Способ регулирования осевой нагрузки на долото в процессе бурения и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к бурению и позволяет повысить точность поддержания осевой нагрузки (ОН) на долото. Регулирование ОН осуществляется путем изменения тока якоря исполнительного электродвигателя (ЭД). Для определения тока якоря, соответствующего заданному значению ОН, перед началом каждого цикла бурения проводят тестирование. При этом колонну бурильных труб перемещают в одном направлении с двумя фиксированными скоростями, значения которых находятся в соотношении 2:1-5:1, а в другом направлении с одной из них. Каждый раз измеряют ток якоря и определяют коэффициент вязкого трения, массу бурового инструмента и момент сил трения. В соответствии с соотношением, взаимосвязывающим перечисленные параметры, а также характеристики ЭД и заданное значение ОН, определяется требуемое значение тока якоря. Устройство регулирования ОН содержит датчики скорости 8 и тока 9, узлы программного управления 5 и вычисления базового сигнала 6, регуляторы скорости 3 и тока 4, пульт 2 управления, коммутатор 7 и тиристорный преобразователь с ЭД 1. В режиме тестирования узлом 5 задаются, а регуляторами 3 и 4 обеспечиваются требуемые режимы перемещения бурильной колонны. Соответствующий заданному значению ОН ток якоря рассчитывается в узле 6, а его поддержание осуществляется регулятором 4. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 Е 21 В 45/00 ь

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BT0PCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4251406/23-03 (22) 28.05.87 (46) 30.04.89. Бюл. N - 16 (71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по автоматизированному электроприводу в промышленности,, сельском хозяйстве и на транспорте (72) Б.И. Моцохейн, Б.М. Парфенов, А.Г. Погосов и A.Â. Шинянский (53) 622.241(088.8) (56) Вольгемут Э.А. Устройство подачи долота для бурения нефтяных и газовых ,скважин. М.: Недра, 1969, с. 66-68.

Регулятор подачи долота электрический РПДЭ-7. Технический проект

М ЕИЛА 650066.042. М.: ВНИИЭлектро привод, 1984. (54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ НА ДОЛОТО В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к бурению и позволяет повысить точность поддержания осевой нагрузки (ОН) на долото.

Регулирование ОН осуществляется путем изменения тока якоря исполнительного электродвигателя (ЭД). Для определения тока якоря, соответствующего saданному значению ОН, перед началом

„„Я0„„1476115 A i каждого цикла бурения проводят тестирование. При этом колонну бурильных труб перемещают в одном направлении с двумя фиксированными скоростями, значения которых находятся в соотношении 2:1-5:1, а в другом направлении с одной из них. Каждый раз измеряют тьк якоря и определяют коэффициент вязкого трения, массу бурового инструмента и момент сил .трения.

В соответствии с соотношением, взаимодействующим перечисленные параметры, а также характеристики ЭД и заданное значение ОН, определяется требуемое значение тока якоря. Устройство регулирования ОН содержит датчики скорости 8 и тока 9, узлы программного управления 5 и вычисления базового сигнала 6, регуляторы скорости 3 и тока 4, пульт 2 управления, коммутатор 7 и тиристорный преобразователь с ЭД 1. В режиме тестирования узлом 5 задаются, а регуляторами 3 и 4 обеспечиваются требуемые режимы перемещения бурильной р колонны. Соответствующий заданному значению ОН ток якоря рассчитывается в узле 6, а его поддержание осуществляется регулятором 4. 3 ил.

1476115

Изобретение относится к регулированию параметров технологического режима .в процессе бурения нефтяных и газовых скважин и может быть использовано в системах автоматического

5 управления бурением для обеспечения поддержания заданной осевой нагрузки на долото

Целью изобретения является повы- 10 шение точности поддержания заданного . значения осевой нагрузки на долото.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства регулирования осевой нагрузки на долото; на фиг. 2 15 и 3 — структурные схемы пульта управления, узла программного управления и узла вычисления базового сигнала.

