СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ
CONTROL METHOD

Настоящее изобретение относится к ударно-усиленному вращательному бурению и, в частности, к резонансно-усиленному бурению (RED). Варианты осуществления изобретения предусматривают способы и устройство для управления резонансно-усиленным вращательным бурением для повышения производительности бурения, в частности, способы и устройство, где используется управление на основе нечеткой логики. Описанные здесь дополнительные варианты осуществления предусматривают оборудование для резонансно-усиленного вращательного бурения, допускающее управление согласно этим способам и устройству. Некоторые варианты осуществления изобретения применимы к любому размеру бура или материалу, подлежащему бурению. Некоторые более конкретные варианты осуществления относятся к бурению через пласты породы, особенно переменного состава, которые могут встречаться при глубинных буровых работах в нефте-, газо- и горнодобывающей промышленности.
Ударно-вращательное бурение само по себе известно. Ударно-вращательное бурение предусматривает использование механизма, создающего осевую нагрузку на долото вращательного бурения. Механизм действует ударными силами на бурящийся материал для разрушения материала, что помогает долоту вращательного бурения проходить через материал.
Резонансно-усиленное вращательное бурение является особым типом ударно-вращательного бурения, в котором предусмотрен осциллятор, вибрирующий на высокой частоте для достижения резонанс с бурящимся материалом. Это позволяет эффективно использовать механическую энергию на долоте вращательного бурения, таким образом, повышая эффективность бурения по сравнению со стандартным ударно-вращательным бурением.
В US 3,990,522 раскрыто ударно-вращательное бурение, в котором используется гидроударник, установленный во вращательном буре для бурения болтовых отверстий. Раскрыто, что ударный цикл переменных хода и частоты можно применять и регулировать до собственной частоты бурящегося материала для создания усиления давления, развиваемого на наконечнике бурового долота. Сервоклапан поддерживает управление ударом и, в свою очередь, управляется оператором через электронный модуль управления, соединенный с сервоклапаном электрическим проводником. Оператор может избирательно изменять частоту ударов от 0 до 2500 циклов в минуту (т.е. от 0 до 42 Гц) и избирательно изменять ход бурового долота от 0 до 1/8 дюйма (т.е. от 0 до 3,175 мм), управляя расходом флюида под давлением на входе и выхода привода. Описано, что благодаря выбору хода удара, имеющего частоту, равную собственной или резонансной частоте бурящегося пласта породы, энергия, запасенная в пласте породы ударными силами, будет приводить к усилению давления, развиваемого на наконечнике бурового долота, в связи с чем, твердый материал будет сжиматься и вытесняться, что обеспечивает скорости бурения в пределах от 3 до 4 футов в минуту.
В вышеупомянутой конфигурации выявлено несколько проблем, которые рассмотрены ниже.
Высокие частоты недостижимы с использованием устройства, раскрытого в US 3,990,522, который использует относительно низкочастотный гидравлический периодический ударник, (описанный как осциллятор, но который не колеблется в строго техническом смысле). Соответственно, хотя в US 3,990,522 рассмотрена возможность резонанса, оказывается, что низкие частоты, достижимые его ударником, недостаточны для достижения резонансно-усиленного бурения через многие твердые материалы.
Независимо от рассмотренного выше вопроса частоты, в любом случае резонанса нелегко достигнуть и поддерживать с использованием конфигурации US 3,990,522, особенно, если бур проходит через разные материалы, имеющие разные резонансные характеристики. Дело в том, что управление частотной и ходом удара в конфигурации US 3,990,522 достигается вручную оператором. Таким образом, трудно управлять устройством для непрерывной регулировки частоты и хода ударных сил для поддержания резонанса, когда бур проходит через материалы разных типов. Это может не быть столь важной проблемой при бурении болтовых отверстий небольшой глубины, описанном в US 3,990,522. Оператор может просто выбирать подходящие частоту и ход для материала, в котором необходимо пробурить болтовое отверстие, и затем использовать бур. Однако проблема обостряется для глубинного бурения через многочисленные разные слои породы. Оператор, находящийся над глубоко пробуриваемым отверстием, не может видеть, какой тип породы бурится, и не может легко достичь резонанса и поддерживать его, когда бур проходит от одного типа породы к другому, особенно в областях, где тип породы часто изменяется.
Некоторые из вышеупомянутых проблем были решены автором настоящего изобретения, как описано в WO 2007/141550. В этой патентной заявке описан резонансно-усиленный вращательный бур, содержащий автоматизированный механизм обратной связи и управления, который может непрерывно регулировать частоту и ход ударных сил для поддержания резонанса, когда бур проходит через породы разных типов. Бур снабжен средством регулировки, которое реагирует на условия материала, через который проходит бур, и средство управления, расположенное в скважине, которое включает в себя датчики для производства скважинных измерений характеристик материала, что позволяет использовать устройство в скважине под управлением в реальном времени с обратной связью.
В US2006/0157280 предложено скважинное управление в реальном времени с обратной связью осциллятора. Описано, что датчики и блок управления может первоначально пробегать диапазон частот, отслеживая ключевой параметр эффективности бурения, например, скорость продвижения (ROP). Затем колебательной системой можно управлять для обеспечения колебаний на оптимальной частоте до осуществления следующего качания частоты. Схема качания частоты может основываться на одном или более элементов буровых работ, например, изменении в пласте, изменении измеренной ROP, заранее определенном периоде времени или команде с поверхности. Детализированный вариант осуществления использует колебательную систему, которая сообщает долоту вращательного бурения крутильные колебания с учетом резонанса крутильных колебаний. Однако дополнительно описано, что иллюстративные направления колебаний, сообщаемых буровому долоту, включают в себя колебания во всех степенях свободы и не используются для инициирования растрескивания материала, подлежащего бурению. Напротив, описано, что вращение бурового долота вызывает начальное растрескивание материала, подлежащего бурению, и затем применяются кратковременные колебания, чтобы гарантировать, что долото вращательного бурения продолжает контактировать с растрескивающимся материалом. Это не выглядит как какое-либо раскрытие или предложение обеспечения осциллятора, который может сообщать достаточно высокую осевую колебательную нагрузку на буровое долото для инициирования растрескивания материала, через который проходит долото вращательного бурения, что требуется в соответствии с резонансно-усиленным бурением, описанным в WO 2007/141550.
В уровне техники не обеспечено никаких деталей о том, как отслеживать осевые колебания. Датчики раскрыты в целом в US2006/0157280 и в WO 2007/141550, но позиции этих датчиков относительно таких компонентов, как блок изоляции вибрации и блок передачи вибрации не рассмотрены.
s
s
s
В опубликованной международной заявке WO2011/032874 автор настоящего изобретения ставит целью обеспечение дополнительные усовершенствования способов и устройства, описанных в уровне техники. В этой заявке раскрыт способ управления частотой осциллятора в резонансно-усиленном вращательном буре в диапазоне, заданном U (прочностью на сжатие бурящегося материала). Способ дополнительно предусматривает управление динамическим усилием (Fd) осциллятора в диапазоне, заданном U. U измеряется с использованием датчика.
Решения, описанные в WO 2007/141550, US2006/0157280 и WO2011/032874, сосредоточены, в частности, на характере колебаний резонатора. Это лишь подмножество привлеченных степеней свободы, и способы не учитывают других важных аспектов RED. Кроме того, оценивание характеристик материала слишком просто, опираясь на неточное измерение прочности на сжатие с использованием датчиков и вовсе без учета других характеристик материала. Следовательно, желательно произвести дополнительные усовершенствования описанных в них способов и устройства. Задачей вариантов осуществления настоящего изобретения является производство усовершенствований для повышения эффективности бурения с ограничением износа и задирания на устройстве для увеличения срока эксплуатации устройства. Дополнительной задачей является более точное управление резонансно-усиленного бурения, особенно при бурении через быстро изменяющиеся типы породы.
Соответственно, настоящее изобретение предусматривает способ управления резонансно-усиленным вращательным буром, содержащим буровой модуль и систему управления для управления одним или более параметрами бурения бурового модуля, причем способ содержит:
(a) использование одной или более начальных характеристик бурящегося материала и/или одного или более начальных параметров бурения для управления буровым модулем;
(b) измерение одного или более текущих параметров бурения для получения одного или более измеренных параметров бурения;
(c) использование одного или более измеренных параметров бурения в качестве входа в систему управления, для получения выхода из системы управления, причем выход содержит одну или более расчетных характеристик бурящегося материала;
(d) использование одной или более расчетных характеристик бурящегося материала и/или одного или более измеренных параметров бурения, в качестве входа в систему управления, для получения выхода из системы управления, причем выход содержит один или более расчетных параметров бурения;
(e) в необязательном порядке, применение одного или более расчетных параметров бурения к буровому модулю;
(f) в необязательном порядке, повторение этапов (b), (c) (d) и (e).
