СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ БУРЕНИЯ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF CONTROLLING DRILLING AND SYSTEM THEREFOR

Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин и может быть использовано для оптимизации процесса бурения.
Известен способ адаптивного управления процессом бурения скважин по патенту РФ №3495240, МПК Е21В 44/00, опубл. 04.05.2012, включающий использование модели процесса бурения, технический результат в которой достигается оперативным управлением коэффициентами этой модели, значения которых определяются минимальными вибрациями бурильной колонны. Недостатками способа являются предварительное построение модели процесса бурения, привязанное конкретно к данной геологической структуре, знанию ее геологического строения и твердости пород, а также проведение бесконечного множества скважинных измерений. Использование детерминированной модели часто приводит к ее непредсказуемому обновлению, и как следствие, низкой точности управления. Использование сложной наземной аппаратуры и скважинной системы измерения забойных параметров создает дополнительные, иногда нерешаемые задачи.
Известен способ управления работой в скважине и система бурения скважины по патенту RU 2244117, МПК Е21В 44/00, опубл. 10.01.2005, техническая реализация которого осуществляется с использованием вычислительной модели процесса бурения, представляющей комбинированное сочетание влияния условий на забое скважины и работы бурильной колонны. Модель процесса бурения непрерывно обновляется результатами скважинных измерений, производимых в ходе операции бурения. На основании непрерывных измерений вырабатываются и исполняются различные сценарии управления для передачи данных в систему управления наземным оборудованием. К недостаткам предложенного изобретения можно отнести все вышеперечисленные недостатки предыдущего изобретения.
Известен способ и устройство для уменьшения колебаний прилипания-проскальзывания по патенту РФ №2478781, МПК Е21В 44/00, опубл. 10.04.2013, патентообладатель НЭШНЛ ОЙВЕЛЛ ВАРКО (US), в котором демпфирование колебаний осуществляется путем использования бурильного механизма изменения веса бурильной колонны и регулирование скорости вращения бурильного механизма с использованием ПИ-регулятора. Недостатком предложенного изобретения является сложность настройки ПИ-регулятора с использованием скважинных измерений. Включение ПИ-регулятора в цепь управления бурильной колонной повышает порядок астатизма замкнутой структуры, что еще более ухудшает условия устойчивости системы управления. Использование полосы оптимальных частот не позволяет реализовать надежное управление с углублением (длиной бурильной колонны) скважины.
Известно устройство для измерения крутящего момента ротора буровых установок по патенту РФ №1661596, МПК GOIL 3/10, опубл. 07.07.91, согласно которому измерение момента проводится как частное от деления мощности двигателя, измеряемой по первому каналу, к приращению частоты вращения вала, измеряемой по второму каналу.
Известно устройство для измерения крутящего момента на роторе буровых установок по а.с. СССР №1695157, МПК GOIL 3/10, опубл. 30.11.91, где приращение крутящего момента определяется через каналы измерения в виде дифференцирующих фильтров мощности двигателя привода и частоты вращения буровой колонны.
Более близким по сущности предлагаемого изобретения является способ управления процессом бурения, включающий измерение глубины проходки скважины, построение модели процесса бурения, на основании которой задают стратегию бурения, включающую различные этапы, характеризуемые оптимальными значениями регулируемых параметров бурения для заданных глубин бурения RU 2495240 С1, опубликован 10.10.2013. Недостатком способа является отсутствие реакции на
динамическое поведение бурильной колонны. Предлагаемый способ отличается от известного тем, что управление процессом бурения включает измерение динамического приращения крутящего момента.
Предпосылки изобретения
Бурение нефтяной или газовой скважины включает в себя создание ствола скважины значительной глубины, часто в несколько километров по вертикали. Бурильная колонна содержит буровое долото на своем нижнем конце и звенья трубы, свинченные вместе. Бурильную колонну вращает бурильный механизм на поверхности, колонна в свою очередь вращает долото для проходки скважины. Бурильный механизм, обычно верхний привод или ротор, по существу является массивным маховиком. Бурильная колонна является гибкой конструкцией и во время бурения может закручиваться под действием крутящего момента, запасая потенциальную энергию. При достаточном ее запасе наблюдается прокручивание низа колонны (проскальзывание), т.е. наблюдается процесс перехода потенциальной энергии в кинетическую. На основании работ Перминова Б.А., Перминова В.Б., Заикина С.Ф., Быкова И.Ю. [1-6], возникающие в результате превращения энергии крутильные автоколебания бурильной колонны определяют колонну как неустойчивый объект управления. Это положение подтверждается и анализом структурной схемы бурильной колонны [5], из которого следует, что как объект управления бурильная колонна является структурно неустойчивым звеном. Отсюда следует, что процесс бурения скважины всегда сопровождается автоколебаниями бурильной колонны, что существенно уменьшает механическую скорость проходки скважины, увеличивает износ бурового инструмента. Приведенные способы оптимизации процесса бурения не позволяют эффективно демпфировать автоколебания бурильной колонны, сопряжены со сложностями скважинных измерений, а управление с использованием моделирования не выдерживает критики, так как невозможно создать модель структурно неустойчивого объекта управления. Кроме того, рассмотренные
способы и системы по их осуществлению не учитывают стратегию бурения, которая рассчитывается на базе геологической структуры проектной скважины и имеет решающее значение для определения оптимальных параметров режима бурения.
