Способ управления процессом бурения и система для его осуществления



Способ управления процессом бурения и система для его осуществления
Способ управления процессом бурения и система для его осуществления
Способ управления процессом бурения и система для его осуществления

 

E21B44/00 - Системы автоматического управления или регулирования процессом бурения, т.е. самоуправляемые системы, осуществляющие или изменяющие процесс бурения без участия оператора, например буровые системы, управляемые ЭВМ (неавтоматическое регулирование процесса бурения см. по виду процесса; автоматическая подача труб со стеллажа и соединение бурильных труб E21B 19/20; регулирование давления или потока бурового раствора E21B 21/08); системы, специально предназначенные для регулирования различных параметров или условий бурового процесса (средства передачи сигналов измерения из буровой скважины на поверхность E21B 47/12)

Владельцы патента RU 2569659:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ухтинский государственный технический университет" (RU)

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин и может быть использовано для оптимального управления процессом бурения. Техническим результатом является упрощение структуры системы управления, увеличение точности управления, оптимизация систем измерения, снижение вибраций бурильной колонны и как результат увеличение скорости проходки скважины. Способ включает измерение мощности двигателя привода ротора, измерение угловой скорости вращения вала привода. При этом в канал измерения наброса крутящего момента введена операция инвертирования а, регулирование мощности двигателя привода ротора осуществляется по гармоническому закону с частотой, равной частоте изменений наброса крутящего момента, а также тем, что управляющие гармонические колебания сдвинуты по фазе относительно гармонических колебаний наброса крутящего момента на 180°. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин и может быть использовано для оптимального управления процессом бурения.

Известен способ адаптивного управления процессом бурения скважин по патенту РФ №2495240, МПК E21B 44/00, опубл. 04.05.2012, включающий использование модели процесса бурения, технический результат в которой достигается оперативным управлением коэффициентами этой модели, значения которых определяются минимальными вибрациями бурильной колонны. Недостатками способа являются предварительное построение модели процесса бурения, привязанное конкретно к данной геологической структуре, знанию ее геологического строения и твердости пород, а также проведение бесконечного множества скважинных измерений. Использование детерминированной модели часто приводит к ее непредсказуемому обновлению и, как следствие, низкой точности управления. Использование сложной наземной аппаратуры и скважинной системы измерения забойных параметров создает дополнительные, иногда не решаемые задачи.

Известен способ управления работой в скважине и система бурения скважины по патенту РФ 2244117, МПК E21B 44/00, опубл. 10.01.2005, техническая реализация известного способа осуществляется с использованием вычислительной модели процесса бурения, представляющей комбинированное влияние условий на забое скважины и работы колонны бурильных труб. Модель процесса бурения непрерывно обновляется результатами скважинных измерений, производимых в ходе операции бурения. На основании непрерывных измерений вырабатываются и исполняются различные сценарии управления для передачи данных в систему управления наземным оборудованием. К недостаткам способа можно отнести сложность реализации непрерывных скважинных измерений нескольких параметров, их передачу к наземному оборудованию, а также перенастройку наземной системы оборудования при изменении стратегии управления.

Известен способ и устройство для уменьшения колебаний прилипания-проскальзывания колонны бурильных труб по патенту РФ №2478781, МПК E21B 44/00, опубл. 10.04.2013, патентообладатель НЭШНЛ ОЙВЕЛЛ ВАРКО (US), в котором демпфирование колебаний осуществляется путем использования бурильного механизма изменения веса бурильной колонны и регулирование скорости вращения бурильного механизма с использованием ПИ-регулятора. Недостатком предложенного изобретения является сложность настройки ПИ-регулятора с использованием скважинных измерений. Включение ПИ-регулятора в цепь управления бурильной колонной повышает порядок астатизма замкнутой структуры, что еще более ухудшает условия устойчивости системы управления. Использование полосы оптимальных частот не позволяет реализовать надежное управление с углублением (длиной бурильных труб) скважины.

Наиболее близким по сущности предлагаемого изобретения является способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления по патенту РФ 2087701 С1, МПК E21B 44/00, опубл. 20.08.1997, где колебания в буровом оборудовании регулируются посредством определения потока энергии через оборудование как произведение «поперечной» переменной и «сквозной» переменной. Причем колебания одной переменной измеряются, а поток энергии регулируется путем изменения другой переменной в ответ на измеряемые колебания упомянутой одной переменной. В качестве переменных величин для определения потока энергии используются напряжение, умноженное на ток электрического привода, давление, умноженное на скорость потока гидравлического привода, или крутящий момент, умноженный на угловую скорость вращательного привода.

