автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Эксплуатационно-технологическая оценка состояния глубинного бурового оборудования

Введение

1 Обзор исследований по колебаниям глубинного оборудования, способах получения и обработки забойной информацииН

1.1 Частотный состав колебаний бурильной колонны/

1.2 Классификация каналов связи устья с забоем скважины,1$

1.3 Автоматизированные системы контроля технологических параметров

1.3.1 Измерительный усилитель ИВК «Спектр»

1.3.2 Устройство ввода сигнала в микро-ЭВМ

1.3.3 Стендовые и промысловые испытания ИВК «Спектр»Д

1.4 Общая схема анализа временных рядов

1.4.1 Подготовка данных для численного анализа

1.4.2 Оценка основных свойств реализаций

1.4.3 Анализ отдельных реализаций случайных процессов

Выводы

2 Применение случайных колебаний при диагностировании бурового оборудования^

2.1 Вибрационные методы диагностирования бурового оборудования

2.1.1 Общие принципы вибродиагностирования

2.1.2. Вибродиагностика наземного бурового оборудования

2.2 Оценка состояния глубинного оборудования путем использования случайных колебаний технологических параметров процесса бурения $

2.3 Методы измерения статистических характеристик случайных функций технологических параметров бурения

2.3.1 Оценка корреляционной функции случайного процесса8?

2.3.2 Оценка состояния объекта по методу средних. <&

2.3.3 Спектральный анализ случайного процесса

Выводы.

3 Современные методы обработки сигнала для контроля состояния оборудования „

3 Л Диагностирование глубинного оборудования с применением коэффициента Джини^

3.2 Выбросы случайных колебаний за некоторый уровень,

3.3 Косвенные критерии оценки технического состояния глубинного оборудования

ВыводыISO

4 Вероятностный подход распознавания технического состояния глубинного оборудования„ 152.

4.1 Энтропийный анализ процесса диагностирования глубинного оборудования ,/5.

4.2 Метод Байеса,уб/

4.3 Метод статистических решений^

Выводы,

5 Фрактальные характеристики динамики глубинного бурового оборудования,

5.1 Корреляционная размерность и фазовые портреты сигналов временных рядов замеров,

5.2 Вейвлет -преобразование сигнала, новый метод контроля состояния бурового оборудования-/

5.2.1 Разложение сигнала в частотно - временной области1Q

5.2.2 Типы вейвлетов и их особенности

5.2.3 Диагностирование с помощью вейвлетов. 20.Ь

5.3 Распознавание состояния глубинного оборудования

5.3.1 Структура и принцип работы нейронной сети

5.3.2 Демонстрационная программа распознавания состояния глубинного бурового оборудования

Выводы

Актуальность проблемы

Бурение скважины является сложным, многофакторным вероятностным процессом, который требует оперативного контроля за изменением технологических процессов и использования безотказного глубинного бурового оборудования. Проблема оценки технического состояния оборудования, находящегося в скважине возникает постоянно, что в основном связано с его специфичным, конструктивным исполнением, режим эксплуатации достигает предельных значений, и результаты отказов могут привести к очень серьезным последствиям. Поэтому, получение любой дополнительной информации о техническом состоянии долот, забойных двигателей и бурильной колонны в нормальных условиях эксплуатации и на критических режимах имеет важное значение.

Общеизвестно, что колебания, возникающие при бурении скважин могут этот процесс интенсифицировать, но с другой стороны оказать отрицательное влияние на снижение показателей надежности глубинного оборудования, появлению отказов. Спектральный состав колебаний бурильной колонны также информативен. Серьезным достижением при оценке состояния оборудования можно будет считать возможность использования хотя бы части полезной информации выделенной из обширного спектра частот колебаний. А учитывая факт, что явления, сопровождающие работу глубинного оборудования при этом часто носят непредсказуемый, случайный характер, необходимо применение вероятностных, спектральных методов анализа, являющиеся классическими универсальными для анализа различных данных.

