CC BY
53
УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ БУРЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СКВАЖИН
МАКАРОВ И. Г.
Уральская государственная горно-геологическая академия
В период становления отечественного нефтяного машиностроения буровые установки для бурения нефтяных и газовых скважин оснащались простейшими системами нерегулируемого электропривода и дизельного привода. Научно-технический прогресс в нефтяной и газовой промышленности, как и в других отраслях народного хозяйства, обусловлен электрификацией производственных процессов, совершенствованием применяемых электроприводов и электрооборудования.
В связи с интенсивным ростом объемов бурения в 1960-е годы создавался ряд новых буро-*ых установок. Глубокие проектные исследования и опытно-экспериментальные работы на действующих установках, проводившиеся разработчиками буровых установок и систем привода, а также исследование зарубежного опыта привели к выводу о целесообразности применения для главных буровых механизмов (ротор, буровые насосы, лебедка) регулируемого электропривода. Это была весьма непростая задача, поскольку на буровых установках имеют место тяжелые условия работы, и для обеспечения высокой надежности потребовалось создание специального нового электрооборудования. Так, например, ОАО «Уралмаш» в настоящее время выпускает кустовые блочно-модульные буровые установки и мобильные на колесном ходу (презентация которых прошла летом 2000 года). В августе 2002 года была презентация нового механизма - верхний привод, совмещение ротора и турбобура.
Роторный стол буровой установки предназначен для приведения во вращение колонны бурильных труб. При роторном бурении это необходимо для вращения долота, при турбинном бурении -для вспомогательных целей.
Буровые насосы представляют собой насосы поршневого типа со сменными поршнями и втулками ряда диаметров. Сменные поршни нужны в связи с тем, что требуемое давление может «меняться в широком диапазоне.
С помощью привода буровой лебедки осуществляются спуско-подъемные операции и создание необходимой на1рузки на далию при бурении скважины.
Установки можно классифицировать по типу привода основных механизмов:
- БУ3900/225 ЭК-БМ - электрическая кустовая блочно-модульная буровая;
- БУ 3200/200 Д1"У - дизель-гидравлическая управляемая;
- БУ 2900/175 ДЭР - дизель-электрическая регулируемая.
Привод основных механизмов на буровых установках типов ЭК-БМ и ДЭР является электрическим, на ЭК-БМ питание осуществляется от линии электропередач, на ДЭР используются дизель-электрические агрегаты, которые при помощи генераторов вырабатывают электроэнергию для питания буровой установки.
На буровых установках типа Д1"У привод является дизельным, то есть ряд дизельных агрегатов работает на общий вал, распределение крутящего момента между основными приводами (приводами основных механизмов) осуществляется с помощью трансмиссии. На буровой установке данного типа плавное и оперативное регулирование технологических параметров процесса бурения невозможно, поэтому при автоматизации буровых работ и их 01ттимизации будем иметь в виду только буровые установки с электрическим приводом основных механизмов.
Выше перечисленные установки Уралмашзавода комплектуются:
- тиристорными преобразователями для управления электроприводами постоянного тока основных механизмов по системе ТП-Д;
- системами контроля технологических параметров процесса бурения (СКПБ) «СГТмикро» фирмы «Ореол», г. Москва, или КУБ-01 фирмы «Геофкт», г. Томск.
Система управления технологическим строительством скважин современных буровых установок представлена на рис. I.
В процессе бурения постоянно контролируются параметры:
- вес на крюке с регистрацией на диаграмме;
- плотность бурового раствора (БР) с регистрацией в журнале;
Рис. !. Структурная схема буровой установки: СУЭП - система управления электроприводами; ОУ - обьект управления «долотогорода»; СКПБ - система контроля параметров бурения; ГС - служба геофизики; БМ - буровой мастер (бурильщик); АР - адаптивный самообучающийся регулятор
- расход БР на входе и выходе из скважины;
- давление в манифольле буровых насосов с регистрацией на диаграмме или в журнале;
- уровень раствора в приемных емкостях при бурении;
- крутящий момент на роторе.
СКПБ предназначена для технологического контроля параметров бурения нефтяных и вых скважин на суше.
Система должна обеспечивать выполнение следующих функций: _
- автоматический сбор, оперативную обработку и представление на средствах отображение текущей информации бурильщику и буровому мастеру;
- контроль выхода значений контролируемых параметров за установленные буровым мг ром пределы с сигнализацией этих событий звуковой - бурильщику и световой - буровому м
РУ-
- выдачу управляющих сигналов при превышении значений параметров давления, нг на крюке и положении талевого блока установленных буровым мастером пределов;
- регистрацию на диаграммной бумаге требуемых параметров.
Системы предоставляют бурильщику только тскуи1ую информацию по контролируемым яд
раметрам процесса бурения, без ее анализа и выдачи оптимальных параметров по строител» скважины.
