ITMI960629A1 - Metodo e sistema di previsione della comparsa di un malfunzionamento in corso di perforazione - Google Patents
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Description
Descrizione dell'invenzione che ha per titolo:
"METODO E SISTEMA DI PREVISIONE DELLA COMPARSA DI UN MALFUNZIONAMENTO IN CORSO DI PERFORAZIONE".
La presente invenzione concerne un metodo e un sistema atti al controllo del malfunzionamento nel comportamento di un utensile di perforazione trascinato in rotazione attraverso un'attrezzatura di perforazione. Questo malfunzionamento ? correntemente denominato "stick-slip". La presente invenzione permette in particolare di fornire dei mezzi che consentono la previsione della comparsa del malfunzionamento, il che permette di agire su diversi parametri di perforazione al fine di evitare l'effettivo verificarsi dello stick-slip.
Il comportamento detto "stick-slip" ? ben noto ai perforatori e si caratterizza per delle variazioni molto sensibili della velocit? di rotazione dell'utensile di perforazione quando questo viene trascinato attraverso un'attrezzatura di perforazione posta in rotazione a partire dalla superficie ad una velocit? sostanzialmente costante. La velocit? dell'utensile pu? variare tra un valore praticamente nullo e un valore molto superiore alla velocit? di rotazione applicata in superficie all'attrezzatura. Ci? pu? in particolare avere per conseguenza degli effetti nefasti sulla durata degli utensili di perforazione, assieme a un aumento della fatica meccanica del treno di aste e della frequenza delle rotture nelle connessioni.
Attraverso l'articolo "Detection and monitoring of th? stick-slip motion: field experiments" di M.P. Dufeyte et H. Henneuse (SPE/IADC 21945 - Drilling Conference, Amsterdam, 11-14 marzo 1991) ? nota un'analisi del comportamento detto "stick-slip" a partire da misure effettuate tramite un dispositivo posto all'estremit? superiore dell'attrezzatura di perforazione. Nel caso di comparsa del malfunzionamento del tipo stick-slip, questo documento raccomanda sia di aumentare la velocit? di rotazione dell'attrezzatura di perforazione a partire dalla tavola di rotazione, sia di diminuire il peso sull'utensile agendo sull'argano di perforazione.
L'articolo "A study of slip-stick motion of th? bit" de Kyllingstad A. et Halsey G .V?. (SPE 16659,62nd Annual Technical Conference and Exhibition, Dallas, Settembre 27-30, 1987) analizza il comportamento di un utensile di perforazione mediante l'utilizzazione di un modello oscillante.
L'articolo "The Genesis of Bit-Induced Torsional Drillstring Vibrations" di J.F. Brett (SPE/IADC 21943-Drilling Conference, Amsterdam, 11-14 Marzo 1991) descrive anche le vibrazioni a torsione create da un utensile del tipo PDC.
Ma se nella professione sono gi? stati formulati diversi metodi per tentare di arrestare il fenomeno di stick-slip, non ? stata prevista alcuna soluzione per prevedere ed evitare la comparsa del fenomeno.
Cos?, la presente invenzione concerne un metodo di ottimizzazione della perforazione che permette la previsione del malfunzionamento del tipo stick-slip, in cui dei mezzi di perforazione comportano un utensile fissato all'estremit? inferiore di una attrezzatura di aste trascinata in rotazione a partire dalla superficie ed almeno un dispositivo comportante dei mezzi di misura in tempo reale delle oscillazioni di torsione della detta attrezzatura. In questo metodo, si identifica in funzione del tempo l'ammortizzazione associata ad almeno una modalit? propria di oscillazione a bassa frequenza delle dette oscillazioni e si fa variare almeno un parametro di perforazione alla comparsa di una diminuzione significativa del valore della detta ammortizzazione.
E' possibile determinare una funzione di trasferimento lineare fra i segnali di torsione sul fondo e i segnali di torsione in superficie e si pu? calcolare l'ammortizzazione associata alle modalit? proprie di oscillazione a frequenza pi? bassa.
E' possibile calcolare l'ammortizzazione associata ad un polo della funzione di trasferimento a partire dalla formula seguente:
? = Log(l/P)/ [m2+Log2 (1/P)]1/2
con P = modulo del polo e m = fase del polo.
