СПОСОБ НАСТРОЙКИ РАБОТЫ ДРОССЕЛЯ В СИСТЕМЕ БУРЕНИЯ С РЕГУЛИРУЕМЫМ ДАВЛЕНИЕМ Российский патент 2023 года по МПК E21B21/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области устройств управления потоком (управляемых дросселей "choke"), используемых при бурении скважин. Точнее, изобретение относится к управляемым дросселям, используемым во время операций бурения для контроля давления в затрубном пространстве скважины.

Уровень техники

Бурение с регулируемым давлением используется для поддержания давления бурового раствора в затрубном пространстве буровой скважины (в пространстве между вскрытым пластом и «колонной» бурового инструмента) в диапазоне между давлением флюидов вскрытого пласта (поровым давлением) и давлением механического разрушения вскрытого пласта (давлением разрыва пласта). Разность между указанными давлениями известна как окно давлений, иногда его называют «окном бурения», и оно представляет диапазон давлений, в пределах которого в скважину не поступают пластовые флюиды или поступают в незначительном количестве, и отсутствуют потери бурового раствора во вскрытом пласте или имеют место в незначительном количестве. Хотя обычно используются утяжеленные буровые растворы (плотность которых увеличена по сравнению с простой водой и/или нефтью для оказания более высокого давления), другие факторы, включая трение текучей среды, вращение труб и противодавление на устье, вносят свой вклад в результирующее давление флюида, действующее на вскрытые пласты. Если точно не регулировать вышеприведенные переменные, то это может приводить к потере управления скважиной, включая случайное поступление пластовых флюидов в ствол скважины или утечку дорогостоящего бурового раствора в пласт. Как следствие, если позволять давлению флюидов выходить за пределы окна бурения, то это может существенно увеличивать расходы на бурение и подвергать буровую установку и персонал опасным условиям, потенциально включая фонтанирование (неконтролируемое поступление флюидов в скважину).

В системах бурения с регулируемым давлением (БРД) осуществляется герметизация кольцевого пространства, окружающего бурильную колонну, для всех операций, включая вращательные и спускоподъемные операции, и совершенствуется способность оборудования буровой установки («буровой вышки») управлять давлением в затрубном пространстве скважины. При герметизированном стволе скважины системы БРД позволяют прикладывать к скважине противодавление, а именно, давление текучей среды от оборудования, находящегося на поверхности, к затрубному пространству скважины. Оператор буровой установки может заставить систему БРД приложить дополнительное противодавление, чтобы увеличить избыточное давление, действующее на вскрытые пласты, или оператор может продолжать бурение при противодавлении и сравнительно менее плотном бурильном растворе, чтобы создать возможность для быстрого регулирования давления на забое скважины в целях подавления фильтрации. При выполнении соединений (сборке и разборке сегментов бурильной трубы и/или инструмента с целью изменения длины бурового снаряда) противодавление с поверхности может быть увеличено, чтобы скомпенсировать потерю давления, которая возникала бы в противном случае из-за трения, вызываемого циркуляцией, что происходит, когда останавливают насосы подачи бурового раствора. Обычно давление увеличивают во время выполнения соединений, когда останавливают буровые насосы, на величину пропорциональную разности между эквивалентной циркуляционной плотностью (ЭЦП) или эквивалентным давлением в скважине, включающим давление трения текучей среды, и эквивалентной статической плотностью (ЭСП) или эквивалентным давлением в скважине без давления трения текучей среды.

Системы БРД могут позволить оператору буровой установки быстрее обнаруживать признаки потенциально опасных ситуаций. При герметично закрытом затрубном пространстве, о чем шла речь выше, вся текучая среда, которая возвращается из скважины, может быть измерена с более высокой точностью, что позволяет быстрее обнаруживать приток и потерю текучей среды, чем это бывает доступно при традиционных методах бурения. Более быстрое обнаружение и реагирование может приводить к меньшему притоку, поскольку сокращается продолжительность существования условий бурения на депрессии. Меньший приток обычно бывает легче выводить из скважины, поскольку обычно присутствует меньше газа и легких текучих сред в кольцевом пространстве, которые оказывают меньше давления на более слабые пласты. В случае случайного притока в ствол скважины, системы БРД могут быть использованы для приложения с поверхности противодавления к скважине, чтобы остановить приток, прежде чем закрывать противовыбросовое устройство - противовыбросовый превентер («ПВП»), что исключает снижение забойного давления, действующего на пласт после выключения бурового насоса и закрытия ПВП, и дополнительно уменьшает объем притока.