В настоящее время установлены параметры, в/ияющие на процесс бурения: промывка I___
жины О, плотность бурового раствора у, гидравлическая мощность, срабатываемая в отверстие долота Л'д, расположение отверстий в породоразрушающем инструменте по отношению к шаров-кам и забою скважины, скорость вращения долота (о и нагрузка на долото О.
Работы по созданию математической модели «долото-забой скважины» и ее усовершенствованию предпринимались регулярно организациями, институтами и отдельными специалистами ю всем протяжении существования проблемы оптимизации технологических параметров. Принима во внимание труды ранних исследователей, можно составить систему уравнений, которая описывает объект управления «долото - порода».
у масте-<агрук
ш-
1ьсгав
* = *•(/>, со,Л/>д,р,);
Ф = <ЛШ/; Мя = 0,1 ЗЗуЪО*;
Рте = Рж'*
Я=су;1 +c11л",;
(1
где Ур - рейсовая скорость; И? - проходка за рейс; время вспомогательных операций; ^ - стоимость одного метра скважины; С - стоимость одного часа работы буровой установки; С. - стои-
мость породоразрушающего инструмента; h' - проходка на один оборот породоразрушающего инструмента.
Из системы уравнений (1) и рис. 2 видно, что оптимизации могут подвергаться следующие основные технологические параметры: механическая скорость бурения Уш, рейсовая скорость У^ стоимость одного метра скважины q, проходка на один оборот породоразрушающего инструмента
к1.
Рис. 2. Математическая модель, описывающая объект управления. I - Управляющие воздействия: Q - подача бурового раствора на вход скважины; Р - давление бурового раствора; ш - скорость вращения ПРИ на забое; G - нагрузка на долото. II - Возмущающие воздействия: К9 - крепость породы; у - плотность буровою раствора;/- абразивность горной породы; Рп - пластовое давление; а - коэффициент, характеризующий размеры частиц
забойного шлама. Ill - Регулируемые величины: гидравлическая мощность в отверстиях долота; Уы - механическая скорость проходки; Fp - рейсовая скорость; q - стоимость одного метра скважины;
А1 - проходка на один оборот породоразрушающего инструмента;
I - чистое время бурения
Учитывая требования, которые ставятся перед буровыми бригадами при строительстве скважин, можно утверждать, что оптимизацию следует проводить для поддержания минимальной стоимости одного метра скважины, так как время и стоимость строительства скважины являются одними из основных показателей.
Системы управления основными механизмами буровой установки сводятся к тому, что отрабатываются заданные (заложенные в них) механические характеристики по управляющему воздействию, которое, в свою очередь, задает бурильщик. Таким образом, человек принимает непосредственное участие в строительстве скважины, и качество пробуренной скважины полностью зависит от опыта бурильщика.
Подобные системы имеют ряд недостатков:
- присутствует человеческий фактор, то есть несвоевременное распознавание аварийной ситуации бурильщиком может повлечь за собой большие последствия, в виде временных затрат, связанных с простоями, и материальных затрат, связанных с устранением аварийной ситуации и заменой неисправного оборудования;
- управляющие воздействия задаются бурильщиком, то есть неправильные его действия могут также привести к аварийной ситуации с последующими экономическими потерями;
- от опыта бурильщика зависит качество протекающего процесса строительства скважины;
- бурение осуществляется не при оптимальных значениях технологических параметров.
Выше было сказано, что современные буровые установки комплектуются системами контроля параметров бурения, которые предоставляют бурильщику только текущую информацию по контролируемым параметрам процесса бурения, без ее анализа и выдачи оптимальных параметров по строительству скважины. Геофизические службы также получают информацию от системы контроля для ее анализа, но их методы инерционны, так как полученные результаты находят свое применение только при составлении геолого-технологических нарядов на следующие скважины этого месторождения.
Система автоматизированного управления должна заменять звено «буровой мастер» (см. рис. 1) самообучающейся системой, которая на базе получаемой информации от системы контроля параметров бурения осуществляла анализ и выдавала результат после ее обработки в виде оптимального задания на исполнительный механизм (сисюму управления элемриприводамн). Самообучающаяся система может быть построена на основе поисковых адаптивных регуляторов с самоорганизующейся структурой или самообучающимися регуляторами «искусственный интеллект», которым последнее время уделяют большое внимание. Основную функцию управления выполняет система, а человек присутствует в ней в роли контролирующего звена, которое следит за ходом технологического строительства скважины и в случае возникновения внештатной ситуации может перевести управление в ручной режим. Адаптивные и самообучающиеся регуляторы вы-
полняют анализ получаемой информации и принимают решение при помощи математическом дели, описывающей объект управления (см. рис. 2).
Применение автоматизированной системы управления технологическим строител скважины позволит уменьшить суммарное время строительства за счет рациональной от^ долот и своевременной их замены, позволит избежать аварийных ситуаций, связанных с из поломкой на забое породоразрушающего инструмента.
