Устройство для управления процессомбуРЕНия Советский патент 1981 года по МПК E21B45/00 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ БУРЕНИЯ

I

Изобретение относится к управлению процессом бурения нефтяных и газовых .скважин.

Известно устройство автоматического обеспечения оптимальной скорости бурения, согласно которому оптимальные режимные параметры определяются известными поисковыми методами 1.

Недостатком этого устройства является значительные затраты времени на осуществление поиска оптимальных режимных параметров и как результат этого - его малая эффективность.

Известно также устройство, в котором нагрузка на долото турбобура доводится до значения, близкого к тормозному и подача инструмента прекращается. Затем регистрируется кривая изменения осевой нагрузки без подачи инструмента. По этой кривой отыскивается осевая нагрузка, соответствующая точке перегиба, которая и обеспечивает максимальную механическую скорость бурения 2

Однако данное устройство предназначено для оптимизации только турбинного способа бурения и не пригодно для роторного.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для управления процессом бурения, содержащее датчик расхода промывочной жидкости, датчик веса, соединенный с вычислителем удельной осевой нагрузки и с одним из входов регулятора подачи, датчик проходки, соединенный с входами преобразователя механической скорости и вычис.ителя времени спуско-подъемных операций, датчик оборотов долота, соединенный с преобразовате,1ем скорости вращения долота и одним из входов регулятора оборотов, вычислитель оптимальной скорости вращения долота и вычислитель оптимальной осевой нагрузки, входы которых соединены с выходами преобразователя механической скорости, вычислителя времени спуско-подъемных операций, преобразователя скорости вращения долота, вычислителя удельной осевой нагрузки, а выходы - с вычислителем оптимального времени работы долота и со вторыми входами соответственно регулятора оборотов и регулятора подачи 3.