Сущность изобретения.
Стратегия бурения задается с помощью датчика глубины проходки скважины, а с помощью переключателей программы управления параметрами бурения задаются оптимальные параметры - осевая нагрузка Р и скорость вращения долота n [7]. Так как стратегия предусматривает ступенчатое изменение этих параметров для различных глубин проводки скважины, то режим компенсации автоколебаний включается при переходе с одного участка расчетной стратегии параметров бурения на другой, а реализация автокомпенсаций колебаний осуществляется по динамическому приращению крутящего момента.
Способ реализуется системой, содержащей датчик глубины проходки скважины, переключатель программатора управления буровыми параметрами осевой нагрузки и скорости вращения долота, измеритель динамического приращения крутящего момента.
Настоящее изобретение ставит целью устранить недостатки, связанные с выбором стратегии бурения и возникающими автоколебаниями бурильной колонны на конкретных участках проходки скважины по выбранной стратегии, и предложить способ и систему оптимизации процесса бурения, позволяющую эффективно демпфировать автоколебания бурильной колонны.
Способ в соответствии с настоящим изобретением заключается в переключении программатора управления режимными параметрами бурения в зависимости от глубины проводки скважины и автоматическом управлении процессом бурения на промежуточных участках стратегии по динамическому приращению крутящего момента.
Способ в соответствии с настоящим изобретением основан на понимании того, что режимные параметры бурения - осевая нагрузка и скорость вращения бурового инструмента - зависят от глубины проводки скважины [7]. Оптимальные их значения определяются расчетной стратегией бурения, а срыв установившегося процесса бурения и возникновение автоколебаний на промежуточных этапах стратегии бурения происходит в результате воздействия на бурильную колонну какого-либо возмущения, например резкого изменения момента сопротивления. Это приводит к динамическому приращению значения крутящего момента. Если измерять мощность двигателя и частоту вращения его вала с выделением их приращений [1-4], то приращение крутящего момента можно определить соотношением:
;
где k - коэффициент передачи канала измерения;
ΔN - приращение мощности двигателя привода, Вт;
Δω - приращение скорости вращения вала привода, рад/с;
ΔM - приращение крутящего момента, Нм.
Эффективный способ регулирования процесса бурения через буровое оборудование состоит в определении глубины скважины, выборе участка стратегии бурения в зависимости от глубины проводки и регулировании процесса бурения на выбранном участке стратегии бурения по динамическому приращению крутящего момента с изменением режимных параметров бурения - осевой нагрузки и скорости вращения бурового инструмента.
Система регулирования процесса бурения в соответствии с настоящим изобретением включает в себя привод, связанную с ним бурильную колонну, датчик глубины проводки скважины, переключатель программатора управления режимными параметрами бурения, измеритель динамического
приращения крутящего момента, регулятор осевой нагрузки, регулятор скорости вращения бурового инструмента.
На чертеже показано схематическое изображение структуры системы управления процессом бурения, включающей в себя привод 1, колонну бурильных труб с буровым инструментом 2, датчик глубины проводки скважины 3, переключатель этапов стратегии бурения 4, программатор управления процесса бурения 5, регулятор осевой нагрузки 6, регулятор скорости вращения вала привода 7, измеритель динамического приращения крутящего момента 8.
Принцип действия системы. С помощью привода 1 к бурильной колонне 2 прилагается крутящий момент М, в результате чего колонна приобретает вращательное движение с угловой скоростью ω. Осевая нагрузка и начальная угловая скорость бурильной колонны задаются с помощью датчика глубины 3, переключателя стратегии бурения 4 и программатора процесса бурения 5, через регулятор осевой нагрузки 6 и регулятор скорости вращения 7. Регулирование процесса бурения на этапе стратегии бурения осуществляется по динамическому приращению крутящего момента, который измеряется с помощью измерителя 8, при этом автоматически изменяются угловая скорость и осевая нагрузка с использованием регулятора осевой нагрузки 6 и регулятора угловой скорости вращения 7, поддерживая их значения в заданном диапазоне этапа стратегии бурения для текущих значений глубины проводки скважины.
Литература
1. Перминов Б.А. Устройство для измерения крутящего момента на роторе буровой установки. А.с. СССР №1691690, 1991.
2. Перминов Б.А., Сабов В.В. Устройство для измерения крутящего момента на роторе буровой установки. А.с. СССР №1695157, 1991.
3. Перминов Б.А., Перминов В.Б. Устройство для измерения крутящего момента на роторе буровой установки. А.с. СССР №1697157, 1991.
4. Быков И.Ю., Заикин С.Ф., Перминов Б.А. Дифференциальная (вариационная) структура измерителя крутящего момента на валу электродвигателя буровых установок // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2011. - №8. - С. 5-9.
5. Быков И.Ю., Заикин С.Ф., Перминов Б.А. Колонна бурильных труб в процессе углубления скважины как объект автоматического регулирования // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2012. - №10. С. 13-17.
6. Быков И.Ю., Заикин С.Ф., Перминов Б.А. Оптимизация управления процессом углубления скважины // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2012. - №10. С. 17-21.
7. Юнин Е.К., Хегай В.К. Динамика глубокого бурения. - М.: Недра, 2004. - 286 с.