Устройство для моделирования процесса поиска эффективной осевой нагрузки на долото Советский патент 1982 года по МПК E21B44/02 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПОИСКА ЭФФЕКТИВНОЙ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ НА ДОЛОТО

1

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин и может быть использовано при проектировании, производстве и испытании информационно-вычислительных систем, используемых для управления процессом бурения.

В процессе бурения функциональная зависимость между осевой нагрузкой на долото, являющейся основным регулируемым параметром, и скоростью бурения имеет экстремальный характер, и основной задачей управления процессом бурения является поиск и поддержание эффективной осевой нагрузки на долото, при которой скорость бурения достигает максимальной величины.

Трудности управления процессом бурения связаны с. тем, что выходные параметры процесса и регулирующие воздействия определяются по наземным параметрам, искажениям возмущающими воздействиями и помехами. В канал регулирования осевой нагрузки на долото входит колонна бурильных труб, обладающая упругими и инерциальными свойствами, буровая лебедка, входящая в спуско-подъемный механизм.

Силы трения бурильной колонны о стенки скважины, упругие свойства бурильной колонны обуславливают специфические переходные процессы в бурильной колонне,которые необходимо учитывать при поиске эффективной осевой Нагрузки.

Функциональная зависимость механической скорости бурения от осевой нагрузки на долото зависит от сочетания режима бурения, типа долота, свойств разбуриваемой породы я может изменяться в широких пределах.

Для оптимизации систем управления процессом бурения, производящих определение и поддержание эффективной осевой нагрузки на долото, необходимо устройство для моделирования поиска эффективной осевой нагрузки на долото, учитывающее упругие и инерционные свойства бурильной колонны, инерционные свойства спуско-подъемного механизма и функциональную зависимоть между механической скоростью бурения и осевой нагрузкой на долото.

Известно устройство, предназначенное для моделирования процесса бурения, в котором технологические.

параметры бурения задаются программно. Известное устройство содержит автоматический потенциометр, измерительный мост, в одном из плеч которого находится фотоэлемент, связанный с кареткой. На диаграммной ленте автоматического потенциометра наносится кривая, которая модели-:, рует, например, изменение во времен осевой нагрузки на долото. Баланс моста с фотоэлементом наступает тогда, когда одна половина окна последнего оказывается освещенной, а другая затемненной.

Если при движении диаграммной ленты кривая относительно фотоэлемента смещается, то возникает напряжение разбаланса на выходе моста, которое через усилитель автоматического потенциометра подается на его двигатель.

Последний, отрабатывая разбаланс передвигает каретку с фотоэлементом по закону, определяемому нанесенной кривой. Неиспользуемый расход автоматического потенциометра записывается необходимым напряжением. С движка этого реохорда снимается напряжение,изменяющееся по закону кривой на диаграммной ленте.Это напряжение используется в качестве : входной величины прибора для определения эффективной нагрузки при его лабораторных испытаниях 1.

Недостаток -этого устройства связан с тем, что моделируемый параметр задается только в функции времени, что не позволяет моделировать функциональные зависимости механической скорости бурения от осевой нагрузки.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для моделирования автоматизированной буровой установки, содержащее последовательно соединенные блок задания глубины скважины, блок моделирования циркуляционной системы и блок вычисления механической скорости, блок задания аварийных ситуаций, выход которого подключен ко второму входу блока моделирования циркуляционной системы, блок моделирования крутящего момента, блок вычисления веса на крюке, блок моделирования износа вооружения долота, блок моделирования проходки, блок сопряжения с вычислительной машиной и блок моделирования динамики систем авт оматического регулирования, выхо KOiteporo соединен с первыми входами блока моделирования крутящего момента, блока вычитания веса на крюке, блока моделирования износа вооружения долота, блока сопряжения с вычислительной машинрй, со вторым входом блока вычисления механической скорости и с третьим входом блока моделирования циркуляционной сиетемы, выходы блока моделирования износа вооружения долота и блока вычисления механической скорости подключены к соответствующим входам блка моделирования проходки, выход блока задания аварийных ситуаций содинен со вторыми входами блока моделирования крутящего момента и блока вычисления веса на крюке, выход блока задания глубины скважины подключен к третьим входам блока вычисления механической скорости, блока моделирования крутящего момента, блока вычитания веса на крюке и ко второму входу блока сопряжения с вычислительной машиной, третий, четвертый, пятый и шестой входы блока сопряжения с вычислительной машиной соединены соответственно с выходами блока моделирования циркуляционной системы, блока моделирования крутящего момента, блока вычисления веса на крюке и блока моделирования проходки, а выход блока сопряжения с вычислительной машиной подключен к блоку моделирования динамики систем автоматического регулирования 2 и 3 .

