NO311234B1 - Fremgangsmåte og system for prediksjon av opptreden av en feilfunksjon under boring - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og et apparat som passer for å overvåke en feilfunksjon i opp-førselen i en borkrone som drives i rotasjon ved hjelp av en borestreng. Denne feilfunksjon blir oftest kalt en "stick-slip" . Den foreliggende oppfinnelse angår spesielt en anordning som gjør det mulig å forutsi opptreden av feilfunksjonen, hvilket gjør det mulig å påvirke forskjellige boreparametere for å hindre en virkelig start av stick-slip bevegelsen.

Stick-slip oppførselen er vel kjent blant boreoperatø-rer, og er karakterisert med meget betydelige variasjoner i rotasjonshastigheten av borkronen når den drives ved hjelp av en borestreng som bringes i rotasjon fra overflaten, ved en tilnærmet konstant hastighet. Borekronens hastighet kan variere mellom en verdi som er praktisk talt null og en verdi som er meget høyere enn rotasjonshastigheten som tilføres borestrengen på overflaten. Dette kan spesielt resultere i skadelige effekter på borekronens levetid, og en økning i den mekaniske utmattelse av borestrengen og hyppigheten av kop-lingsbrudd.

Artikkelen "Detection and monitoring of the stick-slip motion: field experiments" av M.P. Dufeyte og H. Henneuse (SPE/IADC 21945 - Drilling Conference, Amsterdam, 11.-14. mars 1991) beskriver en analyse av den såkalte "stick-slip" oppførsel fra målinger utført med en anordning som er plassert på den øvre ende av borestrengen. Hvis en stick-slip type feilfunksjon oppstår, anbefaler dette dokumentet enten å øke rotasjonshastighet for borestrengen fra rotasjonsboret, eller å øke vekten på kronen ved å påvirke borevinsjen.

Artikkelen "A study of stick-slip motion of the bit" av Kyllingstad, A. og Halsey, G.W (SPE 16659, 62nd Annual Tech-nical Conference and Exhibition, Dallas, september 27-30, 1987) analyserer oppførselen av en borkrone ved bruk av en pendelmodell.

Artikkelen "The Genesis of Bit-Induced Torsional Drill-string Vibrations" av J.F. Brett (SPE/IADC 21943 - Drilling Conference, Amsterdam 11-14. mars 1991) beskriver også tor-sjonsvibrasjoner som skapt av en PDC-type borkrone.

Imidlertid, skjønt forskjellige fremgangsmåter allerede er formulert i faget for å forsøke å stoppe stick-slip fenomenet, er det ikke frembrakt noen løsning for å forutsi og hindre opptreden av fenomenet.

Den foreliggende oppfinnelse angår således en fremgangsmåte for boreoptimalisering som gjør det mulig å forutsi en stick-slip type feilfunksjon, hvor boreanordningen omfatter en borkrone festet på den nedre ende av en borestreng som drives i rotasjon fra overflaten, og minst én innretning, deriblant en anordning for å måle borestrengens torsjons-svingninger i sann tid, kjennetegnet ved at torsjonssvingningene nedihulls og på overflaten med hensyn til borestrengen måles, en lineær overføringsfunksjon bestemmes mellom torsjonssignalene fra bunnen av borehullet og torsjonssignalene fra overflaten, at en lineær overføringsfunksjon bestemmes mellom torsjonssignalene fra bunnen av borehullet og tor-sj onssignalene fra overflaten, og ved at dempningen forbundet med minst én lavfrekvent naturlig modus av svingningene blir identifisert som en funksjon av tid, og ved at minst en boreparameter blir variert så snart det oppstår en betydningsfull reduksjon i verdien av den nevnte dempning.

En lineær overføringsfunksjon kan bestemmes mellom tor-sj onssignaler fra borehullet og torsjonssignaler fra overflaten, og dempning forbundet med de naturlige modi og lavere frekvens kan beregnes.

Dempning forbundet med en pol av overføringsfunksjonen kan beregnes fra den følgende formel:

hvor P er polens modul og m er polens fase.

