Устройство для моделирования процесса поиска эффективной осевой нагрузки на долото

Устройство для моделирования процесса поиска эффективной осевой нагрузки на долото

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советскнк

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 070580 (21) 2921740/22 03 (5т)М.Кл з

Е 21 В 44/00

E 21 В 19/08 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

{53) УДК б22. 24.08 (088.8) Опубликовано 230182, Бюллетень ¹ 3

Дата опубликования описания 23 ° 01 82

Э.A.Àéçóïïå, В. A. Кузнецов, Н.Ф. Богданов, В.A. Бражников, В.A.Êóëèøåíêî и M.È.Cåðãååâ (72) Авторы изобретения

Куйбышевский политехнический институт им. .В.Куйбышева

Министерства высшего и среднего специально

РСФСР (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПОИСКА

ЭФФЕКТИВНОЙ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ HA ДОЛОТО

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин и может быть использовано при проектировании, производстве и испытании информационно-вычислительных систем, используемых для управления процессом бурения.

В процессе бурения функциональная зависимость между осевой нагрузкой на долото, являющейся основным регулируемым параметром, и скоростью бурения имеет экстремальный характер, и основной задачей управления процессом бурения является поиск и поддержание эффективной осевой нагрузки на долото, при которой скорость бурения достигает максимальной величины.

Трудности управления процессом бурения связаны с. тем, что выходные параметры процесса и регулирующие воздействия определяются по наземным параметрам, искажениям возмущающими воздействиями и помехами. В канал регулирования осевой нагрузки на долото входит колонна бурильных труб, обладающая упругими и инерциальными свойствами, буровая лебедка, входящая в спуско-подъемный механизм.

Силы трения бурильной колонны о стенки скважины, упругие свойства бурильной колонны обуславливают специфические переходные процессы в бурильной колонне, которые необходимо учитывать при поиске эффективной осевой нагрузки.

Функциональная зависимость механической скорости бурения от осевой нагрузки на долото зависит от сочетания режима бурения, типа долота, свойств разбуриваемой породы я может измеияться в широких пределах.

Для оптимизации систем управления процессом бурения, производящих определение и поддержание эффективной осевой нагрузки на долото, необходимо устройство для моделирования поиска эффективной осевой нагрузки на долото, учитывающее упругие и инерционные свойства бурильной колонны, инерционные свойства спуско-подъемного механизма и функциональную зависимоть между механической скоростью бурения и осевой нагрузкой на долото.

Известно устройство, предназначенное для моделирования процесса бурения, в котором технологические.

899877 параметры бурения задаются программ.но. Известное устройство содержит автоматический потенциометр, измерительный мост, в одном из плеч которого находится фотоэлемент, связанный с кареткой. На диаграммной ленте автоматического потенциометра наносится кривая, которая моделирует, например, изменение во времени осевой нагрузки на долото. Баланс моста с фотоэлементом наступает тогда, когда одна половина окна последнего оказывается освещенной, а другая затемненной.

Если при движении диаграммной ленты кривая относительно фотоэлемента смещается, то возникает напряжение разбаланса на выходе моста, которое через усилитель автоматического потенциометра подается на его двигатель.

Последний, отрабатывая разбаланс, передвигает каретку с фотоэлементом по закону, определяемому нанесенной кривой. Неиспользуемый расход автоматического потенциометра записывается необходимым напряжением. С движка этого реохорда снимается напряжение, изменяющееся по закону кривой на диаграммной ленте.Это напряжение используется в качестве, входной величины прибора для определения эффективной нагрузки при его лабораторных испытаниях (1).

Недостаток .этого устройства связан с тем, что моделируемый параметр задается только в функции времени, что не позволяет моделировать функциональные зависимости механической скорости бурения от осевой нагрузки.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для моделирования автоматизированной буровой установки, содержащее последовательно соединенные блок задания глубины скважины, блок моделирования циркуляционной системы и блок вычисления механической скорости, блок задания аварийных ситуаций, выход которого подключен ко второ- му входу блока моделирования циркуляционной системы, блок моделирования крутящего момента, блок вычисления веса на крюке, блок моделирования износа вооружения долота, блок моделирования проходки, блок сопряжения с вычислительной машиной и блок моделирования динамики систем автоматического регулирования, выход кот прого соединен с первыми входами блока моделирования крутящего момента, блока вычитания веса на крюке, блока моделирования износа вооружения долота, блока сопряжения с вычислительной машиной, со вторым входом блока вычисления механической скорости и с третьим входом блока моделирования циркуляционной сискости и проч. бО

5

4S

50 темы, выходы блока моделирования износа вооружения долота и блока вычисления механической скорости подключены к соответствующим входам блока моделирования проходки, выход блока задания аварийных ситуаций соединен со вторыми входами блока моделирования крутящего момента и блока вычисления веса на крюке, выход блока задания глубины скважины подключен к третьим входам блока вычисления механической скорости, блока моделирования крутящего момента, блока вычитания веса на крюке и ко второму входу блока сопряжения с вычислительной машиной, третий, четвертый, Ilpтый и шестой входы блока сопряжения с вычислительной машиной соединены соответственно с выходами блока моделирования циркуляционной системы, блока моделирования крутящего момента, блока вычисления веса на крюке и блока моделирования проходки, а выход блока сопряжения с вычислительной машиной подключен к блоку моделирования динамики систем автоматического регулирования (2) и (3) .