Помимо классических методов, очень часто в тех случаях, когда необходимо провести анализ процесса с меняющимися во времени характеристиками или перейти к другому, более информативному представлению анализируемого временного ряда, раскладывая его на составляющие необходимо применение специальных методов анализа.

Анализ временных рядов замеров технологических параметров бурения, сопровождающих работу глубинного бурового оборудования приводит к разработке различных критериев оценки их состояния. Причем каждый критерий оценки состояния оборудования обладает какими-то преимуществами и недостатками, и трудно отдать предпочтение одному. Для правильной постановки диагноза о состоянии оборудования необходимо сравнение этих критериев, определение их оптимальных сочетаний при различных состояниях глубинного оборудования.

Использование классических и специальных методов анализа временных рядов замеров технологических параметров процесса бурения и оптимальное применение критериев оценки состояния позволит снизить вероятность отказа глубинного оборудования, увеличить его технический ресурс. Цель работы

Разработка вариантов оценки состояния глубинного оборудования для более полного использования его ресурса при бурении. Основные задачи исследования

1. Спектр колебаний, значения корреляционной размерности, число выбросов, показатели энтропии и Джини, распределение энергии вейвлет-коэффициентов - характеризуют техническое состояние глубинного оборудования и являются независимыми диагностическими критериями.

2. Для стационарных, случайных колебаний технологических параметров бурения и технического состояния системы «турбобур-долото» (Т-Д) установлены следующие закономерности:

- узкополосный спектр колебаний давления жидкости в диапазоне инфранизких частот определяет работоспособное состояние системы, а уменьшение амплитуды спектра колебаний с одновременным ее растягиванием в высокочастотную область - неработоспособное состояние системы;

- отношение мощностей колебаний случайных параметров в начале и в процессе бурения зависит от эксплуатационного состояния элементов вооружения и опоры долота, интенсивности искривления ствола скважины для пород различной буримости;

- вероятностные значения случайных колебаний числа выбросов, показателей энтропии и Джини соответствуют определенному режиму работы глубинного оборудования;

- техническое состояние забойного двигателя характеризуется спектром колебаний давления промывочной жидкости в момент отрыва породоразрушающего инструмента от забоя;

- уменьшение дисперсии и сглаживание всплеска спектра колебаний вращающего момента на роторе буровой установки соответствует износу периферийных зубьев долота, а смещение преобладающей частоты спектра колебаний момента - износу опор качения шарошек долота;

3. Для нестационарных случайных колебаний давления жидкости и осевой нагрузки установлены масштабно-временные развертки и распределение энергии вейвлет-коэффициентов различных состояний долот.

Основные защищаемые положения.

1. Методика диагностирования состояния глубинного бурового оборудования в процессе эксплуатации с применением вероятностно-статистических методов анализа случайных колебаний технологических параметров бурения в составе автоматизированных систем контроля.

2. Использование вероятностных характеристик значений амплитуды спектральной плотности, числа выбросов за установленный уровень, показателя энтропии, коэффициентов Джини и вариации случайных колебаний давления жидкости и осевой нагрузки на долото в качестве диагностических критериев оценки состояния глубинного оборудования.

3. Технические решения и способы оценки работоспособности породоразрушающего инструмента, забойного двигателя по использованию случайных колебаний технологических параметров бурения в качестве диагностических критериев.

4. Результаты лабораторных и промысловых исследований по обоснованию разработанных критериев оценки состояния глубинного бурового оборудования.

Практическая ценность 1. Разработан автоматизированный измерительно-вычислительный комплекс «Спектр», для оценки состояния глубинного оборудования при бурении скважин, который прошел успешные промысловые испытания в Нефтекамском УБР АНК «Башнефть».