Signalene fra borehullet og overflaten kan måles i sann tid, og en overføringsfunksjon som tilsvarer en autoregressiv bevegelig gjennomsnittsmodell (ARMA) kan bestemmes i sann tid.

Oppfinnelsen angår også et system for boreoptimalsiering som gjør det mulig å forutsi en stick-slip type feilfunksjon, hvor boreanordningen omfatter en borkrone festet på den nedre ende av en borestreng som drives i rotasjon fra overflaten, og minst en innretning som omfatter en anordning for å måle, i sann tid, torsjonssvingninger i strengen. Systemet er kjennetegnet ved at det omfatter en anordning for å måle tor-sj onssvingningene i borehullet og på overflaten, i forhold til borestrengen, og en anordning for å bestemme en overfør-ingsfunksjon mellom borehullet og overflaten, en anordning for å beregne, som en funksjon av tid, dempningen forbundet med minst en lavfrekvent naturlig modus av svingningene, og en anordning for å overvåke opptreden av en vesentlig reduksjon i verdien av den nevnte dempning.

Oppfinnelsen er angitt i de vedføyde patentkrav.

Andre trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelse av ikke-begrensende eksempler, under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et system for implementering av oppfinnelsen, Fig. 2 viser en overf lateregistrering av et dreiemoment- signal som funksjon av tid, Fig. 3 viser beregningen av frekvenser i de naturlige modi av dreiemoment-signalet innenfor det samme tidsintervall , Fig. 4 viser utviklingen, i det samme tidsintervall, av dempningsfaktoren forbundet med den første naturlige modus (0,3 Hz her) når en stick-slip type feilfunksjon oppstår.

På figur 3 henviser tallet 2 til borekronen som senkes ned i brønnen 1 ved hjelp av en borestreng. Konvensjonelle vektrør 3 er skrudd på ovenfor kronen. Den første måleanordning består av en rørdel (sub) 4, generelt plassert ovenfor borkronen 2, hvor målinger nær borkronen er mest interes-sante, spesielt for å følge borekronens dynamikk. Den kan imidlertid også plasseres inne i eller på toppen av vektrør-ene, eller til og med på nivå av borerørene.

Borestrengen er fullført med konvensjonelle rør opptil opphengs- og koplings-rørdel 8. Ovenfor denne rørdel er borestrengen forlenget med kablede rør 9.

Kablede rør 9 er ikke beskrevet i dette dokumentet, siden de er vel kjent fra tidligere teknikk, spesielt gjennom patentene FR-2,530,876, US-4,806,115 eller patentsøknad FR-2,656,747.

En annen måleanordning er plassert i en rørdel 10 som er skrudd på nedenfor drivrøret 11, og de kablede rør er så på-ført nedenfor denne rørdel 10. En roterende elektrisk kopling 12 plassert ovenfor drivrøret 11 er elektrisk forbundet med overflateinstallasjonen 13 med en kabel 14.

Når boreriggen er utstyrt med en dreven svivel, er det ikke noe drivrør, og målerørdel 10 er skrudd på direkte nedenfor en roterende kopling 12, som er plassert nedenfor den drevne svivel.

Målerørdel 4 omfatter en hannplugg 6 hvis kontakter omfatter en hannplugg 6 hvis kontakter er forbundet med måle-sensorene og den tilhørende elektronikk i rørdel 4.

En kabel 5 som tilsvarer en vaier-loggekabel omfatter, hvis en nedre ende, en hunnplugg 15 som passer for å virke sammen med hannpluggen 6. Den øvre ende av kabelen 5 henger fra en rørdel 8. Rørdel 8 passer for å henge kabellengden 5 og for elektrisk kopling av lederen eller lederne i kabelen 5 til de elektriske ledd av kabelrøret som er plassert umiddel-bart ovenfor. Det elektriske ledd som frembringes av de kablede rør har henvisningstallet 16. Dette elektriske ledd går gjennom 17 i den andre målerørdel 10.