Стандартные системы БРД содержат систему герметизации кольцевого пространства, устройство изоляции бурильной колонны и делитель потока (англ. flow spool), или эквивалентные устройства, которые активно управляют давлением в стволе скважины во время бурения и при других операциях. Система герметизации кольцевого пространства может содержать вращающийся превентор («ВП»), устройство активного управления («УАУ») или другой тип устройства герметизации кольцевого пространства, предназначенного для плотного перекрытия затрубного пространства, окружающего бурильную колонну, в то время как последняя вращается и перемещается в осевом направлении. Таким образом затрубное пространство запечатывается так, что оно не сообщается с атмосферой. Устройство изоляции бурильной колонны обычно располагают непосредственно под системой герметизации кольцевого пространства, и оно содержит кольцевой пакер, который закупоривает скважину и поддерживает затрубное давление, когда прекращается вращение, и производится монтаж, обслуживание, снятие или иное отсоединение системы герметизации кольцевого пространства или ее компонентов. Делитель потока обычно располагают непосредственно под устройством изоляции бурильной колонны; при этом он, как часть системы возврата текучей среды под давлением, отводит текучую среду из-под системы герметизации кольцевого пространства на поверхность. Делитель потока имеет сообщение по текучей среде с блоком дросселирования (англ. choke manifold), обычно размещаемым на платформе буровой установки, то есть сообщение по текучей среде с газосепаратором для бурового раствора, вибрационными ситами или иной системой обработки флюидов. Герметичное уплотнение на затрубном пространстве позволяет с высокой точностью управлять давлением в стволе скважины путем манипуляции дросселями в блоке дросселирования, и соответствующего приложения противодавления с поверхности.

Один или более регулируемых дроссельных клапанов в блоке дросселирования можно приводить в действие автоматически в ответ на измерения одного или более параметров, имеющих связь с давлением в кольцевом пространстве, например помимо других возможных - со скоростью истечения флюида из скважины. Автоматизация работы одного или более регулируемых дроссельных клапанов требует настройки или калибровки дросселирующего отверстия относительно давления флюидов в затрубном пространстве для каждого набора технических данных бурильного оборудования скважины; среди других параметров - глубины скважины, диаметра скважины и реологических характеристик бурильного раствора.

Примером системы БРД может служить система, раскрытая в источнике US 2017/0037690 А1. Здесь предлагается система, в которой используется «интегрированный» подход к поддержанию давления бурильного раствора на основании набора регулируемых компонентов, таких как раскрытие дросселя, скорость накачки насосом и т.д.

Также известно решение, раскрытое в источнике US 2016/0102511 А1, где предлагается способ бурения скважины с автоматизированным управлением, где параметры системы бурения управляются с использованием дросселя на основании измеряемых параметров в скважине. Данное решение может рассматриваться в качестве ближайшего аналога изобретения.

Раскрытие сущности изобретения

В одном своем аспекте настоящее изобретение представляет способ настройки системы бурения с регулируемым давлением, содержащей дроссель с изменяемым дросселирующим отверстием для управления расходом текучей среды, исходящей из бурящейся скважины. При этом указанный способ содержит:

(a) характеризацию изменения расхода текучей среды через дроссель относительно раскрытия дросселя при, по существу, постоянном падении давления на дросселе; (b) характеризацию изменения давления текучей среды в скважине относительно изменения раскрытия дросселя при, по существу, постоянном расходе текучей среды, поступающей в скважину; (с) характеризацию времени отклика давления в скважине на изменения раскрытия дросселя, времени задержки отклика давления после изменения раскрытия дросселя, и противодавления, воздействующего на скважину относительно раскрытия дросселя. По меньшей мере одно из характеризаций (а) и (b) и характеризацию (с) используют для вычисления параметров управления для пропорционального-интегрального-дифференциального регулятора, выходной величиной которого является раскрытие дросселя, а входной величиной является давление текучей среды в скважине перед дросселем.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, характеризация изменения расхода текучей среды через дроссель относительно частичного раскрытия дросселя при, по существу, постоянном падении давления на дросселе содержит: прокачку текучей среды через трубопровод, уходящий в скважину; измерение расхода текучей среды, выходящей из скважины через кольцевое пространство между указанным трубопроводом и стенкой скважины; измерение давления текучей среды в скважине перед дросселем; регулирование частичного раскрытия дросселя, и изменение расхода прокачиваемой текучей среды так, чтобы измеренное давление оставалось по существу постоянным.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, характеризация времени отклика давления в скважине на изменения частичного раскрытия дросселя, времени задержки отклика давления после изменения частичного раскрытия дросселя, и противодавления, воздействующего на скважину относительно частичного раскрытия дросселя содержит: измерение давления в скважине перед дросселем, измерение давления перед дросселем и изменения измеренного давления относительно изменения частичного раскрытия дросселя при одновременной прокачке текучей среды в скважину по существу с постоянным расходом.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, характеризация времени отклика давления в скважине на изменения частичного раскрытия дросселя содержит: измерение давления в скважине перед дросселем во времени; и определение времени, прошедшего между изменением частичного раскрытия дросселя и изменением измеренного давления при одновременной прокачке текучей среды в скважину по существу с постоянным расходом.

