автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система параметров движения бурильной колонны

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГ6 ОД

3

На правах рукописи ТИТЕНКОВ ВЛАДИМИР ВАСИЛЬЕВИЧ

УЖ 681.518.;3:622.24; 053 (043.3)

ЮЯОРМАЦКОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ БУРИЛЬГОЙ КОЛОНШ

Специальность С®. 11.16 - йнфоруацнонно-измерительные

систеш (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара 1994 г.

.; • 'г. - 2 - .;

Работа выполнена в Самарском государственной технической университете.

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РФ, академик ЫА РФ, доктор технических наук, профессор К. Л Куликовский

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ЬС. Семенов

- кандидат технических наук, доцент ' В. С. Баскаков

Ведущее предприятие: Научно-исследовательский институт

- "Гипровостокнефгь", г. Самара

Защита состоится "¿7" о^сс&^Р 1994г. в /О часов в ауд. 23 на заседании специализированного совета Д 063.16.01 Самарского государственного технического университета по адресу: 443010, г. Самара, ул. Галактионовская, 141.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: уд. Первомайская. 18.

Автореферат разослан "¿6" СЫ^/ж^-сР 1994г.

Ученый секретарь

срециализированного совета кандидат технических наук, доцент

ЕГ. аиров

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Пэвышение эффективности и качества бурения скважин зо многом определяется сокращением материальных и временных затрат на процесс бурения и ликвидацию аварийных ситуаций. Все это связано с совершенствованием технологии бурения скважин, а именно с внедрением комплексов автоматизации и оптимизации технологических процессов, которые позволяют с наибольшим эффектом использовать оборудование для бурения и ремонта скважин, предотвратить перегрузки оборудования и инструмента, избегать непроизводственных простоев оборудования и, самое главное, снизить себестоимость метра проходки. Важная часть автоматизации и оптимизации процесса бурения нефтяных и газовых скиажин - контроль, измерение и анализ полученных данных.

Из общего комплекса операций по проводке скважины можно выделить следующие параметры, которые играют существенную роль в увеличении технико-экономических показателей, безаварийного ведения технологического процесса бурения и уменьшения физиологической нагрузки бурильшика. К ним относятся: проходка за рейс, механическая скорость, рейсовая скорость, экономическая скорость, поиск эффективной осевой нагрузки, момент повторения поиска эффективной осевой нагрузки,момент подъема долота по износу вооружения, точный останов замкового соединения бурильной колонны в зоне автоматического ключа при подъеме, допустимая скорость спуска бурильной колонны в скважину, длина спущенного инструмента и глубина скважины, место прихвата бурильного инструмента в скважине, срок слуяйы талевого каната. Все -эти параметры можно вычислить измеряя перемещение бурового инструмента.

В связи с этим дальнейшая разработка и исследование методов и средств измерения перемещения бурильной колонны является важной и актуальной народохозяйственной задачей.

Целью настоящей работы является разработка и исследование алгоритмов и устройств измерения перемещения бурильной колонны и реализация на их основе автоматизированной ИИС.

Для достижения поставленной цели были решены следу ¡стае задачи:

- проведен анализ известных методов измерений'перемеке-

ния бурового инструмента;

- исследован метод измерения перемещения бурового инструмента по углу поворота барабана буровой лебедки;

- предложен и исследован метод повышения точности измерения, основанный на коррекции методической погрешности за счет более точного определения начала и конца движения бурильной колоннч;

- разработана измерительная модель спуско-подъемного механизма буровой установки;

- проведена проверка на адекватность измерительной модели спуско-подъемного механизма буровой установки;

- теоретически исследованы динамические процессы в спуско-подъемной системе буровой установки;

- проведены эксперименты» подтверждающие теоретические выкладки;

- разработав алгоритм измерения перемещения бурового инструмента;

- проведен выбор и обоснование принципов построения ИИС, разработана структура ИИС, разработаны функциональные и принципиальные схемы основных блоков ИИС;

- проведен анализ погрешности измерении перемещения бурового инструмента;

- реализована и внедрена ИИС измерения параметров движения бурового инструмента.

Методы исследования основаны на использовании дифференциального и интегрального исчислений, теории измерений и теории погрешностей. Значительное внимание уделено вопросам экспериментальной проверки полученных теоретических результатов.