Når et borerør 11 er brukt, er det også kablet og omfatter to elektriske kabler 18 og 19. En kabel 18, forbinder den andre rørdel 10 med de roterende kontakter av den roterende kopling 12, og den andre kabel 19, forbinder linjen 17 med andre roterende kontakter av koplingen 12.

Overflatekabelen 14 kan omfatte minst seks ledere.

Rørdelen 4 er generelt forbundet med en enkelt leder til overflateinstallasjonen 13. Målingene og kraftforsyningen passerer gjennom samme linje.

Måleanordningen i rørdelen 4 omfatter fortrinnsvis sensorer for å måle, alene eller i kombinasjon:

- vekten på borkronen,

- reaktivt dreiemoment rundt borkronen,

- bøyemomentene langs to ortogonale plan,

- akselerasjonene langs tre ortogonale akser hvor en av dem går i borestrengens lengdeakse,

- temperatur og trykk inne i og utenfor strengen,

- rotasjonsakselerasjon,

- komponentene av magnetfeltet.

De første tre målingene kan oppnås gjennom strekkmålere som er plassert på en testsylinder. De er beskyttet mot trykket med et passende hus. Konstruksjon og oppbygning av dette huset passer for i det vesentlige å hindre målefeil på grunn av virkningsgrader.

Akselerasjoner måles med to akselerometere pr akse for å sjekke feil som induseres av rotasjons-dynamikken.

Det siste sett av målinger oppnås ved spesielle sensorer plassert i en separat del av rørdelen.

Størrelsesorden for de mekaniske karakteristikker av den første rørdel 4 er for eksempel som følger:

- utvendig diameter: 2 0,3 cm

- lengde: 9 m,

- strekk-kompresjons-styrke: 150 tonn,

- strekk torsjonsstyrke: 4000 m.daN,

- bøyingsstyrke: 7500 m.daN,

- innvendig og utvendig trykk: 75 MPA,

- temperatur: 80°C.

Den andre måleanordningen i målerørdel 10 omfatter fortrinnsvis, alene eller i kombinasjon, sensorer for å måle:

- strekk,

- torsjon,

- aksialakselerasjon,

- innvendig trykk eller pumpetrykk,

- rotasjonsakselerasjon.

Konstruksjonen av denne overflaterørdel 10 er i utgangs-punktet ikke forskjellig fra den første rørdel, bortsett fra behovet for å levne en fri slampassasje tilnærmet koaksialt med det indre rom av borestrengen for om nødvendig å tillate overføring av en borkrone inne i strengen.

Størrelsesorden for de mekaniske karakteristikker av den andre rørdel 10 er for eksempel som følger:

- utvendig diameter: 20,3 cm,

- lengde: 1,5 m,

- strekk-styrke: 350 tonn,

- torsjonsstyrke: 7000 m.daN,

- innvendig/utvendig trykk: 75/50 MPa.

I en variant av oppsamlingssystemet ifølge utførelsen på figur 1, er det oppnådd en høy frekvens for måleoverføring ved hjelp av elektriske ledd bestående av kabel 5, linje 16 og 17, og overflatekabel 14.

Et slikt oppsamlingssystem er beskrevet i dokument FR-2,688,026.

Figur 2 viser et dreiemoment-signal registrert av over-flaterørdel 10. Registreringstiden er 2 minutter, fra 0,5 til 2,5 minutter lagt ut som abscisse. Amplituden av svingningene, lagt ut som ordinat, er uttrykt i N.m. Det repre-senterte signalområdet omfatter, fra abscisse-sonen 1,5, en sone med sterke svingninger som tilsvarer en feilfunksjon av stick-slip typen. Den tidligere sonen tilsvarer problemfri kjøring.

Målet med oppfinnelsen er å beregne dempningsfaktoren forbundet med den første naturlige modus i forhold til stick-slip. For dette formål er en overføringsfunksjon identifisert mellom signalene fra bunnen av borehullet og overflate-signalene, så som dreiemoment i borehullet målt med borehull-rørdel 4, og dreiemoment på overflaten målt med overflaterør-del 10.