Некоторые варианты осуществления изобретения дополнительно содержат: использование по меньшей мере одной из характеризаций (а) и (b) и характеризации (с) для вычисления объема текучей среды, который требуется добавить в буровую систему циркуляции или изъять из буровой системы циркуляции, чтобы получить удельное изменение давления в скважине; приведение в действие системы бурения с регулируемым давлением, чтобы вызвать изменение расхода текучей среды через бурящуюся скважину; измерение изменений объема текучей среды в буровой системе циркуляции, и перевод дросселя с изменяемым дросселирующим отверстием в заданное положение после того, как будет достигнуто вычисленное изменение объема текучей среды в буровой системе циркуляции.

Другие аспекты и возможные преимущества настоящего изобретения должны быть понятны из последующего описания и формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 изображает пример осуществления системы бурения с регулируемым давлением (БРД).

Фиг.2 изображает пример осуществления автоматического дросселя.

Фиг. 3 изображает пример осуществления управляющей системы.

Фиг. 4 изображает пример графика отклика системы на изменения давления.

Фиг. 5 изображает пример графика отклика дросселя относительно изменения положения или раскрытия.

Фиг. 6 изображает пример графика чувствительности дросселя.

Фиг. 7 изображает различаемые участки на характеристике дросселя фиг. 5.

Фиг. 8 изображает пример «портрета» дросселя в системе.

Фиг. 9 представляет график, определяющий параметры, используемые для описания характеристики дросселя.

Осуществление изобретения

Ниже, согласно фиг. 1-3, будет рассмотрен пример варианта осуществления системы бурения с регулируемым давлением (БРД), которая может быть использована в соответствии со способом, предложенным в настоящем изобретении. Следует четко понимать, что пример варианта осуществления системы БРД, приводимый в настоящем описании, дан только в целях иллюстрации. В соответствии с настоящим изобретением с равным успехом могут быть использованы и другие варианты осуществления системы БРД.

На фиг. 1-3 ссылочный номер 100 позиции относится в целом к варианту осуществления системы (например, системы БРД) для управления давлением текучей среды в нефтяной или газовой скважине 10. Система 100 содержит автоматический дроссель 102 для управляемого высвобождения текучих сред под давлением из кольцевого пространства («затрубное пространство») 24 между обсадной трубой 16 ствола скважины (и открытой пробуренной скважиной ниже обсадной трубы 16, не показана) и бурильной колонной 18. Текучая среда (например, буровой раствор) закачивается из резервуара 20 для хранения бурового раствора посредством бурового насоса (насосов) 22 в бурильную колонну 18. Текучая среда покидает забой бурильной колонны 18 и поступает в кольцевое пространство 24. Кольцевое пространство 24 закрыто вращающимся превентором 26 или подобным устройством для герметизации кольцевого пространства.

Текучая среда высвобождается из кольцевого пространства 24 через автоматический дроссель 102, который управляемым образом ограничивает отток, чтобы тем самым создавать противодавление в стволе 12 скважины. Вытекающая текучая среда в конечном счете следует из дросселя 102 в резервуар 20 для хранения бурового раствора. Управляющая система 104 осуществляет управление работой (т.е. эффективным размером дросселирующего отверстия) автоматического дросселя 102, чтобы поддерживать в стволе 12 скважины выбранное давление. Управляющая система 104 может быть сигналами связана с дисплеем и пультом 34 управления оператора, откуда оператор может вводить управляющие сигналы и наблюдать за откликом системы.

Датчик 32а давления может измерять давление (CSP, от англ. Casing Pressure) в обсадной трубе 16 ствола скважины. Другой датчик 32b давления может измерять давление (DPP, от англ. Drill Pipe Pressure) в бурильной колонне или давление на стояке нагнетательной линии (SPP, от англ. Stand Pipe Pressure). Расходомер 106, например расходомер Кориолиса, может измерять расход текучей среды, истекающей из обсадной трубы 16 и поступающей в дроссель 102. Другой расходомер 108 может измерять расход текучей среды, поступающей в бурильную колонну 18. Данный расходомер 108 может быть заменен или дополнен счетчиком числа ходов поршня бурового насоса (насосов) 22 на буровой установке. Вышеупомянутые датчики могут быть сигналами связаны с управляющей системой 104. Некоторые варианты осуществления изобретения могут содержать датчик 32с, который может измерять давление вблизи забоя (ВНР, от англ. Bottomhole Pressure) ствола 12 скважины, например, датчик давления (PWD, от англ. Pressure While Drilling) во время бурения. Такой датчик 32с может обеспечивать достоверное определение давления в стволе скважины при динамических условиях, однако, такой датчик 32с не является обязательным для работы системы БРД, соответствующей настоящему изобретению.

