СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ БУРЕНИЯ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DRILLING CONTROL AND SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин и может быть использовано для оптимального управления процессом бурения.
Известен способ адаптивного управления процессом бурения скважин по патенту РФ №2495240, МПК E21B 44/00, опубл. 04.05.2012, включающий использование модели процесса бурения, технический результат в которой достигается оперативным управлением коэффициентами этой модели, значения которых определяются минимальными вибрациями бурильной колонны. Недостатками способа являются предварительное построение модели процесса бурения, привязанное конкретно к данной геологической структуре, знанию ее геологического строения и твердости пород, а также проведение бесконечного множества скважинных измерений. Использование детерминированной модели часто приводит к ее непредсказуемому обновлению и, как следствие, низкой точности управления. Использование сложной наземной аппаратуры и скважинной системы измерения забойных параметров создает дополнительные, иногда не решаемые задачи.
Известен способ управления работой в скважине и система бурения скважины по патенту РФ 2244117, МПК E21B 44/00, опубл. 10.01.2005, техническая реализация известного способа осуществляется с использованием вычислительной модели процесса бурения, представляющей комбинированное влияние условий на забое скважины и работы колонны бурильных труб. Модель процесса бурения непрерывно обновляется результатами скважинных измерений, производимых в ходе операции бурения. На основании непрерывных измерений вырабатываются и исполняются различные сценарии управления для передачи данных в систему управления наземным оборудованием. К недостаткам способа можно отнести сложность реализации непрерывных скважинных измерений нескольких параметров, их передачу к наземному оборудованию, а также перенастройку наземной системы оборудования при изменении стратегии управления.
Известен способ и устройство для уменьшения колебаний прилипания-проскальзывания колонны бурильных труб по патенту РФ №2478781, МПК E21B 44/00, опубл. 10.04.2013, патентообладатель НЭШНЛ ОЙВЕЛЛ ВАРКО (US), в котором демпфирование колебаний осуществляется путем использования бурильного механизма изменения веса бурильной колонны и регулирование скорости вращения бурильного механизма с использованием ПИ-регулятора. Недостатком предложенного изобретения является сложность настройки ПИ-регулятора с использованием скважинных измерений. Включение ПИ-регулятора в цепь управления бурильной колонной повышает порядок астатизма замкнутой структуры, что еще более ухудшает условия устойчивости системы управления. Использование полосы оптимальных частот не позволяет реализовать надежное управление с углублением (длиной бурильных труб) скважины.
Наиболее близким по сущности предлагаемого изобретения является способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления по патенту РФ 2087701 С1, МПК E21B 44/00, опубл. 20.08.1997, где колебания в буровом оборудовании регулируются посредством определения потока энергии через оборудование как произведение «поперечной» переменной и «сквозной» переменной. Причем колебания одной переменной измеряются, а поток энергии регулируется путем изменения другой переменной в ответ на измеряемые колебания упомянутой одной переменной. В качестве переменных величин для определения потока энергии используются напряжение, умноженное на ток электрического привода, давление, умноженное на скорость потока гидравлического привода, или крутящий момент, умноженный на угловую скорость вращательного привода.
Способ реализуется системой, содержащей средства измерения колебаний продольной и поперечной переменной, связанные со средствами контроля истока энергии через буровое оборудование и средство регулирования крутильных колебаний оборудования путем поддержания потока энергии через буровое оборудование на заданном уровне. Дополнительно система снабжена средствами определения крутящего момента приводного двигателя и регулирования крутящего момента приводного двигателя.
Предпосылки изобретения.
Бурение нефтяной или газовой скважины включает в себя создание ствола скважины значительной глубины, часто в несколько километров по вертикали. Бурильная колонна содержит буровое долото на своем нижнем конце и звенья трубы, свинченные вместе. Бурильную колонну вращает бурильный механизм на поверхности, колонна в свою очередь вращает долото для проходки скважины. Бурильный механизм, обычно представленный верхним приводом или ротором, по существу является массивным маховиком. Бурильная колонна является гибкой конструкцией и во время бурения может закручиваться под действием крутящего момента, запасая потенциальную энергию. При достаточном ее запасе наблюдается прокручивание низа колонны (проскальзывание), т.е. наблюдается процесс перехода потенциальной энергии в кинетическую. На основании работ[1-4] Перминова Б.А., Перминова В.Б., Заикина С.Ф., Быкова И.Ю. возникающие в результате превращения энергии крутильные автоколебания бурильной колонны определяют колонну как неустойчивый объект управления. Это положение подтверждается и анализом структурной схемы бурильной колонны, из которого следует, что как объект управления колонна бурильных труб является структурно неустойчивым звеном. Отсюда следует, что процесс бурения скважины всегда сопровождается автоколебаниями бурильной колонны, что существенно уменьшает механическую скорость проходки скважины и приводит к сломам самой колонны. Наличие автоколебаний, в зависимости от осевой нагрузки, подтверждается осциллограммами, снятыми по методу вариационных измерений [1-3], приведенными на фиг. 1, а, 6, в. Здесь при различных глубинах бурения прослеживаются гармонические изменения динамического наброса крутящего момента на валу привода ротора буровой установки.