Сущность данного способа регулирования осевой нагрузки на долото . 20 заключается в том, что для определения веса колонны бурильных труб (КБТ) и соответствующего заданному значению осевой нагрузки тока якоря исполнительного электродвигателя про- 25 водятся перед началом каждого цикла бурения дополнительные тестовые операции.

В соответствии с теорией электропривода в установившемся режиме ра- 30 боты справедливо соотношение (1) где M 4< - момент, развиваемый двигателем;

М вЂ” момент статической нагруз- 35

С2 ки на валу двигателя.

Момент статической нагрузки может быть представлен как сумма момента

М6 „, обусловленного усилием на крюке буровой лебедки, и момента М т „, 40 вызванного силами трения в передачах и узлахпривода лебедки, причем последний может быть в первом приближении принят постоянным по значению, а его знак зависит от направления 45 движения. С учетом этого можно записать

Мс, = М бл + о Мтр „р злЯПЯ„° (2) где > — угловая скорость двигателя.

Первая составляющая момента статической нагрузки выражается как (3) бл р ль

R пр радиус npHBeëenHs i» ..55

F „ — усилие на крюке буровой лебедки, которое в установнвшемя режиме может быть записано в виде

G 6Ä+ h ч + F«,sign V — P4,Ä (4) вес талевого блока и колонны бурильных труб с учетом гидростатического давления бурового раствора; коэффициент, учитывающий вязкое трение (первого рода) колонны о стенки скважины, заполненной буровым раствором; где С„„„скорость движения колонны (положительная при подъеме, отрицательная при спуске); сила сухого трения КБТ о стенки скважины, значение которой не зависит от, скорости, а знак определяется направлением движения КБТ; осевая нагрузка на долото.

F Кьл

Р4ьл

Учитывая, что Ч = R>p ы(Х), можно записать

R qphV (4 М тр.пр +

V + Р4,„К„р= О, (б) М46 кьл np

+ ГК„р ) sign где М4ь = КФТ момент, развиваемый двигателем постоянная электромеханического преобразования двигателя постоянного тока; магнитный поток дви гателя; ток якоря двигателя; вес колонны бурильных труб с учетом си лы гидростатического давления бурового раствора, включая вес талевого блока;

Т

R ор

6 ротс радиус приведения электродвигателя; радиус барабана ле» бедки; передаточное отноше; ние редуктора и цепных передач; передаточное отношение талевой системы.

1- тс

Мс2 кол Rnp+ hR о 4 (1Мтр.пр + Кол"

° Rnp) Sign Ч вЂ” Р4ол Бор (5).

Подстановка полученного значения

М,< в исходное уравнение (1) приводит к выражению

1476115

20

25 кпр

= — — (Gl

Кфн

+ (— - — — + F) sign Vj.

ЛМ тр. пр (8) пр 30

Чтобы реализовать данный способ регулирования осевой нагрузки на

КФ„Тя„ - С кол1 „р- 11 Чп Кпр — Мтр.пр Р пр = Оэ (10)

K4 èI„„! - Скол Rпр + h Чсп, 1-пр + >M тр.пр + F R np

Соотношение между скоростями дви4р жения колонны бурильных труб при тестовых испытаниях может быть любым,, обеспечивающим достаточное различие значений замеряемого параметра. Экспериментально установлено, что наи45 более целесообразно использовать соотношения 1:2-1:5, конкретные значения скорости устанавливаются с учетом технологических особенностей проводки скважины и номинального зна" чения механической скорости бурения.

Максимальная скорость движения

КБТ, обеспечиваемая приводом регулятора подачи долота, составляет для установок разного типа 50-90 м/ч или 0,0139-0,025 м/с. Время, в течение которого заканчивается переходной режим, не превышает 2-3 с (из условия затухания механических волн в колонне бурильных труб). Если приИз входящих в выражение (6) величин известными параметрами являются

В „и К Ф„(при ф = Ф„= const). Могут быть непосредственно измерены

Iyю,V (V = R„ð,, „„rye <" лв угловая скорость двигателя). Остальные величины G „в,, и, F, М1-р,пр изменяются в широких пределах в зависимости от условий бурения.

