Способ управления процессом бурения скважин забойным гидродвигателем

 

Использование: изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин забойными гидродвигателями с переменным перепадом давления. Сущность изобретения: способ основан на контроле изменения режима нагружения забойного гидродвигателя и оптимизации режима его эксплуатации путем регулирования осевой нагрузки на долото. Контроль изменения режима нагружения забойного гидродвигателя осуществляют путем измерения параметра состояния приводного двигателя бурового насоса, характеризующего динамический режим работы привода насоса. В качестве указанного параметра может быть использована угловая скорость двигателя, а также ток в цепи или температура обмоток двигателя. Способ позволяет повысить надежность системы управления за счет исключения использования канала связи с забоем и специального забойного датчика угловой скорости гидродвигателя, повысить производительность бурения и снизить стоимость системы управления процессом бурения. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области буровой техники, в частности, к способам бурения нефтяных и газовых скважин установками с нежесткими механическими характеристиками приводных двигателей бурового насоса с детерминированной взаимосвязью угловой скорости и нагрузки на валу двигателя и может быть использовано при проводке скважин забойным гидравлическим двигателем с наклонной линией давления для поддержания его оптимального режима, обеспечивающего максимум эффективной мощности или максимум механической скорости бурения.

Известен традиционный способ управления процессом бурения, основанный на измерении осевой нагрузки на долото и регулировании нагружения долота с помощью различных механизмов его подачи [1] Недостатком традиционного способа является техническая невозможность непосредственного измерения нагрузки на долото, вследствие чего приходится оперировать косвенным измеряемым на поверхности показателем весом на крюке талевой системы буровой установки. При проводке же глубоких и особенно наклонно-направленных и горизонтальных скважин точно зафиксировать по весу на крюке осевую нагрузку на долото вообще не представляется возможным. Кроме того, сама по себе осевая нагрузка без известной информации о свойствах горных пород и состоянии долота фактически не характеризует режим работы забойного гидродвигателя.

Известен современный способ управления забойным гидродвигателем, основанный на непосредственном измерении его угловой скорости и включении ее в контур управления [2] свободный от недостатков, присущих традиционному способу, связанных с недостоверным характером получаемой информации. Однако, для реализации таких систем управления необходимо создать надежный канал связи с забоем (гидравлический или электрический) и устанавливать на валу гидродвигателя датчик угловой скорости.

Как показали многолетние работы в этом направлении это является сложной технической задачей, что затрудняет промышленное внедрение способа.

Известны способы контроля и управления забойным гидродвигателем, перепад давления на котором зависит от крутящего момента и угловой скорости (винтовой двигатель, турбобур типа А), основанные на регистрации давления промывочной жидкости в нагнетательной линии циркуляционной системы [1] Указанные способы оптимизации режимов бурения разработаны как для ручного управления путем визуального слежения за показанием манометра на стояке, так и для автоматизированных систем, в которых осуществляется автоматическое измерение давления и соответствующее формирование управляющего воздействия регулятора подачи долота.

Из известных способ управления процессом бурения скважин забойным гидродвигаталем наиболее близким к предлагаемому является способ управления, обеспечивающий стабилизацию режима бурения путем автоматического регулирования частоты ходов насоса в процессе углубления скважины при изменении физических свойств разбуриваемых пород исходя из поддержания гидравлической мощности забойного гидродвигателя или мощности [3] расходуемой на разрушение забоя [4] основанных на контроле давления промывочной жидкости в нагнетательной линии циркуляционной системы.

К недостаткам указанных способов относится недостаточная достоверность информации, получаемой от специального датчика давления, установленного на манифольде, вследствие колебаний давления, вызванных пульсирующим характером подачи поршневого насоса и забойными возмущениями, что приводит к значительным погрешностям измерения, снижая надежность и точность управления.

Задачей изобретения является повышение производительности бурения за счет повышения точности и надежности управления забойным гидродвигателем с переменным перепадом давления.