Как показано на фиг. 2, автоматический дроссель 102 может содержать подвижный вентильный элемент 102а, который определяет плавно регулируемое сопротивление течению, зависящее от положения подвижного вентильного элемента 102а. Положением подвижного вентильного элемента 102а может управлять первый сигнал 102b управления давлением и действующий встречно второй сигнал 102 с управления давлением. В изображенном варианте осуществления изобретения первый сигнал 102b управления давлением может представлять давление уставки (SPP, от англ. Set Point Pressure), которое формируется управляющей системой 104, при этом второй сигнал 102 с управления давлением представляет давление CSP текучей среды внутри обсадной трубы 16. Таким образом, если CSP больше, чем SPP, то текучая среда под давлением, находящаяся в кольцевом пространстве 24 скважины 10, выводится в резервуар 20 для бурового раствора с большей скоростью за счет увеличения дросселирующего отверстия дросселя 102. И наоборот, если CSP равно или меньше SPP, то текучие материалы под давлением, которые находятся в кольцевом пространстве 24 скважины 10, выводятся в резервуар 20 для бурового раствора медленнее за счет уменьшения дросселирующего отверстия дросселя 102. Таким образом, автоматический дроссель 102 обеспечивает регулирование давления, так как может управляемым образом выпускать из кольцевого пространства 24 текучие среды, которые находятся там под давлением, и тем самым также может управляемым образом создавать и поддерживать противодавление в стволе 12 скважины. Согласно примеру варианта осуществления изобретения, автоматический дроссель 102 может быть предусмотрен по существу, как описано в патенте США US 6253787, который целиком включен в настоящее изобретение посредством ссылки.

Таким образом, система 100 может обеспечивать автоматическое управление давлением CSP при участии оператора 104 с, который задает нужную уставку давления SPP. Автоматический дроссель 102 затем регулирует CSP в зависимости от выбранной уставки SPP.

Изображенный вариант может быть реализован в форме датчиков давления для измерения DPP и CSP, а управляющая система 104 может быть реализована в форме программируемого логического контроллера, вентильной матрицы для обработки данных с плавающей запятой, специализированной интегральной схемы или любого иного микрокомпьютера, компьютера, компьютерного процессора или контроллера известного в данной области техники. Соответственно, рассмотренный выше вариант осуществления не является ограничением объема настоящего изобретения.

В самых общих словах управление давлением в кольцевом пространстве выполняется путем управления положением автоматического дросселя 102 в ответ на измерения давления и расхода бурового раствора при его поступлении в ствол 12 скважины и/или при выходе из ствола скважины. Способ, соответствующий настоящему изобретению, решает задачу калибровки или «настройки» отклика системы БРД, направленного на управление давлением, и, в частности, задачу работы управляющей системы 104, связанной с управлением автоматическим дросселем 102 с целью более точного поддержания давления в скважине при предполагаемых условиях работы во время бурения.

Настройка управляющей системы 104 способами, которые были известны до появления настоящего изобретения, может требовать большого количества времени, что увеличивает расходы на выполнение операций бурения. За счет простого и надежного способа настройки управляющей системы 104, соответствующего настоящему изобретению, операции бурения можно выполнять более предсказуемым и менее затратным образом.

Система БРД и характеристики бурящейся скважины

Отклик давления большинства бурящихся скважин на изменения расхода текучей среды и/или изменение дросселирующего отверстия может быть аппроксимирован системой первого порядка, содержащей временную задержку. Такие скважины известны как «устойчивые без обратной связи» (см. пример графика на фиг. 4). Устойчивые без обратной связи означает, что, если производится изменение положения дросселя (дросселирующего отверстия), то давление в скважине будет изменяться соответствующим образом, не выходя за границы или установленные пределы, если дросселирующее отверстие самое находится в приемлемых пределах. Данная характеристика может быть использована для предсказания исходного набора параметров контура управления устойчивого пропорционального-интегрального-дифференциального (ПИД) регулятора.

График на фиг. 4 изображает изменение давления в кольцевом пространстве (перед дросселем 102 фиг. 1) во времени, начиная от произвольного базового давления (от 0 оси ординат). Изменение положения дросселя вводит оператор в управляющую систему (104 на фиг. 1) в момент времени t=0. Давление, измеренное на стороне дросселя, обращенной к кольцевому пространству, изображает кривая 401. Следует отметить, что локальный пик 403 фактического отклика давления в скважине, изображенный на фиг. 4, вызван характеристиками наземного оборудования системы БРД, а не характеристиками скважины. Данный пик 403 характерен для морских (оффшорных) операций БРД, и встречается в большинстве систем. При определении параметров скважины для настройки дросселя в соответствии с настоящим изобретением пик 403, показанный на фиг. 4, можно не учитывать. Теоретический отклик давления в скважине показывает кривая 402.

Характеристика расхода через дроссель обычно не линейна, а приблизительно следует сигмоидальной функции. Это означает, что номинальное изменение, например, номинальное частичное шаговое изменение дросселирующего отверстия, не приводит к соответствующему номинальному изменению расхода во всем диапазоне работы дросселирующего отверстия. Это хорошо известная характеристика дросселей.