Научная новизна работы заключается в следующей:

- предложена классифиция методов и средств измерения перемещения бурового инструмента, которая позволила выделите существующие подходы при реализации технических средств измерения параметров движения бурового инструмента;

- разработан модифицированный метод измерения перемещения бурового инструмента по углу поворота барабана буровой лебедки, который учитывает упругие свойства элементов, входящих в измерительную цепь

- разработан я исследован метод повышения точности измерения, основанный на коррекции методической погрешности за счет

более точного определенна качала и конца движения бурильной колонны;

- разработана иатеьгатичгская модель слуско-подгекяого механизма буровой установки;

- предложен метод определения дефоршций талевого каната в процессе перемещания бурового инструмента;

- разработан и проанализирован алгоритм измерения параметров движения бурового инструмента, искличавдий влияние деформации талевого каната на.точность измерения;

- предлоиэна структурная схеш ИКС, функцкокадытиз и принципиальные схемы основных блоков ШС.

Практическая ценность работы состоит з следувг^м:

- разработана классификащм ¡¿этодов и средств измерения перешшння бурового инструмента;

- предложен метод повышения точности измерения, основанный на коррекции методической погрекности за счет более точного определения начала и конца двда&нкя бурильной колонны:

- разработаны алгоритмы и аппарата® средства измерения перемещения бурильной колонны;

- разработана я пршггически реализована ИКС параметров движения бурильной колонны.

Реализация и внедрение результатов работа

Разработанная ШЮ параметров движзнея бурильной колонны внедрена в специальное проектно-коиструкторском бюро (СПКБ) "Техноприбор" (г. Тагтен?) в ршясах работы "Комплекс специадь-ных технических средств с програышга управлением процессом бурения сквздан для зон с ослогяеятг!»а условиями** (КСТС "Узбе- | кистан-3").

Акты о внедрении результатов исследования прилсгены к диссертационной работе.

Апробашя работа Основные пологэнкя, вывода я результаты диссертационной работы докладывались я обсуядаянсь на:

- Всесоюзной научно-технической конференция "Ейтемзяи-ческое, алгоритмическое и техническое- обеспечение АСУ ОТ (г. Ташкент, 1988 г.);

- Взесоюзноа научно-технической конференц!-Ш' "Шфть и газ Западной Сибири" (г. Ткюнь. 1989 г.);

- Всесоюзных научно-технических конференциях "Измерительные информационные системы"-(г. Ульяновск, 1989 -г. , г. Санкт-

- 6 -

Петербург, 1991 г.). -I

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 8 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, содержит 116 страниц машинописного текста, 35 рисунков и 8 таблиц, список литературы из 71 наименования на 8 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе работы проведен анализ методов и средств измерения перемещения бурильной колонны (БК) и подробно рассмотрены параметры процесса бурения в которых используется данная информация. .

Проведенный анализ показал, что большое разнообразие разработанных методов и средств измерения перемещения БК свидетельствует об отсутствии точного, надежного и удобного в эксплуатации метода. Однако, из всего многообразия методов наиболее полно вышеприведенным факторам, кроме первого, отвечает метод измерения перемещения БК по углу поворота барабана лебедки. Данный метод и устройства, созданные на его основе, являются исключительно простыми и надежными в эксплуатации в условиях буровой. Однако, погрешность измерения данным методом достигает больших значений. Основными источниками погрешности при измерении данным методом являются: деформация талевого каната под действием веса БК; деформация БК под действием различных сил (прокачивавшей жидкости, трения о стенки скважины, температуры и др.); деформация бурильной вышки; изменение «радиуса навивки талевого каната (ТК) на барабане лебедки.

На основе анализа и исследования предложен системный подход оценки информации о перемещении БК, позволявший с единых научно-обоснованных позиций теории измерений классифицировать методы и средства измерения перемещения БК и выделить существующие подходы при реализации технических средств измерения параметров движения БК.

Приведен краткий обзор разработанных £ нашей стране и за

рубеяэм средств я комплексов контроля и автоматизации Суровых процессов из обзора которых видно, что ни один из комплексов не отвечает современным требованиям по точности.

Недостатки рассмотренных методов и устройств определили путь решения задачи измерения перемещения БК, который основывается на комплексном решении задачи измерения перемещения БК.

Учитывая особенности этих подходов была разработана обобщенная структура процесса измерения перемещения БК и сформированы основные требования к разрабатываемой ИИС.

Второй раздел посвящен разработке и исследованию математической модели спуско-подъемного механизма буровой установки, как элемента измерительной цепи.

