РЕЖИМ АВТОМАТИЧЕСКОГО БУРЕНИЯ С ПОСТОЯННЫМ ПАРАМЕТРОМ С УПРАВЛЕНИЕМ ПО ПРОИЗВОДНОЙ ДАВЛЕНИЯ
AUTOMATIC DRILLING PRACTICE WITH CONSTANT PARAMETER OF CONTROL OF PRESSURE DERIVATIVE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится, в общем, к установкам подземного бурения и способам управления подземным бурением. Конкретнее, настоящее изобретение относится к установкам подземного бурения для использования в горизонтально-наклонном бурении и усовершенствованным способу и устройству для создания режима автоматического управления бурением с использованием производной давления.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Линии инженерных коммуникаций воды, электричества, газа, телефона и кабельного телевидения часто прокладывают под землей по соображениям безопасности и эстетического характера и другим причинам. В некоторых случаях подземные инженерные коммуникации укладывают в траншею, которую затем закапывают. Отрывка траншей, вместе с тем, может являться затратной по времени и обуславливать существенные повреждения существующих структур или дорог. Вследствие этого, горизонтально-наклонное бурение часто используют для исключения указанных недостатков.
Обычная установка горизонтально-наклонного бурения включает в себя раму, на которой установлен механизм привода вращения. Механизм привода вращения можно перемещать со скольжением вдоль продольной осевой линии рамы для вращения бурильной колонны вокруг продольной осевой линии, со скольжением, при этом вдоль рамы для продвижения бурильной колонны в грунт или извлечения ее из грунта. Бурильная колонна содержит одну или несколько бурильных штанг, скрепленных вместе в колонну.
Бурильный инструмент устанавливают на передний конец бурильной колонны, то есть конец, дальний от установки горизонтально-наклонного бурения. Более конкретно, буровое долото используют, когда продвигают бурильную колонну в грунт. С другой стороны, обратное расхаживание используют для увеличения пробуренной скважины, когда бурильную колонну извлекают после проходки скважины. Бурильные инструменты могут включать в себя различные режущие устройства для грунта, оптимизированные для конкретных пород. Примеры включают в режущие кромки, срезающие грунт и элементы сжатия, концентрирующие продольное усилие от бурильной колонны на ограниченной площади для растрескивания грунта при бурении в условиях скальной породы.
Буровые установки могут включать в себя органы управления, позволяющие оператору управлять как вращением, так и продольным перемещением, продольным перемещением, связанным с осевым напором. Оптимальная настройка вращения и перемещения осевого напора зависит от различных факторов, таких как грунтовые условия, породы и типы бурильного инструмента. Процесс бурения, в общем, требует поддержания устойчивого давления осевого напора и контроля скорости при низком осевом напоре. Во многих системах программное обеспечение использует корректируемые уставки давления вращения и осевого напора. Если либо давление осевого напора или давление вращения превышает свою уставку, тогда скорость осевого напора/отхода можно вручную уменьшить, управляя давлением, превысившим свою уставку. Это требует от оператора постоянного осуществления мониторинга уставок давления и их корректировки при изменении условий бурения. Поэтому в технике существует необходимость создания способа и устройства для автоматизации участков бурильной операции.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение включает в себя способ и устройство для использования в установке горизонтально-наклонного бурения. Предпочтительным способом, которым настоящее изобретение можно реализовать, является использование контроллера для управления производительностью гидравлического насоса (насосов) установки горизонтально-наклонного бурения. Изобретение дает оператору автоматизированное (например, автоматическое) управление функциями осевого напора/отхода и вращения. Функцию управления по производной давления используют для мониторинга давлений осевого напора/отхода вращения с обеспечением их естественного изменения при изменении условий бурения.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения оператор может выбрать один из трех режимов бурения с постоянным параметром: постоянной скорости осевого напора, постоянного давления вращения (крутящего момента) и постоянного давления осевого напора. В режиме постоянной скорости осевого напора функция автоматического бурения управляет скоростью вращения бурильной колонны посредством установки постоянного значения сигнала подачи осевого напора. В режиме постоянного давления вращения функция автоматического бурения управляет производительностью насоса осевого напора на основании сигналов обратной связи давления вращения. В режиме постоянного давления напора функция автоматического бурения управляет производительностью насоса осевого напора на основании сигналов обратной связи давления осевого напора. При работе в режиме постоянного давления напора осуществляют мониторинг осевого напора/отхода и давления вращения посредством функции управления по производной. Когда давления поднимаются/падают в естественных условиях бурения, следуют уставки предела фактического давления. Если любое из давлений изменяется слишком быстро, тогда соответствующую уставку предела давления поддерживают на предшествующем «нормальном» значении для уменьшения скорости напора/отхода, таким образом, управляя подъемом давления. Данная функция управления по производной должна оставаться действующей, пока ограниченное давление возвращается к «нормальному» значению, на которое было установлено.
Настоящее изобретение обеспечивает сохранение постоянным сигнала подачи осевого напора (скорости осевого напора), пока не происходит конкретное событие давления. Контроллер постоянно, и/или в периодических временных интервалах, сравнивает присутствующее давление осевого напора сигнала обратной связи с предшествующим давлением осевого напора сигнала обратной связи, соответствующим более раннему интервалу времени (например, 250 мсек). По этому сравнению определяют скорость изменения давлений осевого напора. Если расчетная производная меньше допустимой производной, тогда дают возможность увеличения давления осевого напора. Например, в операции извлечения бурильной колонны, где может быть необходима постоянная скорость перемешивания, можно выбрать режим постоянной скорости вращения. Вместе с тем, когда нагрузка увеличивается в результате прихватывания выбуренного грунта и/или измененения грунтовых условий, тогда давление осевого напора должно автоматически подниматься без уменьшения в скорости осевого напора/отхода.
Если, с другой стороны, расчетная производная больше допустимой производной, тогда через 200 мсек выполняют другое измерение давления осевого напора по обратной связи. Если давление больше последнего измерения давления в момент времени (-200 мсек), тогда предел давления осевого напора (обычно при 100%) устанавливают на предел давления осевого напора в момент времени - 450 мсек и сигнал производительности насоса осевого напора уменьшают. По существу это глушит насос осевого напора.
Если расчетная производная больше допустимой производной, как описано выше, тогда в момент времени 200 мсек выполняют другое измерение давления осевого напора по обратной связи. Если это давление меньше давления измерения, выполненного в момент времени - 200 мсек ранее, тогда предел давления осевого напора должен остаться на 100%.
Если давление осевого напора закрепляют, поскольку производная была больше допустимой, и в случае, если давление не могут уменьшить (увеличение в твердой породе), тогда оператор может использовать переключатель приращения/отрицательного приращения для подъема исходного давления осевого напора до упомянутого давления.
Некоторые варианты осуществления изобретения касаются системы горизонтально-наклонного бурения, имеющей один или несколько режимов автоматического бурения. Система горизонтально-наклонного бурения может содержать бурильную трубу, выполненную с возможностью скрепления с бурильным инструментом, насос осевого напора, выполненный с возможностью линейного продвижения бурильной трубы, насос вращения, выполненный с возможностью вращения бурильной трубы, один или несколько датчиков давления для измерения давления рабочей жидкости гидросистемы и контроллер, соединенный с насосом осевого напора и датчиком давления и выполненный с возможностью исполнения программных команд, сохраняющихся в запоминающем устройстве, обуславливающих выполнение операций бурения системой горизонтально-наклонного бурения в режиме с постоянным параметром, в котором производительность поддерживают на постоянном уровне, сравнивают измерения давления рабочей жидкости гидросистемы с переменным пределом давления, когда система горизонтально-наклонного бурения работает в режиме с постоянным параметром, рассчитывают значения производной измерений давления рабочей жидкости гидросистемы и сравнивают значения производной с порогом производной, уменьшают переменный предел давления, если значение производной превышает порог производной, при этом величина уменьшения переменного предела давления основана на одном или нескольких измерениях давления рабочей жидкости гидросистемы, и уменьшают производительность насоса осевого напора, когда сравнение измерений давления рабочей жидкости гидросистемы с переменным пределом давления указывает, что одно или несколько измерений давления рабочей жидкости гидросистемы превышают переменный предел давления.
В некоторых вариантах осуществления системы горизонтально-наклонного бурения изобретения контроллер дополнительно выполнен с возможностью сохранения измерений давления рабочей жидкости гидросистемы в запоминающем устройстве и уменьшения переменного предела давления на значение, близкое или равное значению давления рабочей жидкости гидросистемы, которое было измерено и сохраненно до превышения значением производной порога производной, при этом запуская уменьшение переменного предела давления.
В некоторых вариантах осуществления системы горизонтально-наклонного бурения изобретения значение, до которого уменьшают переменный предел давления, равно последнему измерению давления рабочей жидкости гидросистемы из измерений давления рабочей жидкости гидросистемы, выполненных одним или несколькими датчиками давления до превышения значением производной порога производной, при этом запуская уменьшение переменного предела давления.
