УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМОМ БУРЕНИЯ ВЗД
Забойный двигатель входит в состав сложной динамической системы, состоящей из механической и гидравлической подсистем (см. § 6.8). По каналам гидравлической подсистемы к ВЗД подводится поток жидкости с заданным расходом, определяющим скорость гидродвигателя, через механическую подсистему осуществляется передача нагрузки на долото G, определяющей крутящий момент М.
Эффективность процесса бурения скважин зависит не только от выбора оптимальных параметров режима бурения, но и во многом определяется возможностью их поддержания или регулирования во время долбления. Управление забойным гидродвигателем затруднено непрерывно происходящими возмущениями (см. § 6.8), нарушающими установившийся режим бурения.
В практике бурения распространены два основных способа управления забойными двигателями [18]:
традиционный, ведущий свое начало от роторного бурения, -управление через осевую нагрузку на долото по показаниям индикатора веса;
современный, основанный на управлении режимом работы забойного двигателя непосредственно через угловую скорость или крутящий момент его вала.
Оба этих способа не лишены недостатков, избавиться от которых не представляется возможным.
При традиционном управлении непосредственное измерение нагрузки на долото не производится, вследствие чего приходится оперировать косвенным замеряемым на поверхности показателем - весом на крюке буровой установки.
|
|
При проводке же наклонных и горизонтальных скважин с использованием ВЗД управление режимом работы гидродвигателя по показаниям индикатора веса приводит к существенным погрешностям из-за:
влияния сил трения колонны труб о стенки скважины, точно рассчитать которые практически невозможно;
изменения осевых гидравлических сил в РО двигателя при переходе от холостого режима к рабочему, что не учитывается при обычной процедуре "взвешивания" инструмента.
Кроме того, сама по себе осевая нагрузка без известной информации о свойствах горных пород и состоянии долота фактически не характеризует режим работы забойного двигателя.
При прямом управлении гидродвигателем недостатки традиционного способа, связанные с косвенным недостоверным характером получаемой информации, отсутствуют, в связи с чем системы, в контуры управления которых включаются скорость или момент забойного двигателя, являются наиболее перспективными [120]. Однако для реализации таких систем управления необходимо оснастить гидродвигатель датчиком скорости (тахогенератор) или момента (тензометр); иметь забойные устройства приема, кодирования и передачи сигналов, источники их питания; обеспечить надежный канал связи с забоем (гидравлический, электрический или механический); иметь поверхностную систему раскодирования и обработки информации. Многолетние работы показали, что это является технически сложной и дорогостоящей задачей, затрудняющей промышленное внедрение способа. Как правило, в зарубежной и отечественной практике подобные системы встраиваются в ТС управления траекторией скважины (на Западе их называют системами MWD (Measurement While Drilling) - измерение в процессе бурения), что расширяет ее возможности, позволяя точно распознавать (диагностировать) процессы на забое скважины и поддерживать оптимальные режимы бурения [169].
|
|
В системах MWD используются различные схемы с проводными и беспроводными каналами связи с забоем скважины.
При бурении с использованием забойных гидродвигателей наибольшее распространение получили ТС с гидравлическим каналом связи. Одной из систем MWD, прошедших испытание в России, является гидроимпульсная система "Anadrill" фирмы "Shlumberger" [175]. Подземная часть данной ТС, размещенная в немагнитной трубе над ВЗД, включает блок забойных датчиков и средства для хранения, кодирования и передачи информации на поверхность. Электропитание системы автономное и осуществляется от забойного турбогенератора.
|
|
Информация с забоя передается без остановки бурения при помощи генерирования в гидроканале низкочастотных сигналов, создаваемых при вращении модулятора. Гидравлические сигналы принимаются на поверхности пьезодатчиками, обрабатываются и вводятся в компьютерную информационную систему станции оперативного контроля. Основные параметры дублируются на мониторе бурильщика. Помимо информации с забоя в реальном масштабе времени обрабатываются данные от наземных датчиков (натяжение каната, частота ходов насоса, механическая скорость проходки) и выдается оценка траектории скважины, эффективности бурения, геологии, пластового давления.
Измеряемые забойные параметры можно разделить на три группы: траектории ствола скважины, геологические, режима бурения (Q, М, G) и давления (внутри бурильной колонны и в затрубье).