В данном контексте, резонансно-усиленный вращательный бур не имеет особых ограничений и может быть любым резонансно-усиленным вращательным буром, известным в технике, при условии, что он содержит буровой модуль и систему управления. Буровой модуль не имеет особых ограничений и может быть любым буровым модулем, известным в технике, для резонансно-усиленного бурения, например, буровым модулем, раскрытым в опубликованной патентной заявке WO2012/076401. Система управления не имеет особых ограничений при условии, что она способна осуществлять способ изобретения. С этой целью, система управления должна быть способна вычислять одну или более характеристик материала, подлежащего бурению, и один или более параметров бурения. Способы осуществления этого не имеют особых ограничений, хотя некоторые конкретные способы обеспечивают значительные преимущества и будут подробно рассмотрены ниже. Система управления может содержать один или более контроллеров. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления, единый контроллер можно применять для вычисления всех параметров. Однако в других вариантах осуществления может существовать два или более контроллеров. В некоторых вариантах осуществления, например, система управления может содержать контроллер для вычисления характеристик бурящегося материала, и дополнительный контроллер для вычисления параметров бурения. Совместно один или более или два или более контроллеров содержат систему управления.
Автор изобретения обнаружил процесс, способный использовать параметры бурения для аккуратного и точного вычисления конкретных характеристик бурящегося материала, и затем использовать эти характеристики совместно с измеренными параметрами бурения (параметрами бурения в реальном времени) для вычисления обновленных параметров бурения, которые можно применять к буровому модулю. Один или более параметров бурения в реальном времени (скорость продвижения, осевая нагрузка на долото и т.д.) измеряются в каждой циклической итерации процесса управления (параметры бурения в реальном времени изменяются с изменением бурящегося материала, поэтому требуется измерение для отслеживания фактических параметров бурения), и, при необходимости, например, поскольку тип породы становится тверже или мягче, новые расчетные параметры бурения будут применяться к буру. Обычно этап (e) применения одного или более расчетных параметров бурения к буровому модулю осуществляется, если один или более из расчетных параметров бурения отличаются (или достаточно отличаются в выбранных пределах) от эквивалентных одного или более из измеренных параметров бурения.
Повторение цикла управления с использованием обновленных параметров бурения сделает бурение более эффективным. Таким образом, любой желаемый параметр бурения можно максимизировать (или минимизировать или оптимизировать), хотя обычно скорость продвижения (ROP) или ʹскорость буренияʹ и/или осевая нагрузка на долото (WOB) являются наиболее желательными параметрами для оптимизации.
Раньше способы управления были не особо эффективны в процессах резонансно-усиленного бурения (RED), по причине более сложного характера RED по сравнению с обычным бурением: колебания бура привносят в систему дополнительные степени свободы, например, частоту и амплитуду колебаний и динамическое усилие, связанное с колебаниями, что приводит к значительному усложнению любого прогнозирования или вычисления. Известные способы связаны с попытками учета колебаний, но все же требуют усовершенствования. Настоящий способ позволил автору изобретения учитывать гораздо больше параметров, а также гораздо эффективнее учитывать характер бурящегося материала. Соответственно, автор изобретения решил многие существующие проблемы, и резонансно-усиленное бурение стало быстрее и дешевле, чем в известных системах, и износ материалов снизился.
Изобретение будет описано исключительно в порядке примера со ссылкой на следующие чертежи.
Фиг. 1 демонстрирует буровой модуль согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 2(a) и (b) демонстрируют графики, иллюстрирующие частоту как функцию амплитуды вибрации для различных вибрирующих масс и различных прочностей на сжатие материала, подлежащего бурению;
фиг. 3 демонстрирует график, иллюстрирующий частоту как функцию амплитуды вибрации для различных вибрирующих масс при фиксированной подводимой мощности; и
фиг. 4 демонстрирует схематическое представление системы управления настоящего изобретения. В этой схеме, контроллер для вычисления характеристик бурящегося материала обозначен как ʹмеханизм идентификации породыʹ, контроллер для вычисления параметров бурения обозначен как ʹконтроллерʹ, и различные иллюстративные характеристики материала и параметры бурения показаны как применяемые в способе управления.
Фиг. 5 демонстрирует процедуру для идентификации сигнала в контроллере для вычисления или идентификации характеристик материала, подлежащего бурению (например, процедуру идентификации породы).
Фиг. 6 демонстрирует нейронную модель для искусственной нейронной сети (ANN).
Фиг. 7 демонстрирует обучающие сигналы (сигналы положения и ускорения), генерируемые в некоторых условиях бурения, для гранита и песчаника.
Фиг. 8 демонстрирует различные измерения, произведенные для обучения ANN (сигналов положения и ускорения).
Фиг. 9 демонстрирует производительность процесса обучения ANN.
Фиг. 10 демонстрирует матрицу идентификации.
Фиг. 11 демонстрирует модель мягкого удара в виде безмассового отбойника, поддерживаемого амортизатором и пружинной.
1
0
s
s
1
2
3
Фиг. 12 демонстрирует временную диаграмму единичного удара, вычисленного для m=1 кг, h=1 м, g=9,8 м/с, t=9,5 Нс/м, k=20×10Н/м. Перемещение массы m показано верхней линией, и ее ускорение отмечено нижней линией.
1
0
s
s
s
s
s
s
2
3
3
3
3
3
Фиг. 13 демонстрирует карту удара с различными коэффициентами жесткости, вычисленными для m=1 кг, h=1 м, g=9,8 м/с, t=9,5 Нс/м, k=30×10Н/м (нижние левые группы точек), k=32×10Н/м (следующая более высокая группа точек), k=35×10Н/м (следующая более высокая группа точек), k=40×10Н/м (следующая более высокая группа точек), и k=50×10Н/м (верхняя правая группа точек).
1
s
2
Фиг. 14 демонстрирует карту удара с различными коэффициентами жесткости и разными скоростями при ударе вычисленный для m=1 кг, g=9,8 м/с, t=9,5 Нс/м.
Фиг. 15 демонстрирует физическую модель дрейфующего осциллятора.
Фиг. 16 (a) демонстрирует перемещение массы, x (сплошная линия) и нижней части ползуна, v (штриховая линия) в зависимости от времени, τ вычисленное для a=0,3, b=0,16 ξ=0,05, ω=0,1, g=0,02 и ϕ= π/2. Фиг. 16 (b) демонстрирует фазовый портрет (искривленная линия) с ударной поверхностью (прямая линия).
Фиг. 17 (a) демонстрирует перемещение массы (сплошная линия), верхней части ползуна (штриховая линия) и нижней части ползуна (пунктирная линия), (b) ускорение массы, вычисленное для a=0,1, b=0, ξ=0,05, ω=0,1, g=0,02 и ϕ= π/2.
Фиг. 18 демонстрирует траекторию ускорения массы в зависимости от относительного перемещения (искривленная линия) с ударной поверхностью (вертикальная линия), вычисленного для a=0,1, b=0, ξ=0,05, ω=0,1, g=0,02 и ϕ=π/2.
Фиг. 19 демонстрирует траектории ускорения массы в зависимости от относительного перемещения с ударной поверхностью (самая левая линия), вычисленного для a=0,1, b=0, ξ=0,05, ω=0,1, g=0,02, ϕ= π/2, k=0,5 (самая правая линия), k=1 (средняя правая линия), и k=5 (средняя левая линия).
Фиг. 20 демонстрирует математическую модель ударного осциллятора (см. Ing, J., Pavlovskaia, E., Wiercigroch, M., Soumitro, B. "Experimental study of impact oscillator with one-sided elastic constraint". Phil. Trans. R. Soc. A, 366 (2008), 679-705).
Фиг. 21 демонстрирует схему алгоритма нечеткого управления.
Фиг. 22 демонстрирует блок-схему операций настоящего нечеткого процесса управления.
Фиг. 23 демонстрирует схему векторизации наклона жесткости.
Фиг. 24 демонстрирует функцию членства наклона жесткости.
Фиг. 25 демонстрирует функции членства статической нагрузки, b и амплитуды возбуждения, a.
f
Фиг. 26 демонстрирует временную диаграмму перемещений, вычисленных для m=1, P=1, ξ=0,05, ω=0,1, g=0,02, ϕ= π/2, k=3, b=0,13, a=0,2 (нижние линии) и b=0,1432, a=0,3126 (верхние линии).
f
Фиг. 27 демонстрирует временную диаграмму среднего продвижения, вычисленного для m=1, P=1, ξ=0,05, ω=0,1, g=0,02, ϕ= π/2, k=3, b=0,13, a=0,2 (нижние линии) и b=0,1432, a=0,3126 (верхние линии).