Поставленная задача решается тем, что в способе управления процессом бурения скважин забойным гидродвигателем с переменным перепадом давления, основанном на контроле изменения режима нагружения забойного гидродвигателя и оптимизации режима его эксплуатации путем регулирования осевой нагрузки на долото, согласно изобретению контроль изменения режима нагружения забойного гидродвигателя осуществляет путем измерения параметра состояния приводного двигателя бурового насоса, характеризующего динамический режим работы привода насоса, зависящий от режима нагружения забойного гидродвигателя. В предпочтительных вариантах в качестве параметра состояния приводного электродвигателя используют его угловую скорость или ток в цепи электродвигателя или температуру обмоток электродвигателя.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием и сопровождается чертежами, где: на фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемой автоматизированной системы управления забойным гидродвигателем по реакции приводного двигателя бурового насоса, на фиг. 2 механические характеристики приводных двигателей бурового насоса (электродвигателя постоянного тока (линия 1) и дизеля (линия 2), на фиг. 3 гидравлические характеристики винтового забойного гидродвигателя (кривая 1) и турбобура типа А (кривая 2).

На фиг. 4 даны совмещенные механическая характеристика электропривода постоянного тока и нагрузочные механические характеристики насосного агрегата при холостом (кривая 2) и рабочем (кривая 3) режимах гидродвигателя, а на фиг. 5 экспериментальные осциллограммы реакции электродвигателя бурового насоса на изменение режима нагружения забойного винтового двигателя, полученные при промысловых испытаниях на буровых установках БУ 2500 ЭП с регулируемым тиристорным электроприводом постоянного тока.

Сущность предлагаемого способа управления заключается в том, что управление процессом бурения осуществляется по реакции (отклику) приводного двигателя бурового насоса на изменение нагрузки на валу двигателя.

Теоретически и экспериментально установлено, что изменение состояния приводного двигателя бурового насоса, выраженное изменением его параметров, характеризующих динамический режим работы привода насоса, адекватно отражает изменение режима нагружения гидродвигателя и долота через изменения момента сопротивления на долоте, перепада давления в гидродвигателе и давления насоса, а следовательно, момента сопротивления на валах бурового насоса и его приводного двигателя, и в оказании необходимого управляющего воздействия на механизм подачи долота с целью восстановления режима нагружения.

В зависимости от типа используемого приводного двигателя, который может быть электрическим, дизельным или газотурбинным, параметры его состояния могут быть механическими, электрическими или термодинамическими.

При этом приводной двигатель помимо своей основной функции становится также средством диагностики режима бурения распознавания технологических ситуаций в процессе бурения.

При использовании в качестве приводного двигателя бурового насоса двигателей с нежесткой механической характеристикой "крутящий момент М - угловая скорость ωʺ таким управляемым параметром может служить угловая скорость самого двигателя.

В этом случае за счет использования органического свойства приводного двигателя детерминированной взаимосвязи нагрузки на валу двигателя и его угловой скорости осуществляется косвенный контроль режима работы забойного гидродвигателя. Кроме того, угловая скорость вследствие высокого приведенного момента инерции бурового насосного агрегата практически не подвержена влиянию колебаний давления нагнетания и обусловлена только средним крутящим моментом на валу приводного двигателя, пропорциональным среднему давлению насоса.

В частном случае электроприводного бурового насосного агрегата, например, тиристорного электропривода постоянного тока, для контроля режима работы забойного гидродвигателя вместо механической характеристики электропривода могут быть использованы электромеханическая и термомеханическая характеристики, представляющие собой зависимости скорости (момента) электродвигателя соответственно от тока и температуры обмоток электродвигателя. Тогда в качестве управляемого (контролируемого) параметра можно использовать ток и температуру обмоток приводного электродвигателя.

В отличие от основных способов управления процессом бурения (через осевую нагрузку или угловую скорость долота), в которых подача промывочной жидкости и нагружения долота производятся независимо друг от друга, в предлагаемом способе поддержание оптимального режима забойного гидродвигателя осуществляется согласованным управлением буровым насосным агрегатом и механизмом подачи долота.

Для реализации предлагаемого способа в единый комплекс объединяются фактически две системы управления: буровым насосным агрегатом, обеспечивающую заданный расход промывочной жидкости; подачей долота на забой, регулирующую его нагрузку и, тем самым, задающую момент сопротивления на валу гидродвигателя.

Единый комплекс обеспечивает взаимосвязь функционирования двух систем управления. При этом нагружение долота будет осуществляться с учетом изменения состояния (режима нагружения) приводного двигателя.

