SU1675546A1 - Способ управлени режимами бурени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к бурению скважин и позвол ет расширить функциональные возможности способа управлени  при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин забойными движител ми. Дл  этого вращают бурильную колонну и плавно перемещают ее верхний конец. При этом измер ют частоту вращени  и момент ротора, скорость подачи колонны, частоту вращени  долота, давление бурового раствора на входе в скважину, а при бурении электробуром - и его потребл емую мощность . По данным измерени м определ ют осевую нагрузку и момент на долоте с учетом сил сухого трени  колонны о стенки скважины. Задают значение управл емого параметра режима бурени , требующего поддержани . Дл  быстрого управлени  заданное значение параметра сравниваетс  с фактическим и определ етс  величина Ли знак их разности. Если Д 0,то в зависимости от выбранного управл емого параметра уменьшаетс  или увеличиваетс  частота вращени  ротора При этом дл  сохранени  диапазона регулировани  осуществл етс  сравнение величин, пропорциональных частоте вращени  ротора и скорости подачи. Возникающа  разность ликвидируетс  изменением скорости осевого перемещени  колонны - скорости подачи 11 ил. сл С

Description

Изобретение относитс  к области бурени , преимущественно, к управлению режимами бурени  наклонно направленных и горизонтальных скважин забойными двигател ми .

Целью изобретени   вл етс  расширение функциональных возможностей способа управлени  при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин забойными двигател ми, а также увеличение быстродействи  и точности измерени  параметров режима бурени  наземными средствами за счет изменени  направлени  сил сухого трени  в таких скважинах.

На фиг. 1 изображена схема сил, действующих ria бурильную колонну в процессе бурени , на фиг. 2 - схема скоростей и сил трени , приложенных к элементу бурильной колонны; на фиг. 3 - графики зависимости осевых составл ющих сил трени  и моментов трени , приложенных к элементу бурильной колонны от соотношени  окружной и осевой скоростей движени  элемента бурильной колонны, на фиг. 4 - распределение осевых и окружных скоростей вдоль участка бурильной колонны; на фиг. 5 - процесс определени  осевой нагрузки в зависимости от скорости подачи верхнего конца бурильной колонны и частоты вращени 

о VI ел

2

Os

ротора буровой установки; на фиг, 6 - зависимости времени запаздывани  воздействи  сил трени  в элементах колонны на осевую нагрузку от рассто ни  от усть  скважины, отнесенного к длине бурильной колонны; на фиг. 7 - ёависимости протекани  переходного процесса изменени  три- бомеханической составл ющей осевой нагрузки от времени, отнесенного к общей длине бурильной колонны на фиг. 8-обща  структурна  схема реализации трибомеха- ническ ого волнового способа управлени  режимами бурени ; на фиг. 9 - графики, иллюстрирующие способ трибомеханиче- ского волнового управлени  режимами бу- рени ; на фиг. 10 - общие блоки, вход щие в состав трибомеханических устройств; на фиг. 11 - блок-схема устройства, реализующего способ трибомеханического волнового управлени  режимами бурени .

Управление, в том числе стабилизаци , малоинерционных объектов управлени , подверженных быстромен ющимс  детерминированным либо случайным возмущени м , вывод щим объект из состо ни  равновеси , требует выполнени  двух необходимых условий:

быстрого измерени  параметра управлени ;

быстрой реализации команд исполни- тельным элементом.

Динамическа  система - забойный двигатель - долото - забой, когда в качестве двигател  дл  привода долота во вращение используетс  турбобур, как раз и  вл етс  таким малоинерционным объектом. Это вызвано спецификой применени  привода в пространстве, ограниченном малым диаметром скважины и особенност ми внешней характеристики турбины, частота вращени  которой сильно измен етс  при изменении момента на долоте. Примен емые турбобуры имеют посто нную времени пор дка 0,1 с.

Однако известные и реализованные на- земные устройства управлени  режимами бурени  имеют принципиальный недостаток: отсутствие требуемого быстродействи  дл  управлени  забойными двигател ми.

Известные забойные устройства, избав- ленные от этого принципиального недостатка , имеют недостаток, заключающийс  в сложности выполнени  конструкции, надежной дл  работы в забойных услови х, что  вл етс  преп тствием при разработке и внедрении забойных устройств.

Изобретение представл ет собой три- бомеханический волновой способ управлени  режимами бурени  нефт ных и газовых скважин. Оно предназначено дл  быстродействующего управлени  энергетическим режимом бурени  наклонно направленных и, так называемых, горизонтальных сква- жич, осуществл емого всеми существующими типами забойных двигателей, и отличаетс  от известных устройств использованием дл  силового управлени  режимом бурени  поворота в пространстве вектор рв сил трени  колонны о стенки скважины FTKC.

Вектор FTKC  вл етс  суммой векторов сил трени  FTKCI на п отдельных участках бурильной колонны

FTKC

Тткс

0)

Величины FTKC всегда значительны при проводке наклонно направленных сквзжин (ННС) и горизонтальных скважин (ГС).

Это достигаетс  управлением величиной одной из составл ющих вектора сил трени  FTKCI путем изменени  частоты вращени  бурильной колонны ротором (Урот при непрерывной подаче бурильной колонны в процессе бурени  со скоростью

+Vn.

Данный способ трибомеханического волнового управлени  режимами бурени  позвол ет разработать устройства, обеспечивающее быстродействие, требуемое дл  управлени  при бурении забойными двигател ми , путем использовани  наземных средств, по своему эффекту близкое к п-отен- циальным возможност м управлени  забойными , очень трудно реализуемыми техническими средствами.

Сущность способа управлени  режимами бурени  заключаетс  в следующем.

Дл  простоты изложени  бурильную колонну (фиг. 1),  вл ющуюс  системой с распределенными по ее длине Iki массами, упругостью и трением о стенки скважины, представим в виде одинаково последовательно соединенных п звеньев с массой mi, продольной жесткостью kni (что соответству- ет однородной колонне) и трением колонны о стенки скважины FTKCI.

В процессе бурени  наклонно направленных скважин (ННС) забойными двигател ми (З.Д.) бурильную колонну допустимо вращать ротором с частотой на всех этапах бурени , исключа  процессы бурени  ориентируемыми компоновками низа бурильной колонны (КНБК), включающими в отечественной практике бурени  кривой переводник либо турбинный отклонитель.

Ориентируемые КНБК регламентируетс  использовать в интервалах набора зенитного угла и при корректировании траектории ствола скважины.

Дл  управлени  траектори ми ствола скважин в цел х стабилизации, малоинтенсивного увеличени  или уменьшени  зенитного угла используютс  так называемые неориентируемые КНБК, включающие цент- рирующие приспособлени , различные по диаметру и по удалению от долота.

Управление траектори ми скважин применением неориентируемых КНБК достигаетс  использованием гравитационной силы, не мен ющей своего направлени  при повороте КНБКогносительно своей оси. Поэтому вращение бурильной колонны при использовании неориентированных КНБК допустимо и в р де случае может быть благопри тно дл  процесса бурени . Ограничением вращению бурильной колонны  вл етс  износ труб, что существенно сказываетс  при больших частотах вращени .

В отечественных услови х бурени  ННС режим работы, допускающий О, преобладает во времени при проходке скважин , а следовательно, оптимальное управление режимами бурени  в этих случа х определ ет основной количественный показатель бурени  - коммерческую скорость бурени  VKOM и требуетс  дл  управлени  траектори ми.

Поддержание энергетического режима бурени  при работе с ориентированными КНБК важно больше не с точки зрени  коммерческой скорости, а с точки зрени  управлени  траекторией, ее корректировкой, причем  вл етс  часто некритичной дл  уп- равлени  величиной.

Рассматрива  задачу управлени  при возможности 0 (прот 0), остановимс  на управлении режимами бурени  при Прот 0, когда Про 0 недопустимо.

Дл  основных случаев управлени , при которых технологически допустимо вращение бурильной колонны ротором с разными частотами, пр0т 0:

1) Все элементы бурильной колонны пе; ремещаютс  вниз (к забою) со скорост ми VK(Z) 0, где z - координата, отсчитываема  от усть  скважины по оси бурильной колонны и скважины.