На фиг. 5 представлен график характеристического расхода Cv для дросселя в виде кривой 501. Величина Cv может быть представлена в единицах расхода через дроссель при заданном падении давления (в данном случае 1 фунт/дюйм² (~0,07 бар)) для конкретной текучей среды; во многих случаях для коммерческой характеризации используют чистую воду при температуре 15°С. Величина Cv может быть выражена формулой:

где Q - величина расхода; ΔР - падение давления на дросселе; a SG -относительная плотность текучей среды. При частичном открытии отверстия дросселя в интервале от полностью закрытого до полностью открытого состояния ось абсцисс указывает степень раскрытия дросселя в процентах. Изменение Cv для 10% шага раскрытия дросселя при его открывании показана для различных точек во всем диапазоне раскрытия дросселя - в данном случае для шага раскрытия от 30% до 40% и от 60% до 70% по сравнению с линейной характеристикой 502, которая наложена на график фиг. 5. Следует отметить, что, хотя абсолютное изменение Cv больше для раскрытия отверстия от 60% до 70%, относительное изменение для шага от 30% до 40% гораздо больше. Поэтому отклик давления на изменения положения дросселя будет более выраженным при меньших раскрытиях дросселя. В некоторых имеющихся на рынке моделях ПИД-регуляторов учтен рассмотренный выше факт, и в них могут быть определены два набора параметров ПИД-регулирования, так что в большей части диапазона раскрытия дросселя обеспечивается его оптимальная работа. Чувствительность дросселя (выраженная как Δ%/%) графически показана на фиг. 6. Согласно одному аспекту способа, соответствующего настоящему изобретению, характеристический расход Cv дросселя может быть определен для конкретного дросселя, то есть дросселя 102 на фиг. 1 в соответствии с фактическим буровым раствором, применяемым при бурении скважины (фиг. 1).

Управляющая система БРД (104 на фиг. 1) может содержать, например, программу, работающую на компьютере или процессоре любого вида, контроллер упреждающего (прямого) регулирования и ПИД-регулятор (ПИД-контроллер), чтобы обеспечить надежное управление давлением, и при этом система БРД работает автоматически. Контроллер упреждающего регулирования используется, чтобы прогнозировать оптимальное новое раскрытие дросселя в ответ на изменение измеренного или выбранного (уставкой) давления в скважине, в то время как ПИД-контроллер осуществляет точную (тонкую) настройку раскрытия дросселя, чтобы поддерживать выбранной целевое давление в скважине. Это дает возможность адаптироваться к большим изменениям уставки давления или изменениям определенного давления при лишь минимальном перерегулировании дросселя, и существенно сократить время необходимое системе БРД для отклика на изменение уставки давления.

ПИД-контроллер может располагать различными режимами работы, например «Ручным» режимом, при котором используется статический набор параметров ПИД-регулирования, и «Автоматическим» режимом, при котором оператор может определить два (или более) наборов параметров ПИД-регулирования в зависимости от характеристик дросселя при сильном и слабом рабочем раскрытии отверстия. В более сложных моделях в пределах рабочего диапазона может использоваться непрерывное изменение параметров ПИД-регулирования. Это позволяет избежать необходимости какого-либо ручного возврата для большой уставки или ступенчатых изменений измеренного давления в скважине, которые соответственно потребовали бы больших ступенчатых изменений раскрытия дросселя.

Для настройки управляющей системы БРД (104 на фиг. 1) желательно отделить настройку ПИД-контроллера от контроллера упреждающего регулирования. Однако, для обоих контроллеров должна быть известна точная кривая Cv и хорошая аппроксимация отклика скважины.

На фиг. 7 изображен график, иллюстрирующий дроссель, имеющий обычную нелинейную характеристику Cv, которая может быть использована в примере настройки дросселя. Как показано на фиг. 7, характеристика Cv дросселя может быть аппроксимирована во всем диапазоне раскрытия дросселя тремя различными участками: А - [раскрытие в диапазоне приблизительно 10%-45%], В - [раскрытие в диапазоне приблизительно 45%-80%] и С - [раскрытие в диапазоне приблизительно 80%-100%]. Оператор может выбрать, какой из трех диапазонов раскрытия дросселя представляет наибольший интерес при работе системы БРД. Если система БРД работает так, что дроссель преимущественно действует в диапазонах В и С, тогда настройку можно наилучшим образом выполнить в этих диапазонах. А если верхний участок С считается неважным для управления давлением, то настройка системы может быть выполнена для раскрытия дросселя на участках А, В.

Способы, соответствующие настоящему изобретению, могут быть описаны следующими обобщенными процедурами.

Процедура определения «портрета» (англ. fingerprinting) системы:

а. Определение фактических параметров дросселя («портрет» кривой Cv).

b. Определение характеристик скважины (или модели процесса, как она описана в литературе по БРД).

Процедура контроллера упреждающего регулирования:

a. Вычисление необходимого увеличения (или уменьшения) объема текучей среды, циркулирующей в системе бурения, которое требуется для получения определенного изменения давления в скважине.

b. Приведение в действие дросселя (дросселей) (или увеличение/уменьшение производительности насоса) на закрытие/открытие, чтобы обеспечить изменение расхода текучей среды.

c. Измерение соответствующего изменения объема текучей среды, циркулирующей в системе бурения.

d. Перевод дросселя (дросселей) в предварительно заданное положение, исходя из «портрета» дросселя (характеристики Cv), когда оказывается достигнутым требуемое изменение объема.

