Способ и устройство для уменьшения колебаний прилипания-проскальзывания в бурильной колонне

Способ и устройство для уменьшения колебаний прилипания-проскальзывания в бурильной колонне

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к способу демпфирования колебаний прилипания-проскальзывания в бурильной колонне, способу бурения ствола скважины, способу расчета мгновенной скорости вращения компоновки низа бурильной колонны, бурильному механизму для использования в бурении ствола скважины, электронному регулятору для использования с бурильным механизмом и способу модернизации бурильного механизма на буровой установке.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Бурение нефтяной и/или газовой скважины включает в себя создание ствола скважины значительной длины, часто в несколько километров по вертикали и/или горизонтали до начала добычи. Бурильная колонна содержит буровое долото на своем нижнем конце и звенья бурильной трубы, свинченные вместе. Бурильную колонну, в целом, вращает бурильный механизм на поверхности, колонна, в свою очередь, вращает долото для проходки ствола скважины. Бурильный механизм обычно является верхним приводом или ротором, каждый из них является, по существу, тяжелым маховиком, соединенным с верхом бурильной колонны. Бурильная колонна является чрезвычайно гибкой конструкцией относительно длины ствола скважины, и во время бурения колонна перекручивается на несколько оборотов под действием крутящего момента на долоте, составляющего между около 500 и 10000 Нм. Бурильная колонна также демонстрирует сложные динамические эволюции, содержащие осевые, поперечные и крутильные вибрации. Одновременные измерения параметров бурового вращения на поверхности и на долоте выявляют, что бурильная колонна часто ведет себя как крутильный маятник, т.e. верх бурильной колонны вращается с постоянной угловой скоростью, тогда как буровое долото выполняет вращение с изменяющейся угловой скоростью, содержащей постоянную составляющую и наложенную крутильную вибрацию. В экстремальных случаях крутильная составляющая становится такой большой, что долото периодически полностью останавливается, в это время крутящий момент на бурильной колонне увеличивается до момента неожиданного возобновления вращения долота с угловой скоростью, значительно превышающей угловую скорость, измеренную на поверхности. Такое явление известно как прилипание-проскальзывание.

Прилипание-проскальзывание изучают более двух десятилетий и считают основным источником проблем, таких как чрезмерный износ долота, преждевременные отказы инструмента и низкая скорость бурения. Одной причиной данного являются высокие максимальные скорости, возникающие во время фазы проскальзывания. Высокие скорости вращения, в свою очередь, приводят к вторичным эффектам, таким как экстремальные осевые и поперечные ускорения и силы.

Большое число материалов и статей посвящено решению проблем прилипания-проскальзывания. Много материалов фокусируется на детектировании перемещения прилипания-проскальзывания и на регулировании колебаний рабочим средством, таким как добавление понизителей трения в буровой раствор, изменение скорости вращения или осевой нагрузки на долото. Хотя данные средства иногда помогают, они либо недостаточны или создают высокие дополнительные затраты.

В нескольких материалах также рекомендуют применение управления с элементами искусственного интеллекта верхним приводом для демпфирования и предотвращения колебаний прилипания-проскальзывания. В документе SPE 18049 Международной ассоциации буровых подрядчиков показано, что параметры крутящего момента, передаваемые по каналу обратной связи от выделенного датчика крутящего момента на колонне, могут эффективно обеспечивать подавление колебаний прилипания-проскальзывания посредством регулирования скорости в ответ на измерения изменений крутящего момента. В материале Jansen. J. D et al. " Active Damping of Self-Excited Torsional Vibrations in Oil Well Drillstrings", 1995, Journal of Sound и Vibrations, 179(4), 647-668 изложено, что недостатком данного подхода является необходимость новых и прямых измерений крутящего момента на колонне, которых нет в наличии. Патент US 5117926 раскрывает такие измерения, как другой тип обратной связи, на основе тока двигателя (крутящего момента) и скорости. Данная система производится и поставляется много лет под торговой маркой SOFT TORQUE®. Главный недостаток данной системы заключается в том, что она является каскадной системой управления, использующей обратную связь по крутящему моменту последовательно с жестким регулятором скорости. Это увеличивает риск нестабильности при частотах выше частоты прилипания-проскальзывания.