Расход бурового раствора, поступающего в гидродвигатель, замеряется с помощью забойного турбогенератора. Подача бурового насоса определяется расчетным путем по частоте ходов насоса. Для измерения осевой нагрузки на долото и крутящего момента гидродвигателя блок забойных датчиков дополняется секцией, состоящей из немагнитного патрубка со сверлениями, в которых размещаются тензодатчики.
|
|
Введение в забойный комплекс ТС секции измерения G и М усложняет систему и повышает требования к ее обслуживанию и тарировке, что в итоге приводит к дополнительным затратам. В этой связи в некоторых случаях ТС поставляется без секции измерения нагрузки, и таким образом телеметрический контроль не включает основные параметры режима бурения G и М. При этом управление режимом работы забойного гидродвигателя ведется на основе показаний датчика натяжения неподвижной струны талевого каната, что не обеспечивает высокой точности.
Другой известный телеметрический способ контроля за режимом работы гидродвигателей - измерение частоты вращения с помощью забойного турботахометра. Такие системы, несмотря на недостаточную надежность глубинного таходатчика, давно используются в отечественном турбинном бурении. Однако при 6урении ВЗД применение типового турботахометра малоэффективно вследствие:
высокой жесткости механической характеристики ВЗД в рабочем диапазоне нагрузок, что повышает требования к чувствительности системы (способности реагировать на незначительное изменение скорости);
недостаточной оперативности контроля за режимом низкооборотных гидродвигателей, поскольку турботахометр является системой прерывистого действия (сигналы от передатчика следуют через каждые 100 оборотов вала, и при номинальной частоте вращения ВЗД п = 120 мин-1 период измерения составляет около 50 с).
Вместе с тем при бурении ВЗД могут быть использованы и альтернативные способы управления гидродвигателем, основанные на особенностях рабочего процесса и характеристик ВЗД.
Наиболее распространенный способ контроля и управления ВЗД по давлению на стояке основан на использовании зависимости перепада давления от крутящего момента: зафиксировав показание манометра р0 на стояке при промывке скважины (приподнятом над забоем долоте), в процессе бурения поддерживают давление р = р0 + Р, соответствующее заданному крутящему моменту ВЗД.
Однако реализация данного способа может быть затруднена пульсациями потока в напорной линии и необходимостью информации об истинных характеристиках ВЗД с учетом износа РО и свойств бурового раствора.
Кроме того, при бурении искривленных участков скважины управление режимом работы ВЗД по разнице давления на стояке при нагруженном и разгруженном долоте на основе паспортной стендовой характеристики ВЗД без учета действия отклоняющей силы, точно рассчитать которую весьма сложно, может привести к перегрузке гидродвигателя (см. § 6.7).
Другой способ оперативного контроля за режимом работы ВЗД предложен в Пермском филиале ВНИИБТ [99]. Он базируется на известном из теории винтовых насосов и двигателей положении о пропорциональности частоты пульсаций давления и скорости гидромашины. Следовательно, используя гидравлический канал связи с забоем и регистрируя пьезоприемником на поверхности частоту пульсаций давления, можно контролировать режим работы ВЗД без специальных забойных датчиков и модуляторов.
Известен также способ контроля за осевой нагрузкой на долото по вибросостоянию верхнего конца бурильной колонны,
основанный на зависимости колебательных процессов в бурильной колонне от нагрузки и частоты вращения долота: с использованием механического канала связи с забоем можно по частоте и амплитуде колебаний верха колонны идентифицировать режим работы гидродвигателя и долота. В данном способе, как и в предыдущем, отпадает необходимость в забойных датчиках и устройствах. Основной недостаток этих способов контроля -трудность выделения из общего спектра колебаний полезного сигнала, несущего информацию о режиме работы ВЗД и долота.
Рассмотренные системы являются информационными и не имеют управляющих каналов, позволяющих автоматически реагировать на изменение текущих условий бурения.
В то же время мировой опыт показывает, что высокая эффективность и качество буровых работ на современном этапе могут быть достигнуты только на основе автоматизации процесса бурения [18, 120, 146].