Скорость V при z О, VK(0) Vn (2) называетс  скоростью подачи бурильной колонны.

Скорость VK при z 1кз, где 1Кз - длина колонны, наход щейс  на забое, Ук(1кз) Ve (3) называетс  скоростью механическо- го бурени .

СКОРОСТЬ VK ПРИ Z Z ltd

VK(KI) VK|-(4)

скорость перемещени  1-го элемента колонны , удаленного от усть  скважины (z 0) на рассто ние 1К| (фиг. 1). .

2). Все элементы бурильной колонны вращаютс  по часовой стрелке с частотами, определенными аналогично скорост м V, т.е.

(Ык(0) ,(5)

гдео)рот - частота вращени  ротора буровой установки;

Шк(1кз) УД 0, (б) где (Од - частота вращени  долота; ЈУк(1к|) ОДс (7)

частота вращени  1-го элемента бурильной колонны.

3)Между всеми1 элементами бурильной колонны и стенками скважины действуют силы трени , обозначаемые через

Рткс(О), РтксОкз), FIKC(|K|) FTKC.

4)Во всех элементах бурильной колонны действуют моменты трени , требуемые дл  преодолени  сил трени  FTKC

Мткс(О), МтксОкз). Мткс(1к|).

5)Каждый 1-й элемент бурильной колонны прижимаетс  к стенкам скважины силами , в основном гравитационными, существенными при бурении ННС и горизонтальных скважин.

Учитыва , что трубы и стенки скважин - твердые тела, такой вид трени  относитс  к сухому трению, трению скольжени . Дл  продолжени  движени  нужна сила дл  преодолени  трени . Ее называют силой трени .

В довольно хорошем приближении можно считать, что сила трени  пропорциональна нормальной силе, направленной по ноомали к поверхност м соприкосновени  тел N и коэффициенту трени  /л

F /it N(8)

где I мало зависит от величины скорости перемещени  VKi, а вектор силы трени  всегда направлен против относительного движени  поверхностей.

Проведенные эксперименты показали, что при подъеме бурильной колонны одинаковой длины изменение скорости подъема в пределах 0,136-0,458 м/с в скважинах различной конфигурации не оказывает вли ни  на силы трени .

Поэтому дл  каждого 1-го элемента бурильной колонны будем считать справедливым выражение

FTKC ,«Kci NKC,(9)

где NKCI - нормальна  сила прижати  1-го элемента бурильной колонны к стенкам скважины;

коэффициент трени  тел колонны и стенки скважины.

6)Каждый i-й элемент бурильной колонны участвует в движении вдоль оси скважи- ны со скоростью VKI и в плоскости, перпендикул рной оси скажины вокруг оси скважины диаметром d« либо оси бурильной колонны диаметром dK, в зависимости от вида вращени  с линейной окружной скоростью

V0Kl -2 С0к1 -щЛГПк (10)

где d dcK при вращении колонны вокруг оси скважины;

d die при вращении вокруг оси колонны;

Пк - частота вращени  элемента колонны в об/мин.

7)При движении 1-го элемента бурильной колонны независимо от соотношени  величин

VKI 0 (движение элемента колонны от усть  к забою скважины) и VOKI 0 (вращение элемента колонны по часовой стрелке):

а)коэффициенты трени  //кс не измен ютс  по величине. Согласно исследовани м 0,2;

б)NKCI не измен етс  по величине.

При сделанных допущени х 1-7 справедливо ниже изложенное, проиллюстрированное на фиг. 2.

На фиг. 2 показана схема, показывающа  направлени  скоростей VKi и VOKI и сил трени  FTKCI, приложенных к i-му элементу бурильной колонны (фиг, 1) при движении элемента к забою, прин тому положительным Vn О (А.) и к устью скважины, прин тому отрицательным Vn О (Б.).

В обоих случа х прин то, что элемент колонны вращаетс  по часовой стрелке, если смотреть от усть , и при этом согласно (10)

, WKI 0; пК| 0.

На фиг. 2 обозначено;

VKI - скорость осевого перемещени ;

VOKI - скорость окружного перемеще- ни ,рпредел ема  выражением (10);

VKI - суммарный вектор скорости 1-го элемента колонны относительно стенок скважины;

jPri - угол между VKi и

FTKCI - общий сектор сил трени  определ емых выражением (9);

FTGP осева  составл юща  вектора сил трени  FTKCI, вли юща  на осевое усилие;

FTMI - окружна  составл юща  вектора сил трени  FTKCI, вли юща  на момент трени  1-го элемента колонны о стенки скважины MTKCi.

Из схемы, приведенной на фиг. 2 (А., следует

IVoKil ,,

- VM

ТУкТГ

(11)

Выразим осевую составл ющую вектора сил трени  FTGI и момент трени  МТ| как 5 функцию общей силы трени  FTKCi и скоростей VKi и VOKI

0

FTGI FTKCI cosarctg ,

VKI

MT| МТМакс1 slnarctg

VOKI 1/кТ

(12)

(13) (14)

где Мтмакс FTKC Г

На фиг, 3 приведены графики зависимостей

15

FrGLefG(MM М±.(м. I ткс Мтмакс

МТ|

fv(vv).

V T

Мтмакс

Изложенное позвол ет сформулиро- 0 вать основное положение, на котором базируетс  сущность изобретени .

Изменением соотношени  частоты вращени  элементов колонны и их осевой скорости можно управл ть одним из основных 5 параметров бурени  осевым усилием, прижимающим долото к забою.

Как следует из того, что осева  составл юща  сил трени  FTGI, направленна  вдоль оси бурильной колонны, может реаль- 0 но быть изменена от максимальной FTGI

FTKCI при v 0 до величины пример/ VK|

но равной FTGI 0,1 FTKcinpHVv 10.

При указанных изменени х соотноше- 5 ни  vv моменты трени  измен ютс  от МТ|

ОДОМТ| «0,99 Мтмакс.

Рассмотрим реальные значени  соотно- - шени  скоростей VK и V06 дл  широко используемых бурильных колонн с диаметром труб к 147 мм и при вращении колонны вокруг собственной оси (выражение 10).

При вз том в качестве примера реально имеющем место диапазоне скоростей бурени  Ve 2-20 м/ч (и полага  VK Уб) дл  5 изменени  осевого усили  в 10 раз (см, (12)) и более частоту вращени  колонны ротором Прот следует измен ть в диапазонах, равных

приУе 2м/ч; 0 Прот 0-0,8 об/мин; при Ve 20 м/ч; Прот 0-8 об/мин.

Обеспечение указанного диапазона частот вращени  пр0т реально осуществимо 5 при применении следующего привода дл  ротора.

Осева  составл юща  сил трени  дл  1-го элемента бурильной колонны определ етс  выражением (12). Обща  осева  составл юща  сил трени  бурильной колонны о стенки скважины рассматриваетс  ниже при следующих допущени х.

1)Все элементы бурильной колонны перемещаютс  в одну сторону от усть  к забою скважины

VKI(IKI) 0.

2)Все элементы колонны могут вращатьс  по часовой стрелке относительно собственной оси или оси скважины

VOKI(IKI) 0.

3)Инерционные силы пренебрежимо малы к сравнении с силами упругих деформаций , что равносильно (см. фиг. 1).

.

Дл  рассматриваемой задачи управлени  G (Vn, ЈУрот) нужно найти зависимость изменени  осевой нагрузки на долото (осевого усили  на долото) G от двух параметров-величин , на которые удобно воздействовать наземными средствами:

скорости осевого перемещени  верхнего конца бурильной колонны, называемой обычно скоростью подачи Vn

Vn VK (0);

частоты вращени  верхнего конца бурильной колонны - частоты вращени  ротора (Урот (Прот)

(Ырот ВД(0).

Дл  удобства последующего анализа определим справедливое дл  сделанных допущений распределение скоростей вдоль бурильной колонны.

Выделим участок колонны длиной к, у которого все действующие силы, в том числе и силы трени , сосредоточены на его концах а ближе к устью скважины и б дальше от усть  к забою скважины (фиг. 4), и будем определ ть длину участка IK координатой z.