Процедура ПИД-контроллера:

а. Использование ПИД-контроллера для стабилизации давления в скважине, и поддержание давления в скважине на выбранном (требуемом) уровне с использованием величин, найденных в процедуре определения портрета системы.

Процедура контроллера упреждающего регулирования не требует обширных и сложных вычислений, которые используются в способах, которые были известны до появления настоящего изобретения, и может предоставить оператору быстрое и надежное средство изменения давления в скважине. Если требуется, то данный способ может быть применим даже к режиму полностью ручного управления обычным персоналом буровой установки, и может дополнять возможные преимущества.

Ниже будут более подробно рассмотрены действия необходимые для выполнения вышеописанных процедур.

Исходная характеризация отклика дросселя

Следующие действия могут быть предприняты при первичной инициализации системы БРД на любой конкретной скважине. Поскольку каждая скважина может отличаться от других, то есть обладать уникальным откликом давления на изменение производительности бурового насоса буровой установки и на положение дросселя, желательно выполнить следующие этапы в начале операций бурения на любой скважине или профиле скважины.

Если использовать характеристику Cv, которую изначально предоставляет производитель дросселя (например, см. фиг. 5), то путем применения процедуры, изложенной в следующей таблице, можно построить характеристику Cv, то есть характеристику расход / % раскрытия дросселя / давление для конкретного дросселя (102 на фиг. 1), как он фактически используется в системе БРД на бурящейся скважине. Максимальное давление бурового раствора и расход могут быть определены для любой конкретной скважины. Примерный способ для построения характеристики расход / % раскрытия дросселя / давление, то есть определения характеристики Cv может быть реализован в соответствии со следующей таблицей.

На фиг. 8 изображен график примера «портрета» дросселя в системе, при этом для определения величин Cv при других уровнях раскрытия дросселя используются комбинации фактического противодавления (SPB) в сопоставлении с расходом и раскрытием дросселя.

Определение параметров скважины

Определение параметров скважины, которые должны использоваться в ПИД-контроллере, может представлять собой быструю и простую в реализации процедуру. Однако характеристика комбинации дросселя и скважины в системе связана с характеристиками расхода обоих компонентов; следовательно, определение характеристики следует повторять для каждой новой секции скважины (например, когда устанавливают обсадную трубу или вкладыш и/или изменяют диаметр бурового долота) или если сталкиваются со значительными изменениями рабочих параметров бурения. Для наилучших результатов определение характеристики следует выполнять в пределах ожидаемого диапазона рабочих параметров бурения (расхода бурового раствора, противодавления с поверхности, плотности бурового раствора, и т.п.). Также определение параметров скважины приходится выполнять на ожидаемом рабочем участке А, В или С характеристики Cv (см. фиг. 7), чтобы в ПИД-контроллер ввести правильные параметры.

Определение параметров скважины может быть выполнено в режиме ручного управления дросселем (т.е. при отключенном автоматическом управлении дросселем 102), и может содержать использование заранее заданных этапов открывания дросселя. Производится измерение отклика противодавления (SBP, от англ. Surface Back Pressure), что обеспечит основные сигналы для определения оптимальных параметров ПИД-контроллера. Этапы, указанные в нижеприведенной таблице, могут быть выполнены в нескольких разных диапазонах раскрытия дросселя, чтобы дать возможность оптимально охватить характеристику дросселя.

Для дросселя 102 (или каждого дросселя в системе БРД с несколькими дросселями) следует внести найденные значения в следующую таблицу, используя график и определения фиг. 9 в качестве руководства для определения t_choke, t_SBP и t_S. Числом этапов в любом варианте осуществления может быть любое выбранное число. Следует отметить, что момент t_SBP в первую очередь указывает на фактический подъем давления, а не склон кривой давления.

Определение параметров ПИД-контроллера

Данный этап обеспечивает исходные параметры для работы ПИД-контроллера. В большинстве случаев расчет исходных параметров может обеспечить устойчивую работу ПИД-контроллера. Это может быть использовано в качестве основы для выполнения тонкой настройки в конкретных ситуациях. Установлено, что эффективная работа ПИД-контроллера может быть обеспечена путем использования трех параметров: K_m, T_m и S_m. Параметр S_m представляет постоянную времени скважины, то есть, насколько быстро скважина реагирует на изменения настройки дросселя. Параметр T_m представляет временную задержку, то есть момент, когда скважина начнет реагировать после изменения настройки дросселя, а параметр K_m представляет коэффициент передачи (усиления) скважины и системы БРД, то есть, как изменяется противодавление SBP в зависимости от изменения раскрытия дросселя. Установлено, что если эмпирически определить три указанных выше параметра, то система БРД сможет работать надежно при участии оператора, которому не нужно будет угадывать значения рабочих параметров системы.

