УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМОМ БУРЕНИЯ ВЗД



Забойный двигатель входит в состав сложной динамической системы, состоящей из механической и гидравлической подсис­тем (см. § 6.8). По каналам гидравлической подсистемы к ВЗД подводится поток жидкости с заданным расходом, определяю­щим скорость гидродвигателя, через механическую подсистему осуществляется передача нагрузки на долото G, определяющей крутящий момент М.

Эффективность процесса бурения скважин зависит не только от выбора оптимальных параметров режима бурения, но и во многом определяется возможностью их поддержания или регу­лирования во время долбления. Управление забойным гидро­двигателем затруднено непрерывно происходящими возмуще­ниями (см. § 6.8), нарушающими установившийся режим буре­ния.

В практике бурения распространены два основных способа управления забойными двигателями [18]:

традиционный, ведущий свое начало от роторного бурения, -управление через осевую нагрузку на долото по показаниям ин­дикатора веса;

современный, основанный на управлении режимом работы за­бойного двигателя непосредственно через угловую скорость или крутящий момент его вала.

Оба этих способа не лишены недостатков, избавиться от кото­рых не представляется возможным.

При традиционном управлении непосредственное измерение нагрузки на долото не производится, вследствие чего приходит­ся оперировать косвенным замеряемым на поверхности показате­лем - весом на крюке буровой установки.

При проводке же наклонных и горизонтальных скважин с ис­пользованием ВЗД управление режимом работы гидродвигателя по показаниям индикатора веса приводит к существенным по­грешностям из-за:

влияния сил трения колонны труб о стенки скважины, точно рассчитать которые практически невозможно;

изменения осевых гидравлических сил в РО двигателя при переходе от холостого режима к рабочему, что не учитывается при обычной процедуре "взвешивания" инструмента.

Кроме того, сама по себе осевая нагрузка без известной ин­формации о свойствах горных пород и состоянии долота факти­чески не характеризует режим работы забойного двигателя.

При прямом управлении гидродвигателем недостатки тради­ционного способа, связанные с косвенным недостоверным ха­рактером получаемой информации, отсутствуют, в связи с чем системы, в контуры управления которых включаются скорость или момент забойного двигателя, являются наиболее перспек­тивными [120]. Однако для реализации таких систем управле­ния необходимо оснастить гидродвигатель датчиком скорости (тахогенератор) или момента (тензометр); иметь забойные уст­ройства приема, кодирования и передачи сигналов, источники их питания; обеспечить надежный канал связи с забоем (гид­равлический, электрический или механический); иметь поверх­ностную систему раскодирования и обработки информации. Многолетние работы показали, что это является технически сложной и дорогостоящей задачей, затрудняющей промышлен­ное внедрение способа. Как правило, в зарубежной и отечест­венной практике подобные системы встраиваются в ТС управле­ния траекторией скважины (на Западе их называют системами MWD (Measurement While Drilling) - измерение в процессе бурения), что расширяет ее возможности, позволяя точно распознавать (диагностировать) процессы на забое скважины и под­держивать оптимальные режимы бурения [169].

В системах MWD используются различные схемы с провод­ными и беспроводными каналами связи с забоем скважины.

При бурении с использованием забойных гидродвигателей наибольшее распространение получили ТС с гидравлическим ка­налом связи. Одной из систем MWD, прошедших испытание в России, является гидроимпульсная система "Anadrill" фирмы "Shlumberger" [175]. Подземная часть данной ТС, размещенная в немагнитной трубе над ВЗД, включает блок забойных датчи­ков и средства для хранения, кодирования и передачи информа­ции на поверхность. Электропитание системы автономное и осуществляется от забойного турбогенератора.

Информация с забоя передается без остановки бурения при помощи генерирования в гидроканале низкочастотных сигна­лов, создаваемых при вращении модулятора. Гидравлические сигналы принимаются на поверхности пьезодатчиками, обраба­тываются и вводятся в компьютерную информационную систе­му станции оперативного контроля. Основные параметры дуб­лируются на мониторе бурильщика. Помимо информации с за­боя в реальном масштабе времени обрабатываются данные от наземных датчиков (натяжение каната, частота ходов насоса, механическая скорость проходки) и выдается оценка траекто­рии скважины, эффективности бурения, геологии, пластового давления.

Измеряемые забойные параметры можно разделить на три группы: траекто­рии ствола скважины, геологические, режима бурения (Q, М, G) и давления (внутри бурильной колонны и в затрубье).

