СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ И КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА НА ЗАБОЕ СКВАЖИНЫ ДЛЯ СКВАЖИННОГО БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ БУРЕНИИ, СКВАЖИННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И КОМПЬЮТЕРНЫЙ ПРОГРАММНЫЙ ПРОДУКТ

1. Способ оценки по меньшей мере одного из скорости вращения на забое скважины и крутящего момента на забое скважины для скважинного бурового оборудования при бурении скважины в породной формации,
причем скважинное буровое оборудование содержит вращательную приводную систему, бурильную колонну, которая имеет компоновку низа бурильной колонны, содержащую буровое долото, верхний конец, соединенный с вращательной приводной системой, и регулятор скорости, выполненный с возможностью управления скоростью вращения верхнего привода путем управления крутящим моментом верхнего привода, при этом указанный способ, осуществляемый на компьютере, включает следующие этапы:
- получение компонентов матрицы перехода вычислительной модели на основе двухпортовой матрицы перехода в спектральной области для скважинного бурового оборудования,
причем вычислительная модель включает демпфирующие свойства скважинного бурового оборудования, скорость вращения на забое скважины и крутящий момент на забое скважины являются зависимыми переменными, а скорость вращения и крутящий момент верхнего привода являются независимыми переменными;
- получение скорости вращения и крутящего момента верхнего привода при бурении и
- вычисление по меньшей мере одного из скорости вращения на забое скважины и крутящего момента на забое скважины для скважинного бурового оборудования с использованием полученных компонентов матрицы перехода, скорости вращения верхнего привода и крутящего момента верхнего привода,
причем указанный этап вычисления включает:
- уменьшение ширины спектральной полосы для указанного вычисления, причем уменьшенная ширина полосы выбрана таким образом, что она включает в указанном вычислении ограниченное количество спектральных мод более высокого порядка,
- применение, в спектральной области, времени задержки к указанному вычислению, причем время задержки выбрано таким образом, что оно обеспечивает причинно-следственное решение во временной области, и
- вычисление по меньшей мере одного из скорости вращения на забое скважины и крутящего момента на забое скважины для скважинного бурового оборудования с использованием примененных уменьшенной ширины спектральной полосы и добавленного времени задержки.
2. Способ по п. 1, согласно которому уменьшение ширины спектральной полосы и время задержки применяют путем модификации компонентов матрицы перехода путем:
- уменьшения ширины спектральной полосы компонентов матрицы перехода, причем уменьшенная ширина полосы выбрана таким образом, что она включает ограниченное количество спектральных мод более высокого порядка в компонентах матрицы перехода,
- добавления в спектральной области временной задержки к каждому из компонентов матрицы перехода, причем время задержки выбрано таким образом, что оно обеспечивает причинно-следственное решение во временной области, и
- вычисления по меньшей мере одного из скорости вращения на забое скважины и крутящего момента на забое скважины для скважинного бурового оборудования с использованием модифицированных компонентов матрицы перехода.
3. Способ по п. 2, согласно которому по меньшей мере одно из скорости вращения на забое скважины и крутящего момента на забое скважины обеспечивают, посредством указанного компьютера, для множества различных положений вдоль длины бурильной колонны или вдоль ствола скважины путем вычисления для каждого положения функций импульсного отклика модифицированных компонентов передаточной функции матрицы перехода и путем обработки в причинно-следственной операции свертывания с использованием каждой из вычисленных функций импульсного отклика для соответствующего положения и полученных значений скорости вращения верхнего привода и крутящего момента верхнего привода, а также по меньшей мере одного из скорости вращения на забое скважины и крутящего момента на забое скважины в соответствующем положении.
4. Способ по п. 3, согласно которому по меньшей мере одно из скорости вращения на забое скважины и крутящего момента на забое скважины, обеспеченных для указанного множества положений, графически представляют при бурении на отображающем устройстве на пространственной графической диаграмме в виде функции времени и положения, в частности, на диаграмме волнового спектра скорости вращения и крутящего момента.
5. Способ по любому из пп. 2-4, согласно которому по меньшей мере одно из скорости вращения на забое скважины и крутящего момента на забое скважины во временной области вычисляют с помощью указанного компьютера в причинно-следственной операции свертывания путем обработки полученных значений скорости вращения верхнего привода и крутящего момента верхнего привода и функций импульсного отклика модифицированных компонентов матрицы перехода в течение заданного периода времени, включающего время прохождения сигнала в прямом и обратном направлениях в бурильной колонне, например периода времени, превышающего на долю время прохождения сигнала в прямом и обратном направлениях.
6. Способ по любому из предыдущих пунктов, согласно которому ширина спектральной полосы уменьшена на основании по меньшей мере одного из демпфирующих свойств и длины бурильной колонны, в частности благодаря применению фильтра Бесселя нижних частот n-го порядка, где n≥4, предпочтительно n≥10 или более предпочтительно n≥20, и сужения.
7. Способ по любому из предыдущих пунктов, согласно которому время задержки составляет по меньшей мере 1 с на 3000 м длины бурильной колонны.