Осевая нагрузка на долото определяется в соответствии с выражением (6) следующим образом:

Р6р Gêpë+ hV + (+ F) MT . Ap пр

sign Ч

КФн? я (7)

Rpp

Из соотношения (7) следует, что для поддержания заданного значения нагрузки на долото Р „,„ при известных значениях параметров, входящих в (7), и постоянном значении магнитного потока электродвигателя достаточно регулировать ток его якоря в соответствии с уравнением

Радиус барабана при заданиях скорости подъема и спуска не меняется.

Так, для лебедки установки БУ-15000 емкость одного слоя барабана лебедки составляет 129 м, что при талевой оснастке б.х 7 соответствует перемещению квадрата на 10,75 м. Указанное перемещение намного превышает зна- . чения перемещения в режиме тестирования.

Недопустимо проведение тестирования при положении квадрата по отношению к полу буровой, при котором возможен переход с витка на виток.

Силы сухого трения обусловлены . силами нормальной составляющей давления колонны о стенки скважины, которая не зависит от направления движения, что позволяет считать их равными как при подъеме, так и при спуске. долото, заключающийся в поддержании заданного значения тока якоря исполнительного электродвигателя, необходимо перед началом процесса бурения определить значения веса КБТ, сил сухого трения и коэффициента вязкого трения.

В связи с этим каждый раз перед опусканием долота на забой, когда

Pqp> = О, значения G„„„, h йМ 7-р. п𠆆- — — + F определяются по резульк пр татам тестовых испытаний. С этой целью осуществляется перемещение КТБ в одну сторону с двумя значениями скорости, и в другую сторону, как правило, с первым значением скорости предыдущего перемещения. В случае, когда КТБ движется дважды в сторону подъема со скоростями V и, H V n H один раэ в сторону спуска со скоростью Ч „, = Ч „„, каждый раз измеряются значения тока якоря двигателя

I9ï» Тяпг I ясп,, котсрые вводятся в узел вычисления базового сигнала.

При постоянном значении потока возбуждения в соответствии с (1) можно записать (с учетом того, что силы сухого трения одинаковы для движения КБТ как на подъем, так и на спуск) 1476115 нять, что предлагаемое тестирование —, осуществляется при V = 0,025 м/с

Ма с в течение 3 с, то путь перемещения

КБТ за это время не превысит 0,075 м, что существенно меньше длины квадра5 та (1 „ = 13-14 м) . С целью повышения точности измерений целесообразно выбрать Ч„,и Ч, максимальными для данного колеса установки.

dF s.т r3F в.т

h = — — - = — — —

dV Чь, -V, (13) Если Ч„, является максимальной скоростью, то необходимо обеспечить

Vtl1 Чп1 у V 7y

2 " 5 (12)

Указанные тестовые испытания проводятся с целью определения коэффи циента h учитывающего вязкое трение. Суть расчета сводится к тому, что

Из (9) и (10) находят

Кфц(Тяп -Ising ) h = — -" — — — — ——

R n (Uns -V „ ) Из (9) и (11) находят (14) ЬМ g. пр Кфм (1яа -Iycng )

Кар 2R ар

Из (9) и (11) находят

Ь Vfl1 (15) K фн(1,2ni +I >ÿñ

Коа 2Rïð (16) динен с входом тиристорного преобразователя, питающего исполнительный

З5 электродвигатель постоянного тока, Узел 5 программного управления (фиг. 2) при тестовых испытаниях выполнен на базе интегратора 10 и набора параллельно соединенных компара4р торов 11-17, на выходе которых влючены релейные элементы 18-24. В пульте 2 управления релейные элементы

25 и 26 соединены с кнопками "Начало" и "Конец".

45 Коммутатор 7 выполнен в виде нор мально разомкнутого и нормально замкнутого контактов релейного элемента 25.