В некоторых вариантах осуществления системы горизонтально-наклонного бурения изобретения контроллер дополнительно выполнен с возможностью увеличения переменного предела давления, когда одно или несколько измерений давления рабочей жидкости гидросистемы меньше переменного предела давления.
В некоторых вариантах осуществления системы горизонтально-наклонного бурения изобретения контроллер дополнительно выполнен с возможностью инициирования временного интервала, если значение производной превышает порог производной, расчета дополнительного значения производной измерений давления рабочей жидкости гидросистемы, основанного на одном или нескольких измерениях давления рабочей жидкости гидросистемы, выполненных по окончании временного интервала, сравнения значения дополнительной производной с порогом производной и уменьшения переменного предела давления, если значение дополнительной производной превышает порог производной.
Некоторые варианты осуществления системы горизонтально-наклонного бурения изобретения могут дополнительно содержать интерфейс пользователя, при этом контроллер дополнительно выполнен с возможностью увеличения переменного предела давления на основании информации, принятой от интерфейса пользователя.
В некоторых вариантах осуществления системы горизонтально-наклонного бурения изобретения, по меньшей мере, один из одного или нескольких датчиков давления выполнен с возможностью измерения давления рабочей жидкости гидросистемы насоса вращения, при этом расчет значения производной измерений давления рабочей жидкости гидросистемы основан на измерениях давления рабочей жидкости гидросистемы, выполненных на насосе вращения.
В некоторых вариантах осуществления системы горизонтально-наклонного бурения изобретения, по меньшей мере, один из одного или нескольких датчиков давления выполнен с возможностью измерения давления рабочей жидкости гидросистемы насоса осевого напора, при этом расчет значения производной измерений давления рабочей жидкости гидросистемы основан на измерениях давления рабочей жидкости гидросистемы, выполненных на насосе осевого напора.
В некоторых вариантах осуществления системы горизонтально-наклонного бурения изобретения, первый датчик давления из одного или нескольких датчиков давления выполнен с возможностью измерения давления рабочей жидкости гидросистемы насоса вращения, второй датчик давления из одного или нескольких датчиков давления выполнен с возможностью измерения давления рабочей жидкости гидросистемы насоса осевого напора, при этом уменьшение переменного предела давления основано на одном или нескольких значениях производной, рассчитанной по измерениям давления рабочей жидкости гидросистемы, выполненным первым датчиком давления и/или вторым датчиком давления.
В некоторых вариантах осуществления системы горизонтально-наклонного бурения изобретения контроллер дополнительно выполнен с возможностью уменьшения переменного предела давления к значению, имеющему пропорциональное соотношение с одним из измерений давления рабочей жидкости гидросистемы, выполненным одним из датчиков давления до того, как значение производной превысило порог производной, при этом запуская уменьшение переменного предела давления.
В некоторых вариантах осуществления системы горизонтально-наклонного бурения изобретения контроллер выполнен с возможностью поддержания постоянного давления напора в режиме с постоянным параметром и значение производной расчитывают по давлению рабочей жидкости гидросистемы насоса вращения, обнаруженному одним или несколькими датчиками давления.
В некоторых вариантах осуществления системы горизонтально-наклонного бурения изобретения контроллер выполнен с возможностью поддержания постоянного давления вращения насоса вращения в режиме с постоянным параметром, при этом значение производной рассчитывается по давлению рабочей жидкости гидросистемы насоса осевого напора, обнаруженному одним или несколькими датчиками давления.
Некоторые варианты осуществления способа изобретения касаются горизонтально-наклонного бурения в режиме автоматического бурения. Такие варианты осуществления способа могут включать в себя поддержание параметра постоянной подачи при выполнении бурильной операции с использованием установки горизонтально-наклонного бурения, имеющей насос осевого напора, выполнение измерений давления рабочей жидкости гидросистемы от одного или нескольких насосов установки горизонтально-наклонного бурения, сравнение измерений давления рабочей жидкости гидросистемы с переменным пределом давления, расчет значения производной с использованием выполненных измерений давления рабочей жидкости гидросистемы, сравнение значения производной с порогом производной, уменьшение переменного предела давления, когда значение производной превышает порог производной, при этом количество уменьшения переменного предела давления основано на одном или нескольких измерениях давления рабочей жидкости гидросистемы, и уменьшение производительности насоса осевого напора, когда сравнение измерений давления рабочей жидкости гидросистемы с переменным пределом давления указывает, что одно или несколько измерений давления рабочей жидкости гидросистемы превышают переменный предел давления.
В некоторых вариантах осуществления способа горизонтально-наклонного бурения изобретения измерения давления рабочей жидкости гидросистемы сохраняют в запоминающем устройстве, при этом значение, до которого уменьшают переменный предел давления, когда значение производной превышает порог производной, является близким или равным сохраненному измерению давления рабочей жидкости гидросистемы, выполненному до того, как сравнение значения производной с порогом производной показало, что значение производной превышает порог производной, при этом запуская уменьшение переменного предела давления.
В некоторых вариантах осуществления способа горизонтально-наклонного бурения изобретения значение, до которого уменьшают переменный предел давления, равно одному из измерений давления рабочей жидкости гидросистемы, выполненному до того, как сравнение значения производной с порогом производной показало, что значение производной превышает порог производной, при этом запуская уменьшение переменного предела давления.
Некоторые варианты осуществления способа горизонтально-наклонного бурения изобретения дополнительно включают в себя увеличение переменного предела давления, когда одно или несколько измерений давления рабочей жидкости гидросистемы меньше переменного предела давления.
Некоторые варианты осуществления способа горизонтально-наклонного бурения изобретения дополнительно включают в себя инициирование временного интервала, когда значение производной превышает порог производной, расчет дополнительного значения производной с использованием измерения давления рабочей жидкости гидросистемы, выполняемого по окончании временного интервала, сравнение значения дополнительной производной с порогом производной и уменьшение переменного предела давления, если дополнительная производная превышает порог производной.
Некоторые варианты осуществления способа горизонтально-наклонного бурения изобретения дополнительно включают в себя увеличение переменного предела давления на основе ввода пользователя.
В некоторых вариантах осуществления способа горизонтально-наклонного бурения изобретения один или несколько насосов, по которым выполняют измерения давления рабочей жидкости гидросистемы, являются насосами вращения установки горизонтально-наклонного бурения.
В некоторых вариантах осуществления способа горизонтально-наклонного бурения изобретения один или несколько насосов, по которым выполняют измерения давления рабочей жидкости гидросистемы, являются насосами осевого напора установки горизонтально-наклонного бурения.
В некоторых вариантах осуществления способа горизонтально-наклонного бурения изобретения один или несколько насосов, по которым выполняют измерения давления рабочей жидкости гидросистемы, являются насосом осевого напора и насосом вращения установки горизонтально-наклонного бурения, при этом уменьшение переменного предела давления основано на одном или нескольких значениях производной, рассчитанных по измерениям давления текучей среды, выполненным по насосу осевого напора и/или насосу вращения.
В некоторых вариантах осуществления способа горизонтально-наклонного бурения изобретения уменьшение переменного предела давления дополнительно содержит уменьшение переменного предела давления к значению, имеющему пропорциональное соотношение с одним или несколькими измерениями давления рабочей жидкости гидросистемы, выполненными до того, как сравнение значения производной с порогом производной запустило уменьшение переменного предела давления.
В некоторых вариантах осуществления способа горизонтально-наклонного бурения изобретения поддержание параметра постоянной подачи дополнительно содержит корректировку соответствующей производительности насоса осевого напора и насоса вращения для поддержания постоянного линейного продвижения бурильной трубы и при этом значение производной рассчитывают по измерению (измерениям) давления рабочей жидкости гидросистемы, выполненным по насосу вращения и/или насосу осевого напора.
В некоторых вариантах осуществления способа горизонтально-наклонного бурения изобретения поддержание постоянной производительности дополнительно содержит корректировку подачи насоса осевого напора для поддержания постоянного давления напора, и измерения давления рабочей жидкости гидросистемы выполняют по насосу вращения.
В некоторых вариантах осуществления способа горизонтально-наклонного бурения изобретения поддержание параметра постоянной подачи дополнительно содержит корректировку производительности насоса осевого напора для поддержания постоянного давления вращения, и измерения давления рабочей жидкости гидросистемы выполняют по насосу осевого напора.
