Способ управления процессом бурения иустройство для его осуществления

Способ управления процессом бурения иустройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советских

О П И С А Н И Е <>827759

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 07.06.79 (21) 2776415 22-03 с присоединением заявки— (23) Приоритет— (43) Опубликовано 07.05.81. Бюллетень Х2 17 (45) Дата опубликования описания 22.05.81 (51) Л1.Кл." Е 2II В 45j00

Государственный комитет сссР ло делам изобретений и открытий

f53) УДК 621.316.7:

:622.24.08 (088.8) Y.- relyò.»» ..Р„. Ъ Яу ЩЩ, В. К. Бицута и Ю. М. Дунаев

Грозненский ордена Трудового Красного Знамени нефтяной институт им. акад. М. Д. Миллионщикова

Министерства высшего и среднего специального образованиия"- -"-"-" "й., РСФСР (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ БУРЕНИЯ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретен не отнюоится к горному делу, а точнее к технике и технолопии автоматического ко нтроля и управления процессом бурения,преимущественно глубоких GMB3жин.

Известен способ автоматического управления процессом бурения, в котором в качестве параметра регулирований причинят передаваемый крутящий .момент, полагая его пропорциональньпм эффективности бурения (1). В основу да нного способа управления положено мнение о постоянстве удельной энергоемкости процесса бурения.

Данный способ;реализовавши устройством, обеспечивающим автоматическое регулирование нагрузки на долото в зависимости от заданного крутящего;момента,на роторе.

Однако пр|и эксплуатации на буровых данных устройств, реализующих способ автоматического управления со стабилизацией крутящего момента, механическая .скорость проходки резко падала во времени,,peryли рова ние при этом оказалось,не оптимальным и не п|риемлемым для всех глубин бурения.

Известен способ автомавического управлен ия бурением, в,котором оценщику оптимальности бурения производят по ма кси муиу (критерия оптимальности) механической скорости проходки (2).

Основа и этот способ 1на,наличии явно выраженного экстремума в аналивической зависимостями мехавической скорости проходки от осевой нагрузки на долото лри турбинном бурении.

Основная последовательность операций при реализапии даренного способа уоравле:н ия заключена в измерении скорости ароходки; подача дан нопо сигнала на;вход эк10 стремального регулятора и максимализации скорости, проходки регулированием осевой нагрузки на долото. Реализован да нный способ управления устройством, содержащим датчик скороспи лроходки, блок

15 регулирования осевой:нагрузки и экстремальный регулятор.

Практическое п ри мененне данного способа даже для турбинного бурения не обеспечивает оптимальность бурения, т. к.

20 1наличие четкого экстремума в зависимости скорости п роходкн от осевой нагрузки:на долото является следствием мягкости ха|рактеристики турбобура, а в лроцессе взаимодействия колонны со стенками скважинки

25 резко возрастают помехи, вызываемые силами трения, кото рые искажают характер вышеуломянутой зависимости появлением .нескольких экстремумов.

Известен способ а втоматического .ко нтзО .роля и управления процессом турбинного

827759

65 бурении, являющийся наиболее близиим по технической сущности и достигаемому положительному эффекту решения техническойг задачи (3).

В данном способе автоматический KQIHTроль и упразление процессом бурения основано на выполнении следующих операций.

Перед началом бурения про изводят взвеш ивание бурового инструмента путем кор|ректирования нулевого положения стрелки блока измерения осевой нагрузки. Отслеживают поло кение бурового kkíñòðóìåtíòà и по досгижению долотом забоя, блох контроля положения бурового инструмента формирует командный сигнал, приводящий к устагговке в исходное состояние а нализаторов определения момента подъема долота, путем одновременного а нализа степени из носа его воору кения и заклин и ванпгг опор долота. После приработки долота производится операция поиска эффективной наг1рузки Hа долото, для чего нагрузка,на долото доводится до значения, близкого к тормо кеншо турбины, прекращают подачу бурового илструмента. Анализируют изменение сигнала о осевой нагрузке во времени, который фильтруют от низкочастотных помех, д|гффереицпруют его и определяют максимум функции первой производной данного сигнала. Одновременно отсле>кивагот