Узел 5 программного управления

50 (фиг. 3) содержит также три элемента

27-29 памяти, выходы которых соединены с узлом 6 вычисления базового сигнала, содержащего сумматоры 30-33, пороговый элемент 34, блок 35 умно55 жения, пороговый элемент 36, иивертор 37, сумматор 38 и эадатчик 39 осевой нагрузки, Устройство работает следующим образом.

Устройство содержит узел 1 тиристорный преобразователь - электродвигатель, пульт 2 управления, регулятор 3 скорости, регулятор 4 тока, узел 5 программного управления, узел

6 вычисления базового сигнала, коммутатор 7, датчик 8 скорости и датчик 9 тока.

Выход датчика 8 скорости соединен с первыми входами узла 6 вычисления базового сигнала и регулятора 3 скорости, выход которого подключен к первому входу коммутатора 7. Выход датчика 9 тока соединен с первым входом регулятора 4 тока и вторым входом узла 6 вычисления базового сигнала, выход которого подключен к второму входу коммутатора 7. Выход узла 5 программного управления соединен. с вторым входом регулятора 3 скорости и третьим входом узла 6 вычи сления базового сигнала, а выход пульта 2 управления - с управляющими входами узла 5 программного управления и коммутатора 7. Выход последнего соединен с вторым входом регулятора 4 тока, выход которого соепо результатам двух измерений находится разность сил вязкого трения

ЛГ . Тогда коэффициент вязкого трения

При принятии соотношения Ч„, и

V rid, dF sò

h — — — — — — —-(О 95-0 э 8) Ч п1

Увеличение Чу более 1/2 V „, приводит к уменьшению знаменателя в приведенной расчетной формуле, и как следствие, к росту погрешности. Уменьшение V „ ниже. 1/5 V„, целесообразно с точки зрения точности определения

h, но при этом усложняется точность поддержания заданного значения.

1476115

При включении регулятора осевой нагрузки на долото узел 5 программного управления задает режимы тестовых испытаний через регулятор 3 скорости, вырабатывая три различных значения сигнала задания скорости движения КБТ, которые через регуляторы скорости 3 и тока 4 подаются на тиристорный преобразователь. Для каждого значения тестовой скорости с помощью датчиков

8 и 9 измеряются значения тока якоря и скорости вращения исполнительного двигателя, которые запоминаются в элементах памяти узла 5.

По окончании тестовых испытаний регулятор 3 скорости отключается, а с помощью регулятора 4 тока поддерживается необходимое заданное значение тока якоря исполнительного двигателя, соответствующее необхо20 димому заданному значению осевой нагрузки на долото.

Программа тестовых испытаний на чинается при нажатии на кнопку "Начало" пульта 2 управления ° При этом срабатывает релейный элемент 25, первые два контакта которого в коммутаторе 7 переключаются, третий замыкается и напряжение с источника опорного напряжения подается на вход интегратора 10, а четвертый — блокирует кнопку "Начало". На выходе интегратора 10 появляется напряжение

Ua, пропорциональное времени. Это напряжение подается на первые входы компараторов 11-17, на вторые входы этих компараторов подается опорное напряжение U, противоположное по опj знаку напряжению на выходе интегратора 10. До тех пор, пока напряже- 40 ние на выходе интегратора 10 меньше опорного напряжения на втором входе соответствующего компаратора, напряжение на его выходе равно нулю, а при U o7 U „. на выходе j-го компара- 45 тора скачком появится напряжение, благодаря чему сработает включенный на его выходе релейный элемент.

Опорные напряжения U подобраны

an) такими, что первым после начала ра- 50 боты узла программного управления срабатывает релейный элемент 18, через замыкающий контакт которого подается сигнал задания скорости

U,, на вход регулятора 3 скорости. 55

Через промежуток времени, соответствующий окончанию переходного процесса, срабатывает релейный элемент (17) + М.sign ), Реализация данного способа регулирования осевой нагрузки по току

2i который своим замыкающим контактом подключает выход датчика 9 тока к элементу 27 памяти. Через интервал времени, достаточный для запоминания сигнала в элемент 27, срабатывает релейный элемент 19, при этом на вход регулятора 3 с орости подается сигнал

Ч„ ; затем с помощью элемента 22 осуществляется запоминание в элементе 28 сигнала с датчика 9 тока при новом значении скорости. На третьем этапе при помощи релейных элементов .20 и 23 производится задание обратного по знаку значения скорости и запоминание в элемент 23 соответствующего сигнала с датчика 9 тока.