E' possibile misurare in tempi reali i segnali della coppia di fondo e di superficie ed ? possibile determinare in tempo reale una funzione di trasferimento corrispondente ad un modello auto-regressivo a media scorrevole (ARMA).
L'invenzione concerne anche un sistema di ottimizzazione della perforazione, che permette la previsione del malfunzionamento del tipo stick-slip, in cui dei mezzi di perforazione comportano un utensile fissato all'estremit? inferiore di un'attrezzatura di aste trascinata in rotazione a partire dalla superficie ed almeno un dispositivo comportante dei mezzi di misura in tempo reale delle oscillazioni di torsione della detta attrezzatura. Il sistema comporta dei mezzi di calcolo in funzione del tempo dell'ammortizzazione associato ad almeno una .modalit? propria di bassa frequenza delle dette oscillazioni, e dei mezzi di controllo della comparsa di una diminuzione significativa del valore della detta ammortizzazione .
Il sistema pu? comportare dei mezzi di misura delle oscillazioni di torsione sul fondo e in superficie, rispetto all'attrezzatura, e dei mezzi di determinazione di una funzione di trasferimento fra il fondo e la superficie .
L'invenzione sar? meglio compresa e i suoi vantaggi emergeranno pi? chiaramente dalla descrizione che segue di esempi, in nessun modo limitativi, illustrati dalle figure allegate, in cui:
La figura 1 rappresenta un sistema che permette l'attuazione dell'invenzione.
La figura 2 mostra una registrazione di superficie di un segnale di coppia in funzione del tempo.
La figura 3 mostra il calcolo delle frequenze delle modalit? proprie del segnale di coppia nello stesso intervallo di tempo.
La figura 4 mostra l'evoluzione, nello stesso intervallo di tempo, del coefficiente di ammortizzazione associato alla prima modalit? propria (qui a 0,3 Hz) al momento della comparsa del malfunzionamento del tipo stick-slip. Nella figura 1, il riferimento 2 indica l'utensile di perforazione fatto scendere con l'aiuto dell'attrezzatura nel pozzo 1. Delle masse-aste 3 convenzionali sono avvitate al di sopra dell'utensile. Un primo mezzo di misura ? costituito da un raccordo 4, generalmente disposto sopra l'utensile 2, dove le misurazioni in prossimit? dell'utensile sono pi? interessanti, in particolare per seguire la dinamica dell'utensile. Si potr? tuttavia disporlo all'interno o alla sommit? delle masse-aste, od anche al livello delle aste di perforazione .
L'attrezzatura di perforazione ? completata con delle aste convenzionali 7 fino al raccordo di sospensione e di connessione 8. Al di sopra di questo raccordo, l'allungamento del treno di aste continua aggiungendo delle aste cablate 9.
Le aste cablate 9 non saranno descritte in questo documento in quanto esse sono note dalla tecnica precedente, in particolare dai brevetti FR-2530876, US-4806115 o dalla domanda FR-2656747.
Un secondo mezzo di misura posto in un raccordo 10 ? avvitato al di sotto dell'asta di trascinamento 11 o "kelly", le aggiunte di aste cablate effettuandosi allora al di sotto di questo raccordo 10. Al di sopra dell'asta di trascinamento 11 si trova un raccordo elettrico girevole 12, il quale ? elettricamente collegato all'installazione di superficie 13 mediante un cavo 14.
Nel caso in cui l'apparecchio d? perforazione ? dotato di una testa di iniezione motorizzata, comunemente denominata "power swivel" , non vi ? asta di trascinamento e il raccordo di misura 10 ? avvitato direttamente al di sotto del raccordo girevole 12, il quale si trova al di sotto della testa di iniezione motorizzata.
Il raccordo di misura 4 comporta un connettore maschio 6 i cui contatti sono collegati ai captatori di misura e all'elettronica associata inclusa nel raccordo 4.
Un cavo 5, equivalente ad un cavo per diagrafia differita, comporta alla sua estremit? inferiore un connettore femmina 15 atto a cooperare con il connettore 6, l'altra estremit? superiore del cavo 5 essendo sospesa sul raccordo 8. Il raccordo 8 ? atto a sostenere la lunghezza del cavo 5 ed a collegare elettricamente il od i conduttori del cavo 5 con il od i collegamenti elettrici dell'asta cablata immediatamente superiore. Il collegamento elettrico fornito dalle aste cablate ? indicato con 16. Questo collegamento elettrico passa in 17 nel secondo raccordo di misura 10.
