СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ И БУРОВАЯ УСТАНОВКА
PROCEDURE FOR CONTROL OF RIG OPERATION AND DRILLING RIG

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу управления работой буровой установки, в котором определяют расход потока промывочной среды буровой установки и управляют работой буровой установки на основании этого расхода потока промывочной среды.
Изобретение относится также к буровой установке, содержащей средства для подачи промывочной среды в скважину с целью удаления буровой мелочи, образующейся при бурении скважины, измерительную систему для определения расхода потока промывочной среды, который должен быть подан в скважину, и по меньшей мере один блок управления для управления работой буровой установки на основании расхода потока промывочной среды, который должен быть подан в скважину.
Уровень техники
Буровые установки и их буровые инструменты используются для бурения пород и разработки грунта, например, в подземных шахтах, карьерах и на строительных участках. В типовом случае бурение связано с выполнением четырех различных функций или секторов, именно вращения буровой штанги в пробуриваемой скважине, ударного воздействия на породу путем передачи ударов на буровую головку вибрационным устройством через хвостовик и отходящие от него буровые штанги, а также подачи бурового инструмента в пробуриваемую скважину и промывки или продувки для удаления из скважины буровых отходов, то есть буровой мелочи. При так называемом вращательном бурении используются только три сектора, поскольку при этом не производится ударное воздействие на породу путем передачи ударов вибрационным устройством через хвостовик. Кроме того, применяется так называемое бурение с погружным пневмоударником, при котором вибрационный поршень расположен в бурильной трубе на дне скважины и передает удары не на хвостовик, а непосредственно на буровую головку. Таким образом, разрушение породы осуществляется в основном ударным воздействием, а цель вращения состоит в том, чтобы обеспечить воздействие зубьев или других рабочих элементов буровой головки на дальнем конце буровой штанги на все новые точки ударного контакта с породой. Подача позволяет поддерживать достаточный контакт между головкой и породой.
Успешная промывка или продувка, то есть успешное удаление бурового шлама или буровой мелочи из пробуриваемой скважины, очень важны в аспекте эффективности бурения. Если в процессе бурения возникают проблемы в промывке, это быстро ставит под угрозу успешную проходку скважины.
В патентном документе US 6637522 описано решение по управлению работой буровой установки в процессе бурения. В описанном там решении измеряется промывочный поток и производится управление скоростью подачи и/или скоростью вращения на основании измеренного промывочного потока. Согласно примеру осуществления данного решения, когда промывочный поток снижается, подачу и/или вращение прекращают, чтобы избежать перегрузки при бурении.
В патентном документе WO 2005/064111 описано решение, задачей которого является управление мощностью промывки, по меньшей мере, частично на основании глубины разрабатываемой скважины с тем, чтобы использовать для промывки не больше мощности, чем это необходимо для данной глубины скважины. Таким образом, решение направлено на то, чтобы управлять общей мощностью, потребляемой при бурении, включая, по меньшей мере, мощность ударного действия и/или мощность вращения и мощность промывки.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании нового решения для управления работой буровой установки на основании расхода потока промывочной (продувочной) среды.
Способ по изобретению отличается тем, что работой буровой установки управляют на основании определяемого расхода потока путем воздействия на давление промывочной среды.
Буровая установка по изобретению отличается тем, что блок управления выполнен с возможностью управления работой буровой установки на основании определяемого расхода потока путем воздействия на давление промывочной среды.
Расход потока промывочной среды буровой установки определяют, а работой буровой установки управляют на основании расхода потока этой промывочной среды. Работой буровой установки управляют на основании расхода потока этой промывочной среды путем воздействия на давление промывочной среды. Согласно примеру осуществления изобретения работой буровой установки управляют путем повышения давления промывочной среды.
При управлении работой буровой установки путем воздействия на давление промывочной среды целью является устранение забивания или пробки, образующейся в системе промывочных каналов буровой установки, без воздействия на другие секторы бурения. Когда дело идет к образованию пробки в системе промывочных каналов, расход потока промывочной среды в указанной системе снижается, а задачей является устранение пробки путем повышения давления промывочной среды и поддержание расхода потока промывочной среды, по меньшей мере, на установленном для него установочном значении с продолжением нормальной операции бурения. Одновременно обеспечивается функционирование промывки и снижается напряжение, испытываемое буровым оборудованием.