Известно, что в начале движения,- при торможении или изменении скорости движения возникает нагрузка, вызывающая упругие колебания БК и ТК, которые могут влиять на точность измерения перемещения БК. Колебания нагрузки на крюке в следствии дисси-пативных сил затухают. Кривая .колебательного процесса близка по форме к затухашей синусоиде.

Исследованиями установлено, что з следствии большой частоты колебания в дальнейших расчетах при измерении переведения БК колебаниями мозяо пренебречь к считать, что перемещение нижнего конца БК связано с поворотом барабана буровой лебедки следующей зависимостью

где & - общий коэффициент преобразования измерительной цепи.

Выбранный метод измерения перемещения БК по углу поворота барабана буровой лебедки определяет изсткую связь измерительного устройства с валом буровой лебедки. 3 этом случае шаг квантования, приведенный к перемещения верха БК, будет выглядеть следующим образом

Н-НчК),

(1)

г=

ЯШг +<1* +0.25УЗс/кг-г ^т-тЧ1-{)*0.5(!3а-1}] МК0[с1к+т)

где - длина бочки барабана; - диаметр бочки барабана;

сйг - диаметр ТК; т - расстояние медзу витками ТК; <- -номер слоя ТК, навитого на барабане лебедки; N - количество

— 8- .

зубцов авдадтаго эяешнта; Д» - коэффициент оснастки талевой системы. . •

Как видно из формулы ваг квантования измерительного преобразователя зависит от'уровня кваятовання задающего устройства, номера слоя' навивки ТК на барабане лебедки, коэффициента оснастки талевой системы и диаметра талевого каната

сз>

Если учесть, что все вышперечислевнш параметры не остается постоянными, а иамешгагся, то это н приводит к погрешности измерения перемещения БК по углу поворота барабана буровой лебедки.

Разработанная штештичэская «годель позволяет определять продольную я поперечную деформации ТК в реальном масштабе времена. При этом перемещение верха БК, в следствии продольной деформации мояяо определить из следушвго вьдражекия: ■ в процессе пергьйвения вниз

вверх ^ %ч-П)

(4)

йЫ

/-<2

где ; £т,- модуль упругости талевого каната; $ -

плоаадь поперечного сечения талевого каната; 1,

где <1 - к.п.д. талевого механизма; Цт- к.п.д., учитывая®® потери усилий от яасткости каната при его навивке ( « 0.98).

Радиус навивки ТК на ОараСане лебедки определяется следующим образом '

при 5ТОИ

'• а/8.

- 9 - .......

С учетом поперечной деформации ТК формула (1) будет выглядеть сл'-гдувдим образом

<8)

вдесь В'=2Я , где /? определено формулой (6).

Йа основе анализа и исследования математическая модель измерения перемещения БК имеет вид

лн, о)

Лая проверки на адекватность математической модели спуеко-подъемного механизма были проведены прямые измерения с многократными наблюдениями, которые показали правильность математических выкладок и подтверждена математическая модель.

Третий раздел посвящен разработке метода повышения точности измерения переметай« БК и реализации измерительного алгоритма.

Анализ су©5ствуваих подходов к решению поставленной задачи, позволил выявить следующие важные информационные признаки, .необходимые для реализации метода повышения точности измерения перемещения БК и алгоритма измерения:

- движение бурильных труб начинается (заканчивается) в момент снятия (посадки) БИ с клиньев (на клинья);

- крайнее положение клинья занимают только в момент, когда весь вес колонны передан талевой системе;

- среднее значение измеренного веса за время равномерного движения равно значению расчетного веса в пределах погрешности расчета и измерения;

- разность средних значений из («ре иного веса двух соседних циклов спуско-подъема загруженного элеватора равно весу поднятой свечи плюс изменения силы сухого трения.

Основываясь на указанных информационных признаках и методе измерения разработан метод повышения точности, который базируется на следующем.

При перенесении БК с преобразователя перемещения, связанного с валом барабана лебедки, поступают импульсы количество

- 10 -

которых пропорционально перемещению бурового инструмента. Поступление импульсов с преобразователя учитывается тогда, когда выполняется условие Ог , где - Фактическая масса бурильной колонны на крюке в I - ом цикле; Ощ - плававший уровень блокировки в I - ом цикле, причем Оа^йи+Ц.-,, где 0о -масса отдельной трубы; Оы - фактическая масса колонны в предыдущем ( * г 1) - ом цикле.

Разность между сравниваемыми величинами

л 01 '01 'От = 0« '(Ов *0лг1 -

где - масса свечи труб, нарощенной в I - о« цикле.