1изменепие отлаженного сигнала осевой HBгрузкп на,долото,и определяют эффективную величину ее, соответствующую максимуму фуикции первой пропзводной данного сигнала зо времени. После уста,новления оптимальной осевой нагрузки на долото, за;пускают в работу анализатор повто рения исиска эффект|гвнойг осевой нагрузки, в ,которогм .измеряют и запоминают отрезок проходки, пробуренной за о пределенныйг интервал времени после установления эффекгизной нагрузки, замеряют дальнейшие от резки прохо.чкгг за такое же время, определяIQT опIîøåíèå эти < величин iH cpàвннва1 ют их с установкой -; и --,.— —. СледоваС;> тельно, на основе данной информации анализатор момента времени срабатывает, когда забойные условия существенно изменяются, что определяется изменением текущей механической скорости к начальной (после установления эффективной осевой

:нагрузки) в заданное число раз. При наступлении данного монумента анализатор повторения, поиска эффективной нагрузки извещает об этом световым табло По вторить поиск, и оггерацию оперативного выбора режима бурения, изложенную выше, повторяют.

Одновременно анализируют степень износа вооружения, для чего анализируют рейсовую GI

Зо

35 0

55 мируют QTHQIIIBHHp текущей рейсовой скорости к средней механической скорости проходки и сравнивают его с заданной вел!гг ч иной.

При превышении заданного значения форм ируется сигнал о износе,вооружения

Io целесообразной величины, связанной с достижеггием действительного значения макс.Iìóм"-. рейсовой скорости, и за>кигастся табло Изношено вооружение. Это означает, что долото необходимо сменить,,но одновременно анализируют изменение крутящего момента,на роторе и, если Hp наступило условие, изложенное выше, то при превышении отношения текущего значения крутящего момента на роторе к велич ине крутящего момента при Holpмальном с0стоянии долота по сравнению с заданным и превышении продолжиTåëbностп увеличен ного сигнала заданной величины формируют сигнал о захлинива нгти опор долота и зажигают табло Изношена опора, что также означает необходимость смены долота. Hpk от рыве бурового инструмента от забоя блокируют функционггрова ние и выполнение всех пзложс.гных операций, à при повторном достижении забоя осуществляют их автоматическое выполнение без потери предыдущей информации.

Изложенный автоматический контроль и управление процессом бурения имеет многие явные преимущества по сравне.пгго со всем|и извсстнь1ми, однако и он обладает рядом объективных недостатков, а именно ограниченностью п р ггменения только для управления турбинным бурением и невозможностью его прихгененпя для эффективного управления прп:роторном бурении.

1 роме того, операции оперативного выбора режима бурен ия достаточно сложны и цикл пх выполнения совместно с протеканием переходных процессов торможения турбины привоjkIT к закономерным потерям времени бурения, что в свою очередь снижает эффективность управления,,сии>кает рейсовуго скорость бурением низкой степенью эффективности управления, обусловленной ограничениями возможности увеличения числа определяемых эффективных технологических параметров режима бурения, а именно только осевую, нагрузку на долото.

Целью да нного изобретения является обеспечение возможносви управления и повышение степени эффективности управления как при турбинном, так,и,IIplH ipoTopном бурении для получения максимальной проходки на долото.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, в котором контролируют в каждом рейсе долота доспижение им забоя скважины, затем оперативным поиском выбирают режим бурения, осуществляют долбление в данином,режиме и устанавливают момент подъема долота, оперативный поиск оптимальных значений ос827759

V-"(t)

maxH= max

G, и, Q V(t)i

V- (3)

/ (t) 40 сИ dh

dt dt

max Н = max

V(t)

G, n, QK (2) новных технологических параметров режима бурения осуществляют последовательно по всем па раметра м и непрерывно, в течен ие всего долбления, для чего синтезируют сигнал критерия оптимизации, например в виде отношения квадрата механической скорости парохода,к модулю ее ускорения, который обрабатывают с помощью экстремального управляющего устройства, à оптималыность каждого варьируемого параметра устанавливают по,изменению состояния данного устройства.

Для осуществления данного способа уп:равления предложено устройство, содержащее датчик перемещения бурового инст румента и датчик крутящего момента на рото ре, связанные соответственно со световым и табло Изношено:вооружение и Изношена опора через анализаторы рейсовой скороспи проходки и заклинивания опор долота, блокирующие входы которых объединены с выходо м блока контроля положения бурового инструмента.