Способ реализуется системой, содержащей средства измерения колебаний продольной и поперечной переменной, связанные со средствами контроля истока энергии через буровое оборудование и средство регулирования крутильных колебаний оборудования путем поддержания потока энергии через буровое оборудование на заданном уровне. Дополнительно система снабжена средствами определения крутящего момента приводного двигателя и регулирования крутящего момента приводного двигателя.

Предпосылки изобретения.

Бурение нефтяной или газовой скважины включает в себя создание ствола скважины значительной глубины, часто в несколько километров по вертикали. Бурильная колонна содержит буровое долото на своем нижнем конце и звенья трубы, свинченные вместе. Бурильную колонну вращает бурильный механизм на поверхности, колонна в свою очередь вращает долото для проходки скважины. Бурильный механизм, обычно представленный верхним приводом или ротором, по существу является массивным маховиком. Бурильная колонна является гибкой конструкцией и во время бурения может закручиваться под действием крутящего момента, запасая потенциальную энергию. При достаточном ее запасе наблюдается прокручивание низа колонны (проскальзывание), т.е. наблюдается процесс перехода потенциальной энергии в кинетическую. На основании работ[1-4] Перминова Б.А., Перминова В.Б., Заикина С.Ф., Быкова И.Ю. возникающие в результате превращения энергии крутильные автоколебания бурильной колонны определяют колонну как неустойчивый объект управления. Это положение подтверждается и анализом структурной схемы бурильной колонны, из которого следует, что как объект управления колонна бурильных труб является структурно неустойчивым звеном. Отсюда следует, что процесс бурения скважины всегда сопровождается автоколебаниями бурильной колонны, что существенно уменьшает механическую скорость проходки скважины и приводит к сломам самой колонны. Наличие автоколебаний, в зависимости от осевой нагрузки, подтверждается осциллограммами, снятыми по методу вариационных измерений [1-3], приведенными на фиг. 1, а, 6, в. Здесь при различных глубинах бурения прослеживаются гармонические изменения динамического наброса крутящего момента на валу привода ротора буровой установки.

Приведенные способы оптимизации процесса бурения не позволяют эффективно демпфировать автоколебания бурильной колонны, сопряжены со сложностями скважинных измерений, а управление с использованием моделирования не выдерживает критики, так как невозможно создать модель структурно неустойчивого объекта управления.

Задачей изобретения является устранение недостатков при демпфировании автоколебаний бурильной колонны в процессе бурения и предложение дешевого и разумного способа и системы регулирования автоколебаний в оборудовании для бурения, при этом оборудование включает колонну бурильных труб, проходящих в скважину, образованную в земляной породе, и соответствующую систему привода бурильной колонны.

Сущность изобретения.

Автоколебания бурильной колонны в процессе углубления скважины регулируются посредством гармонического изменения мощности двигателя привода ротора с частотой, равной частоте изменения динамического наброса крутящего момента на валу привода, и фазой, сдвинутой на угол 180° по отношению к частоте изменения наброса крутящего момента.

Действительно, наброс крутящего момента на валу привода ротора буровой установки определяется [1-3] как отношение приращения мощности двигателя привода к приращению угловой скорости вращения вала

где ΔM - наброс крутящего момента, Нм;

ΔР - приращение мощности двигателя привода ротора, Вт;

Δω - приращение угловой скорости вращения вала, рад/с.

Согласно приведенным осциллограммам, наброс крутящего момента на выходе вариационной структуры измерения определяется гармоническим законом, т.е.

где М - амплитуда крутящего момента.

Если реализовать изменения мощности двигателя привода по гармоническому закону с той же частотой, что и наброс крутящего момента, но сдвинутой на 180°, то получим

Отсюда, угловая скорость вращения вала привода

т.е. вращение вала становится равномерным, с полным отсутствием автоколебаний.

Способ управления процессом бурения реализуется системой, измерения наброса крутящего момента [1-3], инвертирующим усилителем, регулятором мощности двигателя привода ротора.

Способ управления процессом бурения в соответствии с настоящим изобретением заключается в регулировании мощности двигателя привода ротора через оборудование для бурения по измеренному значению частоты и фазы наброса крутящего момента.

Способ управления процессом бурения в соответствии с настоящим изобретением основан на понимании того, что процесс бурения всегда сопровождается автоколебательным режимом бурильной колонны. Это приводит к динамическому набросу крутящего момента, также изменяющемуся по гармоническому закону. Если изменять мощность двигателя по тому же гармоническому закону с той же частотой, но изменив фазу на 180°, то согласно приведенному выражению (4) вращение вала привода будет устойчивым, равномерным.