По окончании записи сигнала с датчика 9 тока в элемент 29 памяти срабатывает релейный элемент 24, замыкающие контакты которого подключают выходы элементов 27-29 памяти к входам узла 6 вычисления базового сигнала. Вычисления по формулам (14) (15) и (16) выполняются с помощью сумматоров 31, 32 и 30, а формирование сигнала задания тока якоря по формуле (8) осуществляется с помощью сумматора 38 на вход которого поступают сигналы с задатчика 39 осевой нагрузки, блока 35 умножения, выхода сумматора 31 и в зависимости от знака скорости перемещения колонны бурильных труб с сумматора 33 или инвертора 37 через переключающие контакты релейного элемента 36. На вход сумматора 33 подаются сигналы с выхода сумматоров 30 и 32, благодаря чему в соответствии с формулами (14) и (15) сигнал на его выходе пропорционален суммарному усилию сухого трения в системе. Для выбора знака этого усилия, т.е. для реализации функции

sign U, используется пороговый элемент 34 вместе с релейным элементом

36.

По окончании цикла бурения с помощью кнопки "Конец" включается релейный элемент 26, элементы 27-29 памяти приводятся в исходное состояние, а коммутатор 7 на вход регулятора 4 тока подает значение I которое

93 необходимо поддерживать:

1476115

10 якоря исполнительного двигателя позволяет повысить точность поддержания осевой нагрузки при одновременном исключении из состава электропривода специального датчика веса колонны бурильных труб.

Формула изобретения

1. Способ регулирования осевой нагрузки на долото в процессе бурения, основанный на измерении угловой скорости ы и тока якоря исполнительного электродвигателя и поддержании путем регулирования тока якоря его заданНОГО значения о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности поддержания заданного значения осевой нагрузки, колонну бурильных труб перемещают в одном направлении с двумя скоростями движения, значения которых находятся в соотношении 2:15: 1, а в другом направлении - с одной из этих скоростей, при этом каждый раз измеряют значения тока якоря исполнительного электродвигателя, по которым определяют величину коэффициента h, учитывающего вязкое трение, вес С,„ талевого блока и колонны бурильных труб в момент М, вызванный силами трения, а величину заданного

30 значения тока якоря I < > определяют в соответствии с соотношением

R A ск л P iong Rnp +

9.g

+ М signa ), где А - постоянный коэффициент, учитывающий характеристики двигателя;

R †радиус приведения электроitp двигателя, Рy«,y — заданное значение осевой нагрузки.

2. Устройство регулирования осевой нагрузки на долото в процессе бурения, содержащее датчик скорости, выход которого соединен с первым входом регулятора скорости, и датчик тока, подключенный к первому входу регулятора тока, выход которого соединен с входом тиристорного преобразователя, соединенного с исполнительным электродвигателем постоянного тока, отличающееся тем, что устройство снабжено пультом управления, узлом программного управления, узлом вычисления базового сигнала и коммутатором, при этом первый выход узла программного управления соединен с вторым входом регулятора скорости, выход которого подключен к первому входу коммутатора, выходы датчиков скорости и тока, а также второй выход узла программного управления соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами узла вычисления базового сигнала, выход которого подключен к второму входу коммутатора, причем выход коммутатора соединен с вторым входом регулятора тока, а выход пульта управления — с управляющими входами узла программного управления и коммутатора.

1476115 да

МР

РаСоставитель В. Шилов

Техред Л.Олийнык

Редактор А. Лежнина

Корректор В. Романенко

Заказ 2139/32 Тираж 515 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент™, r. Ужгород, ул. Гагарина, 101