Документ SPE 28324 указанной ассоциации под названием "Application of High Sampling Rate Downhole Measurements for Analysis and Cure of Stick-Slip in Drilling" раскрывает управление процессом бурения с использованием оборудования привода, включающего в себя пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор), двигатель, коробку передач и ротор. ПИД-регулятор старается поддерживать необходимую скорость вращения бурильной колонны, и предлагается возможность настройки ПИД-регулятора для предотвращения прилипания-проскальзывания. Вместе с тем, результат имитации показывает слабое демпфирование колебаний прилипания-проскальзывания, и в материале дано заключение, что ПИД-регулятор является слишком простой системой сервоуправления для предотвращения прилипания-проскальзывания.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение основано на представлении о том, что ПИ- или ПИД-регулятор можно фактически использовать для получения значительного демпфирования колебаний прилипания-проскальзывания бурильным механизмом. В частности, получено понимание, что ПИ- или ПИД-регулятор может быть настраиваемым для обеспечения демпфирования энергии крутильных волн на частоте прилипания-проскальзывания или вблизи нее.

В отличие от некоторых более ранних систем настоящее изобретение является пассивным в том смысле, что ни крутящий момент на колонне, ни крутящий момент на валу не нужны в петле обратной связи. Соответственно демпфирование можно получать без необходимости создания дополнительных датчиков для измерения крутящего момента колонны, в ином случае увеличивающего сложность и стоимость.

Согласно некоторым аспектам настоящего изобретения создан способ демпфирования колебаний прилипания-проскальзывания в бурильной колонне, содержащий следующие этапы:

(a) демпфирование колебаний прилипания-проскальзывания с использованием бурильного механизма сверху бурильной колонны; и

(б) регулирование скорости вращения бурильного механизма с использованием ПИ-регулятора;

отличающийся этапом (в) настройки ПИ-регулятора так, что бурильный механизм поглощает большую часть крутильной энергии от бурильной колонны на частоте колебаний прилипания-проскальзывания или вблизи нее. Бурильный механизм, например, может содержать верхний привод или ротор. Следует заметить, что ПИ-регулятор может быть настраиваемым один раз (например, при возникновении прилипания-проскальзывания первый раз или перед бурением) и при последующих случаях возникновения прилипания-проскальзывания ПИ-регулятор можно использовать вновь без перенастраивания.

Другой возможностью является перенастройка ПИ-регулятора каждый раз, когда возникает прилипание-проскальзывание или даже периодически во время фазы прилипания-проскальзывания при бурении. В одном варианте осуществления ПИ-регулятор настраивают перед использованием для управления бурильным механизмом для демпфирования колебаний прилипания-проскальзывания. Например, регулятор можно настраивать, когда возникают колебания прилипания-проскальзывания или это можно выполнять периодически во время бурения ствола скважины с увеличением длины бурильной колонны. Одной возможностью является выполнение настройки с добавлением каждой 30-метровой секции бурильной трубы к бурильной колонне.

В некоторых вариантах осуществления колебания прилипания-проскальзывания содержат крутильные волны, распространяющиеся по бурильной колонне, и этап (в) содержит корректировку параметра I ПИ-регулятора для создания зависимости от приблизительного периода колебаний прилипания-проскальзывания и от действующего момента инерции бурильного механизма, при этом бурильный механизм имеет коэффициент отражения, зависимый от частоты крутильных волн, при этом коэффициент отражения является, по существу, минимальным на частоте колебаний прилипания-проскальзывания или вблизи нее. Следует заметить, что не существенным для частоты максимального поглощения бурильного механизма является точное совпадение с частотой колебаний прилипания-проскальзывания (которая в некоторых вариантах осуществления является основной частотой). Вследствие настройки ПИ-регулятора бурильный механизм имеет полосу частот поглощения достаточной ширины (например, ~0,4 Гц) и величины (например, меньше 85% отражения), так что демпфирование остается действующим, даже если две частоты не точно совпадают. Данное представляет значительное преимущество способа. Обычно основная частота колебаний прилипания-проскальзывания, встречающаяся в практике, лежит в диапазоне 0,1 Гц (период 10 с) - 0,5 Гц (период 2 с), и частота максимального поглощения, обусловленная ПИ-регулятором, может находиться в 50% основной частоты.