Эффективной способ управления процессом бурения через буровое оборудование состоит в определении крутящего момента на валу привода ротора буровой установки, который определяется как частное от деления скорости изменения мощности двигателя привода ротора на скорость изменения угловой скорости вращения вала привода, инвертирования этого колебательного процесса и управления мощностью двигателя привода по полученному гармоническому закону со сдвигом по фазе на 180°.

Система для реализации способа управления процессом бурения, позволяющая эффективно демпфировать автоколебания бурильной колонны в соответствии с настоящим изобретением, включает колонну бурильных труб с долотом и связанную с ней систему привода, канал измерения скорости изменения мощности двигателя привода ротора, канал измерения скорости изменения угловой скорости вращения вала привода, делитель результатов измерения мощности на скорость изменения угловой скорости вращения вала привода, инвертирующий усилитель, регулятор мощности двигателя привода ротора.

Изобретение поясняется чертежом фиг. 2.

На фиг. 2 показано схематическое изображение структуры управления процессом бурения, включающей в себя непосредственно двигатель привода ротора 1, бурильную колонну с долотом 2, канал измерения мощности Р двигателя привода ротора, канал измерения угловой скорости вращения ω вала привода, блок деления 3, инвертирующий усилитель 4, регулятор мощности двигателя привода ротора 5.

Система работает следующим образом.

Двигатель привода ротора 1 сообщает бурильной колонне с долотом 2 крутящий момент М, в результате которого она приобретает угловую скорость ω. Текущие параметры мощности двигателя Р и угловой скорости вращения вала ω поступают на вход вариационной структуры измерения наброса крутящего момента [3]. С выхода вариационной структуры измерения наброса крутящего момента гармонические колебания поступают на инвертирующий усилитель 4, который изменяет фазу этих колебаний на 180°. Инвертированные колебания поступают на регулятор мощности двигателя привода ротора 5, который осуществляет противофазное управление мощностью двигателя привода ротора 1.

Литература

1. Перминов Б.А. Устройство для измерения крутящего момента на роторе буровой установки. АС СССР №1691690, 1991.

2. Перминов Б.А., Сабов В.В. Устройство для измерения крутящего момента на роторе буровой установки. АС СССР №1695157, 1991.

3. Перминов Б.А., Перминов В.Б. Устройство для измерения крутящего момента на роторе буровой установки. АС СССР №1697157, 1991.

4. Быков И.Ю., Заикин С.Ф., Перминов Б.А. Колонна бурильных труб в процессе углубления скважины как объект автоматического регулирования. // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2012. - №10. С. 13-17.

5. Быков И.Ю., Заикин С.Ф., Перминов Б.А. Оптимизация управления процессом углубления скважины. // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2012. - №10. С. 17-21.

1. Способ управления процессом бурения, включающий измерение мощности двигателя привода ротора, измерение угловой скорости вращения вала привода, отличающийся тем, что в канал измерения наброса крутящего момента введена операция инвертирования а, регулирование мощности двигателя привода ротора осуществляется по гармоническому закону с частотой, равной частоте изменений наброса крутящего момента, а также тем, что управляющие гармонические колебания сдвинуты по фазе относительно гармонических колебаний наброса крутящего момента на 180°.

2. Система управления процессом бурения включает колонну бурильных труб с долотом, двигатель привода ротора, измеритель наброса мощности двигателя, измеритель наброса угловой скорости вращения вала привода, блок деления этих результатов измерения, регулятор мощности двигателя привода, отличающаяся тем, что к блоку деления подключен инвертирующий усилитель, выход которого подключен к регулятору мощности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин и может быть использовано для оптимального управления процессом бурения. Техническим результатом является упрощение структуры системы управления, увеличение точности управления, оптимизация систем измерения, снижение вибраций бурильной колонны и как результат увеличение скорости проходки скважины.

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин и может быть использовано для оптимального управления процессом бурения. Техническим результатом является упрощение структуры системы управления, увеличение точности управления, оптимизация систем измерения, снижение вибраций бурильной колонны и как результат увеличение скорости проходки скважины.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при шарошечном бурении взрывных и разведочных буровых скважин на горных предприятиях. Технический результат заключается в обеспечении эффективности использования долота.

Изобретение относится к разработке, осуществлению и использованию результатов операций интенсификации, выполняемых на буровой. Техническим результатом является получение более точных данных о параметрах интенсификации для буровой.