Краткий перечень чертежей
Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны примеры осуществления изобретения. На чертежах:
фиг.1 схематично изображает буровую установку на виде сбоку,
фиг.2 и 3 изображают схемы системы для измерения расхода потока продувочной среды и для регулирования давления.
В целях наглядности примеры осуществления представлены на чертежах в упрощенном виде. Одни и те же элементы обозначены одинаковыми позициями.
Осуществление изобретения
На фиг.1 схематично представлена буровая установка 1. Она содержит подвижную базовую машину 2, снабженную стрелой 3, на свободном конце которой имеется направляющая балка 4. На направляющей балке 4 установлен буровой инструмент 5, который может перемещаться относительно направляющей балки 4. Буровая установка 1 со всеми своими устройствами приводится энергией от двигателя 6, расположенного на базовой машине 2, так что буровая установка 1 является автономной рабочей машиной. В типовом случае двигатель 6 является двигателем внутреннего сгорания, например дизельным двигателем. Показанная на фиг.1 буровая установка 1 содержит также компрессор 7, приводимый двигателем 6 таким образом, что сжатый воздух от компрессора 7 используется для продувки скважины с целью удаления из скважины 8 буровой мелочи, то есть обломков выбуренной породы. В этом случае сжатый воздух, который используется в качестве промывочной или, в данном примере, продувочной среды, подается через систему продувочных (промывочных) каналов от компрессора 7 через штангу 10 бурового инструмента в скважину 8 и вытесняет буровую мелочь, выбуренную в породе, из скважины 8. Система продувочных каналов содержит продувочную линию 9, проходящую от компрессора 7 к буровому инструменту 5, и внутри бурового инструмента 5 продувочные каналы, проходящие через хвостовик, буровую штангу и буровую головку, которые в целях наглядности на фиг.1 не показаны, поскольку их базовая конструкция и принцип действия очевидны для специалистов в данной области. Из устья скважины 8 буровая мелочь всасывается через рукава коллекторной системы к пылеотделителю 11. Базовая конструкция и принцип работы буровой установки 1 и бурового инструмента 5 известны как таковые специалистам в данной области, так что здесь подробно не описываются.
При бурении твердой породы необходимость в продувке не слишком велика. В то же время при бурении мягкой породы, особенно при бурении скважин большого диаметра, продувка крайне необходима, а количество удаляемой буровой мелочи значительно. Это означает, что существует риск забивания системы продувочных каналов. В дополнение к характеру породы и размеру скважины необходимость в продувке определяется, например, типом буровой штанги и буровой головки, а также глубиной пробуриваемой скважины.
3
На фиг.2 и 3 показаны схемы технического обеспечения решения по изобретению. На фиг.2 показана измерительная система 12, сообщающаяся с продувочной линией 9 буровой установки 1 для измерения расхода FLOW потока продувочной среды в системе продувочных каналов. В примере осуществления по фиг.1 этим расходом потока является удельный объемный расход сжатого воздуха. Вместо продувочной линии 9 эта измерительная система может быть расположена в системе продувочных каналов другим образом. Измерительная система 12 для измерения расхода потока продувочной среды может содержать, например, измерительное устройство на основе трубки Вентури, служащей для измерения разности давлений, возникающей на трубке Вентури, известным образом. Измерительная система 12 может быть реализована самыми различными путями, чтобы тем или иным образом обеспечивать возможность измерения расхода FLOW потока продувочной среды в системе продувочных каналов или пропорциональных ему значений. Вместо использования трубки Вентури для измерения расхода потока продувочной среды может использоваться измерение разности давлений в любых двух различных точках системы продувочных каналов. Так, расход потока продувочной среды может определяться, например, на основании разности давлений, действующих на противоположные стороны клапана регулировки направления, или на основании разности давлений на крайних концах системы продувочных каналов. В типовом случае расход потока продувочной среды измеряется в м/мин. Информация расхода FLOW, описывающая расход потока продувочной среды, передается в блок 13 управления, который может быть блоком управления, управляющим только продувкой, или блоком управления, управляющим работой всей буровой установки 1. Кроме того, расход потока продувочной среды может отображаться для пользователя графически или в качестве числовых значений на пользовательском интерфейсе буровой установки 1.
