Способ и устройство для расчета мгновенной скорости вращения компоновки низа бурильной колонны

Способ и устройство для расчета мгновенной скорости вращения компоновки низа бурильной колонны

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, составляющем 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 таких проблем, 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, по которым нет данных. Патент США 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 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 стремится поддерживать необходимую скорость вращения бурильной колонны, и предложена 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.

Наша одновременно находящаяся на рассмотрении патентная заявка описывает способ демпфирования колебаний прилипания-проскальзывания с максимальным демпфированием, имеющим место на первой или основной моде колебаний прилипания-проскальзывания (т.е. на низшей частоте) или вблизи нее. При разработке способа идентифицирована дополнительная проблема, подлежащая решению, когда бурильная колонна является экстремально длинной (более около 5 км), и основной период колебаний прилипания-проскальзывания превышает около 5 или 6 с. Хотя способ предшествующей патентной заявки способен устранять основную моду колебаний прилипания-проскальзывания в таких колоннах, как только данные колебания демпфированы, вторая естественная мода стремится стать нестабильной и вырасти в амплитуде до развития полного прилипания-проскальзывания на более высокой частоте. В некоторых имитациях мы нашли, что данная вторая мода имеет естественную частоту, приблизительно в три раза выше, чем основная частота прилипания-проскальзывания. Колебания прилипания-проскальзывания более высокого порядка отличаются коротким периодом и высокой амплитудой циклических изменений крутящего момента на валу привода. Имитации показывают, что скорость вращения долота также в данном случае меняется от нуля до максимальных скоростей, в два раза превышающих среднюю скорость.

Также обнаружено, что способ, примененный в упомянутой выше системе SOFT TORQUE®, имеет аналогичную проблему. Ни один из способов не может подавлять обе, первую и вторую моды колебаний прилипания-проскальзывания.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Аспекты настоящего изобретения основаны на представлении, что пропорционально-интегральный (ПИ) или пропорционально-интегрально-дифференциальный (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. Дополнительное представление, на котором основаны некоторые варианты осуществления, состоит в том, что как основную, так и одну или несколько из высших мод (например, вторую естественную моду и больше) колебаний, можно также демпфировать посредством уменьшения действующего момента инерции бурильного механизма, что может быть достигнуто несколькими различными путями. Одним таким путем является дополнительная корректировка ПИ- или ПИД-регулятора. Другим путем является изменение бурильного механизма с повышением передачи. В некоторых вариантах осуществления основную и одну или несколько высших мод можно демпфировать избирательно, либо заранее принятым компьютерным решением (например, использующим прогнозы на основе геометрии колонны). В других вариантах осуществления демпфирование можно избирательно включать в работу посредством мониторинга периода основной моды и применением способа, когда период основных колебаний превосходит некоторый порог.

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 создания дополнительных датчиков для измерения крутящего момента колонны, в ином случае увеличивающего сложность и стоимость.

Другие аспекты изобретения основаны на представлении о возможности расчета мгновенной скорости вращения долота (игнорируя любой вклад от устанавливаемых, если необходимо, гидравлических забойных двигателей) и возможности сделать данную информацию доступной для других процессов управления на буровой установке и/или бурильщику через пульт. При повторении способа, по существу, расчет скорости долота в режиме реального времени может быть создан. Создание таких данных может помогать бурильщику и/или автоматизированному способу управления бурением определять, улучшит ли аспект настройки ПИ изобретения показатели бурения, например уменьшит ли прилипание/проскальзывание.

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 и/или на основной частоте или вблизи нее и, по меньшей мере, одной моды колебаний прилипания-проскальзывания высшей частоты. Бурильный механизм, например, может содержать верхний привод или ротор. Следует заметить, что ПИ-регулятор может быть настраиваемым один раз (например, при встрече 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 встречается 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 встречаются 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 ПИ-регулятор можно корректировать для демпфирования как основной частоты, так и одной или нескольких высших мод колебаний прилипания-проскальзывания; предложения для такой настройки включают в себя: настройку заранее перед бурением (например, на основе прогнозов, использующих геометрию колонны, или просто, как предупредительные меры против высших мод колебаний, вне зависимости от их прогнозирования), настройку при встрече с основной модой (вне зависимости от прогнозирования высших мод) или настройку при встрече высших мод колебаний прилипания-проскальзывания.

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 основной частоты 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 основной частотой колебаний прилипания-проскальзывания. Вследствие настройки ПИ-регулятора, бурильный механизм имеет полосу частот поглощения достаточной ширины (например, ~0,4 Гц) и величину (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 крутящем моменте на бурильной 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 I=ω_s ²J, где ω_s - прибизительная 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 некоторых вариантах осуществления действующий момент инерции содержит суммарную механическую инерцию бурильного механизма на его выходном валу. Данное считают полезным для демпфирования, главным образом, только основной моды колебаний прилипания-проскальзывания, хотя высшие моды демпфируются в некоторой степени.