Автоматические устройства управления процессом бурения предназначены для выбора и поддержания параметров режима бурения. В настоящее время среди многообразия различных конструкций практическое применение получили только наземные (пассивные и активные) регуляторы подачи долота (РПД) с управлением по тормозному моменту на барабане лебедки, использующие в качестве параметра регулирования вес на крюке или механическую скорость проходки.
Известен зарубежный промышленный образец РПД для бурения наклонно направленных скважин ВЗД, использующий нетрадиционный параметр регулирования (давление нагнетания) -регулятор "Wildcat" фирмы "Sperry-Sun", который основан на известной взаимосвязи перепада давлений и крутящего момента и позволяет управлять режимом работы ВЗД как по нагрузке на крюке, так и по перепаду давления.
Представленный анализ систем контроля и управления режимом работы забойных гидродвигателей показывает, что все они основаны на использовании датчиков (наземных и забойных) процесса, функционирующих в тяжелых условиях, что усложняет применение систем и повышает затраты на их разработку и обслуживание.
В 1994 г. отечественными специалистами был предложен новый способ управления режимом работы ВЗД по реакции (отклику) приводного двигателя бурового насоса на изменение давления нагнетания при отклонении нагрузки на долото от заданной [16]. В общем случае параметром регулирования является угловая скорость или крутящий момент приводного двигателя насоса, при применении электроприводных насосных агрегатов -ток электродвигателя. Для реализации способа не требуется дополнительных датчиков.
Способ базируется на характеристиках системы, выраженных детерминированными зависимостями:
перепада давления Р и крутящего момента гидродвигателя
М;
давления Рн и крутящего момента Мн бурового насоса ;
угловой скорости и крутящего момента привода МПP (тока и крутящего момента электродвигателя).
При изменении нагрузки на валу забойного гидродвигателя, вызванном изменением нагрузки на долото, через функциональную цепочку G-M-P-PH- МH – МПР происходит соответствующее изменение скорости или тока приводного двигателя.
Таким образом, по изменению скорости или тока приводного двигателя насоса можно косвенно отслеживать режим работы гидродвигателя и на основе этой информации управлять процессом бурения, не используя информацию с забоя и показания индикатора веса. В этом случае приводной двигатель насоса становится средством диагностики режима бурения.
Особенностью системы (рис. 9.6) является то, что в ней системы управления двигателем бурового насоса и механизмом подачи долота объединены посредством микроконтроллера (МК) в единый информационно-управляющий комплекс. Управляющие воздействия от контроллера к буровому насосному агрегату (БНА) и механизму подачи долота осуществляются в зависимости от сигналов, поступающих от двигателя насоса.
Согласованное функционирование БНА и РПД повышает управляемость как бурового комплекса, так и процесса бурения и позволяет реализовывать различные алгоритмы управления.
Экспериментальный образец АСУ режимом бурения (АСУ РБ) по техническому заданию ОАО "Газпром" был разработан РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина и ЦАТИ МЭИ [18] для установок БУ 2500ЭП с регулируемым электроприводом постоянного тока и электропорошковым РПД. Система включает (см. рис. 9.6): МК с устройством ввода текущих параметров, блок регулирования (БР) напряжения тормоза и пульт управления (ПУ) с приборными щитками.
В данной системе используется принцип ПИД-регулирова-ния: регулируемым параметром является ток электродвигателя I, а управляющее воздействие осуществляется изменением напряжения порошкового тормоза UT, определяющего его тормозной момент. Напряжение тормоза автоматически изменяется в процессе долбления в зависимости от сигнала, поступающего от
Рис. 9.6. АСУ режимом бурения ВЗД:
ПУ - пульт управления; БР - блок регулирования; РПД - регулятор подачи долота; ТЭП - тормоз электропорошковый; ТМ - талевый механизмов - вертлюг; БН - буровой насос; ЭД - электродвигатель; ТП - тиристорный преобразователь; БК - бурильная колонна; ТС - телесистема; ЗД - забойный двигатель; Д - долото; МК - микроконтроллер; УВ - устройство ввода; ПК - переносной компьютер; СК - стационарный компьютер; I - точка управления
датчика тока. Алгоритмы управления заносятся в систему с помощью портативного компьютера типа "Notebook" (ПК) и могут легко изменяться на программном уровне в любой момент времени. Алгоритмы управления могут согласовываться и объединяться с другими алгоритмами, в частности обеспечивающими оптимальные показатели бурения и отработки долот.