Некоторые варианты осуществления изобретения касаются системы горизонтально-наклонного бурения, выполненной с возможностью работы в режиме автоматического бурения. Такая система горизонтально-наклонного бурения может содержать средство поддержания постоянной производительности при выполнении бурильной операции с использованием установки горизонтально-наклонного бурения, имеющей насос осевого напора, средство выполнения измерений давления рабочей жидкости гидросистемы от одного или нескольких насосов установки горизонтально-наклонного бурения, средство сравнения измерений давления рабочей жидкости гидросистемы с переменным пределом давления, средство расчета значения производной с использованием выполненных измерений давления рабочей жидкости гидросистемы, средство сравнения значения производной с порогом производной, средство уменьшения переменного предела давления, когда значение производной превышает порог производной, причем величина уменьшения переменного предела основана на одном или нескольких измерениях давления рабочей жидкости гидросистемы, и средство уменьшения производительности насоса осевого напора, когда сравнение измерения давления рабочей жидкости гидросистемы с переменным пределом давления указывает, что одно или несколько измерений давления рабочей жидкости гидросистемы превышают переменный предел давления.
В некоторых вариантах осуществления системы горизонтально-наклонного бурения изобретения значение уменьшения переменного предела давления, когда значение производной превышает порог производной, равно одному из измерений давления рабочей жидкости гидросистемы, полученному до того, как сравнение значения производной с порогом производной указало, что значение производной превышает порог производной, при этом запуская уменьшение переменного предела давления.
Хотя изобретение должно быть описано для предпочтительных вариантов осуществления, понятно, что изобретение не следует воспринимать ограниченным такими конфигурациями или компонентами, описанными в данном документе.
Также, хотя в данном документе описаны конкретные типы переключателей, контроллеров, устройств ввода оператора, гидравлических насосов и двигателей, ясно, что такие конкретные механизмы не следует воспринимать как ограничивающие. Вместо этого, принципы данного изобретения распространяются на любое оборудование, в котором необходимо автоматическое поддержание различных состояний бурения. Эти и другие изменения изобретения должны стать ясными специалистам в данной области техники после рассмотрения подробного описания изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи, входящие в состав данного документа, составляют часть подробного описания, показывают ряд аспектов изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения. Ниже приведено краткое описание чертежей.
На фиг.1 показана установка горизонтально-наклонного бурения.
На фиг.2 показана станция управления оператора установки горизонтально-наклонного бурения согласно принципам настоящего изобретения.
На фиг.3 показана рукоятка управления станции управления оператора фиг.2.
На фиг.4 показаны метки, идентифицирующие функции органов управления, находящихся на рукоятке управления фиг.3.
На фиг.5 показаны органы управления, находящиеся на правой стороне станции управления оператора фиг.2.
На фиг.6 показан дисплей согласно принципам настоящего изобретения.
На фиг.7 показаны скорость нарастания вращения и осевого напора при возобновлении процесса бурения.
На фиг.8 показана блок-схема последовательности операций способа возобновления автоматического управления функциями бурения.
На фиг.9a и 9b показаны блок-схемы последовательности операций варианта осуществления, реализующего давление вращения с постоянной скоростью с управлением по производной.
На фиг.10 показан график, иллюстрирующий пример работы давления вращения, предела давления вращения для управления осевым напором, % производительности насоса осевого напора и % производительности насоса вращения в режиме постоянной скорости с управлением по производной давления вращения.
На фиг.11a и 11b показана блок-схема последовательности операций варианта осуществления, реализующего режим постоянной скорости с управлением по производной давления осевого напора.
На фиг.12 показан график, иллюстрирующий пример режима давления постоянной скорости.
На фиг.13 показана блок-схема последовательности операций варианта осуществления, реализующего режим постоянной скорости с управлением по производной давления осевого напора.
Подробное описание предпочтительного варианта осуществления
Рассмотрение и иллюстрации, приведенные в данном документе, представлены в формате примера, при этом выбранные варианты осуществления описаны и проиллюстрированы для представления различных аспектов настоящего изобретения. Системы, устройства или способы согласно настоящему изобретению могут включать в себя один или несколько признаков, структур, способов или их комбинаций, описанных в данном документе. Например, устройство или систему можно реализовать с включением в состав одного или нескольких предпочтительных признаков и/или процессов, описанных ниже. Устройство или систему, согласно настоящему изобретению, можно реализовать с включением в состав многочисленных признаков и/или аспектов, проиллюстрированных и/или рассмотренных в отдельных примерах и/или на иллюстрациях. Подразумевается, что такое устройство или система не должны обязательно включать в себя все признаки, описанные в данном документе, но могут быть реализованы с включением в себя выбранных признаков, предусматривающих полезные структуры, системы и/или выполняемые функции.
Настоящее изобретение, в общем, относится к установке подземного бурения, такой как установка горизонтально-наклонного бурения и, конкретнее, к способу и устройству управления инструментами подземного бурения с электрогидравлической системой управления. Настоящее изобретение дает оператору возможность устанавливать и/или менять по выбору режимы управляемого бурения. Как отмечается, некоторые условия бурения требуют постоянной скорости осевого напора/отхода, тогда как другие могут требовать постоянного давления осевого напора/отхода или постоянного крутящего момента инструмента. Операторы могут выбирать различные необходимые режимы бурения для использования наиболее предпочтительного режима для конкретных условий. Подробное описание настоящего изобретения должно быть отложено для выполнения краткого обзора установки горизонтально-наклонного бурения и системы управления.
Установка горизонтально-наклонного бурения
Установка 20 горизонтально-наклонного бурения, показанная на фиг.1, содержит раму 22, на которой смонтирован вращательный приводной механизм 30, перемещающийся со скольжением вдоль продольной осевой линии рамы 22. В одном варианте осуществления установка 20 включает в себя задний упор 26 и передний упор 27 для позиционирования и стабилизации установки на буровой площадке, шасси 24 для несения установки во время транспортировки между площадками работ. Бурильная колонна 18 содержит бурильный инструмент 42, контактирующий с грунтом, и одну или несколько бурильных штанг 38, передающих усилия с установки на бурильный инструмент 42. Вращательный приводной механизм 30 обычно включает в себя редуктор и шпиндель бурового станка, вращающий бурильную колонну 18 вокруг ее продольной осевой линии, предпочтительно энергию вращения дает гидравлический двигатель 216. Установка 20 также включает в себя приводной механизм 28 осевого напора, обычно включающий в себя шестерни или звездочки цепного привода для перемещения приводного механизма 28 вверх и вниз по раме 22 для продвижения бурильной колонны 18 в грунт или вытаскивания из него. Энергию осевого напора предпочтительно дает гидравлический двигатель 217. В некоторых вариантах осуществления, двигатель 36 приводит в действие гидравлические насосы 16 и 17, подающие текучую среду под давлением, подаваемую на гидравлические двигатели 216 и 217.
Гидравлические системы могут либо иметь незамкнутый контур, в котором рабочая жидкость перемещается из гидравлической емкости 14 через насосы к двигателям 216, 217 и обратно в емкость 14, или они могут быть гидростатическими, при этом рабочая жидкость находится, по существу, в замкнутом контуре, перемещаясь между насосом и двигателем. В каждой из систем насосы 16, 17 и двигатели 216, 217 устроены так, что при управлении расходом рабочей жидкости гидросистемы управляют скоростью вращения выходных валов двигателей, выведенной из расхода. Насосы являются обычно насосами переменного рабочего объема, способными осуществлять подачу с изменяемым расходом. Изменяемую подачу можно линейно регулировать электрическим током, подаваемым системой управления. Скорость вращения насосов пропорциональна расходам подачи.
Когда скорость можно регулировать, можно осуществлять мониторинг давления рабочей жидкости гидросистемы для получения, как следствие, крутящего момента, вырабатываемого двигателем, который прямо пропорционален генерируемым продольному усилию или крутящему моменту. Другие варианты осуществления являются возможными, например, в которых приводные механизмы вращения и осевого напора могут иметь отличающиеся гидравлические приводы (например, такие, как гидравлические цилиндры).
Некоторые варианты осуществления могут также включать в себя устройство циркуляции воды, подающее воду через бурильную колонну 18 в зону бурильного инструмента 42, где поток воды захватывает выбуренные частицы грунта и удаляет их из скважины. Установка горизонтально-наклонного бурения может также включать в себя приспособление для смазки различных движущихся компонентов (не показано).
На фиг.2 показан вариант станции 100 управления оператора для установки 20 горизонтально-наклонного бурения. Станция 100 управления оператора включает в себя орган 110 управления вращением и орган 130 управления осевым напором, обеспечивающие ввод данных в контроллер 150.
Приемлемыми являются многие варианты осуществления органов 110 и 130 управления. Например, в одном приемлемом варианте осуществления каждый из органов 110 и 130 управления содержит рукоятку управления. В таком варианте осуществления каждая из рукояток 110, 130 управления вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный положению рукоятки управления относительно центрального положения. Электрический сигнал передается как входные данные на контроллер 150.