Недостатки известного устройства связаны с ограниченностью его применения, обусловленной необходимостью сопряжения с цифровой вычислительной машиной, отсутствие блока моделирования переходных процессов в колонне бурильных труб не позволяет моделировать различные методы поиска эффективной осевой нагрузки на долото, исследовать динамику, устойчивость и метрологические характеристики систем управления, отсутствие блока моделирования экстрементальной зависимости между механической скоростью бурения и осевой нагрузкой на долото не позволяет исследовать сходимость процесса поиска эффективной осевой нагрузки, динамику этого поиска и его точность, отсутствие блока моделирования сил трения не позволяет исследовать влияние сил трения колонны бурильных труб о стенки скважины и трения в приводе бурильной колонны на динамику и точность поиска эффективной осевой нагрузки, а отсутствие блока моделирования случайных возмущений не позволяет исследовать сходимость процесса поиска эффективной осевой нагрузки при воздействии помех, таких как вибрации бурового инструмента, пульсации давления промывочной жидЦель изобретения — повышение точности моделирования поиска эффективной осевой нагрузки на долото и упрощение устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее блок моделирования полного веса бу899877 рильной колонны, сумматор, блок моделирования скорости подачи бурильной колонны, блок моделирования из1лоса вооружения долота и блок моделирования динамики привода бурильной колонны, дополнительно введены блок моделирования сил трения, блок моделирования случайных возмущений, блок моделирования переходных процессов в колонне бурильных труб и блок моделирования экстремальной зависимости механической скорости бурения от осевой нагрузки на долото,причем выходы блоков моделирования сил трения случайных возмущений связаны со входами блока моделирования скорости подачи бурильной колонны, выход которого соединен со входом блока моделирования динамики привода бурильной колонны, один иэ входов блока моделирования переходных процессов в колонне бурильных труб соединен с выходом блока моделирования динамики привода бурильной к<хпонны, второй его вход связан с выходом блока моделирования износа вооружения долота, а выход связан с одним из входов сумматора и через блок моделирования экстремальной зависимости механической скорости бурения от осевой нагрузки на долото сс входом блока моделирования износа вооружения долота.

На чертеже представлена блок-схема устройства для моделирования поиска эффективной осевой нагрузки на долото, Устройство содержит блок 1 моделирования полного веса бурильной колонны,сумматор 2, блок 3 моделирования сил трения колонны бурильных труб о стенки скважины, блок 4 моделирования случайных возмущений, блок 5 моделирования скорости подачи бурильной колонны, блок 6 моделирования динамики скорости подачи бурильной колонны, блок 6 моделирования динамики привода бурильной колонны, блок 7 моделирования переходных процессов в колонне бурильных труб, блок 8 моделирования экстремальной зависимости механической скорости бурения от осевой нагрузки на долото, блок 9 моделирования износа вооружения долота. Связи блоков указаны на чертеже и дополнительных пояснений не требуют.

Блок 1 моделирования полного веса колонны бурильных труб содержит регулируемый источник опорного напряжения и предназначен для имитации полного веса бурильного инструмента. Сумматор 2 предназначен для формирования напряжения, имитирующего текущее значение веса инструмента. Блок 3 моделирования сил трения бурильной колонны о стенки скважины, содержащий источник опорного напряжения, делитель и переклю.чатель, предназначен для выборки сигнала, пропорционального ускорению свободного падения с учетом сил трения бурильных труб о стенки скважины, блок ч моделирования слу5 чайных возмущений содержит генератор шума, делитель и переключатель и предназначен для внесения случайных составляющих в каналы измерения.

Блок 5 моделирования скорости подачи бурильной колонны, содержащий параллельно включенные интегратор и ключ, управляемый сигналом от вычислительной управляющей машины, предназначен для имитации скорости подачи верхнего конца колонны бурильных труб. Блок 6 моделирования динамики привода бурильной колонны имитирует свойства спуско-подъемного механизма и колонны бурильных труб, а блок 7 моделирования переЩ ходных процессов в колонне бурильных труб имитирует текущее значение осевой нагрузки на долото. Блок 8 моделирования экстремальной зависимости механической скорости бурения от осевой нагрузки на долото содержит лагарифматор и сумматор и предназначен для моделирования функциональной зависимости скорости бурения от осевой нагрузки на долото, эта зависимость теоретически имеет один глобальный максимум, абсолютное значение которого зависит от глубины скважины, буримости пород и качества очистки забоя. Блок 9 моделирования износа вооружения долота содержит источник опорного напряжения и регулируемое сопротивление и пред» назначен для имитации износа вооружения долота в процессе бурения.