В некоторых вариантах осуществления низшая точка кривой коэффициента частоты-отражения имеет значение между около 50% (0,5) и 90% (0,9). Обнаружено, что коэффициенты отражения выше около 90% могут делать бурильный механизм слишком «жестким» и уменьшать шансы успешного демпфирования колебаний прилипания-проскальзывания. С другой стороны, обнаружено, что коэффициент отражения ниже около 50% делает бурильный механизм слишком «мягким» и показатель бурения может быть ухудшен, поскольку бурильный механизм реагирует на гораздо меньшие изменения в бурильном крутящем моменте на колонне, давая в результате большие изменения скорости.

Ширина полосы поглощения обратно пропорциональна действующему моменту инерции J бурильного механизма. Поэтому, при увеличении действующего момента инерции бурильного механизма, предпочтительным является, хотя данное не существенно, более точный приблизительный расчет или измерение периода прилипания-проскальзывания для обеспечения частоты наибольшего демпфирования, совпадающей с реальной частотой прилипания-проскальзывания.

В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно содержит этап корректировки параметра I согласно формуле I = ω_s ²J, где ω_s - приблизительная или расчетная угловая частота колебаний прилипания-проскальзывания и J - действующий момент инерции бурильного механизма. ω_s можно конечно выразить в показателях других параметров в данной формуле, таких как период или частота.

В других вариантах осуществления способ дополнительно содержит этап измерения приблизительного периода колебаний прилипания-проскальзывания для использования в корректировке параметра I. В некоторых вариантах осуществления данное измерение может быть выполнено автоматически, например, посредством ПЛК. В таком случае приблизительный период можно определить с использованием геометрии бурильной колонны или можно определить компьютерным наблюдением крутящего момента на валу. Другой возможностью является расчет приблизительного периода бурильщиком, например, хронометрированием с секундомером колебаний крутящего момента, показанных на пульте бурильщика, или определением на слух изменений звука двигателя (двигателей) бурильного механизма и хронометрирования периода таким путем. Бурильщик может вводить данные приблизительного периода прилипания-проскальзывания в пульт для обработки ПЛК для настройки параметра I ПИ-регулятора.

В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно содержит этап корректировки параметра Р ПИ-регулятора для приведения к порядку величины характеристического импеданса ζ бурильной колонны. Таким путем коэффициент отражения бурильного механизма можно уменьшить дополнительно, с увеличением демпфирующего эффекта.

В других вариантах осуществления способ дополнительно содержит этап корректировки параметра Р, такой, что коэффициент отражения не обращается в нуль, при этом предотвращается разделение основной моды колебаний прилипания-проскальзывания на две новых моды с отличающимися частотами.

В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно содержит этап корректировки параметра Р по формуле P=ζ/a, где a - коэффициент подвижности, допускающий корректировку параметра Р во время бурения, при этом поглощение энергии колебаний прилипания-проскальзывания бурильным механизмом может увеличиваться или уменьшаться. Коэффициент подвижности может корректировать автоматический регулятор (например, ПЛК) и/или может корректировать вручную бурильщик. Таким путем мягкость бурильного механизма можно корректировать для достижения баланса между демпфированием колебаний прилипания-проскальзывания и показателями бурения.

В некоторых аспектах способ дополнительно содержит этап увеличения коэффициента подвижности, если величина колебаний прилипания-проскальзывания существенно не уменьшается или они не исчезают. Таким путем мягкость бурильного механизма увеличивается (т.e. механизм делается более чувствительным к меньшим изменениям крутящего момента).