Кроме того, устройство дополнительно снабжено блоком измерения квадрата ско рости проходки, блоком измерения модуля ускорения проходки, делителем и экстре,мальным управляющим устройством, причем вход датчика перемещения бууового и нструмента дополнительно подключен ко входам блока измерения, квадрата скоp lcm.

В основу п редложенного управления процессом бурен ия положена основная закономерность, заключающаяся в том, что по мере углубления скважины происходит естественное уменьшение скорости н1роходк и в,результате из носа разрушающего 1инстру,мента где дУ вЂ” элементарное п риращение (уменьшение) скорости проходки, dh — элемента|рное приращение,проходки, К вЂ” коэффициент пропорциональноссти, зависящий от G — осевой,наг рузк и на долото, и — его оборотов, Q— расхода .промывочной жидкости и:неуправл яемых геолого-темн ических условий процесса разрушения.

Так как скорость проходки и коэффиIIHeHT К являются функциямн вышеуказанных переменных пара метров режима бурения, то поставленная, задача оптимального управления сводится,к максимизации соотношения: где Н вЂ” проходка на долото, 10

Зо

С учетом (1) соотношение (2) а ринимает вид:

Полученный .критерий оптимизации показывает, что для получения максимальной проходки на долото, необходимо и достаточно управлять режимными параметрами процесса долбленая так, чтобы непрерывно поддерживать максимум текущего з начения критерия оптимизации

Синтезируют непрерывный сигнал кр итери я оптимизациями в соответствии с алго ритмом (4), для чего .измеряют квадрат скорости проходки,,модуль ускорения проходки и осуществляют деление одного сигнала на другой. Получен ный сигнал, максимизи руют, с этой целью обрабатывают его с помощью экстремального управляющего устройства для непрерьгвного поиска максимума критерия оптнмизации. При этом экстремальное управляющее устройство изменяет свое состояние в моменты времени, когда текущее з начение KpiBTGpHH оапимизаци и имеет максимум. На базе данных особенностей, поведения сигнала критерия оптимизации и экстремалыного управляющего устройства в предложенном способе осуществляют оперативный поиск оптимальных значений основных технологических параметров процесса бурения.

Для это го выполняют следующую последовательность технолопических операций, отслеживают:перемещение бурового инструмента и контролируют достижение долотом забоя скважины.

Затем выполняют оперативный поиск оптимальных значений основных технологических параметров .процесса бурения отслеживая изменение состояния экстремаль ного управляющего устройства при варьировании любого требуемого технолопического параметра.

Изменяя, свое состояние, экстремалыное управляющее устройство сигнализирует о достижении часпного экстремума критерия оптимизации по данному технологическому параметру, оптимальное значение кото рого стабилизуется. Таким же путем,,последователыно по каждому технологическому па раметру и непрерывно в течение всего дробления, осуществляют поиск оптимальных з начений всех регулируемых технологических параметров.

Установление оптимальных значений всех регулируемых параметров обеспечивает достижение глобального экстремума—

827759

1О потенциально возможной проходки IHa долото.

Варьирование .регулируемых па|рамет|ров,может осуществляться |начиная с любо,го параметра. На иболее удобно, начинать с поиска оптимального, значения осевой нагрузки на долото. Создается необходимая осевая нагрузка, путам увеличения ее до,минимальных значений до тех пор, пока пе изменится состоян ие экстремального уп|равляющего устройства. Полученное значе ние осевой;нагрузки стабилизируется, после чего мо?кно оп ределять оптимальное значе|ние частоты вращения долота, для этого изменяют частоту епо вращения до тех,пор,,пока не изменится состояние экст ремального управляющего устройства. Уста на вл ивают полученное значение частоты вращения и приступают к оптим изации следующего параметра.

Таким образом устанавливаются опти мальными .все основные |регулируемые технологические па раметры процесса бурения, т. е. осевая нагрузка на долото, частота его вращения,,расход и плотность промы|воч ной жидкости.