LIMIT1
LIMIT1
Расход FLOW потока продувочной среды, измеренный в системе продувочных каналов, сравнивают с первым предельным значением FLOW, установленным для расхода потока продувочной среды. Когда расход FLOW потока продувочной среды, проходящей в системе продувочных каналов, падает ниже этого первого предельного значения FLOW, это интерпретируется как образование пробки в системе продувочных каналов. В этом случае блок 13 управления посылает управляющее сообщение CTRL, в примере осуществления по фиг.2, на клапан 15 регулирования давления, включенный в систему продувочных каналов и расположенный между компрессором 7 и клапаном 14 регулировки направления, для того, чтобы повысить управляющее значение для клапана и повысить давление p_FLOW продувочной среды, текущей в системе продувочных каналов, с тем, чтобы подавать продувочную среду под более высоким давлением для устранения пробки, которая предположительно формируется в системе продувочных каналов.
SET
MAX
Клапан 15 регулирования давления используется для установки желаемого давления компрессора 7. Клапан 15 регулирования давления может быть, например, бесступенчато регулируемым клапаном с электроуправлением или же может состоять из нескольких клапанов регулирования давления, предварительно установленных на различные значения давления. Естественно, что пробка в системе продувочных каналов сама по себе повышает давление продувочной среды, однако согласно данному решению давление продувочной среды повышается до уровня, значительно превосходящего уровень такого повышения давления. Давление p_FLOW продувочной среды может быть повышено, например, настолько, что расход FLOW потока продувочной среды повышается, как это показано на фиг.3, до уровня, соответствующего исходному установочному значению FLOW расхода потока продувочной среды или до максимального допустимого значения p_FLOW давления продувочной среды.
Пользовательский интерфейс буровой установки 1 может в графическом виде или в качестве числовых значений непрерывно показывать действительный мгновенный расход потока продувочной среды, а также упомянутые предельные значения, что позволяет пользователю осуществлять мониторинг процессов бурения. Дополнительно пользовательский интерфейс может быть снабжен элементом управления или подобным устройством для обеспечения возможности для пользователя в любой момент влиять на эти предельные значения.
SET
Таким образом, согласно данному решению целью является поддержание продувочного потока, по меньшей мере, на установочном значении для обеспечения функционирования процесса продувки. Когда дело идет к образованию пробки в системе продувочных каналов, что на практике наиболее типично для продувочных каналов буровой головки, расход продувочной среды в системе продувочных каналов снижается. В этом случае систему продувочных каналов удерживают открытой путем повышения давления продувочной среды. Таким образом, целью является возврат расхода FLOW потока продувочной среды, по меньшей мере, к установленному для него установочному значению FLOW и тем самым предотвращение забивания системы продувочных каналов с одновременным поддержанием нормального процесса бурения. Данное решение по изобретению позволяет простым образом предотвращать забивание продувочной системы во время бурения.
Вместо использования клапана 15 регулирования давления давление продувочной среды может быть повышено также путем изменения скорости вращения ротора компрессора 7. В этом случае, например, блок 13 управления посылает на компрессор 7 управляющее сообщение на повышение скорости вращения ротора, что вызывает увеличение объемного потока воздуха и, соответственно, повышение давления.
Кроме того, давление продувочной среды может регулироваться путем регулировки забора воздуха компрессором. Так, например, при подсоединении установочного сервоэлемента к золотнику, перемещающему диск клапана всасывания, может обеспечиваться воздействие на выходное давление компрессора путем закрытия или открытия клапана всасывания.
LIMIT1
Вместо повышения давления продувочной среды только после того, как расход FLOW потока продувочной среды падает ниже первого предельного значения FLOW, давление может быть повышено незамедлительно, как только расход потока продувочной среды начинает снижаться. В каждом случае повышение давления продувочной среды может осуществляться либо ступенчато, либо пропорционально снижению расхода потока продувочной среды.