Autoregressive bevegelige gjennomsnitts-modeller (ARMA), som er vel kjent og som kan karakteriseres ved den følgende ligning, er blitt brukt:

P q

x(t) = - S ak.x(t-kT) + S bk.u (t-kT-nT)+e (t)

k=l k=0

hvor x(t) er utgangssignalet, u(t) er inngangssignalet, og e(t) er hvit støy.

Autoregressive modeller er beskrevet i de følgende bøker: - "System Identification Toolbox User's Guide", juli 1991, The Meth-Works Inc., Cochituate Place, 24 Prime Park Way, Natick, Mass. 01760. - "System Identification - Theory for the User" av Lennart Ljung, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J. 1987.

- "Digital Spectral Analysis with Applications" av

S. Lawrence Marple Jr., Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J. 1987. - "Digital Signal Processing" av R. A. Roberts og C. T. Mullis, Addison-Wosley, Publishing Company, 1987.

For identifisering av en autoregressiv modell, består det vanskelige trinnet i å bestemme dens ordne (p, q), dvs. antallet koeffisienter i modellen. Hvis den valgte orden er for liten, kan modellen faktisk ikke uttrykke alle vibra-sjonsmodi. I motsatt fall, hvis den valgte orden for modellen er for stor, har den oppnådde overføringsfunksjon flere naturlige modi enn systemet, og feil kan resultere fra dette. EN modellfeil kan være betydningsfull.

Forsinkelsen nT viser overføringstiden for signal gjennom borestrengen. Overføringstakten for skjæringsbølger er

omkring 3 0 00 meter pr sekund. Følgelig, når man vet lengden på borestrengen under registreringen, kan forsinkelsen NT bestemmes automatisk. For eksempel, under innsamlingen av signalet vist på figur 2, var lengden av borestrengen omkring 1030 meter, hvilket gir en forsinkelse nT på 0,34 sekunder, dvs. omkring n = 15 for en samling av data ved 45 Hz.

Bestemmelse av p: tester har vært utført for å bestemme parameteren p som karakteriserer antallet poler i overfør-ingsfunksjonen. For å få en ide om verdien av p, har en spek-tral studie av signalene vært utført for å bestemme antallet frekvenstopper med faseendringer, som er forbundet med antallet naturlige modi. Dette gjør det mulig å få en ide om størrelsesorden for p, når man vet at to konjugerte poler tilsvarer hver naturlige modus, og derfor at p er lik det dobbelte av antallet naturlige poler. Ved slutten på denne tilnærmingen, ligger verdien av p mellom 24 og 36.

Etter en rekke tester på signaler av forskjellig dreiemoment, er den optimale bestemmelse at p er lik 26.

For å bestemme parameteren q, blir den øket fra verdien 1 til en optimalt representativ modell er oppnådd. De reelle overflatesignaler har således vært sammenlignet med de som er oppnådd med overføringsfunksjonen fra signalene fra borehullet, registrert ved borehullrørdelen 4. Det viste seg at q = 1 er tilstrekkelig.

I tilfellet med autoregressive modeller, utgjør poly-nomet

nevneren i den oppnådde overføringsfunksjon. Følgelig, hvis nullene i dette polynom bestemmes, oppnår man antallet poler i den overføringsfunksjon som er forbundet med systemets naturlige modi.

Figur 3 viser utviklingen av naturlige modi for signalet på figur 2 som en funksjon av tid lagt ut som abscisse, mens frekvensene i Hz er lagt ut som ordinat. De naturlige modi beregnes her i henhold til det prinsipp som er forklart ovenfor. Stabiliteten av de naturlige modi representert ved et kors demonstrerer nærvær av en ikke-varierende lineær overføringsfunksjon mellom borehullbunnen og overflaten når det gjelder vridningsmomentet.

Når det gjelder beregning av dempningen u i forbindelse med naturlige modi, har man brukt den følgende formel:

hvor P er polens modul og m er polens fase som tilsvarer den naturlige modus.