Фиг. 28 демонстрирует временные диаграммы перемещения при (a) статической нагрузке 0,75 кН, (b) 1,0 кН, (c) 1,25 кН, (d) 1,5 кН, (e) 1,75 кН и (f) амплитуде динамического усилия 2,0 кН и 2,5 кН (верхняя левая линия для традиционного бурения и нижняя правая линия для RED).
Фиг. 29 демонстрирует соотношение между (a) коэффициентом улучшения и (b) продвижением и статическим усилием для динамической амплитуды 2,5 кН.
Фиг. 30 демонстрирует временные диаграммы перемещения при амплитуде возбуждения (a) 1,5 кН, (b) 2,5 кН, (c) 3,5 кН и (d) 5 кН и статической нагрузке 1 кН (верхняя левая линия для традиционного бурения и нижняя правая линия для RED).
Фиг. 31 демонстрирует изменение амплитуды возбуждения и (a) скорость проникновения и (b) коэффициент улучшения.
Фиг. 32 демонстрирует временные диаграммы перемещения при частоте возбуждения (a) 150 Гц, (b) 180 Гц, (c) 190 Гц, (d) 200 Гц и (e) 210 Гц и статической нагрузке 1,75 кН (верхняя левая линия для традиционного бурения и нижняя правая линия для RED).
Фиг. 33 демонстрирует изменение частоты возбуждения и (a) скорости проникновения и (b) коэффициента улучшения.
Фиг. 34 демонстрирует временные диаграммы перемещения при (a) 30 об/мин, (b) 60 об/мин, (c) 90 об/мин и (d) 120 об/мин при частоте возбуждения 200 Гц и статической нагрузке 1,75 кН (верхняя левая линия для традиционного бурения и нижняя правая линия для RED).
Фиг. 35 демонстрирует изменение скорости вращения и (a) скорости проникновения и (b) коэффициента улучшения.
Изобретение будет описано ниже более подробно.
Как было упомянуто выше, настоящее изобретение предусматривает способ управления резонансно-усиленным вращательным буром, содержащим буровой модуль и систему управления для управления одним или более параметрами бурения бурового модуля, причем способ содержит:
(a) использование одной или более начальных характеристик бурящегося материала и/или одного или более начальных параметров бурения для управления буровым модулем;
(b) измерение одного или более текущих параметров бурения для получения одного или более измеренных параметров бурения;
(c) использование одного или более измеренных параметров бурения в качестве входа в систему управления, для получения выхода из системы управления, причем выход содержит одну или более расчетных характеристик бурящегося материала;
(d) использование одной или более расчетных характеристик бурящегося материала и/или одного или более измеренных параметров бурения, в качестве входа в систему управления, для получения выхода из системы управления, причем выход содержит один или более расчетных параметров бурения;
(e) в необязательном порядке, применение одного или более расчетных параметров бурения к буровому модулю;
(f) в необязательном порядке, повторение этапов (b), (c) (d) и (e).
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, на этапе (d) один или более расчетных параметров бурения из предыдущей итерации процесса управления можно применять помимо измеренных параметров бурения как дополнительный вход для определения расчетных параметров бурения. Это может происходить, например, когда не все параметры бурения были измерены в итерации. Дополнительно или альтернативно, когда вычисленные значения характеристик материала недоступны, вместо них можно использовать вычисленные значения из предыдущей итерации.
На этапе (a), этап "использования... для управления буровым модулем " может означать "применение" или "отправку" информации, касающейся одной или более начальных характеристик бурящегося материала к (в) системе(у) управления и/или к (в) буровому(ый) модулюь). Соответственно, настоящее изобретение также предусматривает способ управления резонансно-усиленным вращательным буром, содержащим буровой модуль и систему управления для управления одним или более параметрами бурения бурового модуля, причем способ содержит:
(a) применение одной или более начальных характеристик бурящегося материала и/или одного или более начальных параметров бурения к системе управления и/или к буровому модулю;
(b) измерение одного или более текущих параметров бурения для получения одного или более измеренных параметров бурения;
(c) использование одного или более измеренных параметров бурения в качестве входа в систему управления, для получения выхода из системы управления, причем выход содержит одну или более расчетных характеристик бурящегося материала;
(d) использование одной или более расчетных характеристик бурящегося материала и/или одного или более измеренных параметров бурения, в качестве входа в систему управления, для получения выхода из системы управления, причем выход содержит один или более расчетных параметров бурения;
(e) в необязательном порядке, применение одного или более расчетных параметров бурения к буровому модулю;
(f) в необязательном порядке, повторение этапов (b), (c) (d) и (e).
В настоящем изобретении, параметры бурения не имеют особых ограничений и могут быть любыми параметрами, полезными в управлении процессом бурения. Количество параметров также не имеет конкретных ограничений, при условии, что, по меньшей мере, один используется. В некоторых вариантах осуществления количество параметров может быть равно 2 или более, 3 или более, 4 или более, 5 или более, 6 или более, 7 или более, 8 или более, 9 или более, или 10 или более. Обычно параметры бурения выбраны из следующих:
(a) осевого усилия бурения на бурящийся материал (также именуемого ʺосевой нагрузкой на долотоʺ (WOB) или ʺстатическим усилиемʺ)
(b) скорости или темпа прохождения бура (или бурового долота или бурового модуля), и обычно скорости или темпа прохождения через бурящийся материал (также известного как ʺскорость продвиженияʺ(ROP));
(c) ускорения бура (или бурового долота или бурового модуля), и обычно ускорения через бурящийся материал;
(d) частоты колебаний бура;
(e) амплитуды колебаний бура;
(f) осевого колебательного усилия бурения на бурящийся материал (также именуемого ʺдинамическим усилиемʺ);
(g) скорости вращения или оборотов бура;
(h) вращательного усилия или крутящего момента бура на бурящийся материал;
(i) расхода флюида; и
(j) относительного перемещения бурового долота.
В этом контексте, расход флюида содержит количество флюида, проходящего через, вокруг и/или поверх бурового долота. Обычно флюид пропускается через зону бурение для смазывания, охлаждения и удаления обломков породы. В ряде случаев (например, ROP) параметры бурения непосредственно не применимы к буровому модулю, но являются параметрами, которые можно применять опосредованно путем применения одного или более из других параметров, с которыми связан косвенный параметр.
Любой один или более из этих параметров можно максимизировать, минимизировать или оптимизировать, в зависимости от условий, способов бурения, типа материала (породы) и целей процесса. Однако обычно косвенные параметры бурения, например ROP, желательны для максимизации или оптимизации. Другим таким параметром, например, может быть износ бурового долота, который нужно минимизировать.
В настоящем изобретении, характеристики материала, подлежащего бурению, не имеют особых ограничений и могут быть любыми характеристиками, полезными в управлении процессом бурения. Количество характеристик также не имеет конкретных ограничений, при условии, что, по меньшей мере, один используется. В некоторых вариантах осуществления количество характеристик может быть 2 или более, 3 или более, 4 или более, 5 или более, 6 или более, 7 или более, 8 или более, 9 или более, или 10 или более. Обычно характеристики материала, подлежащего бурению, выбраны из следующих:
(a) прочности материала на сжатие
(b) жесткости или эффективной жесткости материала;
(c) предела текучести материала;
(d) ударной вязкости материала;
(e) усталостной прочности материала;
(f) прочности материала на разрыв;
(g) прочности материала на сдвиг;
(h) твердости материала;
(i) плотности материала;
(j) модуля Юнга материала; и
(k) коэффициента Пуассона материала.
Обычно одна или более начальных характеристик бурящегося материала на этапе (a) получаются из эмпирической информации, предпочтительно, из базы данных. Обычно также один или более начальных параметров бурения на этапе (a) получаются из эмпирической информации, предпочтительно, из базы данных. База данных обычно наполняется информацией, полученной в ходе тестирования бурового модуля (различных размеров, диаметров, весов и т.д.) на различных типах породы и пластах породы.
Одну или более расчетных характеристик бурящегося материала на этапе (c) можно получить любым пригодным способом с использованием вычисления или оценивания, но обычно они получаются с использованием одной или более моделей, например, одной или более эмпирических и/или математических моделей. Модели не имеют особых ограничений при условии, что они являются пригодными моделями для вычисления нужных параметров (таким образом, что они способны осуществлять приемлемое оценивание желаемых параметров). Обычно модели являются эмпирическими моделями (например, моделями, которые разработаны из эмпирических данных, а не из физических или математических теорем). Предпочтительно, одна или более моделей содержат нейронную сеть. В некоторых вариантах осуществления одна или более моделей может содержать модель NARMAX (нелинейная модель авторегрессии/ скользящего среднего с экзогенными входами) и/или модель на основе удара и/или модель на основе проникновения. Любую используемую модель можно, при желании, использовать совместно с одной или более другими моделями. В ряде случаев использование нескольких разных моделей совместно или отдельно может обеспечивать более точные результаты.