При заданных значени х скоростей на концах а и б распределение скоростей вдоль участка будет согласно выражени м (15) и (16)

VKZ VK

VOKZ V0

- z

IK

+ vK6 f ;

IK

+ V0K6 7

Kn Kn кг

(VKa - VK6), (18)

IKIK

Осева  сила упругости F0 на будет определ тьс  выражением d Fo

dt

гдеКп ,

IK м

продольна  жесткость участка колной 1к(фиг. 4).

Дл  определени  зависимо Шрот) сначала рассмотрим бурильнну , условно состо щую из двух

(фиг. 5): нижнего, отсчитываемого от забо , длиной 1К| с продольной жесткостью

Зт1 El

и верхнего длиной с продольной жесткостью

КП1

КП2

ST2E2 1к2

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

К верхней точке участка К2 приложена скорость подачи Vn. Нижн   точка участка IK| находитс  на забое и перемещаетс  со скоростью , равной скорости бурени  VG.

На участке действует сила, прижимающа  долото к забою - осева  нагрузка на долото G.

На участке действует сила Ft, отличающа с  от G на величину силы сухого трени  FT, которую считаем сосредоточенной на стыке обоих участков.

При направлении движени  к забою (VK 0)

G FI-FT.(i9)

Рассмотрим возможность управлени  осевой нагрузкой G от ее начального состо ни  в момент времени t 0, при котором каким то образом установились скорости Vn, Ve, силы Fi, FT и G.

При сделанных допущени х получим

tt

G Kni /Vidt-Knix/V6dt, (20)

оо

где Vi - скорость точки стыка участков К1 и

1к2.

Fi Kfl2 /Vndt Kn2 / Vidt (2 I) оо

Из уравнений (19) - (21) получим выражение дл  G в виде

Кп1 Кп2 г . . . Кщ Кп2

G d+KnS J0 VndtFnT+ Kn2 x

x/VedtKn1

-- FT.

(22)

0КП1 + Kn2

Расчленим полученное выражение дл  G на две составл ющие

G Gyg + Gyy,(23)

-Ј&&-. 1ъ«

КП1 КП2 Кп1 + Кп2

/ Vhdt

(24)

назовем деформационной составл ющей управлени  нагрузкой на долото или деформационной нагрузкой, а

GyT , )

трибомеханической составл ющей управлени  нагрузкой на долото или трибомеханической нагрузкой (oi греческого слова trlbos), обозначающего трение и, в св зи с

пон тием трибомеханика, охватывающего область приложени  всех видов трени ).

Выражени  (23) - (25) показывают возможность силового управлени  осевой нагрузкой двум  способами деформационным и трибомеханическим, принципиально отличающимс  по своим возможност м, ибо дл  первого необходимо изменение рассто ни  между точками колонны труб большой прот женности, что требует значительного времени, а второй может осуществл тьс  передачей волны импульса крутильных колебаний колонны труб, на что требуетс  значительно меньше времени.В известных устройствах управлени  режимами бурени  дл  изменени  нагрузки на долото в основном использовалась деформационна  составл юща , что не обеспечивало требуемого быстродействи , согласно изобретению предлагаетс  использовать трибомеханическую составл ющую в сочетании с деформационной.

Ниже показаны потенциальные возможности реализации управлени  сочетанием указанных двух способов.

Подставив в (25) в качестве силы трени  FT, ее значение дл  1-го элемента колонны из выражени  (12), получим

г -КП1 р

GyT ТКСЧ

(26)

Кп1 + КП2 cos arctg Vv

VoKi

где Vv I -rH- I VOKI определено выражеVK

нием (10);

a FTKC - модуль вектора трени  между i-м

элементом колонны и стенками скважины,

Ограничива сь возможност ми наземного расположени  исполнительных элементов , как более реальными, дл  управлени  деформационной составл ющей Gy9 (t) можно использовать традиционные устройства подачи верхнего конца бурильной колонны, обычно называемые устройства подачи долота (УПД) и осуществл ющие управление скоростью подачи Vn(t).

Дл  управлени  трибомеханической составл ющей GyT предлагаетс  использовать совместное действие устройства управлени  частотой вращени  ротора, именуемое в дальнейшем УУР, и устройства УПД,

Выше дл  простоты изложени  было проведено рассмотрение дл  колонны, условно состо щей из двух однородных участков и силы трени , сосредоточенной в одной точке на стыке участков.

Дл  лучшего приближени  к рассмотрению реальной бурильной колонны ее можно разбить на п однородных участков

1к1, 1(с2,..,1к1,...,1кп,

счита  силы трени , распределенные по разному вдоль колонны, условно сосредоточенными на стыках участков 1к(м)- К|

FT1, FT2 FinВажно определить суммарное значение сил сопротивлени ,  вл ющихс , в основном , силами сухого трени  колонны о стенки скважины. При этом точна  величина этой

силы не играет роли, важно, чтобы она была значима, а это можно определ ть путем простых экспериментов в промысловых услови х .

Из выражени  (24) дл  деформационной

нагрузки при колонне, состо щей из двух участков, можно сделать вывод, что дл  колонны из п участков эти выражени  можно представить в виде t

Gvg PI (Kni) / Vndt - (pi (Kni )x

о

x/V6dt (27).

о

Аналогично дл  трибомеханической на- грузки из (25), подставив вместо FT величину осевой составл ющей сил трени  FTGI согласно (12)

GyT -рз(Кпг)-Ф(РтсО, (28), где pi (Kni); Р2 (КП|) (Kni) - функции со- четани  жесткостей отдельных п участков колонны; Ф(Ртс|} функци  суммарного действи  сил трени  FTGI на п участках колонны, из которых кажда   вл етс  функцией времени .

FTGl(t); FTG2(t) ... FrGi(t) ... FTGn(t)

или согласно (12) и (10)

FTGi(t) FTKCI cosarctg ( | | ) . (29)

При управлении с помощью УУР и УПД (t) измен етс  воздействием на скорость подачи Vn (t), ftVi (t) - воздействием на частоту вращени  ротора о)рот (t}.

Рассмотрим управление при условии малых изменений скорости подачи dVn(t)dQJpOT(t)Qm

d td tv ;

В этом случае при изменении ЮротДО, осуществл емого у усть  скважины, изменени  FTGI, вход щее в Сут (см. (28)), будут на- ступать после прихода волны кручени  от усть  скважины к точке i колонны через врем , требуемое дл  распространени  волн кручени 

55

tK| 7Г W

(31)

где 1К1 рассто ние, отсчитываемое по колонне от усть  до 1-й точки;

С - скорость распространени  волн кручени , равна  дл  стальных труб 3,4 х х103 м/с и дл  легкосплавных труб (ЛБТ) 3,132 103м/с.

По вившеес  усилие FTQI будет воздействовать на осевую нагрузку G, ее трибоме- ханическую составл ющую Сут через врем , требуёмее дл  распространени  волны продольной деформации

1 Окз - IKI)(32)

ГК|

Сп

где 1кЗ рассто ние, отсчитываемое по колонне от забо  до i-й точки;

Сп - скорость распространени  волн продольной деформации, равна  дл  стальных труб 5,293 103м/с.

Проанализируем потенциальные возможности быстрого управлени  осевой нагрузкой путем изменени  ее трибомеха- нической составл ющей Сут воздействием на частоту вращени  ротора о)рот.

При фронте изменени  , близком к пр моугольному, скачкообразному, что реально осуществимо, мгновенно изменитс  FTGi при IK 0 и изменение Сут начнетс  через врем 

Т1 (кз - 0)/Сп,

затем начнут оказывать воздействие все ни- злежащие элементы колонны, причем врем  от воздействи  1-го элемента на Сут будет равно

Тк -р- 1к1 + р Окз

т

УК 1к1 / 1кз 1кз

Общее изменение трибомеханической составл ющей нагрузки Сут будет результатом изменений осевых составл ющих сил трени  FTGI (т)всех п элементов бурильной колонны (фиг. 1 - 3), вступающих в действие через врем  запаздывани  гк, завис щее от расположени  элемента по длине колонны. Это врем , отнесенное к общей длине колонны , будет равно

р- -р- ) + -р- . (34)

Ьк пwn

Так как пор дковый номер элемента колонны I, отсчитываемый от усть  скважины, пропорционален , то выражение (34) представл ет зависимость времени запаздывани  воздействи  трени  в элементах колонны от их рассто ни  от усть  отнесенного к общей длине колонны к I . Эта зависимость в виде пр мой линии показана на фиг. 6.