В других аспектах способ дополнительно содержит этап уменьшения коэффициента подвижности после, по существу, исчезновения колебаний прилипания-проскальзывания или уменьшения их величины, при этом производительность бурения увеличивается без повторного появления или роста величины колебаний прилипания-проскальзывания. Таким путем мягкость бурильного механизма уменьшается (т.e. он делается менее чувствительным к меньшим изменениям крутящего момента).

В некоторых вариантах осуществления ПИ-регулятор является отдельным от регулятора скорости бурильного механизма, и способ дополнительно содержит этап шунтирования регулятора скорости бурильного механизма ПИ-регулятором во время демпфирования колебаний прилипания-проскальзывания. ПИ-регулятор может быть оборудован на буровой установке отдельно от бурильного механизма, как на новой буровой установке, так и в порядке модернизации на существующей буровой установке в полевых условиях. При использовании, когда возникают колебания прилипания-проскальзывания, ПЛК может переключать на себя специально выделенный регулятор скорости бурильного механизма (либо автоматически или под управлением бурильщика) для управления механизмом, как изложено выше.

В других вариантах осуществления бурильный механизм содержит ПИ-регулятор, и способ дополнительно содержит этапы настройки ПИ-регулятора, когда возникают колебания прилипания-проскальзывания, и исключение настройки ПИ-регулятора в ином случае. В таких вариантах осуществления ПИ-регулятор может являться частью специально выделенного регулятора скорости в бурильном механизме, таком как верхний привод. ПИ-регулятор можно создать как программное обеспечение, установленное на ПЛК или другом компьютерном механизме управления на месте изготовления. В работе ПИ-регулятор используется непрерывно, но может только нуждаться в настройке, как описано выше, когда возникают колебания прилипания-проскальзывания. Данную настройку можно включать в работу автоматически программным обеспечением устройства дистанционного управления бурением (например, пульта управления бурильщика на площадке работ или вне ее) и/или регулирование может осуществлять бурильщик, использующий пульт управления бурильщика.

В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно содержит этап расчета мгновенной скорости вращения компоновки низа бурильной колонны на нижнем конце бурильной колонны с объединением известной крутильной податливости бурильной колонны с изменениями в крутящем моменте на валу бурильного механизма. Данное является особенно полезным не обязательным признаком изобретения и при этом выходные данные могут отображаться на пульте управления бурильщика или иначе для помощи бурильщику для визуализации происходящего в скважине.

В других вариантах осуществления изменения крутящего момента на валу представляются только на основной частоте колебаний прилипания-проскальзывания, при этом этап расчета упрощен так, что может быть реализован ПЛК и выполнен в режиме реального времени. Изменения крутящего момента на валу содержат спектр частот, делающий сигнал крутящего момента на валу трудным для анализа. Мы понимаем, что достаточно только анализировать компонент основной частоты изменения крутящего момента на валу и что это обеспечивает выполнение анализа в режиме реального времени, на ПЛК, например.

В некоторых вариантах осуществления этап расчета содержит пропуск через полосовой фильтр сигнала крутящего момента на валу с центрированием полосового фильтра на приблизительной частоте колебаний прилипания-проскальзывания. Это помогает удалению большинства более высоких и более низких частот в сигнале крутящего момента. Приблизительную частоту можно определить, как описано выше.

В некоторых аспектах расчет мгновенной скорости вращения содержит определение скорости в скважине с использованием суммарной статической податливости бурильной колонны и фазового параметра, и определение суммы сигнала, пропущенного через фильтр низких частот, и представляющего скорость вращения бурильного механизма и скорости вращения в скважине.

В других вариантах осуществления способ дополнительно содержит этап периодического определения расчетных данных и вывода расчетных данных на пульт бурильщика, при этом бурильщику предоставляются, по существу, расчетные данные в режиме реального времени мгновенной скорости вращения компоновки низа бурильной колонны.