В одном варианте осуществления, когда рукоятку управления 110, 130 перемещают от центрального положения, вырабатываемый электрический сигнал соответствует увеличенному крутящему моменту (и/или скорости вращения) или усилию осевого напора (и/или скорости осевого перемещения), соответственно. Когда рукоятку 110, 130 управления перемещают ближе к центральному положению, вырабатываемый электрический сигнал соответствует уменьшенному крутящему моменту (и/или скорости вращения) или усилию осевого напора (и/или скорости осевого перемещения), соответственно. В одном варианте осуществления, когда рукоятку 110 управления перемещают в направлении вперед, от оператора, вырабатываемый электрический сигнал соответствует вращению бурильной колонны против часовой стрелки, если смотреть на конец бурильной колонны. Альтернативно, когда рукоятку 110 управления перемещают в направлении назад, к оператору, вырабатываемый электрический сигнал соответствует противоположному направлению, вращению по часовой стрелке. Аналогично, в некоторых вариантах осуществления, когда рукоятку 130 управления перемещают вперед, от оператора, вырабатываемый электрический сигнал соответствует перемещению бурильной колонны в грунт. Альтернативно, когда рукоятку 130 управления перемещают в направлении назад, к оператору, вырабатываемый электрический сигнал соответствует перемещению бурильной колонны назад к установке.
Когда одна из рукояток 110, 130 управления находится в центральном положении, вырабатываемый электрический сигнал может соответствать условию нейтрального положения, в котором вращение или напорное перемещение, соответственно, установлены на ноль. Пружинное или другое отклоняющее устройство может быть оборудовано для возврата каждой из рукояток управления в центральное положение, чтобы, если оператор не держит рукоятку, она возвращалась в центральное, нейтральное положение, чтобы настройки вращения или напорного перемещения устанавливались на ноль.
Контроллер 150 вырабатывает выходные данные, реагируя на различные входные данные, для управления гидравлической системой. Система включает в себя гидравлические насосы 16 и 17 буровой установки 20. Гидравлические двигатели 216, 217 приводятся в действие рабочей жидкостью гидросистемы для создания вращения и напорного перемещения бурильного инструмента 42 и бурильной колонны 18. Как отмечено выше, данное управление обычно осуществляется изменяемым электрическим током, при этом некоторый электрический ток должен обуславливать создание насосом некоторого расхода в гидравлической системе. При этом ведущий вал двигателя вращается с некоторой скоростью вращения. Это обычно не зависит от давления в текучей среде. Системы управления обычно разработаны с возможностью управления скоростью вращения независимо от нагрузки. Системы управления обычно дополнительно включают в себя датчики 226 и 227 давления, обеспечивающие обратную связь в системе управления, указывая давление в линиях, и могут дополнительно включать в себя датчики 236 и 237 скорости для измерения частоты вращения на выходном валу двигателей.
На фиг.3 показана более подробно рукоятка 110 управления вращением с различными управляющими переключателями, установленными на рукоятке. На фиг.4 показана табличка, указывающая функции каждого из данных переключателей оператору. Рукоятка 110 управления включает в себя переключатели 112, 118, 120, и 122 каждый из которых вырабатывает электрический сигнал при воздействии, таком как нажатие. Управляющий переключатель 112 можно назвать переключателем настройки. Когда переключатель 112 настройки включают, электрический сигнал отправляется на контроллер 150, запуская бурение в автоматическом режиме (также называемый режимом автоматического бурения). Когда контроллер 150 принимает сигнал от переключателя 112 настройки (или другого источника), в контроллере устанавливаются параметры вращения и/или напорного перемещения на значения, установленные положениями рукояток 110, 130 управления на момент включения переключателя 112 настройки.
Предпочтительная методика включает в себя установку значения скорости вращения, при установке значения давления в линии осевого напора, что описано более подробно ниже. После этого, контроллер 150 автоматически поддерживает параметры бурения по вращению и напорному перемещению на установленных значениях без дополнительного ввода данных оператором. Оператор затем может отпустить рукоятки 110, 130 управления, что не влияет на выполнение операций бурения, тем самым уменьшается утомляемость оператора. Должно быть ясно, что режим автоматического бурения также можно выключить посредством включения переключателя 112 настройки, когда система включена в работу.
В одном варианте осуществления, рукоятка 110 управления вращением также включает в себя управляющие переключатели 114 и 116, управляющие функцией расхода воды для нагнетания воды в пробуренную скважину для удаления выбуренной породы из скважины. Рукоятка 110 управления вращением также включает в себя управляющие переключатели 118 и 120 для управления скоростью вращения двигателя 36, и управляющий переключатель 122 для управления смазывающим приспособлением (не показано).
На фиг.6 показан дисплей 170 системы управления, включающий в себя световой индикатор 172, включающийся при работе в режиме автоматического бурения. Данный световой индикатор 172 включается после включения переключателя 112 настройки и определения настроек вращения и осевого напора, чтобы войти в режим автоматического бурения. Световой индикатор 172 отключается, если режим автоматического бурения не включен.
На фиг.5 показаны дополнительные управляющие переключатели на правой стороне станции 100 управления оператора. В одном варианте осуществления станция 100 управления включает в себя переключатели 140, 142, имеющие электрическую связь с контроллером 150. Переключатель 140 имеет нейтральное положение, первое рабочее положение и второе рабочее положение. В одном варианте осуществления переключатель 140 подпружинен в нейтральном положении, так что когда переключатель устанавливают в первое или второе рабочие положения и затем отпускают, переключатель 140 должен возвращаться в нейтральное положение. Когда переключатель 140 поставлен в нейтральное положение, переключатель 140 не имеет воздействия на бурильную работу. Когда переключатель 140 поставлен в первое рабочее положение, такое, в которое переключатель 140 поворачивают по часовой стрелке из нейтрального положения, и когда включен режим автоматического бурения, в контроллер 150 отправляется электрический сигнал для увеличения значения настройки скорости вращения на заданное приращение.
Аналогично, когда переключатель 140 поставлен во второе рабочее положение, такое, в которое переключатель 140 поворачивают против часовой стрелки из нейтрального положения, и когда включен режим автоматического бурения, в контроллер 150 отправляется электрический сигнал для уменьшения значения настройки вращения на заданное отрицательное приращение.
Переключатель 142 работает аналогично. Переключатель 142 имеет нейтральное положение, первое рабочее положение и второе рабочее положение. В одном варианте осуществления переключатель 142 подпружинен в нейтральном положении, так что когда переключатель устанавливают в первое или второе рабочие положения и затем отпускают, переключатель 142 должен возвращаться в нейтральное положение. Когда переключатель 142 поставлен в нейтральное положение, переключатель 142 не имеет воздействия на бурильную работу. Когда переключатель 142 поставлен первое рабочее положение, такое в которое переключатель 142 поворачивают по часовой стрелке из нейтрального положения и когда включен режим автоматического бурения, в контроллер 150 отправляется электрический сигнал для увеличения значения настройки давления осевого напора на заданное приращение. Аналогично, когда переключатель 142 поставлен во второе рабочее положение, в которое переключатель 142 поворачивают против часовой стрелки из нейтрального положения, и когда включен режим автоматического бурения, в контроллер 150 отправляется электрический сигнал для уменьшения значения настройки давления осевого напора на заданное отрицательное приращение.
Во время процессов бурения система действует, поддерживая вращение бурильной колонны на выбранной частоте вращения независимо от настройки давления вращения и настройки давления осевого напора, и должна автоматически изменять скорость осевого напорного перемещения, насколько необходимо, стремясь поддерживать выбранное давление в линии вращения, или поддерживать установленное количество усилия на бурильном инструменте. В плотных породах в результате поддержания постоянного усилия на буровом долоте должен быть постоянный/согласованный крутящий момент на буровом долоте и должна быть максимизирована эффективность бурения. В изменяющихся породах данная методика управления также является эффективной.
Может возникнуть необходимость прерывания режима автоматического бурения, когда требуется нарастить или удалить бурильную штангу в бурильной колонне. Существует несколько способов прерывания режима автоматического бурения. Установку можно выполнить так, чтобы когда включают режим автоматического бурения, как указывает световой индикатор 172, любое дополнительное перемещение рукояток 110, 130 управления отправляло электрический сигнал на контроллер 150, обуславливающий прерывание контроллером 150 режима автоматического бурения. Альтернативно, установку можно выполнить так, чтобы при включении режима автоматического бурения, включающий переключатель 112 отправлял электрический сигнал на контроллер 150, обуславливающий прерывание контроллером 150 режима автоматического бурения. Альтернативно, можно оборудовать или приспособить другие переключатели или рукоятки управления для отправки электрического сигнала на контроллер 150 для прерывания режима автоматического бурения.
Одним примером является функция управления, относящаяся к раскреплению соединения между зажимным патроном шпинделя буровой установки или приводом вращения и бурильной колонной. Когда бурильная штанга спущена и привод вращения находится на конце рамы 22, привод вращения должен быть отвинчен от бурильной колонны и перемещен назад на противоположный конец рамы для наращивания другой бурильной штанги. Данное действие необходимо, когда привод вращения расположен в некоторых положениях вдоль рамы, например, на крайних противоположных концах. Таким образом, сигнал прерывания может подаваться автоматически, датчиком, измеряющим положение привода вращения. Когда сигнал прерывания принимается, он может также автоматически отменять другие функции, такие как подача воды.
