технология бурения 3

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

определением времени усреднения мгновенной механической скорости изза низкого уровня сигнала тензометрического датчика натяжения талевого каната и присутствия электрических помех в линии передачи сигнала.

Неразрывно с системой автоматического управления подачей инструмента в практику буровых работ внедрено автоуправление приводом буровых насосов.

Автоуправление приводом буровых насосов приобретает актуальность в связи с появлением на промыслах буровых насосов с регулируемым приводом. Возможность оптимизации бурения ВЗД по расходу значительно расширит его возможности по выбору рациональных режимов бурения для различных сочетаний долото-объемный двигатель для пород с меняющимися механическими свойствами.

Для управления режимом бурения целесообразно (с точки зрения автоматизации процесса и надежности системы) использовать параметры состояния приводного двигателя бурового насосного агрегата (БНА). В зависимости от его типа используемого приводного двигателя, который может быть электрическим, дизельным или газотурбинным, параметры его состояния соответственно могут быть механическими, электрическими или термодинамическими.

В1994 г. в РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина был предложен способ управления режимом работы ВЗД по реакции (отклику) приводного двигателя бурового насоса на изменение нагрузки на его валу при отклонении крутящего момента ЗД от заданного.

Вобщем случае в качестве параметра регулирования может быть выбрана угловая скорость или крутящий момент приводного двигателя насоса (рис. 14.14), в случае применения электроприводных БНА – ток электродвигателя (рис. 14.15) или температура его обмоток.

Способ базируется на характеристиках системы, выраженных детерминированными зависимостями:

- перепада давления Р и крутящего момента М гидродвигателя;

- давления Рн и крутящего момента Мн бурового насоса; - угловой скорости и крутящего момента привода Мпр (тока и крутящего момента электродвигателя).

Рисунок 14.14 – Совмещенные механические характеристики электродвигателя постоянного тока и бурового насоса: 1 – холостой режим ВЗД; 2 – рабочий режим ВЗД

27

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рисунок 14.15 – Зависимость тока электродвигателя от параметров режима бурения (крутящего момента ВЗД и расхода бурового раствора)

При изменении нагрузки на валу забойного гидродвигателя, вызванном изменением нагрузки на долото, через функциональную цепочку G - М - Р - Рн - Мн - Мпр происходит соответствующее изменение скорости или тока приводного двигателя БНА.

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

Данный способ управления не предполагает измерения давления нагнетания и не требует специальных датчиков давления, а основан на регистрации скорости или нагрузки приводного двигателя средствами, входящими в штатную систему управления (СУ) буровой установки. При прямом измерении скорости это производится при помощи тахогенератора или иного датчика скорости, напрямую связанного с валом; при косвенном измерении скорости или нагрузки (например, электродвигателя постоянного тока) – через ток и напряжение в якорной цепи по известной взаимосвязи между угловой скоростью и электродвижущей силы (ЭДС) электродвигателя или между крутящим моментом и током.

В отличие от типовых способов управления режимом бурения (через осевую нагрузку или угловую скорость долота), в которых подача промывочной жидкости и нагружение долота функционально производятся независимо друг от друга, в данном случае оптимальный режим работы ЗД поддерживается согласованным управлением БНА и механизмом подачи долота, т.е. осуществляется комплексная автоматизация технологического процесса бурения с объединением двух СУ: буровым насосным агрегатом, обеспечивающим заданный расход промывочной жидкости; механизмом подачи долота на забой, регулирующим его нагрузку, и тем самым задающим момент сил сопротивления на валу ЗД.

28

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Объектом управления становится объединенный комплекс БНА и механизма подачи долота, обеспечивающий необходимую взаимосвязь их функционирования. При этом нагружение долота будет осуществляться с учетом изменения состояния (нагрузки) приводного двигателя насоса.

Пользуясь терминологией теории автоматического управления, структурную схему объекта управления можно представить как последовательное соединение приводного двигателя БНА и механизма подачи долота (рис. 14.16). Выходной сигнал от приводного двигателя у1, пропорциональный угловой скорости или крутящему моменту его вала, поступает на вход механизма подачи долота, где в зависимости от заложенного в систему алгоритма управления происходит выработка необходимого управляющего воздействия х2, регулирующего нагрузку на крюке, и тем самым, режим нагружения долота.