Дл  того, чтобы определить общее изменение трибомеханической нагрузки Сут через ее отдельные составл ющие (28) при известном распределении вдоль колонны общих сил трени  FTKCI (к) и в услови х (30),

10

15

20

следует просуммгоовать все значени  сил FTKCI О) согласно (29). подставл   вместо (t) его значение через (i,m (t) с запаздыванием Гк, т.е.

(t) 0)рот (t - ГК), (35)

где Гк определ етс  выражением (34).

Однако, как указывалось выше, практически доступно дл  определени  только общее значение общей силы трени  равное

FTKC

п

FTKC У, FTKC,

поэтому будем определ ть среднее врем  изменени  общего значени  Gyr(t), исход  из выше изложенного и следующих соображений .

Согласно фиг. 7 после внесени  изменени  Шрот изменение Сут начинает происходить вследствие скручивани  верхних сечений колонны с запаздыванием

Го р кз- Ln

Затем вступают в действие следующие

25 (по отношению к забою) сечени  бурильной

колонны и так как Сп Ск, то наибольшее

запаздывание тэ будет от скручивани  призабойного сечени  колонны

Гз р кз30с

При описанном протекании переходного процесса изменение Gyi можно представить графиком фиг. 7, где по оси абсцисс отложено врем  t, а по оси ординат - изме35 нение трибомеханической нагрузки GyT(t) при скачкообразном изменении П)р0т (t) на

+ Л й)рот

v В начальный момент времени (t 0) начальные значени 

о,

GVTO -FTKcCOsarctg x

(Урот о d

2 )

(

Vn

(36)

При t Г3

Сутз -FTKcCOsarctg x

( + АсОрот d ч х ( /„„2

V

по

(37)

0

5

Предполагаетс , что осева  скорость перемещени  элементов колонны примерно равна неизмен ющейс  скорости подачи Vn Vno, т.е. VK.(t) Vno.

Второй линией показан переходный процесс при уменьшении на .

На графике фиг. 7 обозначено:

врем  чистого запаздывани  г0 после приложени  воздействи  , которое равно

1

TQ- То I КЗ - 7 кз п П

(38)

(39)

Врем  окончани  переходного процесса гэ, которое равно 1 Ск

Сказанное позвол ет моделировать в грубом приближении бурильную колонну дл  передачи трибомеханического волнового воздействи  апериодическим звеном первого пор дка с запаздыванием dX2(t)

dt

KXi(t - т), где следует принимать

KXi(t) FTKC cosarctg ( AV f ) (41)

определ емое через (38). В качестве эквивалентной посто нной времени величину

Тт q JL и (уз - го).

Тт

+ X2(t)

(40)

(42)

Дл  реальных условий бурени  на глубины

1кз ()-100м;

(3-6) Ю-3 0,57-1,14с; 25 () 103 0,89-1,78 с;

Т з - 4 3 - 4

-0,64) 0,09-0,18 с.

Полученные значени  доказывают реальную возможность обеспечени  трибоме- ханическим способом быстродействующего управлени , необходимого дл  оптимального использовани  турбобуров.

Величина изменени  осевой нагрузки как в сторону уменьшени , так и увеличени  зависит только от изменени  общей силы трени  FTKC, наличие которой - об зательное условие работы системы управлени .

Врем  запаздывани  т3 не зависит от сечени  труб, а только от их длины и материала (дл  ЛБТ оно в 1,13 раз больше, чем дл  стали).

Таким образом, трибомеханический волновой способ управлени  создает необходимые предпосылки дл  создани  на его основе автоматического регул тора режима работы турбобура высокого быстродействи , что может обеспечить требуемую стаби- лизацию и безостановочную работу в област х, примыкающих к обычно неустойчивым област м работы динамической системы турбобур - долото - забой.

Описанный анализ сделан без учета сложных  влений, протекающих при переходных процессах в системах с распределенными посто нными и сухим трени ми,

0

5

0

которыми  вл ютс  колонны бурильных труб. Однако эти  влени  не могут сказатьс  на основном выводе о потенциальных возможност х разработки регул торов высокого быстродействи .

Дл  примера произведем расчет требуемых приращений А о)рот и требуемого общего усили  трени  FTKC.

Используем выражени  (36) и (37) и предположим, что до начала воздействи  на частоту вращени  ротора скорость подачи Vn, равна  скорости бурени  Ve, составл ла 20 м/ч, а частота вращени  труб диаметром d die 0,147 м составл ла 1 об/мин.

При таких услови х дл  уменьшени  осевой нагрузки G за счет увеличени  Gyr на 5 Т С достаточно при наличии общей силы трени  FTKC 20 т.е. снизить частоту вращени  с 1 до 0,5 об/мин.

Подытожива  изложенное, получим приближенное выражение дл  общей три- бомеханической нагрузки GyT при услови х

d Vn dtQpoT dt

5

0

5

0

5

0

5

dt в виде

GyT - FTKC cosarctg 4 М

t

VnTO (43)

«d-l T)- где FTKC - обща  сила трени  колонны длиной Кз о стенки скважины, м;

d - диаметр бурильных труб либо скважины , м;

ЮротМ - частота вращени  ротора, рад/с;

Vn(t) - скорость подачи верхнего конца бурильной колонны, м/с;

гп - врем  распространени  продольных колебаний,с

Тп -р кэ п

Сп - скорость распространени  продольных колебаний, м/с (дл  стали 5,29 Л О3);

Тт - эквивалентна  трибомеханическа  посто нна  времени

Тт -з4т():

Tk - врем  распространени  крутильных колебаний,с

Тк -fr- кз , LK

Ск - скорость распространени  крутильных колебаний (дл  стали 3,4 103 м/с).

При изменении длины бурильной колонны в диапазоне кз 0 6-Ю3 м диапазон изменени  временных параметров составит

тп 0- 1,14с;

тк 0 - 1,78 с;

Тт 0-0,18 с.

Учитыва  малые значени  гп, гк, Тт дл  частных случаев колонн средней и малой длины при относительно медленных изменени х Шрот (т) и Vn(t), в том числе дл  установившихс  режимов, можно, пренебрега  запаздыванием, использовать упрощенное уравнение дл  ), полученное из (43), положив TV, 0 ; Тт «О :

Gyr(t) -F1KC cosarctg х

,d . Шрот ( t ) .

Х12 Vn(t) jl4 j

Общее управление осевой нагрузкой G можно производить сочетанием трибомеха- нической составл ющей Gyr(t) согласно (43) или (44) и деформационной Gyg (t) согласно (27)

Gy9(t) pi(Kni)/Vn(t) (Kni) JV6(t)dt

G(t) Gy9(t) + Gyr(t)(46)

Наличие двух составл ющих Gyr и Gyg позвол ет решать задачу быстрого бустер- ного управлени  за счет Gyr(t) (которое нель- з  реально получить за счет Gyg (t)) и задачу управлени  за счет Gyg(t), необходимого дл  увеличени  диапазона работы исполнительных силовых элементов при изменении бу- римости пород в широких пределах.

Кроме того, управление за счет Gyg(t) позвол ет обеспечить бустерные возможности при управлении с помощью Gyr(t).

Потенциальные возможности быстрого управлени  за счет трибомеханической на- грузки Gyr(t) следуют из (43) и (44) и были рассмотрены выше, ниже рассмотрим принцип сочетани  управлени  с помощью Сут и

Gy9.

Дл  простоты будем рассматривать однородную колонну, дл  которой уравнение (45) превращаетс  в более простое

Kn -j . Кп кз

Gyg(t) /Vndt- /Vedt .

П КЗ n

(47)

Дл  управлени  режимом работы турбобура требуетс  иметь возможность быстро измен ть осевую нагрузку G примерно на 5т.с, особенно это важно в сторону уменьшени  G.