Станция 100 управления оператора также включает в себя переключатель 144, имеющий электрическую связь с контроллером 150. Переключатель 144 можно также назвать переключателем возврата.
Когда режим автоматического бурения прерван, оператор может включить переключатель 144 для возврата в режим автоматического бурения. Переключатель 144 затем отправляет электрический сигнал на контроллер 150, обуславливающий возврат режима автоматического бурения контроллером 150 с настройками, аналогичными существовавшим до прерывания режима автоматического бурения.
Применимыми являются многие варианты осуществления процесса возврата. Процесс возврата в настоящем изобретении инициирует работу бурения способом, минимизирующим ненужную вибрацию и напряжение в бурильной колонне и бурильном инструменте. Фиг.7 и 8 иллюстрируют один применимый вариант осуществления процесса возврата. Процесс возврата начинается (во время, равное 0 секунд), когда переключатель 144 вдавливают для инициирования процесса возврата отправлением электрического сигнала на контроллер 150. Контроллер 150 должен включить в работу приводной механизм вращения для приведения бурильного инструмента во вращение с установленной скоростью вращения. Одновременно, не показанная на фигурах, автоматически повторно начинается подача воды. Возобновление вращения происходит достаточно быстро, обычно за одну секунду. В течение периода времени возобновления вращения контроллер 150 не включает в работу приводной механизм осевого напора.
Таким способом бурильный инструмент должен возобновить вращение до установленной скорости вращения, пока нагрузка осевого напора или напорное перемещение отсутствуют или являются незначительными. Данная работа является предпочтительной, поскольку производит плавное ускорение вращения без ударной нагрузки на бурильный инструмент и бурильную колонну. Существуют дополнительные выгоды при восстановлении циркуляции воды к режущему инструменту до выработки новой выбуренной породы при осевом перемещении бурильной колонны.
После достижения установленной скорости вращения, приблизительно через одну секунду после начала вращения, контроллер 150 начинает прикладывать напорное усилие к бурильной колонне. Вместе с тем, вместо быстрого увеличения напорного усилия до установленного значения, напорное усилие увеличивается от нуля до установленного значения осевого напора, с заданной скоростью. В одном применимом варианте осуществления, напорное усилие увеличивается с постоянной скоростью в 25% установленного осевого напорного усилия в течение трех секунд, от времени в одну секунду после инициирования процесса восстановления до времени в четыре секунды после инициирования процесса восстановления. Таким образом, со скоростью увеличения напорного усилия в 25% установленного напорного усилия в течение трех секунд, количество напорного усилия, приложенное в данной точке, составит 75% от установленного напорного усилия. Напорное усилие увеличивается со второй постоянной скоростью 12,5% в секунду в течение двух секунд. В данном примере восстановления от момента времени через четыре секунды после инициирования процесса восстановления до момента времени через шесть секунд после инициирования процесса восстановления напорное усилие увеличивается от 75% установленного значения до 100% установленного значения. Таким образом, через шесть секунд после инициирования процесса восстановления бурильный инструмент должен работать как с установленной частотой вращения, так и с установленным осевым напором.
Альтернативный вариант осуществления включает в себя увеличение осевого напорного усилия с одной заданной скоростью, такой как 25% установленного осевого напорного усилия в секунду в течение четырех секунд. Должно быть ясно, что другие скорости изменения также можно использовать и что скорости изменения, представленные в данном документе, относятся к предпочтительным вариантам осуществления, без ограничения ими.
Аспекты горизонтально-наклонного бурения дополнительно раскрыты в патентах США №№6,766,253, 6,367,564, 6,389,360, 5,556,253, 6,554,082 и временной патентной заявке США №60/927,746 зарегистрированной 3 мая 2007 г., полностью включенных в данный документ в виде ссылки.
Предпочтительный вариант осуществления режимов с постоянными параметрами
Как отмечено выше, имеется три различных режима, предпочтительно создаваемых в настоящем изобретении. Данными тремя режимами являются режим постоянной скорости вращения, режим постоянного крутящего момента и режим постоянного осевого напора. Должно быть ясно, вместе с тем, что данные индивидуальные режимы или их комбинации можно использовать в бурильном оборудовании. Ниже описаны все три режима.
Режим постоянной скорости вращения
Когда установлено автоматическое бурение, регистрируется % подачи осевого напора/отхода. Управление автоматическим бурением должно поддерживать данный % подачи осевого напора/отхода при условии, что давления вращения и осевого напора не превышают допустимых пределов производных. Это дает возможность оператору поддерживать постоянную скорость осевого напора/отхода вне зависимости от изменений номинального давления.
Производная, указанная в данном документе, является изменением давления во времени, такого как гидравлическое давление насоса. При изменении давления осуществляют его постоянный мониторинг и определяют расчетную производную в некоторые временные интервалы. Если расчетная производная меньше установленного предела (DP1), результатом является отсутствие изменения подачи осевого напора/отхода. Это означает, что давление может расти и падать при условии, что скорость изменения давления не превышает установленного предела. Если давление растет слишком быстро, тогда запускают управление по производной. Оно должно иметь определенное время (DT1) ожидания, прежде чем действовать, реагируя на данный подъем давления. Если давление падает до истечения данного времени ожидания, изменение подачи осевого напора/отхода не должно происходить. Вместе с тем, если давление остается выше значения запуска управления по производной, тогда должна быть установлена соответствующая уставка давления по предшествующему давлению (то есть давлению до запуска управления по производной). Это должно обуславливать уменьшение % подачи осевого напора/отхода, пока фактическое давление падает до новой уставки давления.
2
2
2
2
2
2
Существуют многочисленные возможные пути расчета производной согласно настоящему изобретению. Например, можно выполнить два отсчета давления в разные моменты времени. Разность между двумя отсчетами давления делится на количество времени между выполнением отсчетов. Производная может быть численно выражена для способствования сравнению с пороговой величиной. Например, заданный порог производной может составлять 20 фунт/дюйм/сек (1,4 кг/см/сек), и расчетная производная, превышающая данный порог, может составлять 25 фунт/дюйм/сек (1,8 кг/см/сек). В предпочтительном варианте осуществления предел производной давления находится между 100 и 900 фунт/дюйм/сек (7 и 63 кг/см/сек).
Режим постоянного крутящего момента
Когда установлено автоматическое бурение, регистрируют давление вращения и % подачи осевого напора/отхода. % подачи осевого напора/отхода не должен превышать зарегистрированного % подачи. Если фактическое давление вращения превышает зарегистрированное значение, подача осевого напора/отхода должна быть уменьшена для поддержания постоянного крутящего момента. Это дает возможность оператору поддерживать постоянный крутящий момент на бурильном инструменте 42.
Режим постоянного осевого напора
Когда установлено автоматическое бурение, регистрируют давление и % подачи осевого напора/отхода. % подачи осевого напора/отхода не должен превышать зарегистрированного % подачи. Если фактическое давление осевого напора/отхода превышает зарегистрированное значение, подача осевого напора/отхода должна быть уменьшена для поддержания постоянного усилия. Это дает возможность оператору поддерживать постоянное давление осевого напора/отхода на бурильном инструменте 42.
На фиг.9a и 9b показана логическая блок-схема последовательности операций, которую можно использовать в реализации управления по производной давления вращения для вращения с постоянной скоростью, обозначенная в целом позицией 900. Логическую блок-схему последовательности операций можно реализовать как этапы программирования в контроллере 150, центральном процессоре, другом бортовом контроллере или специальном программируемом интеллектуальном устройстве.
Процесс начинается на стадии 901, где определяют, задействовано ли автоматическое бурение. Если оно не задействовано, процесс продолжается на стадиях 902 и 903, где запоминающее устройство зарегистрированного давления вращения устанавливают на 0 и производную мгновенного значения давления также устанавливают на 0. Затем на стадии 901 определяют, задействовано ли автоматическое бурение. Данный цикл продолжается, пока не будет выбран режим автоматического бурения.
После того как автоматическое бурение задействовано на стадии 901, процесс продолжается на стадии 904, на которой устанавливают предел максимальной производительности напорного насоса (скорости вращения) для автоматического бурения для начального сигнала ввода для рукоятки управления сигналом осевого напора (например, джойстика 130). Затем осуществляются стадии 905 и 906, и начинается стадия 907, на которой принимается сигнал обратной связи давления вращения. В блоке 908 сигнал обратной связи давления вращения сохраняется в запоминающем устройстве. Затем в процессе наступает ожидание в 250 мсек на стадии 909 и сигнал обратной связи давления вращения вновь просматривается на стадии 910, и на стадии 911 рассчитывают производную мгновенного давления вращения. На стадии 912 в процессе определяют, превышает ли расчетная производная заданную допустимую производную давления вращения. Если нет, процесс продолжается на стадии 916 и стадии 917, на которой определяют, необходимо ли оператору ручным управлением увеличить или уменьшить осевой напор. Если нет, способ продолжается на стадии 918, из которой затем возвращается назад на стадию 907. Если ответ да, процесс продолжается на стадии 919 и затем осуществляется стадия 920 для считывания переключателем приращения/отрицательного приращения. На стадии 921 предел максимальной производительности напорного насоса автоматического бурения приращивают положительно или отрицательно соответственно. Процесс затем возвращается на стадию 906.