В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно содержит этап определения показателя интенсивности прилипания-проскальзывания, как отношения динамической амплитуды скорости в скважине к средней скорости вращения бурильного механизма, такой показатель интенсивности прилипания-проскальзывания используется для создания выходного сигнала, показывающего интенсивность прилипания-проскальзывания в данный момент времени.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения создан способ бурения ствола скважины, содержащий следующие этапы:

(а) вращение бурильной колонны бурильным механизмом для вращения бурового долота на нижнем конце бурильной колонны и осуществления проходки поверхности земли; и

(б) в ответ на детектирование колебаний прилипания-проскальзывания бурильной колонны использование ПИ-регулятора для управления бурильным механизмом, причем ПИ-регулятора, настроенного вышеописанным способом. Следует заметить, что ПИ-регулятор можно настраивать один раз (например, когда первый раз встречается прилипание-проскальзывание), и при последующем возникновении прилипания-проскальзывания ПИ-регулятор можно использовать без перенастройки. Конечно, другой возможностью является перенастройка ПИ-регулятора каждый раз, когда встречается прилипание-проскальзывание, или даже при постоянно действующем прилипании-проскальзывании. Способ настройки ПИ-регулятора можно поэтому использовать избирательно во время бурения для противодействия колебаниям прилипания-проскальзывания. В другие периоды времени ПИ-регулятор можно не настраивать, так что регулятор скорости бурильного механизма может работать в стандартном жестком режиме (т.e. с коэффициентом отражения приблизительно равным 1).

Согласно другому аспекту настоящего изобретения создан способ расчета мгновенной скорости вращения компоновки низа бурильной колонны на нижнем конце бурильной колонны, содержащий этапы объединения известной крутильной податливости бурильной колонны с изменениями крутящего момента на валу бурильного механизма. Такой способ можно выполнять как на площадке, так и вне ее, либо во время бурения или после бурения секции ствола скважины. Такой способ дает инструмент анализа бурения для определения, улучшает ли настройка ПИ-регулятора аспекта изобретения показатели бурения. Соответственно программное обеспечение для выполнения данного способа можно создавать отдельно от программного обеспечения для выполнения способа настройки. Программное обеспечение расчета скорости вращения можно создавать в регуляторе нового бурильного механизма (т.e. включать в состав на месте изготовления), при модернизации существующего бурильного механизма (например, выполнять либо на площадке или дистанционно с использованием спутниковой связи с компьютерной системой на буровой установке) или как компьютерный программный продукт (например, запоминающее устройство на компакт-дисках или как загрузка из веб-сайта) для установки оператором буровой установки.

В некоторых аспектах способ расчета скорости вращения дополнительно содержит этапы расчета, изложенные выше.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения создан бурильный механизм для использования в бурении ствола скважины, содержащий электронный регулятор с ПИ-регулятором и запоминающее устройство, сохраняющее исполняемые компьютером инструкции, при исполнении обеспечивающие настройку электронным регулятором ПИ-регулятора согласно этапам настройки, изложенным выше.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения создан электронный регулятор для использования с бурильным механизмом для бурения ствола скважины, содержащий ПИ-регулятор и запоминающее устройство, сохраняющее исполняемые компьютером инструкции, при исполнении обеспечивающие настройку электронным регулятором ПИ-регулятора согласно этапам настройки, изложенным выше. Такой электронный регулятор используется для модернизации существующих буровых установок или где требуется электронный регулятор, отдельный от бурильного механизма.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения создан способ модернизации бурильного механизма на буровой установке, содержащий этапы загрузки исполняемых компьютером инструкций в электронный регулятор на буровой установке, который предназначен для регулирования работы бурильного механизма, при этом исполняемые компьютером инструкции содержат команды для выполнения настройки регулятора, как изложено выше. Такую модернизацию можно выполнять на площадке работ или можно выполнять дистанционно с использованием, например, спутниковой связи.