Из выражени  (43) следует, что дл  реализации быстрого управлени  G (требуетс  наличие трех условий:

достаточна  обща  сила трени  колонны о стенки скважины

возможность быстрого управлени  частотой вращени  ротора «рот(1);

наличие как бы бустерной силы трени  FT бус

5 10

15

20

25 30

35

40

45

50

55

FT bvc FT« cosarctg ( ЈJ 4 ° -), (48)

обеспечивающей готовность дл  трибоме- ханического управлени  в сторону уменьшени  и увеличени  нагрузки.

При бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин действуют значительные составл ющие сил веса, прижимающие колонну к стенкам скважины РПкс. Возникающа  при перемещении колонны относительно стенок скважины сила сопротивлени  определ етс  в основном силой трени  равной

FTKC Рпкг,(49)

где fiKC 0,2.

Известно, что диапазон изменени  РПкс (при неподвижной раст нутой колонне) дл  колонн длиной от 1800 до 2760 м с максимальными искривлени ми от 19 до 45° составл ет Рпкс 57-124 т.е.

По данным измерений, проведенных на площад х Грознефти, на интервалах глубин 3391-3684 м при углах искривлени  границы изменени  сил сопротивлени  перемещению колонны лежат в пределах 10,6-24 т.е.

По данным бурени  наклонно направленных скважин (ННС) в Башкирии глубиной по стволу 2500 м отклонением от вертикали 600 м разность между весом на крюке при подьеме и спуске колонны была 120-(60-70) т.е.

Из приведенных данных следует, что при бурении ННС, а тем более горизонтальных скважин глубиной более 2000-2500 м весьма веро тно наличие общей силы трени  FTKC 10 т.е.

Второе условие может быть обеспечено тиристорным управлением приводом ротора , имеющим посто нные времени пор дка 0,1 -0,2с.

Дл  выполнени  третьего услови  необходимо поддерживать такое среднее соот- ноиЛние Шрот/Vn при измен ющихс  услови х бурени , его скорости Ve, чтобы, можно было быстро увеличива  либо уменьша  от его среднего значени  при медленно измен ющейс  Vn, уменьшать либо увеличивать Сут.

Это обеспечиваетс , если при скорости подачи Vn, примерно равной скорости бурени  Ve, сохран етс  соотношение

d (Урот

cosarctg ()0,5 откуда

(50)

со

, , w -. (Урот 2

Atv)

1,7 где WPOT , рад/с; Vn MJC; d, м.

ИЛИ Прот (Knv) Vn (If )™3 7Г-)Vn

(52)

где Прот,об/мин; Уп,м/ч; d, м при d - 0,147;Прот 0,06 Vn .

Структурна  схема (фиг. 8) обеспечивэ- ет трибомеханический волновой способ управлени  режимами бурени . В ее основу заложено наличие двух контуров управлени  энергетическим режимным параметром бурени  у: быстродействующего - воздей- ствием на частоту вращени  ротора пр0т и более медленного - воздействием на скорость подачи бурильной колонны Vn, измен ющую продольную деформацию бурильной колонны,

На схеме фиг. 8 обозначено: бурильна  колонна 1 как силовой элемент, осуществл ющий воздействие осевой нагрузкой G на динамическую систему; забойный двигатель - долото - забой 2 ; элемент 3 трибоме- ханической нагрузки Сут, описываемый выражением (44); элемент 4 деформационной нагрузки, описываемый выражением (45); устройство 5 подачи долота (УПД), управл ющее скоростью подачи верхнего кон- ца колонны; устройство 6 управлени  частотой вращени  ротора (УУР); элемент 7 сравнени  скоростей окружной и осевой, вырабатывающий сигнал ошибки A(tiV) прот KnvVn; интегрирующий элемент 8 уставки скорости подачи Vn.

По схеме фиг. 8 оперативное бустерное управление обеспечиваетс  устройством УУР за счет изменени  прот(т.}, а более медленное управление, как бы запасающее бу- стерную силу трени  FT бус (выражение (48)) - устройством УПД.

Дл  по снени  работы схемы примем в качестве энергетического управл емого параметра ly частоту вращени  турбобура пт, а в качестве возмущени  - изменение момента на долоте Мд (фиг. 9).

Пусть до внесени  возмущени  система находилась в равновесии при следующих значени х отдельных величин

Мд МД1;

1у1 ПтК

Vn V6 Vni;

G Gi Gygi + Gyri;

Прот1 Knv Vn1.

В момент времени t ti увеличилс  момент на долоте на (+) ДМд, который приводит к быстрому уменьшению частоты вращени  турбобура пт. Сигнал ошибки (-) Дпт (или по схеме фиг. 8 (-) ) приведет с помощью УУР к быстрому уменьшению прот и осевой нагрузки G за счет уменьшени  ее составл ющей Gyr, что вызовет быстрое восстановление энергетического параметра Пт(1у) до значени , близкого к пп (график на

0

b

5

0

фиг. 9 предполагает апериодичность переходного процесса).

В св зи с изменением величины про по вл етс  сигнал ошибки A(nV), котора  с помощью УПД приведет к уменьшению скорости подачи Vn (включа  и возможность изменени  знака Vn).

Дл  этого служит элемент управлени  уставкой скорости подачи, интегрирующий ошибку A(nV) и выдающий значение уставки

Vn3 /A(nV)dt.

о

Уменьшение Vn приведет к постепенному уменьшению Gyg, как бы восполн ющей в общей нагрузке G долю GyT, котора  будет постепенно уменьшатьс , и бос уменьшением Суд увеличиваетс  пт (ly) и уменьшаетс  сигнал ошибки Лпт (Aly) на входе в УУР, а следовательно,увеличиваетс  пр0т.

Переходный процесс будет продолжатьс  до момента времени t2, когда ошибки станут Д(пУ) 0; Апт 0.

В новом установившемс  состо нии будут следующие значени  отдельных величин Мд2 МД1 -t ЛМД; У2 Пт2гПт1; Vn V62

Vn2 Vni 1 AVn; G 62 Gyj2 + Gyr2; где

Суд2 Суд1 - А Суд, GyT Gyri; Прот2 KnV Vn2.

Если в момент времени произойдет уменьшение момента на долоте на АМД, процессы будут протекать в обратном пор дке .

Таким образом, благодар  бустерному трибомеханическому контуру управлени  энергетический параметр 1У можно быстро стабилизировать, что особенно важно дл  турбинного бурени , чтобы не допустить попадани  в неустойчивые области работы, а возможно и обеспечить стабильную работу в этих област х - област х малых частот вращени  турбобура и долота нередко оптимальных дл  современных используемых долот.

Быстродействие управлени  режимами бурени , использу  трибомеханический волновой способ силового воздействи  на осевую нагрузку G, может быть обеспечено только при сочетании с быстрым измерением управл емого параметра. В качестве энергетического управл емого параметра 1у предлагаетс  использовать;

дл  бурени  с помощью турбобуров при наличии электрического приводного канала св зи частоту вращени  турбобура Пт,

дл  бурени  с помощью винтовых забойных двигателей ВЗД-перепад давлени  на двигателе Раз, завис щий от момента на валу двигател  и долоте Мд;

дл  бурени  с помощью электробуров - мощность, потребл емую электродвигателем N36 (за вычетом потерь), завис щую от момента на долоте;

дл  бурени  турбобурами без информационного канала св зи и дл  бурени  всеми видами забойных двигателей - момент, потребл емый приводом вращени  ротора

КОЛОННЫ бурИЛЬНЫХ Труб Мрот.

В первом случае запаздывание при передаче измерительного сигнала с забо  на поверхность тп 0, так как определ етс  скоростью передачи электрических сигналов по проводу.

Во втором случае запаздывание гп

жет быть доведено до гп , где Сг W

скорость передачи гидравлических импульсов по бурбвому раствору, Сг 1290 м/с.

В третьем случае тп - 0, как и дл  первого случа .

В четвертом случае, наиболее распространенном в отечественном бурении, величину момента на долоте предлагаетс  определ ть следующим способом, опира сь на приведенные выше соображени .