Устройство работает следующим об40 разом

Напряжение, имитирующее полный вес бурильной колонны, с выхода блока 1 поступает на первый вход сумматора 2. Сигнал управления Uy, по45 даваемый либо вручную, либо от системы управления бу рением, поступает на управляющий вход блока 5 моделирования скорости подачи бурильного инструмента, на первый вход которого подается сигнал от блока 3 моделирования сил трения бурильной колонны о стенки скважины, на второй вход поцается сигнал от блока я моI делирования случайных возмущений.

55 В течение вРемени действия упРавляющего сигнала на выходе блока 5 моделирования скорости подачи бурильной колонны формируется напряжение, имитирующее нарастающую скорость перемещения верхнего конца бурильd0 ной колонны, движущейся под действием силы тяжести при наличии сил трения бурильной колонны о стенки скважины. Сигнал, им.-лтирующий подачу бурильного инструмента, проходя

65 через блок 6 моделирования динамики

899877

20

30

40

50 привода бурильной колонны, приобретает характер, определяемый передаточной функцией инерционных звеньев, какими являются спуско-подъемный механизм и бурильная колонна. Далее сигнал поступает на первый вход блока 7 моделирования переходных процессов в колонне бурильных труб.

Этот сигнал поступает на второй вход сумматора 2, на выходе которого формируется напряжение, имитирующее текущее значение веса бурильного инструмента.

Сигнал об осевой нагрузке на долото поступает также на вход блока 8, моделирующего экстремальную зависимость механической скорости бурения от осевой нагрузки на долото:

v = f (v(t) )

Напряжение с выхода блока 8 поступает на вход блока 9 моделирования износа вооружения, на выходе последнего вырабатывается сигнал, имитирующий механическую скорость бурения, этот сигнал подается на второй вход блока 7 моделирования переходного процесса в колонне бурильных труб, в результате чего, при отсутствии сигнала подачи, напряжение на выходе блока 7, имитирующее осевую нагрузку на долото, уменьшается, характеризуя процесс разбуривания на забое.

Использование блока моделирования экстремальной зависимости механической скорости бурения от осевой нагрузки на долото и блока моделирования сил трения колонны бурильных труб о стенки скважины уточняет процесс моделирования поиска эффективности осевой нагрузки на долото, по сравнению с известным устройством, за счет учета сил трения в колонне бурильных труб и учета зависимости механической скорости бурения от осевой нагрузки на долото.

Использование электрических процессов в блоке моделирования переходных процессов в колонне бурильных труб в качестве прямых аналогов переходных процессов в бурильной колонне, связанных с нагружением и разбуриванием на забое, упрощает само устройство, а также его согласование с различными комплексами для оперативного управления процессом бурения.

Формула изобретени

Устройство для моделирования процесса поиска эффективной осевой нагрузки на долото, содержащее блок моделирования полного веса бурильной колонны, сумматор, блок моделирования скорости подачи бурильной колонны, блок моделирования износа вооружения долота, блок моделирования динамики привода бурильной колонны, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности моделирования поиска эффективной осевой нагрузки на долото, в него дополнительно введены блок моделирования сил трения, блок моделирования случайных возмущений, блок моделирования переходных процессов.в колонне бурильных труб и блок моделирования экстремальной зависимости механической скорости бурения от осевой нагрузки на долото, причем выходы бло- ков моделирования сил трения и случайных возмущений связаны со входами блока моделирования скорости подачи бурильной колонны, выход которого соединен со входом блока моделирования динамики привода бурильной колонны, один из входов блока моделирования переходных процессов в колонне бурильных труб связан с выходом блока моделирования динамики привода бурильной колонны, второй его вход связан с выходом блока моделирования износа вооружения долота,. а выход связан с одним из входов сумматора и через блок моделирования экстремальной зависимости механической скорости бурения от осевой нагрузки на долото соединен со входом блока моделирования износа вооружения долота.

Источники информации, принятые во внимание при экопертизе

1. Степянян А.А. и др. Прибор для определения эффективности нагрузки на долото. Труды КуйбышевНИИПН, вып. 41, Куйбышев, 1969.

2. Авторское свидетельство СССР

М 615499, кл. G 06 G 7/48, 1978.

3. Фингерит M.A. Рациональная эксплуатация шарошечных долот. M., Недра, 1965.

ВНИИПИ Заказ 12115/46

Тираж 623 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4