Некоторые варианты осуществления данного изобретения не ограничены конкретными индивидуальными признаками, раскрытыми здесь, но включают в себя их комбинации с конструкциями, функциями и/или получаемыми результатами, отличающимися от известного уровня техники. Признаки изобретения описаны в широком смысле для лучшего понимания следующего подробного описания и для лучшей ясности вклада данного изобретения в технику. Имеются, естественно, дополнительные аспекты изобретения, описанные ниже, которые могут включать в себя объекты формулы данного изобретения. Специалистам в данной области техники, воспользовавшимся выгодами данного изобретения, его идеями и предложениями должно быть ясно, что концепции данного изобретения можно использовать как основу разработки других конструкций, способов и систем для осуществления и практического применения настоящего изобретения. Формулу данного изобретения следует читать, как включающую в себя любые юридически эквивалентные устройства или способы, не отходящие от сущности и объема настоящего изобретения.

Настоящее изобретение рассматривает и решает вышеупомянутые проблемы и давно существующие потребности и создает решение данных проблем и удовлетворяет данным потребностям в различных возможных вариантах осуществления и их эквивалентах. Специалистам в данной области техники, воспользовавшимся выгодами данного изобретения, вариантами реализации, идеями, описаниями и предложениями, другими целями и преимуществами, должны стать ясными из следующего описания некоторые предпочтительные варианты осуществления, приведенные с целью раскрытия изобретения в соединении с прилагаемыми чертежами. Детали данного описания не противоречат задаче заявки настоящего изобретении, вне зависимости от изменений формы, других изменений или добавления дополнительных улучшений.

Должно быть понятно, что различные варианты осуществления настоящего изобретения могут включать в себя одно, несколько или все раскрытые, описанные и/или перечисленные в формуле изобретения улучшения, и/или технические преимущества, и/или элементы в формуле данного изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже даны ссылки, только в качестве примера, на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее.

На фиг.1 показан схематичный вид сбоку буровой установки, использующей способ согласно настоящему изобретению.

На фиг.2 показана блок-схема ПИД-регулятора, содержащего регулятор скорости согласно настоящему изобретению.

На фиг.3 показан график частоты в зависимости от коэффициента отражения, дающий сравнение бурильного механизма, использующего регулятор скорости согласно настоящему изобретению, и стандартного регулятора скорости.

На фиг.4A показан снимок экрана первого окна, находящегося на пульте управления бурильщика для выполнения и регулирования способа согласно настоящему изобретению.

На фиг.4B показан снимок экрана второго окна, находящегося на пульт управления бурильщика, иллюстрирующий крутящий момент на валу привода в режиме реального времени и расчет скорости вращения в скважине компоновки низа бурильной колонны фиг.1.

На фиг.5 и 6 показаны графики, иллюстрирующие результаты компьютерной имитации, моделирующей способ согласно настоящему изобретению.

На фиг.7 и 8 показаны графики, иллюстрирующие результаты испытания способа согласно настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

На фиг.1 буровая установка 10 управляет буровой работой с использованием бурильной колонны 12, содержащей звенья бурильной трубы 14, последовательно свинченные вместе. Буровая установка 10 может являться любым видом буровой установки для нефтепромысла, общего назначения, бурения горнодобывающих или геотермальных объектов, включающей в себя: плавучие и наземные буровые установки, передвижные и буровые установки наклонного бурения, буровые установки на погружных, полупогружных платформах, на выдвигающихся опорах и буровых судах. Типичная бурильная колонна имеет длину 0-5 км и имеет в самой нижней части ряд утяжеленных бурильных труб или толстостенных бурильных труб (ТБТ). Утяжеленные бурильные трубы имеют более толстые стенки, чем бурильная труба для противодействия выпучиванию под действием сжимающих сил: бурильная труба может иметь внешний диаметр 127 мм и толщину стенки 9 мм, тогда как утяжеленная бурильная труба может иметь внешний диаметр до 250 мм и толщину стенки 85 мм, например.