Поскольку в данной системе происходит непрерывная регистрация скорости БНА (частоты ходов насоса), то она может одновременно рассматриваться также и как средство измерения расхода бурового раствора. Следовательно, в широком плане, согласно принятой классификации, можно считать, что управляемым фактором является третий (после частоты вращения и нагрузки на долото) параметр режима бурения - расход жидкости Q.

Рисунок 14.16 – Структурная схема системы управления режимом бурения забойным гидродвигателем с переменным перепадом давления: 1 – двигатель бурового насоса:

2 – механизм подачи долота; Р1, Р2 – регуляторы

В этой связи, АСУ режимом бурения (АСУ РБ) с согласованным управлением БНА и механизмом подачи долота может также использоваться:

-для поддержания оптимальной производительности насоса в процессе углубления скважины с учетом гидравлических характеристик забойных исполнительных устройств;

-для реализации оптимальных гидродинамических режимов течения жидкости в скважине (оптимальных частот ходов насоса), обеспечивающих при заданных условиях бурения минимальную неравномерность расхода и давления жидкости по длине напорной линии, что

29

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

способствует более равномерному вращению вала ЗД (рис. 14.17) и стабилизирует динамический режим системы «ЗД—долото—горная порода».

Подобная АСУ РБ объединяет в себе два направления систем автоматизации (АСУ механизмами и АСУ процессами), и при необходимости может быть дополнена другими информационно-управляющими системами бурового комплекса (например, телеметрической системой контроля траектории ствола скважины).

АСУ РБ может быть реализована в установках, оснащенных РПД как активного (системы РПДЭ), так и пассивного (на базе ТЭП) типа.

бугловой скорости турбины (18/13,5-104,5) при различных состояниях потока жидкости:

а – от центробежного насоса; б – от поршневого

внасоса с пневмокомпенсатором; в – от поршневого насоса без пневмокомпенсатора; Т1 – период

Втеоретическом плане сложность создания АСУ РБ забойным двигателем заключается в том, что возмущающие (от забоя) и управляющие (от РПД) воздействия передаются с запаздыванием через волноводы с распределенными параметрами. Это предопределяет необходимость использования в алгоритмах управления прогнозирующих оценок. Кроме того, поскольку объект управления – система с неизвестной, изменяющейся во времени динамической характеристикой, при управлении необходимо использовать методы адаптации.

Вобщем случае осевая нагрузка на долото G зависит от продольного усилия в нижнем сечении бурильной колонны длиной L:

(14.14)

где W – осевая гидравлическая сила на корпусе гидродвигателя от перепада давления в ЗД и долоте с учетом забойного давления в кольцевом пространстве: (GЗA – сила тяжести забойного агрегата; cosφ – угол отклонения ЗД вертикали (зенитный угол на забое скважины).

В известных способах регулирования нагрузки на долото (табл. 14.1), основанных на поддержании постоянного усилия или скорости верхнего сечения бурильной колонны (N(0) = idem; υ(0) = idem) динамическое состояние системы определяется совместным действием напряжений растяжения (сжатия) и кручения, распределенных по длине колонны.

30

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Силовые факторы (продольная нагрузка N и крутящий момент M c учетом E-модуля упругости материала колонны и Sм – площади сечения БК) в заданном сечении колонны х зависят от соответствующих деформаций

(du/dх; dφ/dx) от сечения

(14.15)

Расчет динамических процессов в колонне труб с учетом совместного действия напряжений сжатия (растяжения) и кручения, распределенных по длине труб, является одной из основных задач при моделировании ДС.

Видеализированном стационарном режиме углубления забоя (υ(0) = υк

=υ(L) = υM) продольные усилия в верхнем и нижнем сечении бурильной колонны, которые определяют соответственно усилие на крюке Gкр и нагрузку на долото G, отличаются на величину продольной составляющей

силы тяжести труб (Gбк с учетом действия суммарной силы трения колонны о стенки скважины Fтр.

(14.16)

Сила трения Fтр является трудноопределимой переменной процесса бурения, существенное значение и неопределенность которой в наклонных и горизонтальных скважинах затрудняет доведение осевой нагрузки до забоя

иподдержание заданного режима работы ЗД.