В других вариантах осуществления способ дополнительно содержит этап уменьшения действующего момента инерции бурильного механизма, при этом демпфирующий эффект бурильного механизма увеличивается для частот выше основной частоты. Данное является значительным, применяемым, если необходимо, этапом способа, обеспечивающим демпфирование одной или нескольких высших мод колебаний (и в некоторых вариантах осуществления их совместное устранение) одновременно с демпфированием основной моды. Данная возможность является особенно важной для длинных бурильных колонн (обычно, более около 5 км длиной), где высшие моды колебаний с большей вероятностью создают проблемы. Уменьшение действующего момента инерции можно применять непрерывно (вне зависимости от прогнозирования высшей моды прилипания-проскальзывания) или избирательно, как при детектировании основной моды с периодом больше некоторого порога (например, пять секунд), или в ответ на детектирование одной или нескольких высших мод во время бурения. Кроме того, величину уменьшения момента инерции можно корректировать для изменения величины демпфирования на более высоких частотах.

В некоторых вариантах осуществления этап уменьшения действующего момента инерции содержит этап настройки ПИ-регулятора с дополнительным параметром крутящего момента, пропорциональным угловому ускорению бурильного механизма. Поскольку угловое ускорение легко выводится дифференцированием из угловой скорости бурильного механизма, данное делает способ очень простым для реализации в управляемом компьютером регуляторе скорости (например, регуляторе, реализованном в ПЛК).

В некоторых аспектах способ дополнительно содержит этап умножения углового ускорения на момент инерции (J_c) компенсации, причем данный момент инерции (J_c) компенсации является корректируемым для управления величиной уменьшения действующего момента инерции бурильного механизма. Момент инерции компенсации может являться относительно статической величиной (например, установленной бурильщиком посредством пульта) или динамической величиной (например, корректируемой в режиме реального времени согласно условиям бурения). Обычно момент инерции (J_c) компенсации можно корректировать для уменьшения действующего момента инерции на величину между 0 и 80%.

В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно содержит этап корректировки параметра I ПИ-регулятора согласно I=ω _s ²J, где ω _s является приблизительной или расчетной угловой частотой колебаний прилипания-проскальзывания и J - уменьшенным значением действующего момента инерции бурильного механизма.

В некоторых вариантах осуществления бурильный механизм имеет полосу частот поглощения энергии крутильных колебаний прилипания-проскальзывания, с размером, получаемым как ширина спектра на уровне 50% амплитуды, при этом с уменьшением действующего момента инерции бурильного механизма ширина спектра на уровне 50% амплитуды больше. Использование ширины спектра на уровне 50% амплитуды дает удобный путь сравнения полос поглощения различной ширины.

В некоторых вариантах осуществления бурильный механизм имеет зависимую от частоты кривую демпфирования, имеющую точку максимального демпфирования, причем способ, дополнительно содержащий этап смещения точки максимального демпфирования на более высокие частоты, при этом действие демпфирования бурильного механизма, по меньшей мере, на некоторых более высоких частотах увеличивается, и демпфирование на основной частоте уменьшается. Такое именуется в данном документе отстройкой, и, при необходимости выполняется, если колебания прилипания-проскальзывания высшей моды не уменьшаются или не устраняются способом компенсации момента инерции.

В некоторых аспектах этап смещения содержит определение параметра I ПИ-регулятора как I=ω_s ²J, при этом значение периода ω_s больше приблизительного периода основной частоты, при этом зависимая от частоты кривая демпфирования смещается к более высоким частотам и демпфирование, по меньшей мере одной высшей моды колебаний увеличивается выше значения демпфирования, получаемого при использовании приблизительного периода для определения параметра I. Значение периода может быть на 40% больше приблизительного периода.

В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно содержит этап дополнительного уменьшения действующего момента инерции бурильного механизма при выполнении этапа смещения, при этом сужение ширины полосы поглощения кривой демпфирования подавляется. В некоторых аспектах этого можно достигнуть уменьшением действующего момента инерции и увеличением величины периода значения с одинаковым коэффициентом.

В других вариантах осуществления этап уменьшения действующего момента инерции содержит повышение передачи бурильного механизма. Вместо достижения уменьшения действующего момента инерции посредством регулятора скорости, аналогичный эффект может быть достигнут изменением передачи на более высокую (предполагая, что бурильный механизм имеет несколько передач). В данном случае предусмотрено, что ПИ-регулятор можно настраивать для демпфирования преобладающей основной частоты прилипания-проскальзывания и, если и когда встречаются одна или несколько высших мод колебаний, бурильный механизм можно переключить на более высокую передачу для увеличения демпфирования на более высоких частотах.