Компоновка 16 низа бурильной колонны (КНБК) установлена на нижнем конце бурильной колонны 12. Типичная КНБК 16 содержит передатчик 18 измерений во время бурения (который может, например, представлять собой кабельную систему телеметрии, систему телеметрии по пульсациям бурового раствора, электромагнитную систему телеметрии, акустическую систему телеметрии или систему телеметрии по кабелированным трубам), центраторы 20, инструмент 22 для наклонного бурения (который может быть установлен в зонде или утяжеленной бурильной трубе), центратор с жесткими лопастями (фиксированными или подвижными) и буровое долото 28, которое при использовании вращается верхним приводом 30 через бурильную колонну 12.

Буровая установка 10 содержит бурильный механизм 30. Функцией бурильного механизма 30 является вращение бурильной колонны 12 и при этом долота 28 на нижнем конце. В настоящее время большинство буровых установок используют верхние привода для вращения бурильной колонны 12 и долота 28 для осуществления бурения. Вместе с тем, некоторые буровые установки используют ротор, и изобретение является одинаково применимым к таким буровым установкам. Изобретение является также одинаково применимым для бурения любых видов стволов скважин, например прямых, наклонно-направленных, горизонтальных или вертикальных.

Насос 32 размещен на поверхности и, при использовании, перекачивает буровой раствор через бурильную колонну 12 и через буровое долото 28 и служит для охлаждения и смазки долота во время бурения и подачи шлама на поверхность в кольцевом пространстве, образованном между бурильной колонной и стволом скважины (не показано).

Данные бурения и нужная информация отображаются на пульте 34 управления бурильщика, содержащем сенсорный экран 36 и устройство управления пользователя, например клавиатуру (не показано) для регулирования, по меньшей мере, некоторой части процесса бурения. Цифровой программируемый логический контроллер (ПЛК) 38 передает данные на пульт 34 и верхний привод 30 и принимает от них. В частности, бурильщик имеет возможность устанавливать команды управления скоростью и ограничение крутящего момента для верхнего привода для управления скоростью вращения бурового долота 28.

На фиг.2 показан ПЛК 38, содержащий энергонезависимую память 40 на базе флэш-технологии (или другое запоминающее устройство, такое как оперативная память с резервным питанием от батареи). Запоминающее устройство сохраняет исполняемые компьютером инструкции, при исполнении которых выполняются функции регулятора 42 скорости для верхнего привода 30. Регулятор 42 скорости содержит ПИ-регулятор с противодействием скручиванию, функционирующий, как описано более подробно ниже. В данном варианте осуществления регулятор 42 скорости является отдельным и отличным от верхнего привода 30. Вместе с тем, является возможным создание такой функциональности регулятора скорости, как описанная в данном документе, с частью встроенного специального выделенного регулятора скорости верхнего привода. Такую встроенную функциональность можно либо создавать на месте изготовления или она может являться частью обновления программного обеспечения, выполняемого на верхнем приводе, либо на площадке, или вне площадки работ. В других вариантах осуществления ПЛК может являться аналоговым ПЛК.

Настройка регулятора пропорционально-интегрального типа (ПИ-регулятора)

Бурильную колонну 12 можно рассматривать, как линию передачи для крутильных волн. Изменение момента трения на буровом долоте 28 или в других местах вдоль колонны генерирует крутильную волну, которая распространяется вверх и частично отражается на геометрических перегибах. Когда переданная волна достигает верхнего привода 30, она частично отражается назад в бурильную колонну 12. Для верхнего привода с высоким моментом инерции и/или жесткого регулятора скорости отражение является почти полным, при котором очень мало энергии поглощает верхний привод.