LIMIT2
LIMIT2
На тот случай, если повышение давления p_FLOW продувочной среды не приводит к успешному возврату расхода FLOW потока продувочной среды к норме, и он продолжает снижаться, в систему может быть введено второе предельное значение FLOW расхода FLOW потока продувочной среды. При этом в том случае, когда расход FLOW потока продувочной среды падает ниже этого второго предельного значения FLOW, функция подачи при проходке скважины в буровой установке перестает выполняться по команде блока 13 управления, так что прекращается дальнейшее бурение и образование буровой мелочи. При необходимости буровое оборудование также под управлением блока 13 управления может быть подано назад в скважине 8 для возврата потока продувочной среды.
LIMIT1
LIMIT1
LIMIT1
Взамен или дополнительно к расходу FLOW потока продувочной среды возможен мониторинг скорости dFLOW изменения расхода FLOW потока продувочной среды. Это позволяет очень быстро заметить любую пробку в продувке, на практике в типовом случае в буровой головке, на основании резкого изменения расхода FLOW потока продувочной среды еще до того, как измеряемый расход FLOW потока упадет ниже первого предельного значения FLOW. Скорость dFLOW изменения расхода FLOW потока продувочной среды может определяться, например, в блоке 13 управления, например, на основе разности двух или более последовательных измерений расхода FLOW потока продувочной среды. Это значение скорости dFLOW изменения сравнивается с первым предельным значением dFLOW, установленным для скорости изменения расхода потока продувочной среды. Когда скорость dFLOW изменения расхода FLOW потока продувочной среды превышает это первое предельное значение dFLOW, это интерпретируется как образование пробки в продувке. В этом случае блок 13 управления управляет клапаном 15 регулирования давления в системе продувочных каналов так, чтобы повысить давление p_FLOW.
LIMIT2
Таким же образом, как это используется в отношении расхода потока продувочной среды, может быть определено также второе предельное значение dFLOW для скорости изменения расхода потока продувочной среды. При этом, когда скорость изменения превышает это предельное значение, останавливается функция подачи при проходке скважины в буровой установке по команде блока 13 управления, так что прекращается дальнейшее бурение и образование буровой мелочи. При необходимости буровое оборудование, также управляемое блоком 13 управления, может быть подано назад в скважине 8 для возврата потока продувочной среды.
SET
SET
SET
Далее, блок 13 управления может содержать средства, такие как элемент сравнения, для сравнения расхода FLOW потока продувочной среды с соответствующим установочным значением FLOW. В этом случае после удаления пробки и после того, как расход FLOW потока продувочной среды вернется к соответствующему установочному значению FLOW, блок 13 управления может дать команду на возврат давления p_FLOW продувочной среды к установочному значению p_FLOW давления продувочной среды, действующему в нормальном режиме бурения.
Для того чтобы содействовать возврату потока продувочной среды, может быть также использовано следующее решение. Когда подача при бурении скважины прерывается или одновременно с тем, когда буровое оборудование вытягивается назад в пробуриваемой скважине, используется вибрационное устройство для ударного воздействия на буровое оборудование и возбуждения в нем вибрации. Целью этой вибрации является способствование освобождению от буровой мелочи, застрявшей в системе продувочных каналов. При этом вибрационное устройство используется для передачи вибрации на хвостовик бурового инструмента. Для того чтобы расстояние между хвостовиком и вибрационным устройством во время обратного вытягивания бурового оборудования не было слишком большим, что препятствовало бы эффективной передаче вибрации на хвостовик, может быть предусмотрен тяговый элемент, такой как тяговый поршень, связанный с хвостовиком. Тяговый элемент сохраняет оптимальное расстояние между вибрационным устройством и хвостовиком, так что вибрационное устройство может эффективно передавать удары на хвостовик и создавать значительную вибрацию в буровом оборудовании для того, чтобы способствовать удалению буровой мелочи.