Если производная мгновенного давления вращения больше допустимой производной, осуществляют стадию 913 и стадию 914, где выдерживают дополнительное время ожидания 200 мсек. На стадии 915 сигналы обратной связи давления вращения вновь считывают и определяют, является ли давление вращения в данных обратной связи все еще больше значения давления вращения в запоминающем устройстве. Если ответ нет, тогда осуществляют стадию 916, как описано выше. Если ответ да, тогда осуществляют стадию 924, где устанавливают предел максимального давления насоса вращения, равный значению давления насоса вращения, сохраняющемуся в запоминающем устройстве.
На стадии 925 сигнал подачи осевого напора уменьшает контроллер 150. На стадии 926 определяют, является ли давление вращения все еще больше значения давления вращения, сохраняющегося в запоминающем устройстве, на стадии 929 определяют, намерен ли оператор вручную увеличить давление вращения на стадии 930. Если ответ нет, на стадии 931 устанавливают максимальное давление вращения, равное значению давления вращения, сохраненному в запоминающем устройстве на стадии 924. Если ответ да, тогда переключение приращения или отрицательного приращения считывают на стадии 933 и процесс продолжается на стадии 923 и стадии 922. Если ответ нет на стадии 926, тогда процесс продолжается на стадии 927 и продолжается на стадии 928, на которой поднимают предел давления насоса вращения от сохраненного в запоминающем устройстве давления вращения до максимального предела давления. Процесс затем продолжается обратно на стадию 907 для считывания следующего сигнала обратной связи давления вращения.
На фиг.10 проиллюстрирован пример постоянной скорости вращения, включающий в себя ввод, созданный оператором, где ввод указан позицией 187 и давление вращения указано позицией 192. Также на фиг.10 показаны предел 194 давления вращения и процент 196 производительности насоса вращения. Кривая 187 соответствует производительности насоса осевого напора и поэтому является указателем ввода пользователя, а также команд контроллера на насос осевого напора на увеличение/уменьшение подачи.
Вблизи точки 501 устанавливают предел 194 давления вращения и увеличивают производительность 187 насоса осевого напора и давление 192 вращения, соответствующие началу операций бурения. Вблизи точки 502 оператор переключает из одного состояния в другое переключатель настройки, обуславливающий вход бурильной системы в режим автоматического бурения с постоянной скоростью вращения. Должно быть ясно, что аспекты изобретения, рассмотренные применительно к фиг.10, можно включать в состав вариантов осуществления изобретения, использующих другие режимы автоматического бурения, как рассмотрено в данном документе.
Вблизи точки 502, когда оператор нажимает переключатель настройки, регистрируется производительность 187 насоса осевого напора. После этого контроллер должен поддерживать эту зарегистрированную производительность 187 насоса осевого напора, которая может соответствовать проценту подачи максимальной производительности, например. Вместе с тем, контроллер может корректировать производительность 187 насоса осевого напора, если удовлетворяются некоторые условия, такие как превышение производными давления пределов для давления осевого напора и/или давления вращения, пределы изменения давления в зависимости от изменения производных и отключения автоматики пользователем.
Вблизи точки 503, оператор увеличивает производительность 187 насоса осевого напора от ранее зарегистрированного уровня, связанного с нажатием переключателя настройки вблизи точки 502. Это обеспечивает пользователю возможность использования функций автоматического бурения, рассмотренных в данном документе, но также увеличивать производительность насоса для оптимизирования бурильных операций.
Вблизи точки 504 можно видеть изменения в давлении 192 насоса вращения. Хотя изменения давления 192 насоса вращения могут запускать изменения давления 194 вращения на основе производных давления 192 насоса вращения, такие изменения не выполняют вблизи точки 504. Для этого может существовать несколько причин. Например, производные соответствующих изменений давления 192 насоса вращения могут не превышать порог производной. Также, даже если одно изменение давления 192 насоса превышает порог производной, что инициирует временной интервал, при этом может отсутствовать соответствующая дополнительная производная, также превышающая порог производной во время и/или после временного интервала, который должен быть необходим в некоторых вариантах осуществления для запуска уменьшения предела 194 давления вращения. Поэтому, наличие достаточно высокого порога производной и, дополнительно или альтернативно, наличие требования нескольких производных давления, превышающих порог производной как внутри временного интервала, так и на его противоположных сторонах, может обеспечивать переходные и/или малые изменения в давлении вращения, не влияющие на управление автоматическим бурением. В предпочтительном варианте осуществления, интервал времени составляет между 50 и 500 мсек.
Вблизи точки 506 давление 192 вращения увеличивается быстро. Расчетная производная давления 192 вращения превышает производную давления, и поэтому обуславливает изменение предела 194 давления вращения.
2
Существуют различные корректировки предела 194 давления вращения, которые можно выполнить на основе превышения порога производной. Например, предел 194 максимального давления вращения можно уменьшить на установленное количество, измеренное в фунт/дюйм, установленный процент или установить на ранее зарегистрированное значение, среди других вариантов. Предел 194 максимального давления вращения переустанавливают на значение 505 давления 192 вращения, зарегистрированное до превышения производной давления предела производной. Изменение предела 194 максимального давления вращения на ранее зарегистрированное давление 192 вращения обеспечивает продолжение работы буровой установки при аналогичных параметрах, чтобы буровая установка продолжала выполнение того, что выполняла ранее. Если давление 192 вращения после этого не растет, тогда операция бурения может продолжаться с непрерывным продвижением. Вместе с тем, если давление 192 вращения продолжает расти, тогда производительность 187 насоса осевого напора должна быть уменьшена, как показано, для предотвращения возникновения условий работы, тяжелых для буровой установки. Таким способом, настоящее изобретение может автоматически управлять производительностью бурения и проблемами тяжелых условий работы.
Вблизи точки 507 давление 192 вращения падает ниже откорректированного предела 194 давления вращения. Согласно варианту осуществления фиг.10, это обуславливает увеличение контроллером предела 194 давления вращения. Как показано, предел 194 давления вращения увеличивается для каждого периода времени, в котором давление 192 вращения остается ниже предела 194 давления вращения. Количество увеличения для каждого периода, кроме прочего, может быть основано на проценте предела 194 давления вращения, заданном количестве приращения или давлении 192 вращения.
Также вблизи точки 507, поскольку давление 192 вращения упало ниже откорректированного предела 194 давления вращения, контроллер увеличивает производительность 187 насоса осевого напора. В варианте осуществления, показанном на Фигуре 10, контроллер увеличивает производительность 187 насоса осевого напора постепенно, за несколько периодов времени, пока производительность 187 насоса осевого напора не достигнет уровня зарегистрированной подачи, на который производительность 187 насоса осевого напора была установлена вблизи точки 502. Количество увеличения для каждого периода может быть основано, среди прочего, на проценте производительности 187 насоса осевого напора или заданном количестве приращения. Постепенное увеличение производительности 187 насоса осевого напора обеспечивает системе облегчение возвращения к зарегистрированным установкам без резких изменений подачи, которые сами могут обуславливать быстрый подъем различных измеренных давлений и превышение порогов, рассмотренных в данном документе, и может предотвращать напряжение бурового оборудования. Постепенное возвращение к заданным установкам уровня работы также обеспечивает постепенное нарастание за период времени предела 194 давления вращения. Вместе с тем, в некоторых вариантах осуществления, производительность 187 насоса осевого напора можно моментально переустанавливать на уровень зарегистрированной подачи после падения давления 192 вращения ниже предела 194 давления вращения.
Вблизи точки 508, производительность 187 насоса постепенно вернулась к уровню зарегистрированной подачи. Вблизи точки 509, производной давления 192 вращения превышен порог производной, что обуславливает уменьшение предела 194 давления вращения, превышаемого давлением 192 вращения. Давление 192 вращения, превышающее предел 194 давления, запускает увеличение контроллером производительности 187 насоса осевого напора. В данном конкретном примере оператор может увеличить производительность 187 насоса осевого напора изменением вручную предела 194 давления вращения, если необходима более высокая подача, как показано вблизи точки 510. Несколько вариантов возможны для корректировки пользователем предела 194 давления вращения. Например, пользователь может вводить значение, на которое можно переустанавливать предел 194 давления вращения. В другом варианте предел 194 давления вращения можно увеличивать на количество приращения или процент каждый раз, когда пользователь нажимает кнопку или иначе указывает необходимость увеличения предела 194 давления вращения. Согласно другому варианту, предел 194 давления вращения можно изменить до значения давления 192 вращения в то время, когда пользователь нажимает кнопку или иначе указывает необходимость увеличения предела 194 давления вращения.