Расход бурового раствора, поступающего в гидродвигатель, замеряется с по­мощью забойного турбогенератора. Подача бурового насоса определяется рас­четным путем по частоте ходов насоса. Для измерения осевой нагрузки на доло­то и крутящего момента гидродвигателя блок забойных датчиков дополняется секцией, состоящей из немагнитного патрубка со сверлениями, в которых разме­щаются тензодатчики.

Введение в забойный комплекс ТС секции измерения G и М усложняет сис­тему и повышает требования к ее обслуживанию и тарировке, что в итоге при­водит к дополнительным затратам. В этой связи в некоторых случаях ТС по­ставляется без секции измерения нагрузки, и таким образом телеметрический контроль не включает основные параметры режима бурения G и М. При этом управление режимом работы забойного гидродвигателя ведется на основе пока­заний датчика натяжения неподвижной струны талевого каната, что не обеспе­чивает высокой точности.

Другой известный телеметрический способ контроля за режи­мом работы гидродвигателей - измерение частоты вращения с помощью забойного турботахометра. Такие системы, несмотря на недостаточную надежность глубинного таходатчика, давно ис­пользуются в отечественном турбинном бурении. Однако при 6урении ВЗД применение типового турботахометра малоэффектив­но вследствие:

высокой жесткости механической характеристики ВЗД в ра­бочем диапазоне нагрузок, что повышает требования к чувстви­тельности системы (способности реагировать на незначительное изменение скорости);

недостаточной оперативности контроля за режимом низкообо­ротных гидродвигателей, поскольку турботахометр является сис­темой прерывистого действия (сигналы от передатчика следуют через каждые 100 оборотов вала, и при номинальной частоте вращения ВЗД п = 120 мин-1 период измерения составляет око­ло 50 с).

Вместе с тем при бурении ВЗД могут быть использованы и альтернативные способы управления гидродвигателем, осно­ванные на особенностях рабочего процесса и характеристик ВЗД.

Наиболее распространенный способ контроля и управления ВЗД по давлению на стояке основан на использовании зависимо­сти перепада давления от крутящего момента: зафиксировав по­казание манометра р0 на стояке при промывке скважины (при­поднятом над забоем долоте), в процессе бурения поддерживают давление р = р0 + Р, соответствующее заданному крутящему моменту ВЗД.

Однако реализация данного способа может быть затруднена пульсациями потока в напорной линии и необходимостью ин­формации об истинных характеристиках ВЗД с учетом износа РО и свойств бурового раствора.

Кроме того, при бурении искривленных участков скважины управление режимом работы ВЗД по разнице давления на стоя­ке при нагруженном и разгруженном долоте на основе паспорт­ной стендовой характеристики ВЗД без учета действия откло­няющей силы, точно рассчитать которую весьма сложно, может привести к перегрузке гидродвигателя (см. § 6.7).

Другой способ оперативного контроля за режимом работы ВЗД предложен в Пермском филиале ВНИИБТ [99]. Он бази­руется на известном из теории винтовых насосов и двигателей положении о пропорциональности частоты пульсаций давления и скорости гидромашины. Следовательно, используя гидравличе­ский канал связи с забоем и регистрируя пьезоприемником на поверхности частоту пульсаций давления, можно контролировать режим работы ВЗД без специальных забойных датчиков и моду­ляторов.

Известен также способ контроля за осевой нагрузкой на до­лото по вибросостоянию верхнего конца бурильной колонны,

основанный на зависимости колебательных процессов в буриль­ной колонне от нагрузки и частоты вращения долота: с исполь­зованием механического канала связи с забоем можно по часто­те и амплитуде колебаний верха колонны идентифицировать режим работы гидродвигателя и долота. В данном способе, как и в предыдущем, отпадает необходимость в забойных датчиках и устройствах. Основной недостаток этих способов контроля -трудность выделения из общего спектра колебаний полезного сигнала, несущего информацию о режиме работы ВЗД и доло­та.

Рассмотренные системы являются информационными и не имеют управляющих каналов, позволяющих автоматически реа­гировать на изменение текущих условий бурения.

В то же время мировой опыт показывает, что высокая эффек­тивность и качество буровых работ на современном этапе могут быть достигнуты только на основе автоматизации процесса бу­рения [18, 120, 146].