Теоретическое обоснование предлагаемого способа управления процессом бурения приводится ниже.

Статический режим приводного двигателя бурового насоса определяется из условия равновесия крутящего момента двигателя М и момента сопротивления на его валу М_c.

Крутящий момент приводного двигателя М бурового насоса в общем случае с достаточной точностью может быть представлен полиномной зависимостью от угловой скорости ω M = a+bω+cω², (1) где а, b, c коэффициенты полинома, зависящие от типа от типа и параметров двигателя и системы управления (регулирования), а также от значения переменной системы управления координаты задания х (ЭДС преобразователя - для электропривода постоянного тока; расхода топлива для двигателей внутреннего сгорания).

Для электропривода постоянного тока с независимым возбуждением механическая характеристика (1) имеет линейный характер (с 0) и упрощается до вида M = a+bω, (1a) Момент сопротивления М_c на валу двигателя бурового насоса объемного действия пропорционален рабочему объему V и давлению P насоса (2)
где η_м;i механический КПД и передаточное отношение насосного агрегата.

Давление насоса P в процессе бурения складывается из потерь давления в напорном трубопроводе и долоте ((ΔP_тр)) и перепада давлений в забойном гидродвигателе ((ΔP))
P = ΔP_тр+ΔP (3)
Для заданного типоразмера инструмента, конструкции скважины, расхода Q и плотности ρ промывочной жидкости величина DP_тр определяется гидравлическим сопротивлением Z циркуляционной системы, исключая забойный гидродвигатель.

ΔP_тр= f(Q,ρ,Z) (4) (4)
Для гидродвигателей с наклонной линией давления ΔP зависит как от режима работы (момента сопротивления на валу), так и от расхода жидкости.

Для наиболее распространенных гидродвигателей с переменным перепадом давлений винтовых забойных двигателей перепад давлений в рабочем диапазоне прямо пропорционален крутящему моменту гидродвигателя M _гд (фиг. 3)
ΔP = ΔP_o+K_гдM_гд, (5)
где К_гд коэффициент пропорциональности, практически не зависящий от Q и P. К_гд определяет угол наклона (жесткость) гидравлической характеристики и является константой забойного гидродвигателя;
ΔP_o перепад давления в холостом режиме (М_гд 0).

ΔP_o= f(Q,ρ) (6)
Подача насоса Q пропорциональная его рабочему объему V и угловой скорости ω приводного двигателя

где α коэффициент наполнения насоса.

После подстановки (7) в (6), (6) в (5), (5) в (3), (3) в (2), получим, что момент сопротивления М_c является функцией угловой скорости w и пропорционален М_гд (фиг. 4)
M_c= f(ω)+k_нM_гд (8)
где f(ω) функция угловой скорости, зависящая от параметров насосного агрегата и циркуляционной системы;
K_н коэффициент нагрузки забойного гидродвигателя;
(8)
Угловая скорость приводного двигателя при заданном режиме нагружения гидродвигателя (М_гд) находится из равенства
M M_c (9)
Графически (фиг. 4) рабочая точка приводного двигателя находится на пересечении механической характеристики привода M-ω и нагрузочной характеристики M_c-ω насосного агрегата, зависящей от режима нагружения забойного гидродвигателя.

Подставляя в (9) выражение момента двигателя (1) и момента сопротивления (8), получим зависимость ω от параметров приводного двигателя (а, b, c), насоса и трансмиссии ((V, a, i, η_м),), сопротивления гидросистемы (Z) и крутящего момента на валу забойного гидродвигателя М_гд:
ω = f(a,b,c,V,α,i,η_м,Z,k_н,M_гд) (10)
Из полученной зависимости следует, что при переменном перепаде давления в гидродвигателе (ΔP = f(M_гд)) при изменении крутящего момента на валу забойного гидродвигателя, пропорционального осевой нагрузке на долото угловая скорость приводного двигателя при неизменных параметрах его системы управления (а, b, c idem) также изменяется:
ω = var
При бурении винтовым забойным гидродвигателем с использованием тиристорного электропривода бурового насоса увеличение крутящего момента на валу гидродвигателя однозначно приводит к снижению скорости приводного электродвигателя постоянного тока.