Существует несколько различных методов вычисления параметров ПИД-регулирования - при этом в каждом методе по-своему используются параметры K_m, T_m и S_m. Хорошим справочником для надлежащего определения параметров является "Handbook of PI and PID Controller Tuning Rules", 3^rd edition, Aidan O'Dwyer («Правила настройки ПИ- и ПИД-регуляторов»)

Определение основных параметров управления на основе отклика системы на ступенчатое воздействие позволяет определить стабильный набор параметров ПИД-регулирования. Если необходимо, указанные параметры ПИД-регулирования могут быть использованы для дополнительного улучшения работы. При этом не требуется знание свойств скважины, бурового раствора или характеристик дросселя.

Путем настройки работы дросселя (дросселей) в системе БРД в соответствии с настоящим изобретением можно точно оценивать объем текучей среды, который необходимо добавить или изъять из буровой системы циркуляции (содержащей буровой насос 22, бурильную трубу, обсадную трубу 16, ствол скважины и кольцевое пространство 24 на фиг. 1), чтобы вызвать заданное изменение противодавления (SBP). Такое оценивание делает возможным более быстрый отклик системы БРД на изменение уставки давления. К примеру, увеличение уставки давления может сопровождаться значительным закрытием дросселя (102 на фиг. 1) на определенное время, после чего дроссель (102 на фиг. 1) открывают до нового частичного уровня, что будет приводить к тому, что противодавление SBP окажется по существу равным новой уставке. Соответствующее раскрытие дросселя может иметь место, чтобы реализовать снижение уставки давления. Соответственно, отклик системы БРД с использованием калиброванного дросселя (дросселей) в соответствии с настоящим изобретением может быть более быстрым и, следовательно, более безопасным, чем при использовании некалиброванного дросселя (дросселей), управляемого только ПИД-контроллером или эквивалентным устройством.

В свете принципов и вариантов осуществления изобретения, которые рассмотрены и проиллюстрированы в настоящем описании, следует признать, что в указанные варианты осуществления могут быть внесены изменения в конструкцию и детали без отступления от указанных принципов. Вышеприведенное обсуждение было сосредоточено на конкретных вариантах осуществления, но также предполагается возможность существования и других конфигураций. В частности, несмотря на то, что в описании использованы такие выражения, как в «некотором варианте осуществления» или им подобные, указанные фразы предназначены для того, чтобы в общем сослаться на возможности варианта осуществления, и не имеют целью ограничивать изобретение конкретным вариантом. В том виде, в каком они используются в настоящем описании, указанные термины могут ссылаться на одни и те же или на разные варианты осуществления, которые можно комбинировать и получать другие варианты. Как правило, любой вариант осуществления, который упоминается в настоящем описании, можно свободно комбинировать с любым одним или более другими упоминаемыми здесь вариантами, и любое число признаков разных вариантов осуществления можно комбинировать друг с другом, если не оговорено иное. Хотя выше подробно были описаны только несколько примеров, специалистам в данной области должно быть понятно, что в границах идеи описанных примеров возможно множество модификаций. Соответственно, предполагается, что все такие модификации должны быть включены в объем настоящего изобретения в соответствии с формулой изобретения.

Группа изобретений относится к бурению нефтегазодобывающих скважин с регулируемым давлением. Способ включает (a) характеризацию изменения расхода текучей среды через дроссель относительно частичного раскрытия дросселя при постоянном падении давления на дросселе, (b) характеризацию изменения давления текучей среды в скважине относительно частичного раскрытия дросселя при постоянном расходе текучей среды, поступающей в скважину, (c) характеризацию времени отклика давления в скважине на изменения частичного раскрытия дросселя, времени задержки отклика давления после изменения частичного раскрытия дросселя, и противодавления, воздействующего на скважину относительно частичного раскрытия дросселя, использование по меньшей мере одной из характеризаций (а), (b) и (с) для вычисления параметров управления для пропорционального-интегрального-дифференциального регулятора, выходной управляемой величиной которого является частичное раскрытие дросселя, а входной управляющей величиной является давление текучей среды в скважине перед дросселем. Характеризация времени отклика давления в скважине на изменения частичного раскрытия дросселя содержит измерение давления в скважине перед дросселем во времени и определение времени, прошедшего между изменением частичного раскрытия дросселя и изменением измеренного давления при одновременной прокачке текучей среды в скважину с постоянным расходом. Снижаются временные затраты, повышается надежность и точность регулирования давления. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 9 ил., 4 табл.