Автоматические устройства управления процессом бурения предназначены для выбора и поддержания параметров режима бурения. В настоящее время среди многообразия различных кон­струкций практическое применение получили только наземные (пассивные и активные) регуляторы подачи долота (РПД) с управлением по тормозному моменту на барабане лебедки, ис­пользующие в качестве параметра регулирования вес на крюке или механическую скорость проходки.

Известен зарубежный промышленный образец РПД для буре­ния наклонно направленных скважин ВЗД, использующий не­традиционный параметр регулирования (давление нагнетания) -регулятор "Wildcat" фирмы "Sperry-Sun", который основан на известной взаимосвязи перепада давлений и крутящего момента и позволяет управлять режимом работы ВЗД как по нагрузке на крюке, так и по перепаду давления.

Представленный анализ систем контроля и управления режи­мом работы забойных гидродвигателей показывает, что все они основаны на использовании датчиков (наземных и забойных) процесса, функционирующих в тяжелых условиях, что усложня­ет применение систем и повышает затраты на их разработку и обслуживание.

В 1994 г. отечественными специалистами был предложен но­вый способ управления режимом работы ВЗД по реакции (от­клику) приводного двигателя бурового насоса на изменение дав­ления нагнетания при отклонении нагрузки на долото от задан­ной [16]. В общем случае параметром регулирования является угловая скорость или крутящий момент приводного двигателя  насоса, при применении электроприводных насосных агрегатов -ток электродвигателя. Для реализации способа не требуется дополнительных датчиков.

Способ базируется на характеристиках системы, выраженных детерминированными зависимостями:

перепада давления Р и крутящего момента гидродвигателя

М;

давления Рн и крутящего момента Мн бурового насоса ;

угловой скорости и крутящего момента привода МПP (тока и крутящего момента электродвигателя).

При изменении нагрузки на валу забойного гидродвигателя, вызванном изменением нагрузки на долото, через функциональ­ную цепочку G-M-P-PH- МH – МПР происходит соответст­вующее изменение скорости или тока приводного двигателя.

Таким образом, по изменению скорости или тока приводного двигателя насоса можно косвенно отслеживать режим работы гидродвигателя и на основе этой информации управлять про­цессом бурения, не используя информацию с забоя и показания индикатора веса. В этом случае приводной двигатель насоса ста­новится средством диагностики режима бурения.

Особенностью системы (рис. 9.6) является то, что в ней сис­темы управления двигателем бурового насоса и механизмом по­дачи долота объединены посредством микроконтроллера (МК) в единый информационно-управляющий комплекс. Управляющие воздействия от контроллера к буровому насосному агрегату (БНА) и механизму подачи долота осуществляются в зависимо­сти от сигналов, поступающих от двигателя насоса.

Согласованное функционирование БНА и РПД повышает управляемость как бурового комплекса, так и процесса бурения и позволяет реализовывать различные алгоритмы управления.

Экспериментальный образец АСУ режимом бурения (АСУ РБ) по техническому заданию ОАО "Газпром" был разработан РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина и ЦАТИ МЭИ [18] для ус­тановок БУ 2500ЭП с регулируемым электроприводом постоян­ного тока и электропорошковым РПД. Система включает (см. рис. 9.6): МК с устройством ввода текущих параметров, блок регулирования (БР) напряжения тормоза и пульт управления (ПУ) с приборными щитками.

В данной системе используется принцип ПИД-регулирова-ния: регулируемым параметром является ток электродвигателя I, а управляющее воздействие осуществляется изменением на­пряжения порошкового тормоза UT, определяющего его тормоз­ной момент. Напряжение тормоза автоматически изменяется в процессе долбления в зависимости от сигнала, поступающего от

Рис. 9.6. АСУ режимом бурения ВЗД:

ПУ - пульт управления; БР - блок регулирования; РПД - регулятор подачи долота; ТЭП - тормоз электропорошковый; ТМ - талевый механизмов - верт­люг; БН - буровой насос; ЭД - электродвигатель; ТП - тиристорный преобра­зователь; БК - бурильная колонна; ТС - телесистема; ЗД - забойный двига­тель; Д - долото; МК - микроконтроллер; УВ - устройство ввода; ПК - пере­носной компьютер; СК - стационарный компьютер; I - точка управления

датчика тока. Алгоритмы управления заносятся в систему с по­мощью портативного компьютера типа "Notebook" (ПК) и могут легко изменяться на программном уровне в любой момент време­ни. Алгоритмы управления могут согласовываться и объединять­ся с другими алгоритмами, в частности обеспечивающими опти­мальные показатели бурения и отработки долот.