Приведенные способы оптимизации процесса бурения не позволяют эффективно демпфировать автоколебания бурильной колонны, сопряжены со сложностями скважинных измерений, а управление с использованием моделирования не выдерживает критики, так как невозможно создать модель структурно неустойчивого объекта управления.
Задачей изобретения является устранение недостатков при демпфировании автоколебаний бурильной колонны в процессе бурения и предложение дешевого и разумного способа и системы регулирования автоколебаний в оборудовании для бурения, при этом оборудование включает колонну бурильных труб, проходящих в скважину, образованную в земляной породе, и соответствующую систему привода бурильной колонны.
Сущность изобретения.
Автоколебания бурильной колонны в процессе углубления скважины регулируются посредством гармонического изменения мощности двигателя привода ротора с частотой, равной частоте изменения динамического наброса крутящего момента на валу привода, и фазой, сдвинутой на угол 180° по отношению к частоте изменения наброса крутящего момента.
Действительно, наброс крутящего момента на валу привода ротора буровой установки определяется [1-3] как отношение приращения мощности двигателя привода к приращению угловой скорости вращения вала
где ΔM - наброс крутящего момента, Нм;
ΔР - приращение мощности двигателя привода ротора, Вт;
Δω - приращение угловой скорости вращения вала, рад/с.
Согласно приведенным осциллограммам, наброс крутящего момента на выходе вариационной структуры измерения определяется гармоническим законом, т.е.
где М - амплитуда крутящего момента.
Если реализовать изменения мощности двигателя привода по гармоническому закону с той же частотой, что и наброс крутящего момента, но сдвинутой на 180°, то получим
Отсюда, угловая скорость вращения вала привода
т.е. вращение вала становится равномерным, с полным отсутствием автоколебаний.
Способ управления процессом бурения реализуется системой, измерения наброса крутящего момента [1-3], инвертирующим усилителем, регулятором мощности двигателя привода ротора.
Способ управления процессом бурения в соответствии с настоящим изобретением заключается в регулировании мощности двигателя привода ротора через оборудование для бурения по измеренному значению частоты и фазы наброса крутящего момента.
Способ управления процессом бурения в соответствии с настоящим изобретением основан на понимании того, что процесс бурения всегда сопровождается автоколебательным режимом бурильной колонны. Это приводит к динамическому набросу крутящего момента, также изменяющемуся по гармоническому закону. Если изменять мощность двигателя по тому же гармоническому закону с той же частотой, но изменив фазу на 180°, то согласно приведенному выражению (4) вращение вала привода будет устойчивым, равномерным.
Эффективной способ управления процессом бурения через буровое оборудование состоит в определении крутящего момента на валу привода ротора буровой установки, который определяется как частное от деления скорости изменения мощности двигателя привода ротора на скорость изменения угловой скорости вращения вала привода, инвертирования этого колебательного процесса и управления мощностью двигателя привода по полученному гармоническому закону со сдвигом по фазе на 180°.
Система для реализации способа управления процессом бурения, позволяющая эффективно демпфировать автоколебания бурильной колонны в соответствии с настоящим изобретением, включает колонну бурильных труб с долотом и связанную с ней систему привода, канал измерения скорости изменения мощности двигателя привода ротора, канал измерения скорости изменения угловой скорости вращения вала привода, делитель результатов измерения мощности на скорость изменения угловой скорости вращения вала привода, инвертирующий усилитель, регулятор мощности двигателя привода ротора.
Изобретение поясняется чертежом фиг. 2.
На фиг. 2 показано схематическое изображение структуры управления процессом бурения, включающей в себя непосредственно двигатель привода ротора 1, бурильную колонну с долотом 2, канал измерения мощности Р двигателя привода ротора, канал измерения угловой скорости вращения ω вала привода, блок деления 3, инвертирующий усилитель 4, регулятор мощности двигателя привода ротора 5.
Система работает следующим образом.
Двигатель привода ротора 1 сообщает бурильной колонне с долотом 2 крутящий момент М, в результате которого она приобретает угловую скорость ω. Текущие параметры мощности двигателя Р и угловой скорости вращения вала ω поступают на вход вариационной структуры измерения наброса крутящего момента [3]. С выхода вариационной структуры измерения наброса крутящего момента гармонические колебания поступают на инвертирующий усилитель 4, который изменяет фазу этих колебаний на 180°. Инвертированные колебания поступают на регулятор мощности двигателя привода ротора 5, который осуществляет противофазное управление мощностью двигателя привода ротора 1.
Литература
1. Перминов Б.А. Устройство для измерения крутящего момента на роторе буровой установки. АС СССР №1691690, 1991.
2. Перминов Б.А., Сабов В.В. Устройство для измерения крутящего момента на роторе буровой установки. АС СССР №1695157, 1991.
3. Перминов Б.А., Перминов В.Б. Устройство для измерения крутящего момента на роторе буровой установки. АС СССР №1697157, 1991.
4. Быков И.Ю., Заикин С.Ф., Перминов Б.А. Колонна бурильных труб в процессе углубления скважины как объект автоматического регулирования. // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2012. - №10. С. 13-17.
5. Быков И.Ю., Заикин С.Ф., Перминов Б.А. Оптимизация управления процессом углубления скважины. // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2012. - №10. С. 17-21.