В других вариантах осуществления способ дополнительно содержит этапы мониторинга возникновения в бурильном механизме одной или нескольких высших мод колебаний, и, при их детектировании, выполнения любого этапа демпфирования высшей моды, изложенного выше для демпфирования одной или нескольких высших мод колебаний. Мониторинг можно выполнять посредством компьютерного наблюдения скорости вращения, например, бурильного механизма.

В других аспектах способ дополнительно содержит этапы мониторинга периода основной частоты, сравнения периода с порогом периода и, если период превышает порог периода, выполнение любого этапа демпфирования высшей моды, изложенного выше, для демпфирования одной или нескольких высших мод колебаний. Один пример порогового периода составляет пять секунд. После увеличения основного периода прилипания-проскальзывания за данный порог, действующий момент инерции уменьшают для противодействия любым высшим модам колебаний. В некоторых вариантах осуществления выше порогового периода действующий момент инерции уменьшается с увеличением периода. Например, действующий момент инерции можно уменьшать, как функцию периода, мониторинг которого осуществляют. В одном конкретном примере, действующий момент инерции уменьшается линейно на 100%-25% полного значения с увеличением периода по мониторингу между около пяти и восьми секунд.

В некоторых вариантах осуществления ПИ-регулятор может содержать ПИД-регулятор, в котором параметр, получаемый дифференцированием, не используют в реализации уменьшения действующего момента инерции. Например, стандартный цифровой ПИД-регулятор может быть приспособлен (например, осуществлять корректировку кода низкочастотного источника) для реализации уменьшения действующего момента инерции.

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 хронометрированием 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 такой этап корректировки параметра Р, что коэффициент отражения не обращается в нуль, при этом подавляется разделение основной моды колебаний прилипания-проскальзывания на две новых моды с отличающимися частотами.

В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно содержит этап корректировки параметра Р, как 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 или уменьшения, величины колебаний прилипания-проскальзывания, 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, причем способ дополнительно содержит этап шунтирования регулятора скорости бурильного механизма ПИ-регулятором во время демпфирования колебаний прилипания-проскальзывания. ПИ-регулятор может быть оборудован 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, способ дополнительно содержит этапы настройки ПИ-регулятора, при возникновении колебаний 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 создавать, как программное обеспечение, установленное на ПЛК или другом компьютерном механизме управления на месте изготовления. В работе ПИ-регулятор используется непрерывно, но может нуждаться в настройке, как описано выше, только когда возникают колебания прилипания-проскальзывания. Данную настройку можно включать в работу автоматически программным обеспечением устройства дистанционного управления бурением (например, с 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 крутящего момента на валу бурильного механизма. Это является особенно полезным, применяемым в случае необходимости, признаком изобретения и, при этом выходные данные могут отображаться на пульте управления бурильщика, или по другому для помощи бурильщику для визуализации происходящего в скважине.

В других вариантах осуществления изменения крутящего момента на валу выражаются 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, 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 даются, 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 является полезным 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, при этом осуществляется проходка поверхности земли; и

(б) в ответ на детектирование колебаний прилипания-проскальзывания бурильной колонны использование ПИ-регулятора для управления бурильным механизмом, причем ПИ-регулятора настроенного способом по любому из п.п.1-27 формулы изобретения. 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, причем способ содержит 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), как модернизацию 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, причем бурильный механизм содержит электронный регулятор с ПИ-регулятором и запоминающее устройство, сохраняющее исполняемые компьютером инструкции, при исполнении, обуславливающие 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, причем электронный регулятор содержит ПИ-регулятор и запоминающее устройство, сохраняющее исполняемые компьютером инструкции, при исполнении, обуславливающие настройку электронным регулятором ПИ-регулятора согласно этапам настройки, изложенным выше. Такой электронный регулятор является полезным для модернизации существующих буровых установок или там, где желателен или необходим электронный регулятор, отдельный от бурильного механизма.

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

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

(а) демпфирования колебаний прилипания-проскальзывания с использованием бурильного механизма сверху бурильной колонны; и

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

отличающийся этапом

(в) уменьшения действующего момента инерции бурильного механизма, при этом как основная частота, так и, по меньшей мере, одна мода более высокой частоты (гармоника) колебаний прилипания-проскальзывания демпфируются одновременно. Действующий момент инерции можно уменьшать настройкой ПИ-регулятора (который включает в себя ПИД-регулятор) и/или изменением в бурильном механизме с повышением передачи.

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.

Н