Когда пользователь корректирует предел 194 давления вращения, производительность 187 насоса осевого напора увеличивается, поскольку в это время давление 182 вращения не находится ниже предела 194 давления вращения. Вблизи точки 511 давление 192 вращения упало ниже откорректированного пользователем предела 194 давления вращения, что обуславливает дополнительное постепенное увеличение предела 194 давления вращения контроллером.
Хотя аспекты настоящего изобретения рассмотрены на фиг.10 применительно к режиму постоянной скорости вращения, данные аспекты можно применить в других режимах, рассмотренных в данном документе (например, постоянного крутящего момента, постоянного осевого напора). Например, предел 194 давления вращения может вместо этого/также являться пределом давления осевого напора, пределом для бурового насоса или пределом, связанным с другой системой показателей, рассмотренной в данном документе. Аналогично, производительность насоса осевого напора может вместо этого/также являться производительностью бурового насоса, подачей отхода, выходной мощностью двигателя, производительностью насоса вращения и/или другой подачей, рассмотреной в данном документе.
На фиг.11a и 11b, показана блок-схема последовательности операций, которые можно выполнять для реализации режима постоянной скорости вращения. Блок-схема режима постоянной скорости вращения в целом обозначена позицией 1100. Процесс начинается на стадии 1101, где определяют, задействовано ли автоматическое бурение. Если оно не задействовано, процесс продолжается на стадиях 1102 и 1103, где запоминающее устройство зарегистрированного давления вращения устанавливают на 0 и производную мгновенного значения давления установки осевого напора также устанавливают на 0. Процесс затем опять возвращается на стадию 1101, где определяют, задействовано ли автоматическое бурение.
Если автоматическое бурение задействовано в блоке 1101, процесс продолжается на стадии 1104, где устанавливают предел максимальной производительности (скорости вращения) насоса осевого напора автоматического бурения по входному сигналу с рукоятки управления на первоначальный осевой напор. Процесс затем продолжается через стадии 1105 и 1106 на стадии 1107, где принимают сигнал обратной связи давления осевого напора. На стадии 1108 сигнал обратной связи давления осевого напора сохраняется в запоминающем устройстве. Затем в процессе наступает ожидание в 250 мсек на стадии 1109 и сигнал обратной связи давления вращения вновь просматривается на стадии 1110. Затем на стадии 1111 рассчитывается производная мгновенного давления осевого напора. На стадии 1112 расчетную производную сравнивают с допустимой производной давления осевого напора для определения, превышает ли она допустимую производную давления осевого напора. Если нет, процесс продолжается на стадии 1116, и на стадии 1117 определяют, необходимо ли оператору ручным управлением увеличить или уменьшить осевой напор. Если нет, процесс продолжается на стадии 1118, из которой затем возвращается назад на стадию 1107. Если ответ да, процесс продолжается на с тадии 1119 и затем продолжается на стадии 1120 для считывания переключения приращения/отрицательного приращения и затем на стадии 1121, где пределу максимальной подачи напорного насоса автоматического бурения дают положительное или отрицательное приращение, соответственно. Процесс затем возвращается в блок 1106.
Если производная мгновенного давления вращения больше допустимой производной, процесс затем продолжается на стадии 1113 и на стадии 1114, где выдерживают дополнительное время ожидания 200 мсек. На стадии 1113, сигналы обратной связи давления осевого напора вновь считывают и определяют, является ли давление вращения в данных обратной связи все еще больше значения давления осевого напора в запоминающем устройстве. Если ответ «нет», тогда процесс продолжается на стадии 1116, как описано выше. Если ответ да, тогда процесс продолжается на стадии 1124, где устанавливают предел максимального давления насоса осевого напора, равный значению давления осевого напора, сохраненному в запоминающем устройстве, и затем на стадии 1125, где сигнал подачи осевого напора уменьшает контроллер. Далее процесс продолжается на стадии 1126, если давление осевого напора все еще больше значения давления осевого напора, сохраненного в запоминающем устройстве, процесс затем продолжается на стадии 1129, где определяют, намерен ли оператор вручную увеличить давление осевого напора на стадии 1130. Если ответ «нет», на стадии 1131 максимальное давление осевого напора устанавливают равным значению давления осевого напора, сохраненному в запоминающем устройстве на стадии 1124. Если ответ «да», тогда переключение приращения или отрицательного приращения считывают на стадии 1133, и затем процесс продолжается на стадиях 1123 и 1122. Если ответ «нет» на стадии 1126, тогда процесс продолжается на стадии 1127 и стадии 1128, где поднимают предел давления насоса осевого напора от сохраняющегося в запоминающем устройстве давления осевого напора до предела максимального давления. Процесс затем продолжается на стадии 1107 для считывания следующего сигнала обратной связи давления вращения.
На фиг.12 показан пример предшествующего режима, включающего в себя ввод данных, создаваемый оператором (указано позицией 187), и давление 191 осевого напора. Также показаны предел 195 давления осевого напора и процент 187 производительности насоса осевого напора.
Кривая 187 на фиг.12 соответствует производительности насоса осевого напора, и поэтому является указателем ввода пользователя, а также команд контроллера на насос осевого напора на увеличение/уменьшение подачи.
Вблизи точки 601 устанавливают предел 195 давления осевого напора и увеличивают производительность 187 насоса осевого напора и давление 191 осевого напора, соответствующие началу операций бурения. Вблизи точки 602 оператор переключает из одного состояния в другое переключатель настройки, обуславливающий вход бурильной системы в режим автоматического бурения с постоянной скоростью вращения. Должно быть ясно, что аспекты изобретения, рассмотренные применительно к фиг.12, можно включать в состав вариантов осуществления изобретения, другие режимы автоматического бурения, как рассмотрено в данном документе.
Вблизи точки 602, когда оператор нажимает переключатель настройки, регистрируется производительность 187 насоса осевого напора. После этого контроллер должен поддерживать данную зарегистрированную производительность 187 насоса осевого напора, которая может соответствовать проценту подачи максимальной производительности, например. Вместе с тем, контроллер может корректировать производительность 187 насоса осевого напора, если удовлетворяются некоторые условия, такие как превышение производными давления пределов для давления осевого напора и/или давления вращения, пределов изменения давления в зависимости от изменения производных и отключения автоматики пользователем, или основанное на вводе пользователя.
Вблизи точки 603 оператор увеличивает производительность 187 насоса осевого напора от ранее зарегистрированного уровня, связанного с нажатием переключателя настройки вблизи точки 602. Это обеспечивает пользователю возможность использования функций автоматического бурения, рассмотренных в данном документе, но также увеличивать производительность насоса для оптимизирования бурильных операций.
Вблизи точки 606 давление 191 осевого напора увеличивается быстро. Расчетная производная давления 191 осевого напора превышает производную давления, и поэтому обуславливает изменения в пределе 195 давления осевого напора.
2
Существуют различные корректировки, которые можно выполнить для предела 195 давления осевого напора на основе превышения порога производной. Например, предел 195 максимального давления осевого напора можно уменьшить на установочное количество, измеренное в фунт/дюйм, установочный процент, или установкой на ранее зарегистрированное значение, среди других вариантов. Предел 195 максимального давления осевого напора переустанавливают на значение 605 давления 191 осевого напора, зарегистрированное до превышения производной давления предела производной. Изменение предела 195 максимального давления осевого напора на ранее зарегистрированное давление 191 осевого напора обеспечивает продолжение работы буровой установки при аналогичных параметрах, чтобы буровая установка продолжала выполнение того, что выполняла. Если давление 191 осевого напора после этого не растет, тогда операция бурения может продолжаться с непрерывным продвижением. Вместе с тем, если давление 191 осевого напора продолжает расти, тогда производительность 187 насоса осевого напора должна быть уменьшена, как показано, для предотвращения возникновения условий работы, тяжелых для буровой установки. Таким способом настоящее изобретение может автоматически управлять производительностью бурения и проблемами тяжелых условий работы.
Вблизи точки 607 давление 191 осевого напора падает ниже откорректированного предела 195 давления осевого напора. Согласно варианту осуществления фиг.12, это обуславливает увеличение контроллером предела 195 давления осевого напора. Как показано, предел 195 давления осевого напора увеличивается для каждого периода времени, в котором давление 191 осевого напора остается ниже предела 195 давления осевого напора. Количество увеличения для каждого периода, кроме прочего, может быть основано на проценте предела 195 давления осевого напора, заданного количества приращения или давления 191 осевого напора.