Quando si utilizza un'asta di trascinamento 11, questa ? pure cablata e comporta due cavi elettrici 18 e 19, di cui uno, 18, collega il secondo raccordo 10 ai contatti rotanti del raccordo girevole 12, mentre l'altro 19, collega la linea 17 ad altri contatti girevoli del raccordo 12.
Il cavo di superficie 14 pu? comportare almeno sei conduttori .
Il raccordo 4 ? in generale collegato tramite un unico conduttore fino all'installazione di superficie 13. Le misure e l'alimentazione con l'energia elettrica transitano attraverso la stessa linea.
I mezzi di misura del raccordo 4 comportano di preferenza dei captatori per misurare, da soli o in conbinazione: - il peso sull'utensile,
- la coppia di reazione all'utensile di perforazione, - i momenti flettenti secondo due piani ortogonali,
- le accelerazioni secondo tre assi ortogonali, di cui uno si confonde con l'asse longitudinale dell'attrezzatura di perforazione ,
- le temperature e le pressioni all'interno e all'esterno dell 'attrezzatura,
- l'accelerazione in rotazione,
- le componenti del campo magnetico.
Le tre prime misure possono essere ottenute mediante dei misuratori di sollecitazione incollati su una provetta cilindrica. Essi sono protetti dalla pressione mediante un carter adatto. La concezione e il montaggio di questo carter sono atti ad evitare sostanzialmente gli errori di misura dovuti ai rendimenti.
Le accelerazioni sono misurate tramite due accelerometri per asse, al fine di controllare gli errori indotti dalla dinamica della rotazione.
L'ultima serie di misure ? ottenuta mediante dei captatori specifici montati in una parte separata del raccordo.
Gli ordini di grandezza delle caratteristiche meccaniche del primo raccordo 4 sono, ad esempio:
- diametro esterno: 20,3 era (da 8 a 8,25 pollici),
- lunghezza: 9 metri,
- resistenza alla trazione/compressione: 150 tf,
- resistenza a torsione: 4000 m.daN,
- resistenza a flessione: 7500 m.daN,
- pressione interna ed esterna: 75 MPa,
- temperature: 80?C.
Il secondo mezzo di misura del raccordo di misura 10 comporta di preferenza, da soli o in combinazione, dei captatori di misura di:
- tensione,
- torsione,
- accelerazione assiale,
- pressione interna o pressione di mandata alle pompe, - accelerazione in rotazione.
La concezione di questo raccordo di superficie 10 non ? fondamentalmente diversa da quella del primo raccordo, se vi ? l'obbligo di lasciar libero un passaggio per il fango disposto sostanzialmente coassiale allo spazio interno dell'attrezzatura per permettere, se necessario, il trasferimento di un utensile all'interno dell 'attrezzatura .
Gli ordini di grandezza delle caratteristiche meccaniche del secondo raccordo 10 sono, ad esempio:
- diametro esterno: 20,3 cm (da 8 a 8,25 pollici),
- lunghezza: 1,5 metri (5 piedi),
- resistenza alla trazione: 350 tf,
- resistenza a torsione: 7000 m.daN,
- pressione interna/esterna: 75/50 MPa.
In una variante del sistema di acquisizione secondo la realizzazione della figura 1, un'alta frequenza di trasmissione delle misure viene ottenuta mediante dei collegamenti elettrici costituiti dal cavo 5, dalla linea 16 e 17, e dal cavo di superficie 14.
Un tale sistema di acquisizione ? descritto nel documento FR-2688026 .
La figura 2 mostra un segnale di coppia registrato dal raccordo di superficie 10. La durata della registrazione ? di due minuti, da 0,5 a 2,5 min in ascissa. L'ampiezza delle oscillazioni, in ordinate ? data in N.m. La parte di segnale rappresentata comporta, a partire dalla zona di ascissa 1,5, una zona di forti oscillazioni corrispondenti a un malfunzionamento del tipo stick-slip. La zona precedente corrisponde ad un funzionamento normale.
Lo scopo dell'invenzione ? di calcolare il coefficiente di ammortizzazione associato alla prima modalit? propria relativa allo stick-slip. Per far ci?, si identifica una funzione di trasferimento fra i segnali di fondo del pozzo e i segnali di superficie, come la coppia di fondo misurata con il raccordo di fondo 4 e la coppia di superficie misurata con il raccordo di superficie 10.