Для количественного определения созданного верхним приводом демпфирования можно получить следующий комплексный коэффициент отражения r для крутильных волн на стыке бурильная колонна/верхний привод:

где ζ - характеристический импеданс для крутильных волн и Z - импеданс верхнего привода. Характеристический импеданс пропорционален полярному моменту инерции сечения трубы и изменяется приблизительно как диаметр трубы в четвертой степени. Отмечаем, что коэффициент отражения является комплексной функцией, где, в общем, как величина, так и фаза изменяются с частотой. Если регулирование скорости является жестким (т.e. |Z|>>ζ), то коэффициент отражения приближается к -1 и почти 100% энергии крутильных волн отражается назад в бурильную колонну 12 верхним приводом 30.

Комплексное представление импеданса верхнего привода можно вывести следующим образом. Если противодействием скручиванию регулятора скорости пренебречь (то есть нелинейной функцией, ограничивающей крутящий момент), крутящий момент на валу верхнего привода 30 можно выразить как:

где P и I - соответствующие долевой коэффициент и коэффициент интегрирования регулятора скорости, Ω - фактическая скорость на выходе привода (в рад/с) и Ω_set - уставка скорости привода (в рад/с).

Крутящий момент на валу является фактически суммой крутящих моментов двигателя, умноженной на передаточное отношение n _g (скорость двигателя/скорость на выходе, >1). Заметим, что регулирование скорости здесь относится к выходной оси верхнего привода. Более обычным для регулирования скорости является привязка к оси двигателя; в таком случае соответствующие значения P и I для регулирования скорости двигателя меньше приведенных выше с учетом делителя 1/n_g ².

Пренебрегая потерями при передаче, уравнение движения вала на выходе верхнего привода:

где J - действующий момент инерции верхнего привода (включающего в себя редуктор и приводные двигатели) и T - внешний крутящий момент от колонны. Объединение уравнений (2) и (3) и применение преобразования Фурье дает следующее уравнение движения:

Для упрощения использованы одинаковые с уравнениями по времени обозначения переменных, хотя Ω, Ω _set и Т теперь представляют комплексные амплитуды. Неявно подразумеваемый зависящий от времени множитель составляет exp(iωt), где i=√-1 мнимая единица и ω=2πf угловая частота верхнего привода 30. Если предположить, что отсутствует каскадная обратная связь через установленную скорость (как в системах с обратной связью по крутящему моменту), амплитуда установленной скорости сводится к нулю и приведенное выше уравнение упрощается:

Отрицательное соотношение - T/Ω называют импедансом Z верхнего конца колонны:

Данный импеданс можно легко обобщить для идеального пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора (ПИД -регулятора) добавлением к нему нового параметра iωD, где D - производная регулятора. Положительный (нормальный) параметр D должен увеличивать действующий момент инерции верхнего привода, а отрицательный коэффициент должен ее уменьшать. На практике поскольку дифференцирование по времени измеренной скорости является основным процессом шума, увеличивающим высокочастотный шум, параметр D в ПИД-регуляторе нормально объединяют с фильтром нижних частот. Данный фильтр вводит сдвиг фаз, делающий действующий импеданс более сложным, и при этом увеличивает риск создания нарушений устойчивости на некоторых частотах, как описано ниже. Поэтому, хотя ПИД-регулятор с параметром D можно использовать для выполнения аспекта настройки изобретения, данное не рекомендуется.

Объединение уравнений (1) и (6) дает следующее выражение для коэффициента отражения, действительное для верхних приводов с регулированием скорости ПИ-регулятором:

Его величина имеет минимум, равный:

когда мнимые параметры обращаются в нуль, то есть когда угловая частота верхнего привода 30 равна ω=√1/J. Для стандартных жестких регуляторов скорости данная частота в нормальных условиях выше частоты прилипания-проскальзывания (см. фиг.3 и соответствующее описание). Вместе с тем, мы сделали открытие, что корректировка параметра I ПИ-регулятора также корректирует максимальную частоту поглощения крутильных волн верхним приводом 30. В частности, параметр I можно корректировать так, что максимум поглощения энергии крутильных волн возникает на частоте ω _s прилипания-проскальзывания или вблизи нее (т.e. когда величина коэффициента отражения минимальна) следующим образом:

Данная реализация является значитель