В настоящем изобретении один или более расчетных параметров бурения на этапе (d) можно получить любым пригодным способом с использованием вычисления или оценивания, но обычно они получаются с использованием модели нечеткой логики. Применяемая модель нечеткой логики не имеет особых ограничений, и можно применять любую модель нечеткой логики, известную в технике. Обычно модель нечеткой логики, используемая в изобретении, содержит:
(i) обработку входных параметров этапа (d) для формирования нечетких входных параметров;
(ii) обработку нечетких входных параметров для формирования нечетких заключений; и
(iii) обработку нечетких заключений для задания выходных параметров этапа (d).
В некоторых вариантах осуществления этап (i) содержит использование функции членства для преобразования одного или более входных параметров в один или более нечетких входных параметров. Предпочтительно, этап (ii) содержит механизм вывода и основу правил, причем механизм вывода используется для выбора из основы правил одного или более правил для применения на основании входных параметров и/или нечетких входных параметров этапа (i), и при этом одно или более правил применяются к одному или более нечетким входным параметрам для их преобразования в одно или более нечетких заключений. Обычно, но не исключительно, этап (iii) содержит использование функции членства и/или способа центра тяжести для преобразования одного или более нечетких заключений в выходные параметры этапа (d).
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления изобретения, модель характеристик бурящегося материала использует нейронную сеть, и модель параметров бурения использует нечеткую логику.
Способ измерения одного или более текущих параметров бурения (параметров бурения, существующих в текущей итерации процесса до применения расчетных параметров) на этапе (b) не имеет особых ограничений. Однако это предпочтительно осуществлять с использованием одного или более датчиков, встроенных в буровой модуль. Один или более датчиков не имеют особых ограничений при условии, что они способны измерять конкретные предусмотренные параметры, но в предпочтительных вариантах осуществления датчики выбраны из тензодатчика и датчика вихревых токов и акселерометра и датчика(ов) для измерения тока и/или изменений напряжения в модуле, и любой комбинации одного или более из них.
В способе также можно использовать дополнительные параметры, например, фиксированные параметры, связанные с буровым оборудованием, которые не будут изменяться (вес, размер (диаметр бурового долота, диаметра ствола скважины, длина бурового модуля) и т.д.) и внешние параметры, которые могут быть или не быть фиксированными (например, температура, давление и т.д.). Обычно, но не исключительно, дополнительные параметры выбраны из следующих:
(a) диаметра бурового долота;
(b) массы бурового модуля;
(c) температуры бурящегося материала;
(d) геостатического давления или порового давления бурящегося материала;
(e) длины бурового модуля
(f) ширины ствола скважины; и
(e) глубины ствола скважины.
Настоящее изобретение также предусматривает способ бурения, причем способ содержит использование резонансно-усиленного бура для бурения материала, причем управление резонансно-усиленным буром осуществляется согласно заданному выше способу.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает систему управления для резонансно-усиленного бурения, причем система управления содержит:
(a) контроллер для определения одной или более характеристик материала, подлежащего бурению, и
(b) контроллер для определения одного или более параметров бурения;
причем система управления выполнена с возможностью осуществления заданного выше способа.
Изобретение, кроме того, предусматривает устройство для резонансно-усиленного бурения, причем устройство содержит:
(a) буровой модуль; и
(b) заданную выше систему управления.
Резонансно-усиленное бурение
Как было подчеркнуто выше, настоящее изобретение предусматривает управление процессом или устройством резонансно-усиленного бурения. Способ изобретения может применяться к традиционным способам RED, например, раскрытым в WO 2007/141550 и WO 2011/032874. В таких известных способах, управление параметрами движения осциллятора обычно осуществляется на основе механизма обратной связи, который использует датчики для непосредственного определения прочности на сжатие бурящейся породы. В настоящем способе используется гораздо более сложная обратная связь, как описано выше.
В целом, согласно известным способам RED, в ходе эксплуатации, долото вращательного бурения вращается, и аксиально ориентированная динамическая нагрузка прилагается к буровому долоту осциллятором для формирования зоны распространения трещин, способствующей прохождению долота вращательного бурения через материал. Согласно известным способам, управление осциллятором обычно осуществляется, как описано в WO 2011/032874. В этих способах, диапазоны частоты и динамического усилия базируются на представленном ниже анализе. В настоящем изобретении, нижеприведенные детали представляют полезное руководство в виде процесса, к которому может применяться более сложный процесс управления.
Прочность на сжатие пласта задает нижнюю границу необходимых ударных сил. Минимальная необходимая амплитуда динамического усилия вычисляется следующим образом:
eff
eff
D - эффективный диаметр долота вращательного бурения, который является диаметром D бурового долота, масштабированным согласно участку бурового долота, который контактирует с бурящимся материалом. Таким образом, эффективный диаметр D можно определить как:
contact
eff
где S - масштабный коэффициент, соответствующий участку бурового долота, который контактирует с бурящимся материалом. Например, оценивая, что только 5% поверхности бурового долота контактирует с бурящимся материалом, эффективный диаметр D можно задать как:
Вышеупомянутые вычисления обеспечивают нижнюю границу динамического усилия осциллятора. Использование динамического усилия, превышающего эту нижнюю границу обеспечивает формирование зоны распространения трещин перед буровым долотом в ходе эксплуатации. Однако, если динамическое усилие слишком велико, то зона распространения трещин будет проходить вдаль от бурового долота, создавая угрозу для стабильности ствола скважины и снижая качество ствола скважины. Кроме того, если динамическое усилие, прикладываемое осциллятором к вращательному буру, слишком велико, это может привести к ускоренному и катастрофическому износу и/или отказу инструмента.
Параметры
Как явствует из вышесказанного, важной частью настоящего процесса управления является моделирование параметров бурения, с использованием измеренных параметров бурения и смоделированных характеристик материала в качестве входа.
Для адекватного моделирования влияния различных параметров бурения на RED, требуется физическая модель, которая учитывает взаимодействие бурового модуля (в особенности, бурового долота) и материала (например, породы). Такая модель, предпочтительно, не только опирается на процесс разрушения материала, но и имитирует динамику бурения системы. Это может осуществляться, как представлено ниже, за счет адекватного моделирования механических характеристик материала. Эти характеристики затем могут использоваться в контроллере вычисления параметров бурения, например, для построения подходящей базы правил и механизма вывода для процесса нечеткой логики.
Производительность резонансно-усиленного бурения (RED), как и любого другого способа создания ствола скважины, зависит от применяемых входных параметров. Например, предполагается, что осевая нагрузка на долото (WOB), скорость вращения, амплитуда силы и частота возбуждения оказывают значительное влияние на скорости продвижения и процент улучшения по сравнению с традиционным бурением. Понимание того, как эти параметры по отдельности влияют на результат RED важно для определения комбинации необходимой для наилучшей производительности.
Автор изобретения осуществил имитацию на основании экспериментально определенных свойств песчаника. Буровое долото и оставшаяся часть бурильной колонны рассматривались как жесткие элементы.
Полученные результаты влияния WOB, скорости вращения, амплитуды и частоты возбуждения исследовались и наблюдались по сравнению с более ранними экспериментальными исследованиями.
Влияние WOB
Осевая нагрузка на долото (WOB) обеспечивает усилие, необходимое для разрушения массива горных пород в традиционном вращательном бурении. Однако в RED усилие является комбинацией статического усилия (или WOB) и гармонического усилия. Поэтому необходимо понимать влияние WOB на процесс. Для исследования его влияния на производительность RED, проводились имитации методом конечных элементов. Свойства материала, скорость вращения, амплитуда и частота возбуждения оставались постоянными, тогда как статическое усилие могло изменяться между минимумом и максимумом, например от 0,75 до 2 кН.
Фиг. 28 демонстрирует временные диаграммы перемещения бурового долота для каждой используемой нагрузки. Наблюдается, что градиент временных диаграмм в течение фазы традиционного бурения имитации всегда ниже наблюдаемого в ходе RED. Это качественно аналогично экспериментальным результатам, полученным в лаборатории.