Угловая скорость приводного двигателя при холостом режиме забойного гидродвигателя (М_гд 0)
ω_o= f(a,b,c,V,α,i,η_м,Z) (11)
Изменение угловой скорости при переходе от холостого режима гидродвигателя (М_гд 0) к оптимальному режиму нагружения с заданным моментом составляет
Δω = ω_o-ω_опт (12)
где ω_o, ω_опт угловые скорости приводного двигателя насоса, соответствующие холостому и оптимальному режиму нагружения забойного гидродвигателя.

С другой стороны оптимальная скорость приводного двигателя, пропорциональная частоте ходов насоса, обусловлена необходимым расходом жидкости Q

Таким образом, при проходке заданного интервала бурения предлагаемый способ управления процессом бурения обеспечивает одновременное поддержание заданного расхода промывочной жидкости в циркуляционной системе и соответствующего этому расходу оптимального крутящего момента на валу забойного двигателя.

Способ управления процессом бурения осуществляется следующим образом (фиг.1).

При бурении скважины буровой насос 1, приводимый двигателем 2, осуществляет нагнетание рабочей жидкости через вертлюг 3 по колонне бурильных труб 4 к забойному гидродвигателю 5. Поддержание заданной осевой нагрузки на долото 6, определяющей режим работы гидродвигателя, производится механизмом подачи долота 7, связанным с колонной бурильных труб через талевую систему 8. Системы управления 9 приводным двигателем 7 бурового насосного агрегата и механизма подачи долота 10 объединены посредством контроллера 11, управляющие воздействия которого осуществляются по каналам А и Б в зависимости от сигналов, поступающих по информационным каналам В, Г от датчика 12 скорости двигателя и индикатора веса 13.

Реализация способа управления процессом бурения основывается на следующей последовательности операций:
после наращивания очередной трубы осуществляют промывку скважины при ненагруженном долоте (холостом режиме гидродвигателя). Угловую скорость приводного двигателя бурового насоса корректировкой координаты задания Х системы управления устанавливают в зависимости от требуемой подачи насоса, исходя из выражения (11).

после промывки скважины при сохранении постоянной величины Х idem производят постепенное нагружение долота до осевой нагрузки, при которой угловая скорость приводного двигателя изменится до значения, определенного зависимостью (13) и тем самым при требуемой подаче насоса Q устанавливают оптимальный для заданных условий бурения режим работы забойного гидродвигателя ;
далее на протяжении данного долбления (до очередного наращивания) согласованным управлением подачей долота по отклику (реакции) приводного двигателя насоса поддерживают оптимальный режим нагружения, соответствующий заданному крутящему моменту забойного гидродвигателя.

Например, при бурении винтовым гидродвигателем в установках с тиристорным электроприводом в случае снижения осевой нагрузки на долото соответственно уменьшится крутящий момент и перепад давления в гидродвигателе. Уменьшение перепада давлений приводит к уменьшению давления нагнетания и, как следствие, увеличению угловой скорости приводного электродвигателя. Информация от датчике скорости поступает в контроллер, где происходит ее обработка по заложенному алгоритму, после чего управляющий сигнал поступает на механизм подачи долота, увеличивая тем самым осевую нагрузку и восстанавливая расчетное значение угловой скорости электродвигателя.

Выполнение предложенного способа иллюстрируется следующим примером.

При бурении скважины установкой БУ 2500 ЭП на глубине l 1000 м в породах средней твердости (удельный момент M_уд 10 кгс·м/т), привод долота диаметром 215,9 мм при осевой нагрузке G 15т осуществляется винтовым забойным гидродвигателем Д2-195. Подача промывочной жидкости по трубам ТБПВ 127·9 осуществляется буровым трехпоршневым насосом НБТ-600 с тиристорным электроприводом постоянного тока независимого возбуждения с замкнутой по скорости системой управления (с отрицательной обратной связью по напряжению). Для эффективной работы забойного гидродвигателя и долота необходимо обеспечить расход жидкости Q 30 л/с.

Рабочий объем насоса НБТ-600 при цилиндровых втулках диаметром 180 мм составляет V 19,1 л; кинематическое отношение агрегата i 7,41.