Figur 4 viser utviklingen, som en funksjon av tid, av dempningen av den første naturlige modus, dvs. 0,3 Hz, som er relatert til den stick-slip type feilfunksjon som forårsaker sterke svingninger av dreiemomenter fra tiden 1,5 på figur 2.

Man kan observere, at ved tiden 1,5, har dempningen gjennom-gått en sterk reduksjon som korrelativt genererer stick-slip bevegelsen.

Det er derfor mulig å forutsi starten på stick-slip ved å utføre en sanntidsberegning av dempningsverdien for den naturlige modus forbundet med stick-slip. I vårt eksempel, er det den første naturlige modus, men det er klart at i andre eksempler i forhold til andre systemer, kunne det være en annen modus enn den første, for eksempel den andre eller tredje. Det er imidlertid vist eksperimentelt at bare den første naturlige modus kan bli forbundet med en stick-slip type feilfunksjon.

Et system som gjør det mulig å beregne demning i sann tid fra dreiemomentsignalet på overflaten og muligens fra dreiemomentsignaler fra borehullet, således gjør det mulig å forutsi begynnelsen på stick-slip bevegelsen gjennom sann-tidsanalyse av utviklingen av dempningsverdien. Anordningen for å beregne og bestemme overføringsfunksjonen plasseres fortrinnsvis i overflateinstallasjonen 13 (figur 1). Når dempningen når en lav verdi innen et område på flere titalls sekunder, kan operatøren bli varslet av en alarm, og korri-gere boreparametrene for å hindre stick-slip. Boreparametrene kan være vekten på kronen, rotasjonshastigheten, frik-sjonsmomentet på veggene av brønnhullet når en fjernstyrt anordning er integrert i borestrengen.

Claims (5)

1. En fremgangsmåte for bore-optimalisering for å forutsi en feilfunksjon av stick-slip typen, hvor boreanordningen omfatter en borkrone festet på den nedre ende av en borestreng som drives i rotasjon fra overflaten, og minst én innretning, deriblant en anordning for å måle borestrengens torsjons-svingninger i sann tid, karakterisert ved at torsjonssvingningene nedihulls og på overflaten med hensyn til borestrengen måles, en lineær overføringsfunksjon bestemmes mellom torsjonssignalene fra bunnen av borehullet og torsjonssignalene fra overflaten, at en lineær overføringsfunksjon bestemmes mellom torsjonssignalene fra bunnen av borehullet og torsjonssignalene fra overflaten, og ved at dempningen forbundet med minst én lavfrekvent naturlig modus av svingningene blir identifisert som en funksjon av tid, og ved at minst en boreparameter blir variert så snart det oppstår en betydningsfull reduksjon i verdien av den nevnte dempning.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at man beregner dempningen forbundet med de naturlige modi av lav frekvens.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at dempningen forbundet med en pol av overføringsfunksjonen beregnes fra den følgende formel: hvor p er polens modul og m er polens fase.

4. Fremgangsmåte ifølge et eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at torsjonssignalene blir målt i sann tid i borehullet og på overflaten, og ved at en overføringsfunksjon som tilsvarer en autoregressiv bevegelig gjennomsnittsmodell (ARMA), blir bestemt.

5. Bore-optimaliseringssystem som gjør det mulig å forutsi en feilfunksjon av stick-slip typen, hvor boreanordningen omfatter en borkrone (2) som er festet på den nedre ende av en borestreng som drives i rotasjon fra overflaten, og minst én innretning (4) som omfatter en anordning for å måle borestrengens torsjonssvingninger i sann tid, karakterisert ved at den omfatter en anordning for å måle torsjonssvingningene i borehullet og på overflaten, i forhold til borestrengen, og en anordning for å bestemme en overføringsfunksjon mellom borehullet og overflaten, en anordning for å beregne, som en funksjon av tid, dempningen forbundet med minst en lavfrekvent naturlig modus av svingningene, og en anordning for å overvåke opptreden av en vesentlig reduksjon i verdien av den nevnte dempning.