регулирование скорости вновь выключается, амплитуда скорости в скважине (кривая 76) начинает расти до развития полного перемещения прилипания-проскальзывания. Данная нестабильность является следствием отрицательного демпфирования, включенного в состав модели крутящего момента на колонне.
На фиг.6 показаны результаты 80 тех же имитаций, но теперь сфокусированных на рассчитанном ПЛК показателе интенсивности прилипания-проскальзывания (кривая 87) и мгновенной скорости долота (кривая 84), отмечаем, что нижний график является продолжением верхнего графика и показывает разницу между имитируемой скоростью (кривая 84) и расчетной скоростью (кривая 86). Расчет скорости долота весьма хорош во время установившихся условий, но имеет значительную погрешность во время запуска. Несмотря на это расчетная скорость долота может дать бурильщику картину изменений скорости в скважине. Эффективность настраиваемого регулятора скорости четко иллюстрирует кривая 87 показателя интенсивности прилипания-проскальзывания: когда используют настраиваемое регулирование скорости, показатель интенсивности прилипания-проскальзывания падает почти до нуля. После выключения настраиваемого устройства управления, показатель интенсивности прилипания-проскальзывания вновь увеличивается.
Испытание в полевых условиях
Настройка испытана в полевых условиях, во время бурения глубокой наклонно-направленной скважины. Колонна имела длину приблизительно 3200 м и бурильную трубу 5,5 дюймов (140 мм). К сожалению, испытание закончилось после относительно короткого периода сложных условий прилипания-проскальзывания, когда алмазное долото вскрыло более мягкий пласт. Новый пласт сделал долото менее агрессивным с меньшим отрицательным демпфированием, таким образом удалив основной источник колебаний прилипания-проскальзывания.
На фиг.7 показан пример, в котором перемещение прилипания-проскальзывания развивается при вращении со стандартным жестким регулятором скорости. Показаны два графика 90: один крутящего момента на валу относительно времени и другой скорости долота относительно времени. Несколько комментариев по данным графикам даны ниже.
Данные записывали с ПЛК с частотой регистрации приблизительно 9 Гц.
«Откорректированный крутящий момент верхнего привода (ВП)» (кривая 92) является расчетным крутящим моментом на колонне и равен измеренному крутящему моменту на валу, откорректированному по действию моментов инерции.
Откорректированный крутящий момент ВП, так же как скорость долота, рассчитывают обработкой записанных данных с использованием способов, описанных выше.
Стандартный регулятор скорости верхнего привода является очень жестким, поскольку изменения измеренной скорости (кривая 94) можно с трудом увидеть после отключения настраиваемого регулятора скорости, и число оборотов верхнего привода является, практически, постоянным. Соответствующие небольшие ускорения являются причиной, по которой измеренный крутящий момент на валу почти совпадает с крутящим моментом на колонне, откорректированным по моментам инерции во время данного периода.
Высокочастотные колебания крутящего момента (при 1,1 Гц), которые видно на первой части кривой 96, когда настройка включена, вероятно, получены от резонанса более высокой моды в бурильной колонне. Данные вибраций кажутся независимыми от типа используемого регулятора скорости, но приходят к нулю, когда прилипание-проскальзывание не развивается.
a
Коэффициент предотвращения (линия 98) является установленным оператором коэффициентом подвижности , упомянутым выше.
Наблюдаемый период прилипания-проскальзывания составляет приблизительно 5,2 с, что хорошо согласуется с теоретическим периодом для данной конкретной колонны.
Другой пример успешного устранения перемещения прилипания-проскальзывания показан на фиг.8. На данной фигуре показан график 100, аналогичный графику 90.
«Установка скорости ВП» (кривая 102) является командой скорости, переданной на привод. Когда настройка включена, данный уровень поднят, так что отведенный регулятор скорости привода всегда стремится к увеличению крутящего момента за динамическое ограничение нового регулятора скорости. В данном случае увеличение скорости слишком мало, что обуславливает фиксирование динамической скорости регулятором скорости привода. Данное фиксирование должно уменьшать демпфирующий эффект при настраиваемом ПИ-регуляторе.
Когда настройка включена, коэффициент подвижности (линия 104) составляет приблизительно 15%. Данное значение является недостаточно высоким, поскольку колебания прилипания-проскальзывания не устраняются до увеличения оператором данного коэффициента на поз.106.
После исчезновения перемещений прилипания-проскальзывания на отметке около 4310 с, колебания в 1,1 Гц вновь появляются с амплитудой, аналогичной наблюдавшейся ранее. Но теперь вибрации также видны в измеренной скорости.
Дополнительные данные, не включенные в данный документ, показывают, что амплитуда колебаний в 1,1 Гц уменьшается, но полностью к нулю не приходит, когда коэффициент подвижности дополнительно увеличивают. Данное означает, что хотя в импедансе верхнего привода доминирует инерция, при данной частоте мягкий ПИ-регулятор также имеет некоторый демпфирующий эффект на колебания более высокой моды.
Подведем итоги, описан способ настройки ПИ-регулятора для подавления вредных колебаний прилипания-проскальзывания. Система содержит ПИ-регулятор скорости привода, настраиваемый так, что он эффективно демпфирует крутильные колебания на частоте прилипания-проскальзывания или вблизи нее. Он является пассивным, в том смысле, что не требует измерения крутящего момента на колонне, крутящего момента на валу или токов, как альтернативные системы. Демпфирующие характеристики настраиваемого бурильного механизма падают при уходе частоты от частоты прилипания-проскальзывания, но демпфирование никогда не падает ниже нуля, означая, что бурильный механизм никогда не должен усиливать крутильные вибрации более высоких модов. Способ является подходящим для реализации в ПЛК регулирования бурильного механизма. Настраиваемый ПИ-регулятор можно либо реализовать в самом ПЛК или, альтернативно, подсчитывать регулятором скорости постоянные P и I и передавать на собственный цифровой регулятор скорости двигателей верхнего привода. Изобретение также включает в себя другие полезные аспекты расчета мгновенной скорости долота и подсчета показателя интенсивности прилипания-проскальзывания. Последние два основаны на бурильной геометрии колонны и измеренном сигнале крутящего момента.
В заключение, таким образом, видно, что настоящее изобретение и варианты осуществления, описанные в данном документе и охватываемые прилагаемой формулой изобретения, хорошо приспособлены к осуществлению задач и получению изложенных конечных результатов. Некоторые изменения можно выполнять в объекте изобретения без отхода от сущности и объема данного изобретения. Понятно, что изменения возможны в объеме данного изобретения, и оно дополнительно направлено на то, чтобы каждый элемент или этап, указанный в приведенной ниже формуле изобретения, был понятен, как относящийся к этапу напрямую и/или ко всем эквивалентным элементам или этапам. Формула изобретения направлена на описание изобретения, насколько возможно широко, для любой возможной формы использования. Изобретатели могут полагаться на доктрину эквивалентов для определения и оценки объема своего изобретения и следующей формулы изобретения, если они могут относиться к устройству, не отходящему незначительно от объема изобретения, но находящемуся явно вне объема, изложенного в следующей формуле изобретения. Все патенты, патентные заявки и научные материалы, идентифицированные в данном документе, полностью включены в данный документ для всех целей.