На фиг. 29 (a) изображено изменение коэффициента улучшения для RED. Полученное значение было примерно постоянным для всех используемых WOB. Стоит упомянуть о том, что это не соответствуют экспериментам. Это объясняется тем, что реальные породы, используемые в эксперименте, неоднородны, тогда как порода в этой модели имеет однородные свойства. Поэтому предполагается, что будет получено примерно постоянное значение коэффициента улучшения. Фиг. 29 (b) является графическим представлением соотношения между WOB и продвижением для разных WOB. Наблюдается, что продвижение возрастает с увеличением WOB до 1,75 кН, после чего наблюдается спад.
Влияние амплитуды возбуждения
Доступная энергия, когда буровое долото ударяет по породе в RED является функцией амплитуды гармонического возбуждения. Однако на максимальное достижимое значение налагается ограничение вследствие мощности, доступной приводу RED. Таким образом, полезно устанавливать, как она влияет на общую производительность процесса бурения. Для изучения влияния изменений на амплитуду, три имитации осуществлялись с разными амплитудами силы при сохранении другого WOB (статического усилия) и других параметров бурения постоянными.
Фиг. 30 представляет временные диаграммы перемещения бурового долота в ходе традиционного бурения и RED. Заметим, что средняя скорость проникновения, полученная в фазе RED всегда больше достигаемой в течение фазы традиционного бурения имитации.
На фиг. 31 (a) представлен график скоростей продвижения в зависимости от амплитуды возбуждения. Скорость продвижения возрастает с амплитудами, и то же справедливо в отношении коэффициента улучшения (фиг. 31 (b)). Наблюдения согласуются с результатами, полученными из экспериментов.
Влияние частоты возбуждения
Частота возбуждения динамического усилия определяет показатель доступной энергии для разрушения массива горных пород за единицу времени. Следовательно, понимание того, как частота влияет на эффективность RED, помогает при выборе наилучшего значения для использования в буровых работах.
Влияние частоты на производительность также изучалось с использованием той же моделей конечных элементов. Значение частоты изменялось, тогда как другие модельные параметры оставались постоянными. Имитация проводилась из 150, 180, 190, 200 и 210 Гц. Результаты изображены в виде временных диаграмм перемещения бурового долота на фиг. 32.
Фиг. 33(a) демонстрирует, что соотношение между частотой и скоростью проникновения, тогда как на фиг. 33(b) графически представлены коэффициент улучшения, полученный для другой скорости. Скорости проникновения увеличивались с увеличением частоты для используемого диапазона. Также наблюдается, что градиент графика значительно возрастает за пределами 180 Гц. Это говорит о том, что если осуществлять имитацию для более высоких частот, существует возможность найти оптимальное значение, необходимое для наилучшей производительности. Аналогичные результаты были получены для коэффициента улучшения, как показано на фиг. 33(b). Эти типы результатов наблюдались в экспериментах RED.
Влияние скорости вращения
Скорость вращения бурильной колонны влияет на эффективность процесса бурения. Известно, что скорость вращения играет важную роль в разрушении массива горных пород и удалении обломков в традиционном вращательном бурении. Полезно изучать ее влияние на производительность RED.
Исследование проводилась для скорости вращения, изменяющейся от 30 об/мин до 120 об/мин с шагом 30 об/мин. Результаты анализа графически представлены на фиг. 34 в виде временных диаграмм перемещения бурового долота. Средняя скорость проникновения для фазы RED всегда выше, чем для традиционного вращательного бурения.
Из фиг. 34 и 35(a), также следует, что буровой снаряд перемещается быстрее с увеличением скорости вращения как для RED, так и для традиционного бурения. Фиг. 35(b) является графической сводкой коэффициента улучшения, полученного для различных скоростей. Наблюдается, что коэффициент улучшения остается практически постоянным для всех применяемых скоростей вращения. Эти результаты согласуются с полученными из экспериментов.
Сводка влияния параметров
В частности, было показано, что WOB и динамическое усилие определяют силу, необходимую для разрушения массива горных пород. Таким образом, их соответствующие величины влияют на эффективность процесса бурения. Было показано, что WOB имеет оптимальное значение для достижения наилучшей производительности. Повышение амплитуды возбуждения приводит к возрастанию скоростей проникновения и коэффициентов улучшения для RED.
Данные демонстрируют, что частота возбуждения оказывает значительное влияние на величину энергии за единицу времени, доступную для разрушения массива горных пород. Кроме того, было показано, что скорость вращения определяет скорость удаления материала с поверхности бурового долота. Было показано, что скорость проникновения повышается с увеличением скорости вращения.
Все результаты, полученные из проводимых имитаций методом конечных элементов, качественно аналогичны наблюдаемым из экспериментов RED.
В итоге, для адекватного моделирования влияния различных параметров бурения на RED, разработаны физические (или эмпирические) модели, которые учитывают взаимодействия бурового модуля (например, бурового долота) и материала (например, породы). Эти модели продемонстрировали свою пригодность для определения наилучших параметров бурения для пород и других материалов и допускают применение в контроллере как часть процесса управления изобретения. Модели можно использовать для построения подходящей базы правил и механизма вывода в контроллере нечеткой логики для вычисления параметров бурения, или можно использовать в других стратегиях управления.
Система управления
На фиг. 4 показан пример системы управления согласно настоящему изобретению. В этой схеме, контроллер для вычисления характеристик бурящегося материала обозначен как ʹмеханизм идентификации породыʹ, контроллер для вычисления параметров бурения обозначен как ʹконтроллерʹ, и различные иллюстративные характеристики материала и параметры бурения показаны как применяемые в способе управления.
Контроллер для вычисления параметров бурения
Имитационное исследование, проведенное автором изобретения, продемонстрировало, что оптимальные амплитуда возбуждения и WOB, дающие наилучшую скорость проникновения, изменялись в зависимости от жесткости породы. Стратегия нечеткого управления настоящего изобретения предпочтительна для регулировки оптимальных частоты и амплитуды (или других параметров бурения) бурового модуля RED для разных условий породы (или другого материала).
На фиг. 21 представлена схема предложенного способа, который содержит векторизацию, механизм вывода, базу правил и скаляризацию. Векторизация это процесс, который преобразует четкие вводы в лингвистические термины, и затем подает их в механизм вывода на основании заранее заданной базы правил. Затем лингвистическое решение, полученное из механизма вывода, преобразуется в четкие параметры управления для дрейфующего осциллятора. Как показано на фиг. 21, настоящая система управления имеет, по меньшей мере, один ввод (например, наклон жесткости, как показано на фигуре) и, по меньшей мере, один вывод (два вывода на фигуре, которыми в этом примере являются амплитуда возбуждения и статическое усилие).
На фиг. 22 приведена блок-схема операций настоящего процесса управления. Как явствует из этой схемы, процесс начинается с инициализации и записи данных в течение одного периода действия силы после начала имитации. Затем нечеткая система оценивает, являются ли текущие параметры управления (b и a) наилучшими с точки зрения обеспечения наилучшей эффективности при текущем условии жесткости. Если да система будет продолжать использовать текущие параметры управления; если нет, будут приняты четкие параметры управления, вычисленные нечеткой системой управления (обновленные или вычисленные параметры бурения).
Векторизация
Нечеткий контроллер имеет, по меньшей мере, один входной сигнал (например, наклон жесткости в этом примере). Механизм вывода выбирает правило управления на основании векторизованного ввода. Векторизация наклона жесткости представлена на фиг. 23. Согласно фиг. 23, наклон жесткости, превышающий -0,5024, определяется как ʺмягкийʺ, наклон жесткости между -0,5024 и -5,0237 определяется как ʺсреднийʺ, и наклон жесткости, меньший -5,0237, определяется как ʺтвердыйʺ. Сводка векторизации приведена в таблице 4, и функция членства наклона жесткости приведена на фиг. 24.
<b>Таблица 4</b>
<b>Векторизация наклона жесткости</b>
Наклон жесткости (SS)
ʺмягкийʺ
SS>-0,5024
ʺсреднийʺ
-5,0237<SS<-0,5024
ʺтвердыйʺ
SS<-5,0237
База правил
Поскольку в этом примере предполагается, что статическая нагрузка фиксирована, задачу нечеткого контроллера можно преобразовывать для нахождения (например) оптимальной амплитуды возбуждения, которая обеспечивает наилучшее среднее продвижение. В этом примере приведены следующие правила нечеткого управления на основе модели Мамдани:
• Если жесткость является мягкой, WOB велика, и амплитуда возбуждения мала;
• Если жесткость является средней, WOB является средней, и амплитуда возбуждения является средней;
• Если жесткость является твердой, WOB мала, и амплитуда возбуждения велика.