После этого в новь варьируют осевую

|нагрузку на долото и устанавливают ее оптимальное значе|ние. Таким образом olneративный поиск оптимальных значений ос|новных технологических параметро в процесса бурения в силу оп ределанной его специфики осуществляют последовательно по всем технологическим пара метрам и,непре рывно в течение .всего долбления. Практически бурильщику нет необходимости следить за показаниями приборо в, он отлеживает состояние экстремального управляющего уст р ой ств а.

С инхронно с началом оперативного,поиска автоматическими,осуществляют а нализ степени, износа вооружения долота и работоспособности onolp долота для установления момента подьема долота.

По устанс влению этого момента про изводят смену долота, а затем все операции осуществляются вновь.

Способ, реализуется устройством, изобра?конным IHa чертеже.

Устройство содержит датчиии 1 и 2 coîтветспвен но перемещения бурового IHHcT румента и крутящего момента на роторе; блоки 8 — ко нтроля положения бурового

|и нспрумента, 4 — измерения квадрата скорости проходки, б — измерения модуля ускорения п роходки; анализаторы: б— рейсовой скорости проходки, 7 — заклиниван ия опор долота; делитель 8, цепь И 9, экслремалыное управляющее устройство

10, световое табло: 11 — Изношено вооружение, 12 — Изношена опора, 18 — Вариац.ия.

Выход датчика 1 перемещения бурового инструмента подключен ко входам блока

3 ко нтроля положения бу|рового,инструмен15

25 зо

55 бо

65 та, блока 4 измерения квадрата скорости проходки, блошка б измерения модуля уско рен ия проходки:и;анализатора б рейсовой скорости проходки, выполненного в виде счетно-решающего уcIIpoI" ства для форми рован ия текущей .рейсовой, скорости, текущей усредненной механической скорости, деления первой iHa вторую и,непрерывного сравнения этого отношан11я с заданным значением уставки.

Выход анализатора б соединен со световым табло 11 Изношено вооружение, Выход датчанка 2 крутящего момента связан со входом анализатора 7 заклинки опор долота, выполненного в виде счетно-.решающего устройства и предназначенного для форми рова ния отношения текущего значения крутящего момента, необходимого для вращения колонны буровых труб в процессе бурения при нормальном состоянии опор долота к крутящему моменту при заклини вании опор долота,,и clpaBHHBBIHèåì его с задан ной величиной. При вращении этого отноше ния заданной велич ины и продолжительности увеличенного сигнала заданной величины формируется сигнал о заклинивании опор долота. Выход анализатора 7 подключен к световому табло 12 Изношена спора.

Выходы блоков нзмерения 4 и б объедиk

10, .подключен|ного совместно с блокирующим выходом блока 8 ко нтроля положения бурового инструмента через цепь И 9 к

cB=ToBo iy табло Вариация, а выход блока

8 связан также с блокирующими выходами аНа.n13aTop0в б и 7.

Устройство раоотает следующим ооразом.

После спуска ин "трумента в скважину, создают допустимые IXIHHiHмалыные значения технологических, параметров, режима бурения при этом мо@но использовать и,1формацию по предыдущему рейсу долота.

В момент касания долота забоя блок 8,контроля положения сформирует, командный сигнал, автоматически включающий !B cHIHхронную работу а нализаторы б и 7. Этот же сипнал поступает на вход цели И 9,,на второй вход которой поступает сигнал с выхода экстремального управляющего устройства 10. Наличие да нного сипнала на выходе устройства 10 всегда означает, что даже минимум оди н из всех технологических napaмет|ров- режима бурения,не отвечает (соответствует) максимуму критерия оптимизации, формируемого автоматически и поступающего на вход экстремальяого управляющего устройства. Наличие двух сигналов на входах цепи «И» 9 зажигает табло 18 Вариация. Другие световые табло

11 и 12 погашены. После п риработии опор долота осевая нагрузка на долото доводится до его опт|имального значения, п ри кото827759

55

60 ром критерий оптимизации достигает частного экстремума. Достижение этого экстремума фиксируется по световому табло 18, которое при этом гаснет, так,как на выходе экстремального управляющего устройстаа нсчсзнет сигнал (выходной сигнал устройства 1Î в этот момент равен нулю).