8. Способ по п. 6 или 7, согласно которому время задержки дополнительно содержит часть временной задержки, представляющую временную задержку, обусловленную работой фильтра Бесселя.
9. Способ по любому из предыдущих пунктов, согласно которому скорость вращения на забое скважины и крутящий момент на забое скважины представляют собой соответственно скорость вращения долота и крутящий момент на долоте.
10. Способ по любому из предыдущих пунктов, согласно которому вычислительная модель на основе двухпортовой матрицы перехода в спектральной области для скважинного бурового оборудования содержит двухпортовую матрицу перехода в спектральной области, состоящую из единой или составной симметричной вычислительной модели бурильной колонны, эквивалентной линии передачи в спектральной области, включающей инерцию бурильной колонны, жесткость и демпфирующие свойства бурильной колонны в скважине, инерцию компоновки низа бурильной колонны и инерцию верхнего привода.
11. Способ по п. 10, согласно которому вычислительная модель на основе двухпортовой матрицы перехода в спектральной области представлена уравнением:
где:
11
12
21
22
M(s), M(s), M(s) и M(s) представляют собой ограниченные по ширине полосы частот и модифицированные по времени задержки спектральные компоненты передаточной функции матрицы перехода,
dh
ω - скорость вращения на забое,
dh
T - крутящий момент на забое,
td
ω - полученная скорость вращения верхнего привода,
ref
T - задаваемый крутящий момент верхнего привода,
задержка по времени регулятора скорости вращения, а
s - оператор преобразования Лапласа.
12. Способ по любому из предыдущих пунктов, выполняемый на компьютере, находящемся отдельно от скважинного бурового оборудования.
13. Устройство для оценки по меньшей мере одного из скорости вращения на забое скважины и крутящего момента на забое скважины для скважинного бурового оборудования при бурении скважины в породной формации,
причем скважинное буровое оборудование содержит вращательную приводную систему, бурильную колонну, которая имеет компоновку низа бурильной колонны, содержащую буровое долото, верхний конец, соединенный с вращательной приводной системой, и регулятор скорости, выполненный с возможностью управления скоростью вращения верхнего привода путем управления его крутящим моментом, при этом указанное устройство содержит управляемую компьютером систему наблюдения за операцией бурения, выполненную с возможностью:
- получения компонентов матрицы перехода вычислительной модели на основе двухпортовой матрицы перехода в спектральной области для скважинного бурового оборудования, причем вычислительная модель содержит демпфирующие свойства скважинного бурового оборудования, скорость вращения на забое скважины и крутящий момент на забое скважины являются зависимыми переменными, а скорость вращения и крутящий момент верхнего привода являются независимыми переменными;
- получения скорости вращения и крутящего момента верхнего привода при бурении и
- вычисления по меньшей мере одного из скорости вращения на забое скважины и крутящего момента на забое скважины для скважинного бурового оборудования с использованием полученных компонентов матрицы перехода, скорости вращения верхнего привода и крутящего момента верхнего привода,
причем указанное вычисление включает:
- уменьшение ширины спектральной полосы для указанного вычисления, причем уменьшенная ширина полосы выбрана таким образом, что она включает в указанном вычислении ограниченное количество спектральных мод более высокого порядка,
- применение, в спектральной области, времени задержки к указанному вычислению, причем время задержки выбрано таким образом, что оно обеспечивает причинно-следственное решение во временной области и
- вычисление по меньшей мере одного из скорости вращения на забое скважины и крутящего момента на забое скважины для скважинного бурового оборудования с использованием примененных уменьшенной ширины спектральной полосы и добавленного времени задержки.
14. Устройство по п. 13, в котором управляемая компьютером система наблюдения за операцией бурения выполнена с возможностью оценки по меньшей мере одного из скорости вращения на забое скважины и крутящего момента на забое скважины в соответствии со способом по любому из пп. 2-11.
15. Устройство по п. 13 или 14, функционально соединенное с регулятором скорости или встроенное в него для получения скорости вращения и крутящего момента верхнего привода.
16. Скважинное буровое оборудование для бурения скважины в породной формации, содержащее: вращательную приводную систему, бурильную колонну, которая имеет компоновку низа бурильной колонны, содержащую буровое долото, верхний конец, соединенный с вращательной приводной системой, регулятор скорости, выполненный с возможностью управления заданными крутящим моментом и скоростью вращательного привода верхнего конца, и устройство для оценки по меньшей мере одного из скорости вращения на забое скважины и крутящего момента на забое скважины для скважинного бурового оборудования по любому из пп. 13-15.
17. Машиночитаемый носитель, хранящий компьютерный программный код, выполненный с возможностью считывания компьютером, причем компьютерный программный код выполнен с возможностью осуществления способа по меньшей мере одному из пп. 1-12 в случае, когда указанный компьютер функционально соединен со скважинным буровым оборудованием и исполняет указанный программный код.
18. Машиночитаемый носитель по п. 17, который является некратковременным машиночитаемым носителем.