При вращении бурильной колонны ротором в установившемс  режиме прот О

МроТ Мд + МтСК + Мв, - (53)

где Мрот - момент, требуемый дл  вращени  ротора, доступный дл  измерени  на поверхности;

Мстк - общий момент трени  колонны о стенки скважины;

Мв - момент, требуемый дл  преодолени  трени  в вертлюге.

Величину общего момента трени  Мтск определим использу  рассуждени , приведенные при определении общей трибомеха- нической нагрузки Сут (выражение (44)) и использу  (13) и (14).

При наличии движени  всех элементов колонны (в одном направлении)

оы 0; VKi О

среднее значение момента трени  Мткс, которое нужно преодолевать приводу ротора, будет равно:

МТкс т FTKC slnarctg к

, d Црот ч (2-VnПодставив Мткс из (54) в (53), получим выражение дл  определени  среднего момента на долоте Мд в установившемс  режиме путем измерени  наземных параметров

Мрот, Урот, Vn

Мд Мрот - Мтск - Мв Мрот

- Мв - | FTKC slnarctg ( Ј 21) (55)

Дл  измерени  Мд проведем при данной ситуации в бурении два опыта в услови х ГУрот 0, Vn 0.

Из первого опыта при

(Урот Vn

находим

Мрог Мд1 + МВ1 + Мткс макс,

где

10..d c

Мткс макс - п гткс

Из второго опыта при

2 0)рот « Vn

15 находим

Мрот2 МД2 + МВ2 + О,

Вычита  из значени  Мр0т1 значение Мр0т2 и полага  МД1 МД2, МВ1 Мва, находим

Мткс макс - Рткс-Мрот - Мрот2 (56) и., подставив МТкс макс в (55), получим

Мд Мрот - Мв - Мткс макс Slnarctg

25

с экспериментально определенным дл  данной ситуации значением МТКс макс.

Дл  определени  момента на вертлюге Мв проделаем опыт по определению МротЗ

30 дл  той же ситуации, при которой определ лось Мткс мае, но при моменте на долоте, близком к нулю (долото - над забоем с циркул цией бурового раствора либо без циркул ции ).

35 Получив из опыта значение Мр0тЗ Мротз 0 + Мв + Мткс MaKcSinarctg

()(58)

и зна  Мткс макс, Ирот , Vn, измеренные на- 40 земными датчиками, находим значение момента на вертлюге Мв.

В дальнейшем до существенного изменени  ситуации в части длины колонны, состо ние вертлюга, геологических условий, 45 измеренные значени  Мткс макс и Мв будем считать посто нными, известными, что по- звол ет определ ть среднее значение момента на долоте путем измерени  наземными датчиками Мр0т, Ирот, Vn и под- 50 ставл   измеренные значени  в выражение

Мд Мрот - Мв - Мткс.макс

(59)

sinarctg (Ј)

55Это уравнение справедливо дл  установившихс  режимов и при медленных изменени х сирот (t); Vn(t); Ve(t); MA(t), а также дл  средних значений момента на долоте Мд, мгновенные значени  которого при бурении

шарошечными долотами измен ютс  с большой частотой,

Дл  определени  быстрых изменений Мд(т.) в процессе долблени , требуемых дл  диагностики состо ни  долот, а также дл  стабилизации работы турбобура, в том числе в област х, примыкающих к неустойчивым , целесообразно уменьшать значение момента трени , минимизиру  Мткс.макс, обеспечив (если это возможно)

| й)рОТ« Vn.

Однако во всех случа х измерение момента на долте Мд(т.) по величине Mp0-r(t) будет протекать с запаздыванием, равным времени распространени  волны крутильных колебаний по бурильной колонне

Тм

КЗ

Ск1

Определение осевой нагрузки на долото .

При движении всех элементов бурильной колонны в направлении к забою VKi О в установившемс  режиме осева  нагрузка на долото определ етс  выражением

G QK - FTG - FK,(60)

где QK - вес бурильной колонны в буровом растворе, равный весу на крюке при долоте над забоем;

FTG- обща  сила трени  колонны о стенки скважины в осевом направлении;

FK - вес на крюке при долоте, прижатом к забою.

Из трех величин, составл ющих выражение (60), QK и FK измер ютс  наземным датчиком веса на крюке.

Величина общей осевой силы трени  FTKC равна, так называемой, бустерной силе трени  Рт.бус согласно выражению (48). Поэтому, подставив в (60) вместо FT Рт.бус из (48), получим

G QK - FK - FTKC cosarcig s

d Шрот

Vn

f О Шрот ч

(61)

Определение общей силы трени  FTKC в данной ситуации (один и тот же состав колонны , бурового раствора, участки скважины ) можно провести, проделав два опыта при Vn 0 и G 0 (при долоте, наход щемс  над забоем).

Из первого опыта при - Шрот « Vn , подставив значени  в (61), получим

О - Ок1 РкЧ - FTKC

Из второго опыта 2 %от Vn соответственно получим О QK2 F«2.

Так как в данной ситуации QK1 QK2, получим, использу  результаты замеров двух опытов:

FTKC О.к1 - FK1 О.к2 - FKI. Такое определение FTKC предполагает,

что величина общей силы трени  не зависит от нагрузки на долото GH.

Дл  определени  зависимости FTKc при различных нагрузках на долото G следует провести следующую процедуру дл  данной ситуации.

Первый опыт при -„ Vn и G О

(долото над забоем) согласно (61) определ - ем по показани м датчика веса вес колонны Q..

Второй опыт при Tj-Шрот Vrt и каком- то значении GI (долото прижато к забою) согласно (61)

G2 QK - FK2 - 0.

По показани м датчика веса определ ем Рк2 и, зна  из первого опыта значение , QK FKI, находим G2, которое определ етс  только осевой деформацией колонны, вли- /  ющей на силу тоени  FTKc через образование волн в сжатой части колонны, прижимающих их к стенкам скважины.

Третий опыт при рот « Vn, измер  

в самом начале значение веса на крюке FK3 пока величина осевой деформационной составл ющей равной GI еще не изменилась и можно найти FTKC из (61), подставив вме- croG

G# 62.

В результате получим

FTKC QK - РкЗ - G2,

где QK - известно из первого опыта;

G2 - из второго опыта;

FK3 - по показани м датчика веса из третьего опыта.

Проделав указанную процедуру при различных осевых нагрузках, можно найти,

как измен етс  обща  сила трени  с изменением осевой нагрузки,

Таким образом, определив дл  данной ситуации бурени  величину FTKC, можно затем по выражению (61) определ ть нагрузку

на долото G наземными средствами, измер ющими полный вес бурильной колонны в жидкости Q, вес на крюке FK, в процессе долблени  частоту вращени  ротора Шрот и скорость подачи Vn.

Изложенное справедливо дл  установившегос  режима и медленных изменений Fi(t), tOporCt), Vn(t) и может использоватьс  дл  определени  усредненных значений G. Следует заметить, что быстрое изменение осевой нагрузки G(t) за счет деформационной составл ющей Суд маловеро тно, а изменение за счет трибомеханической составл ющей , завис щее от (t), может быть, в случае необходимости, учтено, так как Шротф известно.

Определение наземными средствами механической усредненной скорости бурени  Ve.

Бурильна  колонна рассматриваетс  как составной упругий стержень, элементы которого перемещаютс  в осевом направлении с малыми ускорени ми.

В этом случае дл  продольной деформационной составл ющей нагрузки на долото Суд справедливы выражени  d GV;

dt

(t) - V6(t) (62)

Суд(1) Копж /Vndt-K

on ж к

(63)

/ Vedt + С.

о

где С - посто нна  интегрировани ;

Копж обща  продольна  жесткость бурильной колонны, определ ема  дл  однородной колонны выражением (18), а дл  любой составной колонны как отношение приращений продольной деформации ДСуд и разности продольных перемещений верхнего ASn и нижнего Д5б концов колонны ДСуд

К

опж

(64)

ASn-ASe Механическа  скорость бурени  пропорциональна общей нагрузке на долото С Суд + Сут и коэффициенту буримости Кб. мА

кгс

(65)

d ftfeor vi )l

(66)

Vn подД 1ЛГ

Учитыва , что QK, FK, FTKC, Ыр0т, лежат определению наземными средствами , дл  определени  Ve достаточно определить коэффициент буримости Кб.