АСУ РБ может функционировать автономно или являться дополнением к системам типа MWD. Так, если бурение ведется с использованием забойной ТС со стационарным компьютером (СК), то возможно объединение двух систем, и тогда операции ввода исходной информации и алгоритмов управления будут осуществляться через СК. 4
АСУ РБ создана на базе существующих контрольно-измерительных средств штатной системы тиристорного электропривода постоянного тока и не требует новых датчиков: в качестве датчика тока используется шунт якорной цепи электродвигателя. Помимо своей основной функции такая АСУ может использоваться так же, как расходомер, регулятор частоты ходов насоса, обеспечивающий оптимальный гидродинамический режим подачи жидкости в скважину, и для диагностики электромеханического комплекса и ВЗД.
В случае подключения к системе датчиков натяжения каната и механической скорости (см. рис. 9.4) она становится многофункциональным автоматизированным комплексом, адаптированным к изменяющимся условиям бурения и дополнительно позволяющим:
проводить динамическое "взвешивание" бурильного инструмента с учетом влияния сил трения колонны;
своевременно обнаруживать и предупреждать внештатные и аварийные ситуации в процессе бурения, а также определять время смены долота и ВЗД;
корректировать алгоритмы управления при изменении условий бурения.
При необходимости в случае подключения датчика давления АСУ РБ может функционировать в рамках типовой структуры с использованием в качестве параметра регулирования давления на стояке или на выходе бурового насоса.
В теоретическом плане сложность создания данной системы заключается в том, что возмущающие (от забоя) и управляющие (от РПД) воздействия передаются с запаздыванием через волноводы с распределенными параметрами (см. § 6.8). Это предопределяет необходимость использования в алгоритмах управления прогнозирующих оценок. Кроме того, поскольку объект управления -система с неизвестной, изменяющейся во времени динамической характеристикой, при управлении необходимо использовать методы адаптации.
Работоспособность экспериментального образца АСУ РБ была проверена при проводке горизонтальной скважины 20-2 "Оренбургская" при забое 2067-2068 м [18]. Результаты бурения приведены в табл. 9.4. Были использованы бурильные трубы ТБПВ 127x9; долото М218 1/2; ВЗД А-675М и телесистема "Anadrill" с развитой сетью забойных и наземных датчиков, которая позволила объективно оценить предложенный способ управления.
Таблица 9-4
Номер замера | Способ управления режимом работы ВЗД | |||||||
ручной | автоматизированный | |||||||
Нагрузка на крюке, кН | Нагрузка на долото, кН | Скорость проходки, м/ч | Давление нагнетания, МПа | Нагрузка на крюке, кН | Нагрузка на долото, кН | Скорость проходки, м/ч | Давление нагнетания, МПа | |
1 2 3 4 5 6 7 | 367 366 362 360 359 357 350 | 47 48 52 54 54 57 64 | 3,7 3,7 3,0 3,0 3,0 3,0 4,7 | 10,18 10,23 10,40 10,47 10,43 10,61 10,76 | 365 364 364 364 364 364 364 | 48 49 49 49 49 49 50 | 3,2 3,2 3,2 3,2 3,2 3,2 3,2 | 10,05 10,10 10,20 10,25 10,20 10,14 10,05 |
Эксперименты подтвердили принципиальную возможность управления режимом работы ВЗД по току приводного двигателя БНА. По сравнению с ручным способом подачи инструмента применение АСУ РБ ВЗД позволяет стабилизировать нагрузку на долото, механическую скорость проходки, давление в циркуляционной системе (см. табл. 9.4) и ток электродвигателя, а также уменьшить отклонение движения долота от заданной траектории. При использовании АСУ РБ снижаются ударные нагрузки на ТС и стабилизируется напряжение забойного турбогенератора, что улучшает качество передаваемых сигналов. Снижаются крутильные колебания гидродвигателя, в результате должен увеличиться ресурс ВЗД и долота.
Таким образом, использование автоматизированных РПД при проводке скважин ВЗД - важный резерв повышения эффективности бурения и качества строительства скважин, в том числе наклонно направленных и горизонтальных.
ГЛАВА 10
Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 2115; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!