Впроцессе бурения (углубления забоя) нарушение установившегося динамического режима движения колонны может произойти вследствие:

- изменения механических свойств горных пород ( Муд; Δβ), что приведет к изменению скорости проходки, гидравлической силы и крутящего момента ЗД, а также угла закручивания колонны; - непостоянчства расхода промывочной жидкости, что будет сопрово-

ждаться изменением частоты вращения ЗД и гидравлической силы: - зашламления затрубного пространств с соответствующим увеличением выталкивающей силы и, соответственно, снижением гидравлического усилия W;

- изменения сил трения колонны о стенки скважины или перехода к новой форме пространственного положения колонны, что приведет к перераспределению продольных и крутильных нагрузок по длине колонны.

Вреальном нестационарном режиме подачи колонны с использованием ленточного тормоза лебедки или РПД мгновенные значения скоростей верхнего ds/dt и нижнего dh/dt сечений из-за непрерывного выбуривания забоя скважины неодинаковы (рис. 14.11), а уравнение (14.18) не отражает

31

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

особенности динамических процессов в протяженной колонне труб, поскольку силовые факторы в различных сечениях становятся зависимыми от волновых процессов (du/dх; dφ/dx = νar).

Если принять, что изменение деформации всех сечений колонны одинаково (модель пружины), то зависимость мгновенных скоростей v(0) и v(L) концевых сечений колонны по длине L приводится к приближенному виду

(14.17)

Качество функционирования ДС ВЗД и выбор оптимальных алгоритмов управления зависит от точности определения коэффициентов передачи: – гидродвигателя:

(14.18)

Таблица 14.2 Сравнительные характеристики систем регулирования механизмов

подачи долота при использовании установок с дискретной и непрерывной бурильными колоннами

32

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

33

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Окончание таблицы 14.2

34

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

- бурового насосного агрегата

(14.19)

- системы «бурильная колонна – ЗД – горная порода»:

(14.20)

- системы «долото – горная порода»:

(14.21)

где Муд – удельный момент на долоте, кН·м/кН. - системы в целом:

(14.22)

где Y – параметр регулирования (G, ω, М, Р, I); U – управляющее воздействие; G – нагрузка на долото; ω – частота колонны, М – момент на двигателе, Р –давление в нагнетательной линии, I – ток электродвигателя.

Рисунок 14.18 – К расчету деформации и скорости сечения протяженной бурильной колонны:

а – в момент времени t; б – в момент времени t + dt; ν(0)= ds/dt; ν(L)=dh/dt; dz – мгновенное перемещение сечения относительно неподвижной системы координат

35

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Определяющее значение для проектирования АСУ РБ имеет моделирование волновых процессов, происходящих в протяженных волноводах, связывающих забой и устье бурящейся скважины.

Как известно, продольно-крутильные колебания существенно влияют на: динамическое состояние системы, процесс передачи нагрузки на забой, показатели отработки долот, долговечность бурильного инструмента и ЗД. В этой связи аналитические (с использованием современного арсенала численных методов) и экспериментальные исследования взаимосвязи волновых процессов в бурильной колонне и ее напорной линии, описывающихся подобными дифференциальными уравнениями второго порядка и распространяющихся с тремя различными скоростями (с = 1,2–1,5 км/с; сu = 5,1 км/с; сφ = 3,2 км/с), являются весьма актуальными при оптимизации режимов бурения и управления ЗД.

Скорость распространения колебаний по столбу жидкости (с) и колонне труб (сu, сφ) определяет время запаздывания распространения возмущающих и управляющих сигналов:

- по столбу жидкости:

t=l/с;

- по колонне труб (продольные колебания):

tu = L/сu;

- по колонне труб (крутильные колебания):

tφ=L/сφ;

где L, l – соответственно длина бурильной колонны и протяженность напорной линии (от насоса до ЗД).

Колебательные процессы в напорной линии, влияющие на равномерность вращения ЗД и качество функционирования телеметрических систем с гидравлическим каналом связи, зависят от сочетания двух критериев подобия:

- частотного

(14.23)

- акустического

(14.24)

36