Недостатки известного устройства связаны с ограниченностью его применения, обусловленной необходимостью сопряжения с цифровой вычислительной машиной, отсутствие блока моделирования переходных процессов в колонне бурильных труб не позволяет моделировать различные методы поиска эффективной осевой нагруэки на долото, исследовать динамику, устойчивость и метрологические характеристики систем управления, отсутствие блока моделирования экстрементальной зависимости между механической скоростью бурения и осевой нагрузкой на долото не позволяет исследовать сходимость процесса поиска эффективной осевой нагрузки, динамику этого поиска и его точность отсутствие блока моделирования сил трения не позволяет исследовать влияние сил трения колонны бурильных труб о стенки скважины и трения в приводе бурильной колонны на динамику и точность поиска эффективной осевой нагрузки, а отсутствие блока моделирования случайных возмущений не позволяет исследовать сходимость процесса поиска эффективной осевой нагрузки при воздействии помех, таких как вибрации бурового инструмента, пульсации давления промывочной жидкости и проч.

Цель изобретения - повышение точнооти моделирования поиска эффективной осевой нагрузки на долото и упрощение устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее блок моделирования полного веса бурильной колонны, сумматор, блок моделирования скорости подачи бурильной колонны, блок моделирования вооружения долота и блок моделирования динамики привода бурильной колонны, дополнительно введены блок моделирования сил трения, блок моделирования случайных возмущений, блок моделирования переходных процессов в колонне бурильных труб и блок моделирования экстремальной зависимости механической скорости бурения от осевой нагрузки на долото, причем выходы блоков моделирования сил трения случайных возмущений связаны со входами блока моделирования скорости подачи бурильной колонны, выход которого соединен со входом блока моделирования динамики привода бурильной колонны, один из входов блока моделирования переходных процессов в колонне бурильных труб соединен с выходом блока моделирования динамики привода бурильной колонны, второй его вход связан с выходом блока моделирования износа вооружения долота, а выход связан с одним из входов сумматора и через блок моделирования экстремальной зависимости механической скорости бурения от осевой нагрузки на долото со входом блока моделирования износа вооружения долота.

На чертеже представлена блок-схема устройства для моделирования поиска эффективной осевой нагрузки на долото.,

Устройство содержит блок 1 моделирования полного веса бурильной колонны, сумматор 2, блок 3 моделирования сил трения колонны бурильных труб о стенки скважины, блок 4 моделирования случайных возмущений, блок 5 моделирования скорости подач бурильной колонны, блок 6 моделирования динамики скорости подачи бурильной колонны, блок 6 моделирования динамики привода бурильной колонны, блок 7 моделирования переходных процессов в колонне бурильных труб, блок 8 моделирования экстремальной зависимости механической скорости бурения от осевой нагрузки на долото, блок 9 моделирования износа вооружения долота. Связи блоко указаны на чертеже и дополнительных пояснения не требуют.

Блок 1 моделирования полного веса колонны бурильных труб содержит регулируемый источник опорного напряжения и предназначен для имитации полного веса бурильного инструмента. Сумматор 2 предназначен для формирования напряжения, имитирующего текущее значение веса инструмента. Блок 3 моделирования сил трения бурильной колонны о стенки скважины, содержащий источник опорного напряжения, делитель и переключатель, предназначен для выборки сигнала, пропорционального ускорению свободного падения с учетом сил трения бурильных труб о стенки скважины, Ьлок ч моделирования случайных возмущений содержит генератор шума, делитель и переключатель и предназначен для внесения случайных составляющих в каналы измерения. Блок 5 моделирования скорости подачи бурильной колонны, содержащий параллельно включенные интегратор и ключ, управляемый сигналом от вычислительной управляющей машины, предназначен для имитации скорости подачи верхнего конца колонны бурильных труб. Блок 6 моделирования динамики привода бурильной колонны имитирует свойства спуско-подъемного механизма и колонны бурильных труб, а блок 7 моделирования переходных процессов в колонне бурильных труб имитирует текущее значение осевой нагрузки на долото. Блок 8 моделирования экстремальной зависимости механической скорости бурения 5 от осевой нагрузки на долото содержит лагарифматор и сумматор и предназначен для моделирования функциональной зависимости скорости бурения от осевой нагрузки на долото, эта зависимость теоретически имеет один глобальный максимум, абсолютное значение которого зависит от глубины скважины, буримости пород и качества очистки забоя. Блок 9 моделирования износа вооружения долота содержит источник опорного напряжения и регулируемое сопротивление и предназначен для имитации износа вооружения долота в процессе бурения.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение, имитируюцее полный вес бурильной колонны, с выхода блока 1 поступает на первый вход сумматора 2. Сигнал управления Uy, noe даваемый либо вручную, либо от системы управления б/рением, поступает на управляющий вход блока 5 моделирования скорости подачи бурильного инструмента, на первый вход которого подается сигнал от блока 3 моделирования сил трения бурильной колонны о стенки скважины, на второй вход подается сигнал от блока 4 моделирования случайных возмущений. В течение времени действия управляющего сигнала на выходе блока 5 моделирования скорости подачи бурильной колонны формируется напряжение, имитирующее нарастаюдую скорость перемещения верхнего конца бурильной колонны, движущейся под действием силы тяжести при наличии сил трения бурильной колонны о стенки скважины. Сигнал, имитирующий подачу бурильного инструмента, проходя

5 через блок 6 моделирования динамики