Изобретение относится к способу для ступенчатой операции интенсификации добычи из скважины. Техническим результатом является повышение интенсификации добычи из скважины.

Изобретение относится к бурению скважин и может найти применение при регулировании условий бурения. Техническим результатом является снижение зависимости режима работы забойного гидродвигателя от забойных условий и тем самым стабилизировать его.

Изобретение относится к области бурения подземных буровых скважин и измерения в них. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей и повышение информативности исследований.

Изобретение относится к бурению скважин и может найти применение при регулировании условий бурения. Техническим результатом является оптимизация процесса бурения скважины.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения параметров закачиваемой в скважину жидкости. Система включает расходомер электромагнитный, который снабжен контроллером, составляющим основу первого измерительного модуля, плотномер вибрационный, снабженный контроллером, составляющий основу второго измерительного модуля.

Группа изобретений относится к динамическим гасителям крутильных колебаний и может быть использована в бурении нефтяных и газовых скважин. Динамический виброгаситель крутильных колебаний содержит корпус с расположенным внутри него маховиком, в теле которого закреплены грузы, маховик выполнен в виде системы двухзвенника.

Изобретение относится к способу и устройству мониторинга погружного ударного бурения. Техническим результатом является оптимизации бурения. Способ мониторинга погружного ударного бурения, согласно которому на погружной пневмоударник подают поток рабочей текучей среды для выполнения ударов и промывки и на погружной пневмоударник передают крутящий момент и усилие подачи. Частоту ударов или связанную частоту погружного пневмоударника измеряют и создают отображение разброса частоты для получения ответной реакции на корректировку по меньшей мере одного параметра бурения как изменения ширины (W) разброса. Изобретение также относится к соответствующему устройству. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к моделированию и приведению в действие барьеров безопасности. Техническим результатом является повышение безопасности буровой установки. По меньшей мере, некоторые из наглядных вариантов осуществления являются долговременным машиночитаемым носителем данных, содержащим выполняемые команды, которые при выполнении назначают, по меньшей мере, одному процессору задание моделировать, с использованием, по меньшей мере, одной модели, барьеры безопасности в, по меньшей мере, одной буровой установке на основании данных барьеров безопасности буровых установок. Процессорам дополнительно назначается задание идентифицировать, на основании, по меньшей мере, одной модели, первую приближающуюся утрату валидации первого барьера безопасности. Процессорам дополнительно назначается задание инициализировать, с приведением в действие только командами, второй барьер безопасности на основании приближающейся утраты валидации. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к горной технике с использованием вибрационных или колебательных средств. Техническим результатом является повышение эффективности производительности бурения различных по физико-механическим свойствам горных пород. Сущность способа заключается в том, что в автоматическом режиме выполняют сравнение действительного и опорного значений суммарной нагрузки на буровой инструмент с использованием прямой положительной и обратной отрицательной связей между силовыми и кинематическими параметрами процесса бурения. Далее по сигналу рассогласования изменяют посредством изменения коэффициентов усиления связей величину подачи и частоту вращения бурового инструмента. Также изменяют частоту и амплитуду наложенных колебаний силовых и кинематических параметров бурового инструмента до значений, соответствующих физико-механическим свойствам породы. Реализуют способ с помощью устройства, которое состоит из гидронасоса постоянной производительности, предохранительно-разгрузочного клапана, фильтра, трехпозиционного гидрораспределителя, регулируемого дросселя в качестве регулятора режимов, гидромотора вращения бурового инструмента, четырехпозиционного гидрораспределителя, двухпозиционного гидрораспределителя, двухлинейного регулятора расхода, регулируемого дросселя в качестве регулятора жесткости гидросистемы, гидроцилиндра подачи, манометров с демпфером и измерителя веса, бака. В устройстве предусмотрены многопозиционные гидрораспределители с соответствующим соединением с элементами устройства для формирования дополнительных потоков и направлений рабочей жидкости, также для обеспечения последовательности технологических состояний способа бурения и технической возможности наладки и безопасного осуществления этой последовательности. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способу и системе калибровки коэффициента трения для операции бурения. Техническим результатом является повышение точности калибровки коэффициента трения. Способ включает калибровку коэффициента трения для операции бурения посредством изображения на устройстве отображения указания предполагаемой нагрузки на крюк в зависимости от глубины для операции бурения, отображения на устройстве отображения множества точек на графике, каждая из которых обозначает измеренную нагрузку на крюк в зависимости от глубины для операции бурения, выбора первой точки на графике из множества точек на графике, которая соответствует первой глубине, при этом выбор осуществляют в ответ на расположение указательного курсора в пределах заданного расстояния от первой точки на графике на устройстве отображения, отображения первого значения коэффициента трения, соотносящего предполагаемую нагрузку на крюк в зависимости от глубины для конкретной глубины с измеренной нагрузкой на крюк в зависимости от глубины для первой точки на графике, причем отображение значения осуществляют в ответ на выбор первой точки на графике, выбора первого значения в ответ на расположение указательного курсора в пределах заданного расстояния от первого значения и затем сдвига на устройстве отображения, по меньшей мере, участка указания предполагаемой нагрузки на крюк в зависимости от глубины на основании первого значения коэффициента трения. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