Si utilizzano gui i modelli auto-regressivi a media scorrevole che sono ben noti (ARMA) e che possono essere caratterizzati dalle equazioni seguenti:
con x(t) che rappresenta il segnale di uscita, u(t) il segnale di entrata ed e(t) un rumore di fondo bianco.
I modelli auto-regressivi sono descritti nelle opere seguenti :
- "System Identification Toolbox User's Guide", July 1991, The Math Works, Ine - Cochituate Place, 24 Prime Park Way, Natick, Mass.01760.
- "System Identification - Theory for th? User" di Lennart LJUNG, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J. 1937.
- "Digital Spectral Analysis with Applications" di S. Lawrence MARPLE Jr., Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J.
1987.
- "Digital Signal Processing" di R .A . ROBERTS et C.T.
MULLIS, Addison-Wosley Publishing Company, 1987.
Per l'identificazione di un modello auto-regressivo, la cosa pi? .delicata ? quella di determinare i suoi ordini (p, q ), vale a dire il numero dei coefficienti del modello. Infatti, se l'ordine scelto ? troppo piccolo, il modello non potr? tradurre tutte le modalit? di vibrazione. Viceversa, se l'ordine scelto del modello ? troppo grande, la funzione di trasferimento ottenuta avr? pi? modalit? proprie che non il sistema e di conseguenza si pu? essere portati a fare gli errori. L'errore di model 1izzaz ione pu? essere grande.
Il ritardo nT traduce il tempo di trasferimento di un segnale attraverso il treno di aste. La velocit? di trasmissione delle onde di torsione ? di circa 3000m/sec. Di conseguenza, conoscendo la lunghezza del treno di aste du rante la registrazione, ? possibile determinare automaticamente il ritardo nT. Ad esempio, durante 1 'acquisizione del segnale rappresentato nella figura 2, la lunghezza dell'attrezzatura era di circa 1030 m, il che fornisce un ritardo nT di 0,34 sec., cio? circa n=15 per un campionamento dei dati a 45 Hz.
Determinazione di p: si ? proceduto a delle prove al fine di determinare il parametro p che caratterizza il numero di poli della funzione di trasferimento. Al fine di avere una prima idea del val?re di p, si ? proceduto ad uno studio spettrale dei segnali per determinare il numero di picchi di frequenza con cambiamento di fase, che si associa al numero di modalit? proprie. Ci? ha consentito di avere un'idea dell'ordine di grandezza di p, sapendo che a ciascuna modalit? propria corrispondono due poli complessi coniugati, e quindi che p ? uguale al doppio del numero delle modalit? proprie. Al termine di questo primo approccio, il valore di p ? compreso fra 24 e 36.
Dopo una serie di prove su diversi segnali di coppia, la determinazione ottimale di p ? risultata di 26.
Per determinare il parametro q, lo si ? fatto crescere a partire dal valore 1 fino ad ottenere un modello rappresentativo ottimale. Si sono quindi confrontati i segnali di superficie reali con quelli ottenuti con la funzione di trasferimento a partire dai segnali di fondo registrati dal raccordo di fondo 4. E' risultato che q=l ? sufficiente .
Nel caso dei modelli auto-regressivi, il polinomio A(z) =
costituisce il denominatore della funzione
di trasferimento ottenuta. Di conseguenza, se si determinano gli zeri di questo polinomio, si otterranno i poli della funzione di trasferimento che si associa alle modalit? proprie del sistema.
La figura 3 mostra l'evoluzione delle modalit? proprie del segnale della figura 2 in funzione del tempo in ascisse, le frequenze in Hertz essendo in ordinate. Le modalit? proprie sono calcolate qui secondo il principio esposto precedentemente. La stabilit? delle modalit? proprie rappresentate da una croce dimostra chiaramente l'esistenza di una funzione di trasferimento lineare che non varia fra il fondo e la superficie per quanto concerne la coppia di torsione.
Per quanto concerne il calcolo delle ammortizzazioni ? legate alle modalit? proprie, ? stata utilizzata la formula seguente:
? = Log(l/P)/[m2+Log2 (1/P) ]1/2
con P modulo del polo e m fase del polo corrispondente alla modalit? propria.
