технология бурения 2

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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 силой (ЭДС) электродвигателя или между крутящим моментом и током.

Рис. 10.14. Зависимость тока электродвигателя от параметров режима бурения (крутящего момента ВЗД и расхода бурового раствора)

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.

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. 10.15). 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

169

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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.

Рис. 10.15. 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 способствует более равномерному вращению вала ЗД (рис. 10.16) 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.

170

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

а

б

в

T

Рис. 10.16. Осциллограммы мгновенной угловой скорости турбины (18/13,5-104,5) при различных состояниях потока жидкости:

а– от центробежного насоса; б – от поршневого насоса

спневмокомпенсатором; в – от поршневого насоса

без пневмокомпенсатора; Т – период двойного хода поршня (стенд РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина)

В теоретическом 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.

В общем случае осевая нагрузка на долото G зависит от продольного

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. 10.1), 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.

171

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 деформа-

ций (du/dх; dφ/dx) от сечения

.

(10.15)

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.

Таблица 10.2 Сравнительные характеристики систем регулирования механизмов

подачи долота при использовании установок с дискретной и непрерывной бурильными колоннами

172

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

В идеализированном стационарном режиме углубления забоя (υ(0) =

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

174

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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.

Рис. 10.17. 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

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

176

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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 ко-

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 по-

Динамические и переходные характеристики системы также зависят от приведенного момента инерции J или постоянной времени τ гидродвигателя и других элементов системы (БНА, лебедки, РПД).

При определении инерционных параметров ВЗД необходимо учитывать особенности кинематики планетарного движения его рабочих органов.

При выборе оптимальных параметров цифрового ПИД-регулятора (шага управления ty, коэффициента пропорциональности крег, постоянных интегрирования Tи и дифференцирования Tд) помимо параметров отдельных элементов необходимо определить постоянную времени системы. Ее можно рассчитать по переходным характеристикам, которые снимаются как экспериментально (на объекте), так и аналитически на основе математического моделирования с учетом транспортного (в звеньях с распределенными параметрами) и инерционного запаздывания.

177

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Тогда в процессе бурения с использованием АСУ РБ текущее изменение управляющего воздействия определяется в зависимости от отклонения параметра регулирования ( Y = Y – Yзад) и ее первой (dY) и второй (d2Y) производных с учетом упреждения на транспортное за-

Для управления режимом бурения, отличающимся непрерывным воздействием различных возмущающих факторов, целесообразно использовать адаптивные алгоритмы управления, в которых координата задания Yзад рассматривается как переменная величина (рис. 10.18), зависящая от состояния системы, идентифицируемого по показаниям датчиков и прогнозируемого на основе «дерева» возможного развития процесса. Подобная адаптивная АСУ приобретает свойства интеллектуальной системы управления нового поколения с гибкими процедурами принятия решения и самонастройки параметров.

Рис. 10.18. Изменение механической скорости бурения νм и тока задания Iзад при реакции цифровой АСУ РБ на скачок давления в затрубном пространстве

Особенностью АСУ РБ с использованием РПД на базе электропорошкового тормоза является ее несимметричная реакция на увеличение (+ U) и сброс (– U) напряжения тормоза, что объясняется продолжением выбуривания породы и постепенным снижением нагрузки на долото при затормаживании барабана лебедки, поскольку в пассивных РПД приподъем инструмента или обратное вращение подъемного вала невозможны.

При управлении режимом бурения гидродвигателя с переменным перепадом давления необходимо учитывать гидромеханические эффекты в системе с положительной обратной связью (бурильная колонна – ВЗД –

178