1. Способ настройки системы бурения с регулируемым давлением, содержащей дроссель с изменяемым дросселирующим отверстием, предназначенный для контролируемого ограничения потока текучей среды из бурящейся скважины, содержащий:

(a) характеризацию изменения расхода текучей среды через дроссель относительно частичного раскрытия дросселя при постоянном падении давления на дросселе;

(b) характеризацию изменения давления текучей среды в скважине относительно частичного раскрытия дросселя при постоянном расходе текучей среды, поступающей в скважину;

(c) характеризацию времени отклика давления в скважине на изменения частичного раскрытия дросселя, времени задержки отклика давления после изменения частичного раскрытия дросселя, и противодавления, воздействующего на скважину относительно частичного раскрытия дросселя; и

использование по меньшей мере одной из характеризаций (а) и (b) и характеризации (с) для вычисления параметров управления для пропорционального-интегрального-дифференциального регулятора, выходной управляемой величиной которого является частичное раскрытие дросселя, а входной управляющей величиной является давление текучей среды в скважине перед дросселем,

при этом характеризация времени отклика давления в скважине на изменения частичного раскрытия дросселя содержит измерение давления в скважине перед дросселем во времени, и определение времени, прошедшего между изменением частичного раскрытия дросселя и изменением измеренного давления при одновременной прокачке текучей среды в скважину с постоянным расходом.

2. Способ по п. 1, в котором характеризация изменения расхода текучей среды через дроссель относительно частичного раскрытия дросселя при постоянном падении давления на дросселе содержит прокачку текучей среды через трубопровод, уходящий в скважину, измерение расхода текучей среды, выходящей из скважины через кольцевое пространство между указанным трубопроводом и стенкой скважины, измерение давления текучей среды в скважине перед дросселем, регулирование частичного раскрытия дросселя, и изменение расхода прокачиваемой текучей среды так, чтобы измеренное давление оставалось постоянным.

3. Способ по п. 1, в котором характеризация времени отклика давления в скважине на изменения частичного раскрытия дросселя, времени задержки отклика давления после изменения частичного раскрытия дросселя, и противодавления, воздействующего на скважину относительно частичного раскрытия дросселя, содержит измерение давления в скважине перед дросселем, измерение давления перед дросселем и изменения измеренного давления относительно изменения частичного раскрытия дросселя при одновременной прокачке текучей среды в скважину с постоянным расходом.

4. Способ по п. 1, дополнительно содержащий:

использование по меньшей мере одной из характеризаций (а) и (b) и характеризации (с) для вычисления объема текучей среды, который требуется добавить в буровую систему циркуляции или изъять из буровой системы циркуляции, чтобы получить удельное изменение давления в скважине,

приведение в действие системы бурения с регулируемым давлением, чтобы вызвать изменение расхода текучей среды через бурящуюся скважину,

измерение изменения объема текучей среды в буровой системе циркуляции, и

перевод дросселя с изменяемым дросселирующим отверстием в предварительно заданное положение после того, как будет достигнуто вычисленное изменение объема текучей среды в буровой системе циркуляции.

5. Способ настройки системы бурения с регулируемым давлением, содержащей дроссель с изменяемым дросселирующим отверстием, предназначенный для контролируемого ограничения потока текучей среды из бурящейся скважины, содержащий:

(a) характеризацию изменения расхода текучей среды через дроссель относительно частичного раскрытия дросселя при постоянном падении давления на дросселе;

(b) характеризацию изменения давления текучей среды в скважине относительно частичного раскрытия дросселя при постоянном расходе текучей среды, поступающей в скважину;

(c) характеризацию времени отклика давления в скважине на изменения частичного раскрытия дросселя, времени задержки отклика давления после изменения частичного раскрытия дросселя, и противодавления, воздействующего на скважину относительно частичного раскрытия дросселя; и

использование по меньшей мере одной из характеризаций (а) и (b) и характеризации (с) для вычисления параметров управления для пропорционального-интегрального-дифференциального регулятора, выходной управляемой величиной которого является частичное раскрытие дросселя, а входной управляющей величиной является давление текучей среды в скважине перед дросселем,

при этом характеризация времени отклика давления в скважине на изменения частичного раскрытия дросселя, времени задержки отклика давления после изменения частичного раскрытия дросселя, и противодавления, воздействующего на скважину относительно частичного раскрытия дросселя, содержит измерение давления в скважине перед дросселем, измерение давления перед дросселем и изменения измеренного давления относительно изменения частичного раскрытия дросселя при одновременной прокачке текучей среды в скважину с постоянным расходом.

6. Способ по п. 5, в котором характеризация изменения расхода текучей среды через дроссель относительно частичного раскрытия дросселя при постоянном падении давления на дросселе содержит прокачку текучей среды через трубопровод, уходящий в скважину, измерение расхода текучей среды, выходящей из скважины через кольцевое пространство между указанным трубопроводом и стенкой скважины, измерение давления текучей среды в скважине перед дросселем, регулирование частичного раскрытия дросселя, и изменение расхода прокачиваемой текучей среды так, чтобы измеренное давление оставалось постоянным.

7. Способ по п. 5, в котором характеризация времени отклика давления в скважине на изменения частичного раскрытия дросселя содержит измерение давления в скважине перед дросселем во времени, и определение времени, прошедшего между изменением частичного раскрытия дросселя и изменением измеренного давления при одновременной прокачке текучей среды в скважину по существу с постоянным расходом.