La figura 4 mostra l'evoluzione in funzione del tempo dell'ammortizzazione della prima modalit? propria, vale a dire 0,3 Hz , che ? legata al malfunzionamento di tipo stick-slip, il quale provoca le forti oscillazioni della coppia a partire dal tempo 1,5 nella figura 2. Si osserva quindi che al tempo 1,5 l'ammortizzazione ha subito una forte diminuzione che, correlativamente, genera lo stickslip.
E' quindi possibile prevedere l'inizio dello stick-slip calcolando in tempo reale il valore dell'ammortizzazione della modalit? propria- associata allo stick-slip. Nell'esempio precedente, si tratta della prima modalit? propria, ma ? chiaro che in altri esempi relativi ad un altro sistema ci? potrebbe verificarsi in corrispondenza di una modalit? diversa dalla prima, ad esempio la seconda o anche la terza. Tuttavia, viene sperimentalmente riconosciuto che sono le prime modalit? proprie che risultano le uniche a poter essere associate al malfunzionamento del tipo stick-slip.
Cos?, un sistema che permette di calcolare l'ammortizzazione in tempo reale a partire dai segnali di coppia in superficie ed eventualmente dei segnali di coppia sul fondo, permette di prevedere l'inizio dello stick-slip analizzando in tempo reale l'evoluzione del valore dell'ammortizzazione. I mezzi di calcolo e di determinazione di una funzione di trasferimento sono di preferenza nell'installazione di superficie 13 (figura 1). Quando l'ammortizzazione raggiunge un valore basso nello spazio di qualche decina di secondi, l'operato pu? essere avvertito da un allarme e rettificare dei parametri di perforazione al fine di evitare lo stick-slip. I parametri di perforazione possono essere il peso sull'utensile, la velocit? di rotazione, la coppia di attrito con le pareti del pozzo, nel caso in cui un dispositivo telecomandato risulta integrato all'attrezzatura di perforazione.
Claims (6)
- RIVENDICAZIONI 1. Metodo della ottimizzazione della perforazione, che consente la previsione del malfunzionamento del tipo stick-slip, nel quale dei mezzi di perforazione comportano un utensile fissato all'estremit? inferiore di un'attrezzatura di aste trascinata in rotazione a partire dalla superficie, ed almeno un dispositivo comportante dei mezzi di misura in tempo reale delle oscillazioni di torsione della detta attrezzatura, caratterizzato dal fatto che si identifica in funzione del tempo l'ammortizzazione associata ad almeno una modalit? propria di bassa frequenza delle dette oscillazioni, e dal fatto che si fa variare almeno un parametro di perforazione alla comparsa d? una diminuzione significativa del valore della detta ammortizzazione.
- 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che si determina una funzione di trasferimento lineare fra i segnali di torsione sul fondo e i segnali di torsione in superficie, e dal fatto che si calcola l'ammortizzazione associata alle modalit? proprie di frequenza pi? bassa.
- 3. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che si calcola l'ammortizzazione associata ad un polo della funzione di trasferimento a partire dalla formula seguente: ? = Log(l/P)/[m2+Log2 (1/P) ]1/2 con P modulo del polo e m fase del polo.
- 4. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che si misurano in tempo reale i segnali di torsione sul fondo e in superficie e dal fatto che si determina in tempo reale una funzione di trasferimento corrispondente ad un modello auto-regressivo a media scorrevole (ARMA).
- 5. Sistema di ottimizzazione della perforazione che permette la previsione di malfunzionamenti del tipo stickslip, in cui detti mezzi di perforazione comportano un utensile (2) fissato all'estremit? inferiore di un'attrezzatura di aste trascinate in rotazione a partire dalla superficie, ed almeno un dispositivo (4) comportante dei mezzi di misura in tempo reale delle oscillazioni di torsione della detta attrezzatura, caratterizzato dal fatto di comportare dei mezzi di calcolo in funzione del tempo dell'ammortizzazione associata ad almeno una modalit? propria a bassa frequenza delle dette oscillazioni, e dei mezzi di controllo della comparsa di una diminuzione significativa del valore della detta ammortizzazione .
- 6. Sistema secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto di comportare dei mezzi di misura delle oscillazioni di torsione sul fondo e in superficie, rispetto all'attrezzatura, e dei mezzi di determinazione di una funzione di trasferimento fra il fondo e la superficie.
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