При желании можно применять другие правила для других соотношений между параметрами. При наличии нескольких вводов, можно применять разные правила для разных входных параметров. Аналогично, когда требуется оптимизация разных параметров, можно применять дополнительные другие правила. Механизм вывода можно адаптировать так, чтобы гарантировать, что верные правила согласуются с подаваемыми входными сигналами и оптимизируемыми параметрами.
Скаляризация
Фиг. 25 демонстрирует функции членства статической нагрузки и амплитуду возбуждения для скаляризации нечетких заключений из механизма вывода. Особенно предпочтительно использовать способы центра тяжести, позволяющие вычислять четкий выход с использованием центра полной области каждого выведенного нечеткого множества.
Численные результаты
f
Автор изобретения осуществлял имитационные исследования для предложенного нечеткого контроллера с использованием следующих параметров: m=1, P=1, ξ=0,05, ω=0,1, g=0,02 и ϕ= π/2. На фиг. 26 показаны результаты имитации с использованием k=3, b=0,13 и a=0,2, которые указаны нижним набором линий. Нечеткий контроллер указывает оптимальные параметры b=0,1432 и a=0,3126, и на фиг. 26 показаны результаты имитации с использованием оптимальных параметров, которые указаны верхним набором линий. Отчетливо видно, что перемещение с использованием оптимальных параметров значительно увеличивается, и на фиг. 27 можно видеть улучшенное среднее продвижение с использованием оптимальных параметров.
Контроллер для вычисления характеристик бурящегося материала
Ниже будет более подробно описан контроллер для вычисления характеристик бурящегося материала. Современные системы и способы управления могут применяться во многих типах бурения, и поэтому не ограничиваются крупномасштабным бурением, например, бурением породы. Однако обычно изобретение хорошо подходит к крупномасштабному бурению, например, бурению породы в горнодобывающей и нефтяной промышленности. Поэтому бурящийся материал обычно является типом породы. В дальнейшем, ссылки на породу, тем не менее, также могут применяться к другим материалам.
Когда материалом является порода или любой другой материал, задачу идентификации материала можно сформулировать в отношении математической оптимизации: поскольку наблюдаемый сигнал x(t) (полученный из измерений бурения) полезен для нахождения модельной функции y(t,p) (p является параметром модели), ошибка, выражаемая в виде:
достигает минимума. Известно несколько алгоритмов для решения этой задачи, например, показанный на фиг. 5 на основе обратного анализа. Однако для успешного применения такого рода алгоритмов требуется наличие надежных математических моделей, описывающих изучаемые явления, позволяющих прогнозировать сигналы y(t,p).
Проблема предыдущих систем управления и проблема, лежащая в основе настоящего изобретения, состоит в том, что до сих пор не существует точной физической модели, описывающей конкретные характеристики пластов породы, подвергаемых процессу бурения. Соответственно, автор изобретения предложил применить другой подход. Альтернативные пути, разведанные автором изобретения, включают в себя следующие эмпирические модели:
• Генетические алгоритмы - на основе переноса генофонда поколение за поколением, выведенные из эволюционной теории Дарвина.
• Муравьиные алгоритмы - на основе поведения насекомых.
• Алгоритм запрещенного поиска - исследование локального соседства желаемого критического значения.
• Оптимизацию методом роя частиц - на основе социального поведения группы, например, птиц, летающих в небе, или людей, ищущих выход из здания.
• Искусственные нейронные сети - популярные для задач распознавания образов, где способ имитирует процесс обучения центральной нервной системы.
Все эти подходы обеспечивают полезные альтернативы физической теории для системы. В общем случае, в настоящем изобретении предпочтительно использовать такую альтернативную эмпирическую модель. Это может быть математическая или не математическая модель.
Другие потенциально полезные модели для идентификации характеристик материала (или породы) включают в себя идентификацию на основе удара, идентификацию на основе проникновения и модели NARMAX.
Идентификация на основе нейронной сети
Хотя в настоящем изобретении можно применять любую из вышеперечисленных эмпирических моделей (или любую другую подходящую модель), искусственные нейронные сети (ANN) наиболее предпочтительны для решения задачи идентификации характеристик материала (характеристик породы). Они особенно полезны, если жесткость материала является одним из параметров, подлежащих применению (хотя они также полезны для других параметров). Значительное преимущество ANN состоит в том, что не требуется прямой математической модели (или физической модели) явления, представляющего интерес. Ключевым моментом ANN является осуществление надлежащего процесса обучения для выбранной сети. Нейронная модель для ANN показана на фиг. 6.
ANN представляет собой общую парадигму математических вычислений, которая моделирует операции биологических нейронных систем (например, обучение, классификацию и распознавание образов). Основная идея состоит в том, чтобы задавать подходящие векторы (меры) признаков, которые отражают характеристики изучаемого процесса, в данном случае характеристики материала (или породы) в условиях бурения. После задания множества векторов признаков, ANN подвергается процессу обучения, в котором ANN регулирует свои коэффициенты для правильной идентификации свойств породы. На этой стадии важно иметь достаточно большой диапазон обучающих выборок, чтобы они представляли условия бурения, предполагаемые в реальных областях применения.
В настоящем изобретении, доступно несколько сигналов, которые можно применять для процесса идентификации ANN. В частности, положение и ускорение бурового долота. Это позволяет задавать различные меры признаков, (например, мощность, пики, коэффициенты Фурье и т.д.), используемые в сигналах положения и ускорения. Это можно проиллюстрировать экспериментально. Рассмотрим множество обучающих сигналов, генерируемых в следующих условиях бурения:
<b>Таблица 1</b>
<b>Параметры экспериментальных данных для обучения ANN.</b>
Порода
Буровое долото
Частота (Гц)
Амплитуда (В)
WOB (кН)
гранит
3 7/8" PDC
178,83
200
1,5
песчаник
3 7/8" Varel 4919
178,22
180
3,5
Обучающие сигналы (сигналы положения и ускорения), генерируемые в вышеупомянутых условиях бурения показаны на фиг. 7, для гранита и песчаника.
На фиг. 8 показаны различные измерения, произведенные для обучения ANN. Один ключевой аспект этого подхода состоит в том, чтобы использовать меры, позволяющие различать нужные характеристики, в частности, в этом примере, тип породы (гранит/песчаник). Как следует фигуры, выбранные меры эффективно накапливаются для каждого из типов породы, таким образом, указывая свою способность идентифицировать тип бурящейся породы.
Эти измерения позволяют осуществлять алгоритм обучения (с использованием инструментальной панели Matlab ANN), выбирая в качестве вариант реализации обучение под наблюдением. Производительность этой процедуры представлена на фиг. 9. Как можно видеть, алгоритм сходится довольно быстро, и это означает, что задача поставлена корректно. Это очень важный аспект для рассмотрения, поскольку корректность задачи тесно связана с надежностью метода идентификации. Это важно ввиду возможных неблагоприятных условий, в которых пласты породы нужно тщательно идентифицировать. В связи с этим, способ демонстрирует очень хорошие характеристики сходимости, и это свидетельствует о том, что этот метод обеспечивает значительное усовершенствование для вычисления реальных условий бурения.
Обучив ANN, сеть можно тестировать для проверки ее идентификационных возможностей. Для этого можно разделить данные выборок на две группы: обучающую и тестирующую, что позволяет осуществлять весь процесс с одним и тем же набором экспериментальных данных. Однако, для иллюстрации надежности и эффективности предложенного метода идентификации, использовался отдельный набор экспериментальных данных, как подробно показано ниже в таблице 2:
<b>Таблица 2</b>
<b>Параметры экспериментальных данных для тестирования ANN.</b>
Порода
Буровое долото
Частота (Гц)
Амплитуда (В)
WOB (кН)
гранит
2 3/4" PDC
178,22
195
1,6
песчаник
3 7/8" Varel 4885
178,22
180
3,5
Как можно видеть, параметры для тестовых данных отличаются от параметров для обучающих данных, но, конечно, они во многом сходных. Таким образом, с использованием этого нового набора экспериментальных данных можно использовать положение и ускорение в качестве основных сигналов и получать ранее заданные меры для тестирования обученной сети.
Результат представлен на фиг. 10. Это так называемая матрица неточностей, где показано абсолютное количество выборок и их процент, соответствующий правильно и неправильно идентифицированным сигналам. В этом случае, можно видеть, что все выборки накапливаются на диагонали матрицы неточностей, и это означает, что выборки, соответствующие классу 1 (гранит), идентифицированы сетью как принадлежащие класс 1, и т.д. Таким образом, этот способ можно применять и расширять для реализации контроллера идентификации породы, показанного на фиг. 5.