Таким образом, буровая установка 1 может содержать один или несколько блоков 13 управления, так что этот блок 13 управления может управлять работой всей буровой установки, или же каждый функциональный сектор бурения может управляться собственным блоком управления. Блок управления может представлять собой, например, устройство, содержащее микропроцессор и/или процессор сигналов, а также, возможно, внешнюю память для выполнения необходимых вычислений и операций сравнения с помощью заложенных в них программных средств. Блок управления может также представлять собой устройство, содержащее только различные электронные схемы и оснащенное необходимыми элементами для определения разности между двумя или более количественными значениями, например, для определения скорости изменения расхода потока продувочной среды и для сравнения установленного расхода потока или скорости изменения расхода потока с соответствующими предельными значениями, которые могут быть установлены пользователем буровой установки 1. Общая структура и принцип действия таких блоков управления и устройств как таковых известны специалистам в данной области.
Знание расхода FLOW потока продувочной среды может также использоваться для автоматической калибровки мониторинга продувки. Основной целью калибровки является установление потерь, вызываемых буровым оборудованием, то есть хвостовиком, буровой штангой и буровой головкой. Другими словами, целью является определение расхода потока продувочной среды через буровое оборудование, когда система продувочных каналов полностью открыта. При калибровке результаты измерений, обеспечиваемые измерительной системой 12, которая измеряет расход потока продувочной среды, определяют как при реальном нулевом потоке, то есть без подачи какого-либо продувочного потока, так и при реальном максимальном потоке. Однако в дополнение к этим двум точкам измерения при калибровке могут использоваться также и другие точки измерения. Полученные таким образом результаты измерений могут передаваться непосредственно в блок, реализующий мониторинг продувки, для того, чтобы учитывать мелкие операционные отклонения, которые могут иметь место, например, вследствие допусков на изготовление в устройствах измерительной системы, измеряющей расход потока продувочной среды. Такая автоматическая калибровка может применяться как при заводской калибровке, так и на месте бурения. При заводской калибровке изменения, вызываемые различным буровым оборудованием, могут учитываться в результатах измерений расхода потока продувочной среды. В свою очередь, калибровка на месте бурения может выполняться в любое время для того, чтобы компенсировать дрейф показаний, появляющийся в измерительных устройствах с течением времени, или для того, чтобы учитывать возможное влияние условий бурения на процесс бурения или изменения в измерениях расхода потока продувочной среды за счет изменений в буровом оборудовании, например, при замене буровой головки.
На чертежах показано решение применительно к буровой установке, в которой в качестве продувочной (промывочной) среды используется сжатый воздух, обеспечиваемый компрессором 7 или другим устройством подачи воздуха под давлением. Однако данное решение может также использоваться в буровых установках, в которых в качестве промывочной среды используется текучая среда под давлением. Такой средой может быть, например, вода, смесь воды с воздухом или смесь воды с химическим веществом. Когда в качестве промывочной среды используется текучая среда под давлением, компрессор заменяется насосом или подобным устройством, которое получает мощность от двигателя 6 прямым или косвенным образом и подает промывочную среду через систему промывочных каналов к буровому инструменту 5 и далее через штангу 10 бурового инструмента 5 в скважину 8, так что эта промывочная среда вытесняет из скважины 8 буровую мелочь разработанной породы. В этом случае буровая установка, естественно, должна быть снабжена специальным резервуаром или соединительным устройством для подачи промывочной среды к буровой установке. Далее, давление промывочной среды может повышаться, по существу, таким же образом, как это описано применительно к представленному примеру осуществления. Однако при этом, как это очевидно для специалистов в данной области, следует учитывать разницу в работе компрессора и насоса, а также другие изменения, связанные с заменой воздуха текучей средой в качестве промывочной среды.
В некоторых случаях особенности или признаки решения по данной заявке могут использоваться как таковые независимо от других признаков. С другой стороны, при необходимости эти признаки могут комбинироваться для получения различных комбинаций.
Чертежи и приведенное описание предназначены исключительно для иллюстрации изобретательской идеи. При осуществлении изобретения возможны различные модификации в пределах объема защиты, определяемого пунктами формулы изобретения.