Найденное оптимальное значение осевой нагрузки IIIa долото стабилизируется. Световое табло 18 зажигается. Теперь путем варьирования отыскивается оптимальное значение любого требуемого технологического лараметра:реж има бурения (частоты ьращения долота; расхода промывочной жидкости и т. д.), соответствующее частному экстремуму критерия оптимизации по данному технологическому параиетру.

После завершения оптимизации по всем управляемым технологическим параметрам реж има бурения, весь описанный цикл может повторяться с любого технологического па раметра.

Одновременно осуществляется синхрон,ное отслеживание износа долота и состояния опор долота. При этом анализатор б рейсовой скорости проходки на основе информации от датчика перемещения бурового инструмента, формирует отношение текущей рейсовой скорости к средней за время Л1 механической скорости и сравнивает его с заданной величи ной. При превышении этого отношения заданной величины, анализатор 6 зажигает табло 11 Изношено вооружение. Это рекомендует сменить долото. Если состояние вооружения отвечает требуемому, то на основе работы анализатора 7 может создаться ситуация, прп которой выявляются условия заклинки опор долота, что также отображается световым табло 12 Изношена onoipa, которым управляет выходной сигнал анализатора 7, заклинивания опор долота. При этом также необходима оперативная смена долота.

Преимущества предложенного способа автоматического контроля:и управления процессом бурения и устройства для его осуществления очевидны.

Использование данного способа устройства позволит получить максимальную п роходку isa каждое долото и в процессе .каждого долбления, что в свою очередь повысит коммерческую скорость .и сниз ит стоBivI0cTb строительства глубоких скважин.

П рогнозируемый средний рост проходки:на долото при оптимизированном управлении в роторном бурении по сра внению с неоптимизированньгм бурением составит 48о о при снижении себестоимости бурения на

22 /о и экономии долот на ЗОО/о в расчете на трои скважины.

Фактически технико-экономические по10

50 казатели будут уто гиены на базе реальных показателей объекта.

Ф ор мула изобретения

1. Способ управления процессом бурения лутем контроля п выбора оптимальных режимных параметров, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью обеспечения максимальной проходки на долото, определяют отношение квадрата меха нической скорости проходки к модулю ее ускорения и осуществляют выбор режимных параметров бурения, обеспечивающих максимум указанного отношения.

2. Устройство для управления процессом бурения, содержащее датчик, перемещения бурового инструмента, выход которого подключен через анализатор рейсовой скорости проходки ко входу светового табло

«Изношено вооружение», датчик крутящего момента на роторе, выход которого подключен через анализатор заклинивания опор долота ко входу светового табло «Изношена опора» и блок контроля положения бурового инструмента, о т л,и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью обеспечения оперативного управления и повышения степени эффективности управления;как,на турбинном, так л при роторном бурении для получения максимальной лроходки на долото, оно

cHa6a ено блоком .ira»repeHna icaappaTa сКорости проходки, блоком измерения модуля ускорения,проходки, делителем, схемой И и световым табло «Вариация», прп этом выход датчика перемещения бурового инструмента подключен ко входам блока;измерения квадрата скорости проходки л блока измерения модуля ускорения проходки, выходы которых подключены через последовательно соединенные делитель, экстремальное управляющее устройство я схему

И к световому табло «Вариация» причем вход анализатора опор долота подключен к выходу схемы И и к выходу анализатора рейсовой скорости проходки, а выход датчика перемещения бурового инструмента подключен ко,входу блока контроля положения бурового инструмента, Источники информации, принятые во внимание прои экспертизе:

1. Блохин В. Г. «Некоторые вопросы автоматизации, управления процессом геологоразведочного бурения», Труды МКБ, вып. 7. М., ОНТИ ЦКБ, 1963.

2. Вольгемут Э. А. и др. «Устройство подачи долота для бурения нефтяных и газовых скважин», Недра. М., 1969, с. 145—

152.

3. Авторское свидетельство СССР

;Vs 248591, кл. Е 21 В 45/00, 1968.

827759

Составитель Г. Данилова

Техред Л. Куклина

Редактор T. Авдейчик

Корректор С. Файн

Тип, Харьк. фил, пред. «Патент»

Заказ 568/508 Изд. № 358 Тираж 634 11одп и сн ое

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5