Недостатком данного устройства является то, что оно не учитывает влияние расхода промывочной жидкости и гидравлической характеристики долота, которые оказывают существенное влияние на выбор оптимальных оборотов долота и оитимальной осевой нагрузки, особенно при Использовании гидромониторных долот. Цель изобретения - повышение точности определения оптимальных режимных параметров процесса бурения. Поставленная цель достигается тем, что известное устройство снабжено вычислителем гидравлической мощности на долоте и блоком коррекции, причем вход вычислителя гидравлической мощности на долоте соединен с датчиком расхода промывочной жид кости, а его выход - со входом блока кор рекции, .выход которого соединен с входа,1И вычислителя оптимальной скорости вращения долота и вычислителя оптимальной осевой нагрузки на долото. Осевую нагрузку и скорость вращения долота корректируют в зависимости от расхода промывочной жидкости и гидравлической характеристики долота, определяя скорректированные значения указанных параметров по формулам РО„ 0,67 +0,26 ,49-K.lgb)« х(0,33 + 0,67-); По„ 880+ (220,4 - 69 lgпф) kj-K, где РОПТ скорректированное значение опти.мальной осевой нагрузки отнесенной к диаметру долота. Т/см; h - скорректированное значение оптимальных оборотов долота, об/мин; V - время спуско-подъемных опеi раций; 1 измеренные значения оборотов долота, осевой нагрузки, отнесенной к диаметру, и механическойК - корректирующий коэффициент К 0,582+ 0,-451 - 0,133 Q3yгдеQ расход промывочной жидкости; - коэффициент гидравлического сопротивления сопел долота; 7Г удельный вес промывочной жидкости. Взаимодействие долота с породой определяется известным выражением. у -vb p-4 Mv механическая скорость бурения;h - обороты долота; р -удельная осевая нагрузка,приведенная к единице диаметра (Т/см); а,оС,Ъ -параметрические коэффициенты, причем коэффициент «Ь характеризует степень очистки забоя от выбуренной породы. Оптимальные значения удельной, осевой нагрузки РОПТ.И оборотов долота .обеспечивающие максимум рейсовой скорости, определяются выражениями р ± 4 /-(-d. Пэпт rV опт (-ci)fb Известно, что степень очистки забоя от выбуренной породы определяется гидравлической мощностью на долоте, которая определяется по формуле N 0,133 рЗ,(1) гдеk - коэффициент гидравлического сопротивления в отверстиях долота. Q - расход промывочной жидкости. На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 показаны экспериментальные графические зависимости изменения механической скорости бурения от режимн з1х параметров (удельной осевой нагрузки Р и оборотов ротора п) для обычных трехщарошечных долот с л. с. - пунктирная линия и гидромониторных долот Ng 300 л. с. - сплощная линия. На графике также нанесены линии оптимальных удельных осевых нагрузок. Из графика очевидно влияние гидравлической .мощности на выбор оптимальных режимных параметров. Исключая параметрические коэффициенты а и сзб и используя результаты экспериментов получаем приближенные .зависи.мости для определения опти.мальных режимных параметров п - 880+(220,4-69 Ign)- ; (2) с.пРФ Р.. 0-67-f 0,261дпф -G, (3) 0,33+ 0,67); К 0,582 -f где Т - время спуско-подъе.мных one-, раций; NV-150 л. с. РФ - измеренные значения оборотов долота и удельной осевой нагрузки соответственно ,,1если м/ч 0,84, если V 3 м/ч. Таким образом, измеряя расход промывочной жидкости Q и зная гидравлические характеристики долота определяют гидравлическую мощность на долоте по формуле (1), корректирующий коэффициент К по формуле (4) и корректируют оптимальные значения режимных параметров f опт опт по (2 и 3). Устройство содержит датчики веса 1, проходки 2, оборотов ротора 3, расхода промывочной жидкости 4, подключенные своими входами к объекту 5 управления. Выход датчика 1 веса инструмента подключен ко входу вычислителя удельной осевой нагрузки 6, кроме того, выход датчика 1 веса соединен с одним из входов регулятора 7 подачи. Выход датчика 2 проходки соединен с входами преобразователя механической 8 и с входом вычис.лителя 9 времени спуско-подъемных операций. Выход датчика 3 оборотов соединен с преобразователем 10 скорости вращения долота и с одним из входов регулятора 11 оборотов. Выход датчика 4 расхода промывочной жидкости соединен с входом вычислителя 12 гидравлической мощности на долоте , выход которого соединен с блоком 13 коррекции. Выход вычислителя 6 удельной осевой нагрузки, преобразователя 8 механической скорости, вычислителя 9 спуско-подъемных операций, преобразователя 10 скорости вращения долота и блока 13 коррекции соединены с входами вычислителя 14 оптимальной скорости вращения долота и вычислителя 15 оптимальной осевой нагрузки, выходы которых подключены ко входу вычислителя 16 оптимального времени работы долота , индикаторам (на чертеже не показаны) и к вторым входам регулятора 11 оборотов и регулятора 7 подачи соответственно. Выход вычислителя 16 времени работы долота подключен к индикатору .17 времени работы долота. Устройство работает следующим образом. Информация о режимных нараметрах процесса бурения (механической скорости проходки, весе инструмента, скорости вращения долота, времени спуско-подъемных операций), получаемая соответствующими датчиками 1-3 после преобразования соответствующими преобразователями 8 и 10 и вычислителями 6 и 9 поступает в вычислитель 14 олтимальной скорости вращения долота и в вычислитель 15 оптимальной осевой нагрузки на долото. Одновременно измеренное датчиком 4 значение расхода про.адывочной жидкости поступает в вычислитель 12 гидравлической мощности на долоте, где согласно формулы (1) определяется гидравлическая мощность на долоте N. В блоке 13 коррекции по вычисленному значению гидравлической мощности на долоте определяют корректирующий коэффициент К по формуле (4). Значение корректирующего коэффициента с выхода блока 13 коррекции поступает на соответствующие входы вычислителя 14 оптимальной скорости вращения долота и вычислителя 15 оптимальной осевой нагрузки, где согласно формул (2 и 3) определяются значения оптимальных режимных параметров (оптимальных оборотов долота и оптимальной осевой нагрузки). Сигнал, пропорциональный значению оптимальных оборотов, поступает на вход регулятора 11 оборотов, на другой вход которого поступает значение фактических оборотов долота от датчика 3. Регулятор 1I оборотов в зависимости от рассогласования сигналов на его входах воздействует на исполнительный орган (не показан), приводя это рассогласование к . Одновременно на выходе вычислителя 15 оптимальной осевой нагрузки формируется сигнал, пропорциональный оптимальному весу согласно (3), который поступает на один из входов регулятора 7 подачи, на другой вход которого поступает сигнал, характеризующий фактические значения веса инструмента от датчика 1 веса. Регулятор 7 подачи в зависимости от рассогласования сигналов на его входах воздействует на исполнительный механизм подачи (на чертеже не показан) приводя это рассогласование к нулю. Таким образом, в процессе бурения режимные параметры автоматически поддерживаются на оптимальном уровне, который может меняться в зависимости от разбуриваемых пород и износа долота. Время бурения определяется вычислителем оптимального времени работы долота Г6,в зависимости от оптимальных режимных параметров, например, по формуле t и фиксируется на индикаторе 17. Предлагаемое изобретение значительно повышает точность определения оптимальных режимных параметров, поскольку учитывает влияние промывочной жидкости на процесс бурения, что в конечном итоге повышает эффективность бурения, т. е. повышает рейсовую скорость, снижает себестоимость проходки, Формула изобретения Устройство по авт. св. № 761699, отличаюш,ееся тем, что, с целью повышения точности определения оптимальных режимных параметров процесса бурения, оно снабжено датчиком расхода промывочной жидкости, вычислителем гидравлической мош.HOCTI иа долоте и блоком коррекции, при этом выход датчика расхода промывочной жидкости подключен через вычислитель гидравлической мощности на долоте ко входу блока коррекции, выход которого подключен к вычислителю оптимальной скорости вращения долота и вычислителю оптимальной осевой нагрузки.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

№ 761699, кл. Е 21 В 45/00, 1978 (прототип).

/2

7J

Г 3

3

П

V

Ш

15

7/

.

V, M/t/ SO IZO M

0 0.5

1.5 p