Также вблизи точки 607, поскольку давление 191 осевого напора упало ниже откорректированного предела 195 давления вращения, контроллер увеличивает производительность 187 насоса осевого напора. В варианте осуществления, показанном на фиг.12, контроллер увеличивает производительность 187 насоса осевого напора постепенно за несколько периодов времени, пока производительность 187 насоса осевого напора не достигнет уровня зарегистрированной подачи, на который производительность 187 насоса осевого напора была установлена вблизи точки 602. Количество увеличения для каждого периода может быть основано, среди прочего, на проценте производительности 187 насоса осевого напора или заданном количестве приращения.
Вблизи точки 608, производительность 187 насоса постепенно вернулась к уровню зарегистрированной подачи. Вблизи точки 609, производной давления 191 осевого напора превышен порог производной, что обуславливает уменьшение предела 195 давления осевого напора, превышаемого давлением 191 осевого напора. Давление 191 осевого напора, превышающее предел 195 давления, запускает увеличение контроллером производительности 187 насоса осевого напора. В данном конкретном примере оператор может увеличить производительность 187 насоса осевого напора изменением вручную предела 195 давления осевого напора, если необходима более высокая подача, как показано вблизи точки 610. Несколько вариантов возможны для корректировки пользователем предела 195 давления осевого напора. Например, пользователь может вводить значение, на которое можно переустановить предел 195 давления осевого напора. В другом варианте предел 195 давления осевого напора можно увеличивать на количество приращения или процент каждый раз, когда пользователь нажимает кнопку или иначе указывает необходимость увеличения предела 195 давления осевого напора. Согласно другому варианту, предел 195 давления осевого напора можно измененять до значения давления 191 осевого напора, в то время, когда пользователь нажимает кнопку или иначе указывает необходимость увеличения предела 195 давления осевого напора.
Когда пользователь корректирует предел 195 давления осевого напора, производительность 187 насоса осевого напора увеличивается, поскольку в это время давление 182 осевого напора не находится ниже предела 195 давления осевого напора. Вблизи точки 611 давление 191 осевого напора упало ниже откорректированного пользователем предела 195 давления осевого напора, что обуславливает дополнительное постепенное увеличение предела 195 давления осевого напора контроллером.
На фиг.13 показан способ 1300 для режима автоматического бурения с поддержанием постоянной скорости с управлением по производной давления. Способ 1300 можно выполнять с использованием структур и вариантов осуществления, рассмотренных в данном документе. Способ 1300 включает в себя поддержание на этапе 1301 постоянного параметра подачи при выполнении бурильной операции с использованием установки горизонтально-наклонного бурения, имеющей насос осевого напора. Параметр можно поддерживать как часть функции автоматического бурения, выбранной пользователем.
Способ может дополнительно включать в себя выполнение на этапе 1302 измерений давления рабочей жидкости гидросистемы одного или нескольких насосов установки горизонтально-наклонного бурения, и сравнение на этапе 1303 измерений давления рабочей жидкости гидросистемы с пределом переменного давления. Измерения давления рабочей жидкости гидросистемы можно выполнять и сравнивать с пределом переменного давления непрерывно, периодически или на основании обнаружения некоторого условия. Один или несколько насосов, на которых выполняют измерения давления рабочей жидкости гидросистемы, могут представлять собой один или несколько насосов вращения и насос осевого напора.
На основе сравнения на этапе 1303 определяют на этапе 1304, превышает ли давление рабочей жидкости гидросистемы переменный предел давления. Если давление рабочей жидкости гидросистемы превышает переменный предел давления, тогда производительность насоса осевого напора на этапе 1309 уменьшают. В любом случае, в способе 1300 расчитывают на этапе 1305 значение производной с использованием измеренного давления рабочей жидкости гидросистемы с выполнением измерений на этапе 1302.
Способ 1300 может включать в себя на этапе 1310 увеличение переменного предела давления, когда на этапе 1304 определяют, что одно или несколько измерений давления рабочей жидкости гидросистемы меньше переменного предела давления.
Расчитанное на этапе 1305 значение производной сравнивают на этапе 1306 с порогом производной. На основании сравнения на этапе 1306 определяют на этапе 1307, превышает ли значение производной порог производной. Если значение производной превышает порог производной, тогда переменный предел давления уменьшают на этапе 1308. Количество, на которое уменьшен переменный предел давления, может основываться на одном или нескольких измерениях давления рабочей жидкости гидросистемы. В любом случае, в способе продолжают поддерживать на этапе 1301 параметр постоянной подачи.
В некоторых вариантах осуществления способа 1300, уменьшение на этапе 1308 переменного предела давления дополнительно содержит уменьшение на этапе 1308 переменного предела давления до значения, имеющего пропорциональнальное соотношение с одним или несколькими измерениями давления рабочей жидкости гидросистемы, выполненными на этапе 1302 перед сравнением измерений давления рабочей жидкости гидросистемы с пределом переменного давления, при условии запуска уменьшения переменного предела давления.
В некоторых вариантах осуществления измерения давления рабочей жидкости гидросистемы на этапе 1302 сохраняют в запоминающем устройстве и значение, до которого уменьшается переменный предел давления на этапе 1308, когда значение производной превышает порог производной, является близким или равным сохраненному измерению давления рабочей жидкости гидросистемы, выполненному перед сравнением на этапе 1306 значения производной с порогом производной, указывающем на этапе 1307, что значение производной превышает порог производной, при этом запуская уменьшение переменного предела давления. Значение, до которого на этапе 1308 уменьшают переменный предел давления, может быть равно значению измерения давления рабочей жидкости гидросистемы, выполненному на этапе 1302 перед сравнением на этапе 1306 значения производной с порогом производной, указывающем на этапе 1307, что значение производной превысило порог производной, при этом запуская уменьшение переменного предела давления на этапе 1308.
В некоторых вариантах осуществления способа 1300, две производных рассчитывают на этапе 1305 на основании отдельного измерения давления рабочей жидкости гидросистемы на этапе 1302, соответственно, выполненных до и после окончания временного интервала. В таких вариантах осуществления две производные расчитывают на этапе 1305 и два сравнения 1306 выполняют между значением производной и порогом производной, при этом переменный предел давления уменьшают на этапе 1308, только если оба значения производной превышают порог производной. В некоторых вариантах осуществления, первая расчетная производная, превышающая порог производной, запускает интервал времени и расчет второй производной.
В некоторых вариантах осуществления способа 1300, переменный предел давления можно увеличивать на основании ввода пользователя.
В некоторых вариантах осуществления способа 1300, на этапе 1305 рассчитывают несколько производных на основании отдельных измерений давления рабочей жидкости гидросистемы на этапе 1302, соответственно выполненных на насосе вращения и насосе осевого напора, при этом уменьшение на этапе 1308 переменного предела давления может происходить либо на основании расчета двух производных на этапе 1308 по соответствующим измерениям давления, на этапе 1307, превышающим порог производной на основании соответствующих сравнений на этапе 1306.
В некоторых вариантах осуществления способа 1300, поддержание на этапе 1301 параметра постоянной подачи может включать в себя корректировку соответствующих производительностей насоса осевого напора и насоса вращения для поддержания постоянного линейного продвижения бурильной трубы, при этом значение производной рассчитывают на этапе 1305 по одному или обеим измерениям давления рабочей жидкости гидросистемы, выполненным на этапе 1302 на насосе вращения и/или насосе осевого напора.
В некоторых вариантах осуществления способа 1300, поддержание на этапе 1301 параметра постоянной подачи включает в себя корректировку производительности насоса осевого напора для поддержания постоянного давления напора, и измерения давления рабочей жидкости гидросистемы выполняют на этапе 1302 на насосе вращения.
В некоторых вариантах осуществления способа 1300, поддержание на этапе 1301 параметра постоянной подачи включает в себя корректировку производительности насоса осевого напора для поддержания постоянного давления вращения, и измерения давления рабочей жидкости гидросистемы выполняют на этапе 1302 на насосе осевого напора.
Давление можно измерять с использованием различные типов датчиков давления, включающих в себя пьезоэлектрические датчики и датчики, основанные на динамическом сопротивлении.
В некоторых приведенных выше вариантах осуществления, команды программ, сохраняющиеся в запоминающем устройстве, может исполнять процессор, обуславливая выполнение системой горизонтально-наклонного бурения изложенных процессов/способов.
Хотя конкретные варианты осуществления изобретения описаны для их практического применения, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что изобретение не ограничено таким практическим применением, или вариантом осуществления, или конкретными компонентами, раскрытыми и описанными в данном документе. Специалистам в данной области техники должно быть ясно, что другие компоненты, осуществляющие принципы данного изобретения, и другие его практические применения, отличающиеся от описанных в данном документе, можно выполнять согласно сущности и назначению данного изобретения. Устройство, описанное в данном документе, дано только как один пример варианта осуществления, включающий в себя и применяющий принципы данного изобретения.