Дл  определени  Кб проделаем два

опыта при Vn.

Согласно (66)

V6 - K6(Q - FK),(67)

так как действует деформационна  составл юща  нагрузки С Суд и справедливо выражение (63).

, Подставл  , получаем

V6-K6Gyfl K6(Qic-FK)

V6 K6G.

Подставл   в (65) значение G из (61), получим

V6 Кб(3к - F - FKTC cosarctg

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

/Vndt - Копж / К6(0К -FOdt + С.(68)

В этом уравнении два неизвестных Кб и Копж, которые можно определить опытным путем, дава  в первом опыте приращение скорости подачи относительно начальной Vno(+ A Vni) и измер   изменение во времени

(Ок - FK) f i(t)(69)

и аналогично во втором опыте другое по величине приращение

AVn AVn2, - измер   изменение во времени

(Q - FK) fa(t)(70)

Из двух функций fi(t) и f2(t), завис щих от Кб и Копж, находим значени  этих коэффициентов; после определени  Кб значение механической скорости бурени  определ етс  по выражению (66), завис щему только от наземных параметров Ок, Рк, а)р0т, Vn.

Реализаци  способа возможна:

дл  управлени  бурением всеми типами забойных двигателей по моменту на долоте и по нагрузке на долоте;

дл  управлени  режимом турбинного бурени  по частоте вращени  вала турбобура п, измер емой с помощью проводной линии св зи;

дл  управлени  режимом бурени  с помощью электробуров и винтовых забойных двигателей.

Основные элементы управлени  и измерени  параметров бурени  расположены на поверхности, частично  вл ютс  узлами буровой установки, которые примен ютс  по новому назначению. Кроме того, используютс  дополнительные вычислительные измерительные блоки и блоки отображени  информации.

Бурова  установка (фиг. 10) оснащаетс  ротором 9, приводимым во вращение устройством управлени  ротором 6, обеспечивающим режим управлени  частотой ротора Прот, задаваемой уставкой частоты пр0т.з. В установившемс  режиме пр0т ПротЗ, где Протз может измен тьс  в диапазоне пр0тЗ 0- 150об/м.

При этом могут использоватьс  управл емые привод приводы ротора с тиристор- ным управлением, с применением обратных св зей отдатчика 10 частоты вращени  ротора , а в некоторых случа х дл  обеспечени  работы в диапазоне очень малых частот Прот и угла положени  ротора 11 (например, сёльсинного типа).

В случае применени  систем след щего привода, базирующихс  на двигател х посто нного тока, управл емых по схеме Г-Д

либо с помощью тиристоров, режим пр0т -Протз может обеспечиватьс  и без датчика 10 частоты.

Задаваемое значение Протз вырабатываетс  как функци  ошибки между задавае- мыми значени ми энергетического параметра управлени  Aly (например, момента на долоте Мд), либо Протз задаетс  вручную с пульта 12 управлени  режимами бурени . Информаци  о режимах бурени  отображаетс  на блоке 13 отображени  информации .

В силовой цепи ротора устанавливаетс  датчик 14 момента. В качестве датчика 14 момента можно использовать как измерители механических усилий, так и параметры привода ротора, отражающие момент на приводном валу, например мощность или ток при использовании электрических приводов , давление при использовании гидравлических приводов. Это позвол ет избежать установки отдельных сложных и ненадежных механических датчиков момента.

Бурова  установка должна включать узел 5 подачи долота (УПД), обеспечивающий , как об зательное условие, возможность плавной подаии бурильной колонны в диапазоне скоростей Vn, превышающем ожидаемые скорости бурени  VG (а желательно , и подъем бурильной колонны со скоростью -Vn).

Заданное значение уставки скорости подачи /Пз выдаетс  (фиг. 11) в основном автоматическом режиме интегрирующим элементом 8 либо в ручном режиме с пульта 12 управлени  режимами бурени .

На интегрирующий элемент 8 подаетс  разность сигналов частоты вращени  ротора протот датчика 10 частоты и скорости подачи отдатчика 15 скорости подачи, образуема  элементом 7 сравнени .

Узел 5 подачи долота должен обеспечивать работу в режиме поддержани  заданной скорости подачи Vn Vna, обеспечиваемой обратной св зью от датчика 15 скорости подачи, либо без отдельного датчика, если така  возможность предоставл етс  схемой привода, как это указано дл  привода ротора.

Однако во всех случа х датчик 15 скорости подачи Vn, показывающий скорость поступательного перемещени  бурильной колонны Vn, дл  работы системы необходим .

В качестве интегрирующего элемента 8 может быть использован любой известный элемент, осуществл ющий интегрирование t

Vna / Д()и,

в частности, микродвигатель посто нного тока, у которого угол поворота вала t

Оъап /ИдвСЙ, °

а пда - пропорционально приложенному напр жению , в свою очередь пропорциональному ошибке между поступательной и окружной скорост ми колонны ( Л()).

Остальные элементы, которые могут входить в общую схему, специфичные дл  отдельных модификаций устройств, опишем ниже при описании обобщенной блок-схемы , приведенной на фиг, 11. При описании модификаций под обобщенным энергетическим параметром ly будем понимать его различные значени :

момента на долоте Мд (измер емого на- ззмными средствами);

осевой нагрузки на долото G;

частоты вращени  долота п;

мощности, потребл емой электробуром NB;

момента на долоте, определ емого при бурении с помощью винтового забойного D двигател  Мдв.

С этой цель.о используютс  блок 16 вычислений , к которому подключены сигналы от всех датчиков, пульт 12 управлени  режи5

0

мами, с помощью которого осуществл етс 

переключение на работу в различных энергетических режимах, и блок 13 отображени  информации о режимах бурени . Выходы блока 16 вычислений подключены к пульту 12 управлени , а также к блоку 13 отображени  (БОР), на пульте установлен переключатель режимов управлени , с помощью которого на вход устройства 6 может пода-,, ватьс  разность между фактическим и за- даваемым сигналами энергетических параметров бурени :

моментов Д ly ДМ Мд - МДз;

осевой нагрузки на долото ДО G - Оз, ,

частоты вращени  турбобура Д у Д п

п - п и

п из,

мощности, потребл емой электробуром Д|у Д N NB -NB3;

момента на долоте, определ емого при бурении с помощью винтовых забойных двигателей Д у Д Мдв Мдв - Мдвз.

Кроме того с пульта 12 управлени  можно осуществл ть управление в ручном режи- ме, задаваемом значени ми частоты вращени  ротора пр0тЗ и скорости подачи

Vna.

На блок 13 отображени  информации режимов бурени  вывод тс  дл  визуального наблюдени  во врем  долблени  t функции MA(t); прот{г); Vn(t).

Рассмотрим варианты реализации три- бомеханического волнового бустерного (форсированного) управлени  режимом бурени , осуществл емого по моменту на долоте Мд, измер емому наземными средствами.

В таком устройстве управление ведетс  по моменту на долоте Мд(), который в процессе бурени  вычисл етс  по (59) блоком 16

Мд Мрот - Мв - Мткс макс х

sinarctg().

Дл  этого при данной ситуации в бурении , определ емой составом колонны и состо нием скважины в блоке 16, определ ютс  значени  Мткс.макс и Мв.

Значени  (t) и Vn(t), требуемые дл  определени  MA(t), поступают в блок 16 от датчиков 10 частоты вращени  ротора и скорости подачи 15. Момент на роторе измер етс  датчиком 14.

На пульте 12 управлени  имеютс  переключатель и руко тки ручного управлени  (протз и Vna) - дл  проведени  процедуры определени  МТкс макс и Мв и автоматического управлени  моментом Мд(т.) по задаваемому значению Мдз.

В автоматическом режиме работы будет поддерживатьс  значение момента на долоте Мд, близкое к заданному с пульта управлени  Мдз, при всех изменени х режима бурени .