Крутящий момент гидродвигателя:
M_гд GM_уд 1,5 кН·м
Принимая коэффициент подачи насоса α = 0,9 определим по (13) угловую скорость электродвигателя, обеспечивающую необходимый расход жидкости Q
ω_опт= 81,3 c^-1
Для тиристорного электропривода насоса с линейной механической характеристикой (1а) коэффициенты полинома а и b зависят от параметров двигателя и системы управления

где К постоянная электродвигателя; φ магнитный поток; R - сопротивление якорной цепи; U_зад задающее напряжение; k_o; k_у безразмерные коэффициенты усиления обратных связей; К_Е безразмерный коэффициент системы управления.

Для типового электропривода бурового насоса установки БУ 2500 ЭП: К 22; f 0,18 в·c; R 0,025 Ом.

Принимая k_o 0,02; k_у 10, определим безразмерный коэффициент К_E 1,091.

Задающее напряжение тиристорного преобразователя, обеспечивающее необходимый скоростной режим электропривода ((ω_опт)) при заданных параметрах электропривода насосного агрегата, гидросистемы скважины и забойного гидродвигателя составляет
U_зад 40,7 B
С учетом полученных значений параметров коэффициенты полинома механической характеристики принимают следующие значения
a 58,6·10³н·м
b 684 н·м·c
c 0
Угловая скорость приводного электродвигателя при холостом режиме гидродвигателя (М_гд 0) из выражения (11) составляет
ω_o= 82,3 c^-1
Следовательно, при переходе забойного гидродвигателя от холостого режима (точка а, фиг. 4) к оптимальному рабочему режиму нагружения (точка б, фиг. 4) с крутящим моментом М_гд 1,5 кН·м угловая скорость электродвигателя при U_зад 40,7 B изменится от ω_o= 82,3 c^-1 до ω_опт= 81,3 c^-1, что соответствует изменению частоты его вращения от n₀ 786 об/мин до n_опт 776,5 об/мин, т.е. реакция электродвигателя составляет 9,5 об/мин.

Таким образом, поддерживая электронной системой управления расчетную угловую скорость приводного электродвигателя бурового насоса, можно обеспечить оптимальный для определенных условий бурения режим эксплуатации забойного гидродвигателя, не прибегая к забойной информации и показаниям индикатора веса бурильной колонны.

Для подтверждения возможности практической реализации предлагаемого способа на фиг. 5 представлены экспериментальные осциллограммы скорости электродвигателя постоянного тока (кривые 1), давления нагнетания бурового насоса (кривые 2) и тока электродвигателя (кривые 3), полученные при исследовании процесса бурения скважины винтовым гидродвигателем на установке БУ 2500 ЭП при условиях, подобных вышеописанному примеру. Из осциллограммы отчетливо видна реакция приводного электродвигателя (численно равная 11 об/мин) на изменение режима нагружения забойного гидродвигателя, приводящее также к изменению давления нагнетания, а также зафиксировано отсутствие влияния пульсации давления на равномерность вращения приводного электродвигателя, что согласуется с предложенными теоретическими положениями. Предлагаемый способ позволяет управлять процессом без использования информационного канала связи с забоем, а также специального забойного датчика угловой скорости гидродвигателя, благодаря чему повышается надежность системы автоматического управления и снижается ее стоимость. Таким образом, преодолеваются важнейшие недостатки, присущие ранее предлагавшимся системам управления забойным гидродвигателем, что открывает широкие перспективы для использования автоматизированных систем на серийных установках.

Формула изобретения

1. Способ управления процессом бурения скважин забойным гидродвигателем с переменным перепадом давления, основанный на контроле изменения режима нагружения забойного гидродвигателя и оптимизации режима его эксплуатации путем регулирования осевой нагрузки на долото, отличающийся тем, что контроль изменения режима нагружения забойного гидродвигателя осуществляют путем измерения параметра состояния приводного двигателя бурового насоса, характеризующего динамический режим работы привода насоса.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве параметра состояния приводного двигателя используют его угловую скорость.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве параметра состояния приводного электродвигателя используют ток в цепи электродвигателя.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве параметра состояния приводного электродвигателя используют температуру обмоток электродвигателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5