АСУ РБ может функционировать автономно или являться до­полнением к системам типа MWD. Так, если бурение ведется с использованием забойной ТС со стационарным компьютером (СК), то возможно объединение двух систем, и тогда операции ввода исходной информации и алгоритмов управления будут осуществляться через СК. 4

АСУ РБ создана на базе существующих контрольно-измери­тельных средств штатной системы тиристорного электропривода постоянного тока и не требует новых датчиков: в качестве датчи­ка тока используется шунт якорной цепи электродвигателя. Помимо своей основной функции такая АСУ может использо­ваться так же, как расходомер, регулятор частоты ходов насоса, обеспечивающий оптимальный гидродинамический режим подачи жидкости в скважину, и для диагностики электромеханического комплекса и ВЗД.

В случае подключения к системе датчиков натяжения каната  и механиче­ской скорости  (см. рис. 9.4) она становится многофункциональным автомати­зированным комплексом, адаптированным к изменяющимся условиям бурения и дополнительно позволяющим:

проводить динамическое "взвешивание" бурильного инструмента с учетом влияния сил трения колонны;

своевременно обнаруживать и предупреждать внештатные и аварийные си­туации в процессе бурения, а также определять время смены долота и ВЗД;

корректировать алгоритмы управления при изменении условий бурения.

При необходимости в случае подключения датчика давления АСУ РБ может функционировать в рамках типовой структуры с использованием в качестве па­раметра регулирования давления на стояке или на выходе бурового насоса.

В теоретическом плане сложность создания данной системы заключается в том, что возмущающие (от забоя) и управляющие (от РПД) воздействия пере­даются с запаздыванием через волноводы с распределенными параметрами (см. § 6.8). Это предопределяет необходимость использования в алгоритмах управ­ления прогнозирующих оценок. Кроме того, поскольку объект управления -система с неизвестной, изменяющейся во времени динамической характеристи­кой, при управлении необходимо использовать методы адаптации.

Работоспособность экспериментального образца АСУ РБ бы­ла проверена при проводке горизонтальной скважины 20-2 "Оренбургская" при забое 2067-2068 м [18]. Результаты буре­ния приведены в табл. 9.4. Были использованы бурильные тру­бы ТБПВ 127x9; долото М218 1/2; ВЗД А-675М и телесистема "Anadrill" с развитой сетью забойных и наземных датчиков, ко­торая позволила объективно оценить предложенный способ управления.

Таблица 9-4

Номер замера

Способ управления режимом работы ВЗД

 

ручной

автоматизированный

  Нагруз­ка на крюке, кН Нагруз­ка на до­лото, кН Ско­рость проход­ки, м/ч Давле­ние на­гнета­ния, МПа Нагруз­ка на крюке, кН Нагруз­ка на до­лото, кН Ско­рость проход­ки, м/ч Давле­ние на­гнета­ния, МПа
1 2  3  4  5  6  7   367  366 362 360 359 357  350 47 48 52  54  54  57 64 3,7  3,7  3,0 3,0 3,0  3,0  4,7 10,18 10,23 10,40 10,47 10,43 10,61 10,76 365 364 364  364  364 364  364 48  49  49  49 49 49 50 3,2  3,2  3,2 3,2 3,2 3,2  3,2 10,05 10,10 10,20 10,25 10,20 10,14 10,05

Эксперименты подтвердили принципиальную возможность управления режимом работы ВЗД по току приводного двигателя БНА. По сравнению с ручным способом подачи инструмента применение АСУ РБ ВЗД позволяет стабилизировать нагрузку на долото, механическую скорость проходки, давление в цирку­ляционной системе (см. табл. 9.4) и ток электродвигателя, а так­же уменьшить отклонение движения долота от заданной траекто­рии. При использовании АСУ РБ снижаются ударные нагрузки на ТС и стабилизируется напряжение забойного турбогенерато­ра, что улучшает качество передаваемых сигналов. Снижаются крутильные колебания гидродвигателя, в результате должен уве­личиться ресурс ВЗД и долота.

Таким образом, использование автоматизированных РПД при проводке скважин ВЗД - важный резерв повышения эффектив­ности бурения и качества строительства скважин, в том числе наклонно направленных и горизонтальных.

ГЛАВА 10


Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 2115; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!