Группа изобретений относится к средствам управления давлением и потоком при буровых работах. Техническим результатом является повышение точности управления давлением в стволе скважины. Предложен способ управления давлением в скважине, содержащий этапы, на которых получают параметры скважины и передают соответствующую информацию в гидравлическую модель, в которой определяют требуемое заданное значение давления в кольцевом пространстве. При этом требуемое заданное значение давления передают от гидравлической модели в интерфейс сбора данных и управления, контроллер и обучаемое прогнозирующее устройство для использования при прогнозировании будущих значений заданных давлений в кольцевом пространстве. Причем обучаемое прогнозирующее устройство обучают в реальном времени, и оно может прогнозировать текущие значения результатов измерений одного или нескольких датчиков на основе выходных сигналов. В случае если выходной сигнал датчика становится недоступен, прогнозирующее устройство может передавать в устройство проверки достоверности данных недостающие значения, относящиеся к результатам измерения этого датчика, по меньшей мере, в течение некоторого времени, пока выходной сигнал этого датчика снова не станет доступным. Далее способ содержит этапы, на которых передают команды на изменение потока через кольцевое пространство, образованное радиально между бурильной колонной и стволом скважины, и регулируют заданное значение давления в ответ на передачу. Предложена также система для осуществления указанного способа. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к способам и системам бурения скважины с автоматическим ответом на детектирование события. Техническим результатом является повышение эффективности бурения. Способ бурения скважины содержит детектирование события бурения путем сравнения сигнатуры параметров, созданной в процессе бурения, с сигнатурой события, сигнализирующей об указанном событии бурения, и автоматическое управление операцией бурения в ответ на, по меньшей мере, частичное совпадение по результатам сравнения указанной сигнатуры параметров с указанной сигнатурой события. Причем при сигнализации о событии резкого увеличения давления выполняется автоматическое переключение между (а) поддержанием требуемого давления в стволе скважины и (b) поддержанием требуемого давления в стояке. Система бурения скважины содержит систему управления, сравнивающую сигнатуру параметров для операции бурения с сигнатурой события, сигнализирующей об указанном событии бурения, и контроллер, автоматически управляющий операцией бурения в ответ на указанное событие бурения, о котором сигнализирует, по меньшей мере, частичное совпадение указанной сигнатуры параметров с указанной сигнатурой события. Причем указанная система управления выполнена с возможностью, при сигнализации о событии резкого увеличения давления, автоматического переключения между (а) поддержанием требуемого давления в стволе скважины и (b) поддержанием требуемого давления в стояке. 2 н. и 68 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин и может быть использовано для оптимизации управления процессом бурения. Техническим результатом является повышение эффективности управления на основе реализации разработанной стратегии бурения, увеличение точности управления, компенсация автоколебаний бурильной колонны и как результат увеличение механической скорости проходки скважины. Технический результат достигается предложенным способом оптимизации процесса бурения, при котором осуществляется регулирование осевой нагрузки и угловой скорости вала привода в зависимости от расчетной стратегии бурения. При этом компенсация автоколебаний бурильной колонны на промежуточных этапах стратегии бурения осуществляется по динамическому приращению крутящего момента. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к определению оптимальных параметров для забойной операции. Техническим результатом является повышение эффективности управления забойной операцией. Компьютерно-реализуемый способ управления забойной операцией содержит этапы, на которых принимают в хранилище данных, по существу, непрерывный поток данных реального времени, связанный с текущей забойной операцией, принимают от пользователя выбор забойного параметра, оптимизируют с помощью вычислительной системы выбранный забойный параметр на основании части принятого потока данных для достижения целевого значения выбранного забойного параметра, и используют оптимизированный забойный параметр в текущей операции. Причем текущая забойная операция является первой забойной операцией, и способ дополнительно содержит этап, на котором используют оптимизированный забойный параметр во второй забойной операции, отличной от первой забойной операции. 2 н. и 26 з.п. ф-лы, 9 ил.
Наверх