Идентификация на основе удара
1
s
s
Идентификацию характеристик материала также можно осуществлять с использованием способа на основе ускорения бурового долота. Простая модель удара, показанная на фиг. 11, где масса m сталкивается с основанием, моделируемым в виде легкого отбойника, поддерживаемого легкой пружиной с коэффициентом k упругого восстановления и легким вязким амортизатором с коэффициентом затухания t. Динамика модели подчиняется следующему уравнению:
(1)
где  и . Решение Ур. (1) имеет вид:
(2)
0
где  - частота затухающих колебаний. Если скорость соударяющегося тела при столкновении обозначить v, получаем следующие начальные условия
Таким образом, Ур. (2) приобретает вид
1
i
В начале контакта массы m и отбойника и в его конце по истечении времени τ осциллятор (1) находится в состоянии равновесия, поэтому контакт происходит в течение времени, равного половине периода колебаний:
1
1
acc
Фиг. 12 представляет эквивалентный отклик массы m при первом соударении с отбойником. Как можно видеть из фигуры, длительность удара τ и амплитуда удара H указаны для первого удара, и эти два важных параметра используются для построения карты удара, который может идентифицировать характеристику породы.
Если параметры управления остаются постоянными, для разных типов породы, длительность удара и амплитуда удара отличаются. Для мягких типов породы, длительность удара увеличивается, и амплитуда удара уменьшается. Для твердых типов породы, длительность удара уменьшается, и амплитуда удара увеличивается.
Фиг. 13 демонстрирует карту удара с различными коэффициентами жесткости с использованием одних и тех же параметров управления. С увеличением жесткости (от нижнего правого угла к верхнему левому углу), длительность удара уменьшается, и амплитуда удара увеличивается. Поэтому целесообразно идентифицировать жесткость породы, отслеживая положение удара на этой карте.
Для лучшего понимания ударного действия, фиг. 14 демонстрирует карту удара с различными коэффициентами жесткости и разными скоростями при ударе. Установлено, что, при одном и том же коэффициенте жесткости, длительность удара остается неизменной для разных скоростей при ударе. Также можно заключить, что изменение жесткости породы путем применения увеличенной скорости при ударе (помеченной самыми верхними кружками) более очевидно, чем изменение путем применения меньшей скорости при ударе (помеченной самыми нижними кружками). Это явление представляет интерес, поскольку демонстрирует необходимость использовать RED в условиях резонанса.
Идентификация на основе проникновения
Основное различие между ударной идентификацией и этим способом состоит в том, что первая рассматривает геометрию ударного действия с использованием длительности удара и амплитуды удара сигнала ускорения, тогда как последняя рассматривает амплитуду удара сигнала ускорения и проникновение бурового долота в породу.
d
s
m
t
b
Рассмотрим ударный осциллятор с дрейфом, показанный на фиг. 15, (адаптированный из Pavlovskaia E., Wiercigroch M., Grebogi C.: (2001), Modelling of an impact system with a drift, Phy Rev E, 64, 056224), где масса m приводится в движение внешней силой, содержащей гармоническую составляющую амплитуды P, частоты Ω и сдвига ϕ фазы и статическую составляющую, P. Предполагается, что в начальный момент t=0, зазор G равен расстоянию между массой и невесомой верхняя часть ползуна пластина, которая соединена с нижней пластиной ползуна линейной пружиной с жесткостью k и вязким амортизатором с коэффициентом c затухания. X, X, X представляют абсолютное перемещение массы, верхней части ползуна и нижней частью ползуна, соответственно. Предполагается, что сила тяжести включена в статическое усилие, или модель работает в горизонтальной плоскости.
Рассматриваемая система описывается системой дифференциальных уравнений первого порядка:
(3)
где H(.)-функция Хевисайда, описанная как
Предполагая, что жесткость k линейной пружины неизвестна, целью этого способа является оценивание жесткости дрейфующего осциллятора, который имитирует жесткость породы в процессе бурения.
Временная диаграмма перемещения исследуемой системы показана на фиг. 16 (a), где сплошная линия представляет перемещение массы, и штриховая линия представляет перемещение нижней части ползуна. Как можно видеть, система находится в характеристике период-1, где масса один раз соударяется с верхней частью ползуна за период действия силы. В Pavlovskaia E., Wiercigroch M., Grebogi C.: (2001), Modelling of an impact system with a drift, Phy Rev E, 64, 056224, было установлено, что фазовый портрет с использованием зависимости скорости y массы от относительного перемещения x-v, как показано на фиг. 16 (b), позволяет лучше понять это поведение при ударе. Однако на основании фазового портрета трудно оценить ускорение массы при соударении с верхней частью ползуна. Это поведение при ударе использовалось для имитации соударения между буровым долотом и породой. Если жесткость породы идентифицируется в ходе удара, надлежащее динамическое и статическое усилие можно применять для достижения оптимальной скорости проникновения. Настоящее изобретение предусматривает способ для идентификации жесткости путем построения фазового портрета с использованием ускорения и относительного перемещения массы.
Численные результаты на фиг. 17 демонстрируют временную диаграмму системы только с ударом, где фиг. 17 (a) представляет перемещения массы, верхней части ползуна и нижней части ползуна, и фиг. 17 (b) представляет ускорение массы в ходе удара. Фиг. 18 демонстрирует траекторию ускорения массы в зависимости от относительного перемещения. На фиг. 17 и 18 помечены три критические точки, A, B и C, которые указывают начало удара, максимальное относительное перемещение, и окончание удара, соответственно. Как можно видеть, с точки A, масса начинает контактировать и перемещается вниз совместно с верхней частью ползуна, и реактивная сила, действующая на массу со стороны верхней части ползуна, немедленно возрастает. После того, как масса останавливается реактивной силой, ускорение массы достигает максимума в направлении вверх, и относительное перемещение массы и нижней части ползуна также максимально. Если реактивная сила увеличивается, максимальное ускорение в направлении вверх увеличивается, и максимальное относительное перемещение уменьшается. Это позволяет заключить, что максимумы ускорения массы и относительного перемещения зависят от коэффициента жесткости линейной пружины. Фиг. 19 демонстрирует вышеупомянутое заключение путем имитации системы с использованием трех разных коэффициентов жесткости. Можно видеть, что характеристика с коэффициентом жесткости, k=0,5 демонстрирует наибольшее относительное перемещение и наименьшее ускорение массы, тогда как характеристика с коэффициентом жесткости, k=5 демонстрирует наименьшее относительное перемещение и наибольшее ускорение массы.
Идентификация на основе NARMAX
Поведение кусочно-линейных осцилляторов, на которые поступают синусоидальные входные сигналы, хорошо изучено (см. Wiercigroch M., Wojewoda J., Krivtsov A. M.: (2005), Dynamics of ultrasonic percussive drilling of hard rocks, J. Sound and Vibration, 280, 739-757). Однако большинство исследований было сосредоточено на описании сложных динамических режимов, наблюдаемых, когда входная амплитуда или частота изменяется посредством карт бифуркации (см. Ing, J., Pavlovskaia, E., Wiercigroch, M., Soumitro, B. "Experimental study of impact oscillator with one-sided elastic constraint". Phil. Trans. R. Soc. A, 366 (2008), 679-705). Хотя эта информация обеспечивает полезное понимание реакции бура при работе в известных условиях, ее нельзя использовать для идентификации нового сценария, который связан с физически значимым изменением жесткости. Автор изобретения решил этот вопрос с использованием моделирования и анализа нелинейных систем.
Методология состоит в построении полиномиальной модели NARMAX (нелинейной модели авторегрессии/ скользящего среднего с экзогенными входами) (см. Leontaritis, I.J., Billings, S.A. "Input-output parametric models for nonlinear systems, Part I: deterministic nonlinear systems". International Journal of Control, 41 (1985), 303-328) с использованием входных-выходных данных из ударной колебательной системы, показанной на фиг. 20. Затем характеристика идентифицированной модели анализируется в частотной области путем выделения NOFRF (нелинейных функций выходной частотной характеристики) системы (см. Lang, Z.Q., Billings, S.A. "Energy transfer properties of non-linear systems in the frequency domain". International Journal of Control, 78 (2005), 345-362) в некотором диапазоне частот, представляющем интерес, с использованием новой общей инфраструктуры на основании ALE (связанных линейных уравнений) (см. Feijoo, J.A.V., Worden, K. and Stanway, R. "Associated linear equations for Volterra operators". Mechanical Systems and Signal Processing, 19 (2005), 57-69). Были проведены имитационные исследования. Результаты демонстрируют, что простой индекс на основе энергии NOFRF может значительно различать разные сценарии изменений жесткости, чтобы иметь возможность использования для отслеживания условий эксплуатации системы.
Рассмотрим безразмерную модель ударного осциллятора:
n
0
Принятые параметры представляют собой  и , где m=1, g=0,00126, f=9,38, c=1,3, x=0,001. Разные значения β использовались в разных имитациях. Были протестированы следующие значения: β=1, 5, 6, 8, 10 и 20.
