Система управления наклонно-направленным бурением глубоких скважин

На сегодняшний день основной задачей в нефтегазовой отрасли
является повышение эффективности и качества бурения. В эту задачу можно
включить как увеличение скоростных показателей бурения, так и улучшения
качества буровых работ. Приоритетным направлением для достижения этой
цели в настоящее время является бурение наклонно-направленных скважин,
которые позволяют достигать заданных горизонтов по заранее заданным
планам траекторий. Наиболее показательным примером применения такой
технологии является добыча сланцевых углеводородов множеством компаний
в США. В России пока такие технологии отечественными компаниями не
реализуются из-за их сложности, отсутствия специалистов и технических
средств, которые пока остаются корпоративными секретами.
Отклонения от планового направления, связанные с увеличением
глубин бурения и с другими причинами, влекут за собой серьезные нарушения
сетки разведки и разработки месторождения. Стволы, имеющие смещения
относительно заданного плана, зачастую обладают уступами и резкими
перегибами, которые могут влиять на результаты проводки, крепления и
эксплуатации. Искривление стволов может так значительно усложнить
процесс бурения, что его придется прекратить, не достигнув заданных глубин.
В то же проведение скважин в заданном направлении с нужной
точностью позволяет избежать нежелательных последствий, связанных с их
искривлением скважин, а также увеличить скоростные показатели бурения и
уменьшить экономические затраты.
В текущий момент времени управление траекторией осуществляется
через косвенную систему измерения угла поворота бурильной колонны – по
моменту, развиваемому приводным электрическим двигателем – асинхронным
или двигателем постоянного тока. Взаимодействие заключается в повороте
бурильной колонны по часовой стрелке или в обратном направлении на
некоторый угол, а в случае глубокого бурения – на несколько оборотов, так
как бурильная колонна при больших линейных размерах оказывается
нежесткой. При таком управлении углом поворота колонны точность во
многом определяется опытом бурового мастера и его интуицией. Но такой
подход всегда сопровождается опасностью появления субъективных ошибок
мастера, которые могут приводить к нештатным ситуациям и авариям.
Основной целью выпускной квалификационной работы является
разработка системы управления, способной поддерживать заданное угловое
положение рабочего органа бурильной колонны – обычно роторного забойного
инструмента – при бурении глубоких скважин.
Чтобы достичь поставленной цели, были определены следующие
задачи:
1. Разработка функциональной схемы системы управления углом поворота
бурильной колонны.
2. Создание математических моделей элементов системы управления:
2.1. Математическая модель колонны бурильных труб, включая забойную
часть в виде турбобура.
2.2. Математическая модель электрического привода бурильной колонны.
3. Разработка математической модели и структурной схемы системы
управления объектами.
4. Синтез регулятора системы управления углом поворота бурильной
колонны.
5. Исследование компьютерной модели системы управления углом поворота
бурильной колонны.
1 Разработка функциональной схемы системы управления
положением рабочего органа бурильной колонны
1.1 Постановка задачи разработки системы управления углом
поворота бурильной колонны
В процессе наклонно-направленного бурения вращается роторный
двигатель забойного инструмента, приводимый в действие подающимся к
забою под большим давлением буровым раствором. С позиций управления
важно, что вращающаяся часть роторного забойного инструмента,
контактирующая с разрушаемой породой, создает реактивный момент,
действующий на бурильную колонну и направленный в обратную сторону. В
этом смысле такой момент является возмущающим для системы управления.
Также на колонну действуют силы тяжести, сухого и вязкого трения,
зависящие от контакта труб колонны с окружающей ее породой, через
которую проходит скважина. Эти силы также рассматриваются
возмущающими [23]. Опыт показывает, что основной силой, влияющей на
отклонение долота от заданного положения угла, является реактивный
момент, возникающий при работе роторного забойного двигателя.
На основе имеющихся представлений о процессе бурения и его
технических средствах можно составить упрощенную модель буровой
установки с действующими моментами и возмущениями (рисунок 1). На схеме
используются следующие обозначения:
М – электромагнитный момент двигателя, вращающего бурильную
колонну;
Мс1 – электрические потери в двигателе и механические потери в
передачах. Помимо этого, в этот момент закладываются силы сопротивления,
которые распределены по всей буровой колонне;
M12 – упругий момент, возникающий при скручивании буровой
колонны;
Мс2 – реактивный момент, возникающий при вращении двигателя в
забое.
Рисунок 1 – Упрощенная модель буровой установки с действующими
моментами и возмущениями
Во время вращения бурильной колонны двигатель, расположенный в
устье скважины, обладает электромагнитным моментом М и ему
противодействует момент ∆M, который включает в себя электрические и
механические потери – Мс1. Также в этот момент ∆M входит упругий момент
M12. Приведенный момент к двигателю забойной части – это упругий момент
М12 с учетом влияния реактивного момента Мс2. При этом данный
приведенный момент будет меньше, чем момент М. Это объясняется
воздействующими силами на систему, потерями внутри системы, а также
характеристиками породы [17].
При вращении бурильной колонны двигатели, расположенные в
забойной части и устье скважины, связаны между собой буровыми трубами.
Упругая связь между этими массами характеризуется приведенной
эквивалентной жесткостью c, что должно быть учтено при совершенствовании
модели САУ.
Для более обоснованного и точного рассмотрения функциональной
схемы САУ управления углом поворота бурильной колонны обратимся к
рассмотрению состава САУ и назначению основных ее элементов.
1.2 Состав буровой установки
Для реализации системы управления положением бурильной колонны
необходимо выделить и рассмотреть основные ее элементы. В качестве
элементов можно выделить: систему верхнего привода, бурильную колонну и
компоновку низа бурильной колонны.