При изменении ситуации, например состава колонны после одного или нескольких наращиваний, процедуру определени  и запоминани  новых значений макс, а возможно и Мв, следует повторить.

Визуальный контроль частоты вращени  ротора УротСО (протМ), скорости подачи Vn(t), момента на долоте Мд(г) производитс  с помощью блока 13 отображени  информации режимов бурени . Оценива  воспроизводимые на экране функции Vn(t); Мд(т), можно судить также и о состо нии опор шарошечных долот, идентифицировать буримые породы по их механическим свойствам.

Специфической особенностью устройства управлени  по осевой нагрузке  вл ютс  элементы, вход щие в блок 16 вычислени , служащие дл  выработки сигнала G(t), пропорционального осевой нагрузке на долото наземными средствами измерени . Дл  этого к блоку 16 подключены сигналы от датчиков веса 17, частоты вращени  ротора 10, скорости подачи 15. Переключателем на пульте 12 управлени  можно устанавливать заданное, значение осевой нагрузки G Сэ.

Элементы блока 16 вычислений (БВ), служащие дл  определени  момента Мд(:) Непосредственно в этом варианте устройства , в автоматическом управлении не участ- вуют, а служат цел м диагностики, в том числе состо ни  опор долота.

На блок 13 отображени  информации вывод тс  дл  визуального наблюдени  во врем  долблени  t функции G(t); Vn(t); MA(t); npOT(t).

В данном устройстве управлени  ведетс  по осевой нагрузке на долоте G(t), котора  в процессе бурени  вычисл етс  по (61) блоком 16 вычислени  G QK - FK - FTKC cosarctg

Ч)(61)

Дл  этого при данной ситуации в бурении , определ емой составом колонны и состо нием скважины в блоке 16, следует сначала определить значени  FTKC и QK.

На пульте 12 управлени  имеютс  переключатель и руко тки ручного управлени  (протз и Vna) дл  проведени  процедуры определени  FTKc и Q и автоматического управлени  осевой нагрузкой Q(t) по задаваемому значению G3.

В автоматическом режиме работы будет поддерживатьс  значение нагрузки на долото G, близкое к задаваемому с пульта управлени  G3, при всех изменени х режима бурени  (в части буримости пород, энергоемкости системы долото - порода и др.), так как значение G вычисл етс  блоком 16, автематически учитывающим изменени  Vn(t) и ftjpoT (t) (согласно (61), а силовое воздействие осуществл етс  устройствами управлени  ротором 6 и подачей 5 долота.

При изменении ситуации, например состава колонны, после одного или нескольких наращиваний процедуру определени  и запоминани  новых значений FTKC и QK следует повторить.

Визуальный контроль осевой нагрузки

на долоте G(t), скорости подачи Vn(t), момента на долоте Мд(г), частоты вращени  ротора npor(t) производитс  с помощью блока 13 отображени  информации режимов бурени .

По функци м G(t), Vn(t), Мд(т.) можно определ ть состо ние долота, идентифицировать буримые породы, а также состо ние в призабойной зоне.

Следующее трибомеханическое устройство осуществл ет управление частотой вращени  турбобуров п по информации о работе турбобура, полученной по проводному каналу св зи.

Такое устройство дополнительно включает датчик 18 частоты вращени  турбобура, состо щий из глубинной частоты 19 (фиг. 10), соединенного с валом турбобура 2, проводного электрического канала 20 св зи и наземного приемника 21.

В отличие от устройств, описанных ранее , здесь, управл   непосредственно по глубинному параметру, не требуетс  дл  управлени  вычислительных операций.

На блок 13 отображени  информации режимов бурени  вывод тс  дл  визуального наблюдени  во времени долблении t функции ПротМ; G(t); Vn(t); MA(t).

При бурении электробурами вращение долота производитс  асинхронными электрическими двигател ми, питание к которым подводитс  секционным кабелем, вмонтированным в бурильные трубы. Это позвол ет использовать в качестве энергетического параметра замер емую на наземной поверхности мощность, потребл емую электробуром , за вычетом потерь в кабеле и двигателе, что широко используетс  в исследовательских цел х и при управлении подачей долота при электробурении.

Так как асинхронные двигатели элект- робурой мало измен ют свою частоту вращени  (либо это можно учесть), то управление по мощности N близко к управлению по моменту на долоте Мд.

Следующее трибомеханическое устройство дл  управлени  бурением электробурами осуществл ет управление режимом бурени  по мощности, потребл емой электробуром N36 с автоматическим вычитанием потерь.

Такое устройство включает датчик 22 мощности, потребл емой электробуром, и элементы в блоке 16, автоматически вычисл ющие мощность (либо момент на долоте) NB, учитывал потери.

При использовании дл  вращени  долота винтовых забойных двигателей (ВЗД) перепад давлени  на ВЗД Рв определ етс  моментом на валу, равным моменту на долоте Мд, и моментом трени  в элементах ВЗД.

Поэтому в качестве энергетического параметра ly дл  управлени  режимом бурени  винтовыми забойными двигател ми используетс  перепад давлени  на ВЗД, измер емый по изменению давлени  бурового раствора Р на входе его в скважину (бурильную колонну).

В этом случае устройство дополнительно включает датчик 23 давлени  бурового раствора на входе в бурильную колонну и вычислительные элементы в блоке 16, служащие дл  определени  момента на долоте

по давлению Р, учитыва  механические потери в ВЗД.

При бурении забойными двигател ми особенно наклонно направленных скважин

измерение параметров режима бурени  Мд, G, Уб либо не производитс  вообще (например , дл  Мд), либо производитс  с большими ошибками.

Устройство, базирующеес  на трибоме0 ханическом способе, позвол ет определ ть указанные параметры в блоке 16 в соответствии с выражени ми (59), (61) и (66) при условии плавной подачи Vn 0 бурильной колонны.

5 Трибомеханический волновой способ управлени  режимами бурени  обеспечивает быстродействующее энергетическое управление режимами бурени  наклонно направленных и горизонтальных скважин

0 забойными двигател ми всех типов, использу  наземные средства подачи и вращени  бурильной колонны. При этом измерение момента на долоте, осевой нагрузки на долото и механической скорости бурени  при

5 бурении наклонно направленных скважин с помощью турбобуров, электробуров, винтовых забойных двигателей наземными средствами производитс  без использовани  сложных телеметрических систем.

0

Claims (1)

1. Формула изобретени  Способ управлени  режимами бурени , основанный на задании значени  управл емого параметра и осевой нагрузки, измере5 нии фактического значени  осевой нагрузки, сравнении указанных величин и изменении скорости осевого перемещени  бурильной колонны (скорости подачи), отличающийс  тем, что, с целью расши0 рени  функциональных возможностей способа управлени  при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин забойными двигател ми, а также увеличени  быстродействи  и точности измерени 

   5 параметров режима бурени  наземными средствами, осуществл ют вращение бурильной колонны и плавное осевое ее перемещение , измер ют частоту вращени  ротора, скорость подачи бурильной колон0 ны, момент на роторе, частоту вращени  долота, давление бурового раствора на входе в скважину, а при бурении электробуром - и потребл емую им мощность, по ко- торым определ ют значени  осевой

   5 нагрузки и момента на долоте с учетом сил сухого трени  колонны о стенки скважины, задают значение какого-либо из управл емых параметров - момента на долоте, частоту вращени  долота или мощность, потребл емую электробуром, сравнивают

   его с фактическим значением, определ ют величинудразности и ее знак и при Л г 0 в зависимости от выбранного управл емого параметра производ т увеличение или уменьшение частоты вращени  ротора до устранени  разности, при этом осуществл ют сравнение величин, пропорциональных частоте вращени  ротора и скорости подачи , и при их неравенстве измен ют скорость осевого перемещени  колонны до устранени  их разности.

   «/г/

   Pite.f

   bQxeafyaM/i Ъ

   Ъ

   ГМ1

   А.

   -V.

   XI

   6.

   arctgfi FTBL.

   I FTKCI

   T nti

   УК-О У ока

   Укд Votfi Физ

   1675546

   tin

   Фи.6

   ь

   ff WJ,

   в 2Пф

   Сеть

   Ю

   Иро/пд

   Фиг. 10