Систему идентифицировали с использованием синусоидального входного сигнала:
где A=0,005 и f=8. Эти значения были выбраны, поскольку они создают различимые и простые (без бифуркаций) выходные сигналы для исследуемого диапазона β (меньшие частоты дают слишком похожие выходные сигналы, более высокие частоты создают динамический режимы, которые очень трудно идентифицировать).
s
f
Систему интегрировали с использованием решателя Рунге-Кутты 4-го порядка с фиксированным шагом интегрирования τ=0,06. Каждая имитация проходит до τ=294,62 (5000 точек).
-8
Модели NARMAX с максимальной задержкой в 2 выборки и нелинейностями вплоть до третьей степени были идентифицированы с использованием ортогонального блока оценивания на основе ERR. Пороги для членов со скользящим средним (MA) и без MA составляли 10. NOFRF оценивались для входного сигнала sinc:
путем разбиения каждой модели NARMAX на соответствующие связанные линейные уравнения (ALE). NOFRF n-го порядка получается делением DFT ALE n-го порядка, выведенного посредством DFT . Эти оценки достоверны для , что является диапазоном частот входного сигнала sinc.
Измерение, которое позволяет различать разные случаи, является энергией NOFRF n-го порядка:
где  является NOFRF n-го порядка на частотной составляющей k.
Результат идентификации представлен в таблице 3, где показано, как индекс изменяется для разных значений жесткости.
<b>Таблица 3</b>
<b>Результат идентификации для различных значений жесткости</b>
<img file="00000028.jpg" he="5" wi="2" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000029.jpg" he="6" wi="5" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000030.jpg" he="6" wi="5" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000031.jpg" he="6" wi="5" img-content="undefined" img-format="jpg" />
1
2,9092
0,0359
0,0002
5
1,0680
0,4267
49,4126
6
2,7188
2,0404
49,9415
8
2,1352
3,2787
244,7598
10
0,6224
0,2011
26,6961
20
8,8768
28,6581
266,0859
Буровой модуль
Описанные ранее варианты осуществления настоящего изобретения применимы к любому размеру бура или материалу, подлежащему бурению. Некоторые более конкретные варианты осуществления относятся к бурению через пласты породы, особенно переменного состава, которые могут встречаться при глубинных буровых работах в нефте-, газо- и горнодобывающей промышленности. Настоящее изобретение помогает определять численные значения различных параметров, пригодных для бурения таких пластов породы.
s
s
При проектировании бурового модуля для использования согласно настоящему изобретению учитываются условия, обусловленные предусмотренным типом бурения. Например, буровой модуль для использования при бурении на нефть, вероятно, значительно отличается от бурового модуля для использования в строительной промышленности. При бурении пластов породы, прочность на сжатие пластов породы значительно изменяется, от около U=70 MPa для песчаника до U=230 MPa для гранита. В областях применения крупномасштабного бурения, например, в нефтяной промышленности, диапазон диаметров бурового долота составляет от 90 до 800 мм (от 3½ до 32ʺ). Если только приблизительно 5% поверхности бурового долота контактирует с пластом породы, то наименьшее значение необходимого динамического усилия вычисляется приблизительно равным 20 кН (с использованием бурового долота диаметром 90 мм для песчаника). Аналогично, наибольшее значение необходимого динамического усилия вычисляется приблизительно равным 6000 кН (с использованием бурового долота диаметром 800 мм для гранита). Таким образом, для бурения пластов породы динамическим усилием предпочтительно управлять, поддерживая его в диапазоне от 20 до 6000 кН в зависимости от диаметра бурового долота. Поскольку для приведения в движение осциллятора с динамическим усилием 6000 кН расходуется большая мощность, полезно использовать изобретение с буровым долотом диаметром от среднего до малого для многих применений. Например, диаметры бурового долота от 90 до 400 мм обеспечивают рабочий диапазон от 20 до 1500 кН. Дополнительное сужение диапазона диаметра бурового долота дает диапазоны динамического усилия, предпочтительно, от 20 до 1000 кН, более предпочтительно от 40 до 500 кН, еще более предпочтительно от 50 до 300 кН.
Нижняя оценка необходимой амплитуды перемещения вибрации должна значительно превышать перемещения, обусловленные случайными малыми отскоками наконечника вследствие неоднородностей в пласте породы. Таким образом, амплитуда вибрации, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, 1 мм. Соответственно, амплитуда вибрации осциллятора может поддерживаться в диапазоне от 1 до 10 мм, более предпочтительно, от 1 до 5 мм.
Для оборудования для крупномасштабного бурения вибрирующая масса модуля может составлять порядка от 10 до 1000 кг. Допустимый диапазон частот для такого оборудования для крупномасштабного бурения не растягивается более, чем на несколько сотен герц. Таким образом, выбирая подходящие значения диаметра бурового долота, вибрирующей массы и амплитуды вибрации в ранее описанных пределах, можно управлять частотой (f) осциллятора, поддерживая ее в пределах от 100 до 500 Гц, одновременно обеспечивая достаточное динамическое усилие для создания зоны распространения трещин для диапазона разных типов породы и при этом достаточно высокой для достижения эффекта резонанса.
Фиг. 2(a) и (b) демонстрируют графики, иллюстрирующие частоту как функцию амплитуды вибрации для бурового долота диаметром 150 мм. График (a) относится к вибрирующей массе m=10 кг, тогда как график (b) относится к вибрирующей массе m=30 кг. Нижние кривые пригодны для более слабых пластов породы, тогда как верхние кривые пригодны для породы с высокой прочностью на сжатие. Как можно видеть из графиков, рабочая частота от 100 до 500 Гц в области над кривыми будет обеспечивать достаточно высокую частоту для создания зоны распространения трещин во всех типах породы с использованием амплитуды вибрации в пределах от 1 до 10 мм (от 0,1 до 1 см).
Фиг. 3 демонстрирует график, иллюстрирующий частоту как функцию амплитуды вибрации для различных вибрирующих масс при фиксированной подводимой мощности. График вычисляется для подводимой мощности 30 кВт, которая может генерироваться в скважине забойным двигателем или турбиной, используемый для сообщения буровому долоту вращательного движения. Верхняя кривая относится к вибрирующей массе 10 кг, тогда как нижняя кривая относится к вибрирующей массе 50 кг. Как можно видеть из графика, диапазон частот от 100 до 500 Гц доступен для амплитуды вибрации в пределах от 1 до 10 мм (от 0,1 до 1 см).
На поверхности можно обеспечить компьютер, который обрабатывает сигналы от датчиков в стволе скважины и затем отправляет сигналы управления обратно в ствол скважины для управления буровым наконечником. Однако на практике будет трудно добиться бурения глубокого ствола скважины, поскольку сигнализация между поверхностью и забоем скважины не является прямой и также может быть весьма медленной. Альтернативно, существует возможность располагать элементы считывания, обработки и управления механизма обратной связи в стволе скважины, но вне компоновки низа бурильной колонны. Однако на практике может существовать мало свободного места в стволе скважины и также механизм может находиться в суровых физических условиях.
Соответственно, наилучшая конфигурация для обеспечения управление с обратной связью предусматривает размещение всех элементов считывания, обработки и управления механизма обратной связи в скважинном оборудовании, например, в буровом модуле. Эта конфигурация наиболее компактна, обеспечивает более быструю обратную связь и более быструю реакцию на изменения в условиях резонанса, и также позволяет изготавливать буровые модули со встроенным в них необходимое управление с обратной связью, чтобы модули можно было приспосабливать к существующим бурильным колоннам без необходимости в замене всей бурильной системы.
Для оборудования для крупномасштабного бурения, осциллятор преимущественно содержит пьезоэлектрический привод с механическим усилением, магнитострикционный привод, пневматический привод или электрически возбуждаемый механический привод. Было установлено, что эти приводы позволяют достигать желаемых частоты, динамического усилия, амплитуды вибрации и диапазонов потребляемой мощности для использования с ранее описанным способом.
Использование вариантов осуществления настоящего изобретения включают в себя: бурение скважин, например, бурение нефтяных скважин; горные работы, например, добычу угля, алмазов, и т.д.; наземное бурение, например, дорожные работы и пр.; и ручные дрели, например, дрели DIY для домашнего использования, бормашины и т.д.
Преимущества вариантов осуществления настоящего изобретения включают в себя: увеличенную скорость бурения; повышенные стабильность и качество ствола скважины; меньшее механическое напряжение на устройстве, приводящее к увеличению срока службы; и повышенную эффективность и снижение энергозатрат.