2. Для практического использования разработано руководство по диагностированию глубинного бурового оборудования с использованием вероятностно-статистических методов. Руководство используется на предприятиях ООО «Лукойл -Западная Сибирь» ТПП «Когалымнефтегаз»; ООО «Лукойл - Бурение»; Нефтекамское УБР АНК «Башнефть»; Суторминское УБР № 1 ОАО «Сибнефть-ННГ»; Краснохолмское УБР АНК «Башнефть»; ООО СП «Ватойл»; ПО «Уренгойгазпром»; ОАО НК «Таркосаленефтегаз»; Буровая компания ОАО «Газпром», филиал «Тюменбургаз».

3. Предложены варианты диагностической матрицы Байеса по различным критериям с использованием колебаний давления промывочной жидкости и осевой нагрузки на долото, для оценки состояния глубинного оборудования, которые используются в учебном процессе УГНТУ.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ВНИИБТ/Москва, май, 1984/;

- республиканских научно-технических конференциях: «Актуальные проблемы нефти и газа» (Уфа, 1984), «Вузовская наука - научно-техническому прогрессу» (Уфа, 1986), «Проблемы нефти и газа» (Уфа, 1988).

- научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых ВУЗов (Уфа, 1989, 1996, 1999,2000, 2001);

- всесоюзных и международных конференциях: «Механика горных пород при бурении» (Грозный, 1990, 1991), «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 1989), «Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР» (Мурманск, 1989), «Проблемы строительства скважин на нефть и газ предельно малого диаметра» (Красноярск, 1990).

- научно-практической конференции «Проблемы разработки нефтяных месторождений и подготовки специалистов в ВУЗе» (Альметьевск, 1996)

- III конгресс нефтегазопромыпшенников России. Секция Н «Проблемы нефти и газа» (Уфа, 2001).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ВНИИБТ/Москва, май, 1984/;

- республиканских научно-технических конференциях: «Актуальные проблемы нефти и газа» (Уфа, 1984), «Вузовская наука - научно-техническому прогрессу» (Уфа, 1986), «Проблемы нефти и газа» (Уфа, 1988).

- научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых ВУЗов (Уфа, 1989, 1996, 1999, 2000, 2001);

- всесоюзных и международных конференциях: «Механика горных пород при бурении» (Грозный, 1990, 1991), «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 1989), «Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР» (Мурманск, 1989), «Проблемы строительства скважин на нефть и газ предельно малого диаметра» (Красноярск, 1990);

- научно-практической конференции «Проблемы разработки нефтяных месторождений и подготовки специалистов в ВУЗе» (Альметьевск, 1996);

- III конгресс нефтегазопромыпшенников России. Секция Н «Проблемы нефти и газа» (Уфа, 2001).

10

Публикации

Основные результаты диссертационной работы изложены в 49 печатных работах, в том числе одном учебном пособии, 17 статьях, получено 16 авторских свидетельств СССР и 2 патента РФ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и основных выводов. Работа изложена на страницах машинописного текста, в том числе содержит 96 рисунков, 22 таблицы, списка литературы из 233 наименований, 7 приложений.

Результаты работы программы:

У= 3.2230728290Е-01 У= 1.8481491433Е-01 У= 5.9409619119Е-02 У= 5.9409619117Е-02 У= 1.8481491433Е-01 У= 3.1230728290Е-01 У= 3.1230728290Е-01 У= 1.8481491433Е-01 У= 5.9409619119Е-02 У= 5.9409619117Е-02 У= 1.8481491433Е-01 У= 3.1230728290Е-01 У= 3.1230728290Е-01 У= 1.8481491433Е-01 У= 5.9409619119Е-02 У= 5.9409619117Е-02 У= 1.8481491433Е-01 У= 3.1230728290Е-01 У= 3.1230728290Е-01 У= 1.8481491433Е-01 У= 5.9409619119Е-02 У= 5.9409619117Е-02 У= 1.8481491433Е-01 У= 3.1230728290Е-01 У= 3.1230728290Е-01 т