Доказано, что условие выполняется в момент съема колонны с клиньев, а нарушается в конце цикла, когда колонна ставится на клинья. Таким образом, полностью исключается методическая погрешность, обусловленная упругим растяжением ГК, бурильной свечи и упругого сжатия буровой вышки. На рис. 1 и 2 показаны диаграммы спуска и подъема и из которых понятен "механизм" образования методической погрешности (на рисунках упругие растяжения и сжатия ТК, бурильной свечи и буровой вышки для наглядности показаны отдельно).

Четвертый раздел посвяшен вопросам технической реализации ИИС параметров движения бурильной колонны.

Разработанный алгоритм является основой для построения системы измерения параметров движения бурильной колонны и создания соответствующего пршсладного математического обеспечения системы.

Обоснованы принципы построения ИИС и разработана ее структура. Структурная схема ИИС, представленная на рис. 3. состоит из модуля центрального процессора (МЦП),-модуля оперативного запоминающего устройства (ОЗУ-1)., модуля оперативного запоминающего устройства с сохранением информации при отключении питания (ОЗУ-2) и модуля достоянного запоминающего устройства (ПЗУ).

К каналу подключены, также следующие модули интерфейсов: модуль аналогового ввода (МАВВ), модуль сопряжения с датчиком перемещения (МСДП) и положения талевого каната (МСДП), модуль связи с пультовым терминалом (И12) и три модуля дискретного вывода (МДВ-1, М2В-2. 1ЩВ-3).

Диаграглма подъеьа бурильной колонны

1 дтс бурамиоа колонии

!\ 1 \ 1 ] |/ / / I / 1 \г 6. у (1 1

/ 1 / I / 1 '1 1 7 / / 1 1 1 1 Уюв поборота ВороВан* лЧаЗхи

-I

и-

РИС.1

Диаграмма спуска бурильной колонки

Рис .2

Структурная схема ИИС параметров движения бурильной колонны

рис.3

- 13 -

Проанализированы методические и аппаратурные погрешности измерения перемещения БК Отмечено, что рассчитанная результирующая аппаратурная погрешность измерения БК составляет 5 -0,024* и удовлетворяет условиям проведения измерения с высокой точностью.

Разработанная МИС имеет следующие технические характеристики.

Техническая характеристика ИИС параметров движения бурильной колонны

Измеряемое значение Диапазон изм-ния Погрешность, %

Перемещение талевого ,0-40 .0.15

блока, (и)

Скорость перемещения 0-25' 0.15

бурового инструмента

(м/с)

Длина колонны, (м) 0 - 9999 0.25

В заключении отмечены основные научные результаты, приведены сведения об апробации работа

В приложении приведены структурные схемы датчика перемещения талевого блока, модуля сопряжения датчика перемещения, модуля динамического вывода, документы о внедрении.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЕ

1. Проведен системный анализ современного состояния вопроса измерения перемещения бурового инструмента, который показал, что повышение точности измерения данного параметра является сложной научной и технической задачей, решение которой во многом зависит от используемых методов и средств измерения.

2. На основе сравнительного-анализа существующих методов и средств измерения перемещения бурового инструмента разработана обобщенная структура процедуры измерения. Определены основные подходы при реализации автоматизированных систем измерения параметров движения. Сурового инструмента.

3. Разработана математическая модель спуско-подъемного механизма буровой установки. Оодучекы частные математические модели продольной и поперечной деформаций талевого каната при

. - 14 -

навивке на барабане буровой лебедки.

4. Проведены исследования режима работы спуско-подъемного механизма суровой установки в статических и динамических режимах.

5. Определены и проанализированы процессы возникновения погрешностей измерения перемещения бурового инструмента, что позволило исключить методическую погрешность, связанную с упругими свойствами талевого каната, бурильных труб и буровой вышки.

6. Проведена экспериментальная проверка на адекватность полученных математических моделей, показавшая эффективность разработанных моделей для целей измерения..

7. Разработан и исследован алгоритм измерения параметров движения бурового инструмента, позволяющий исключить влияние источников погрешностей.

8. Обоснован выбор основных принципов построения ИИС и разработана ее структура на базе и микро-ЗШ "Электроника-601Г. Разработано прикладное математическое обеспечение ИИС.

9. Разработаны функциональные и принципиальные схемы основных блоков и устройств ИИС на базе современных средств интегральной микроэлектроники.

10. Щюведен анализ погрешностей разработанной ИИС.

11. Проведены экспериментальные испытания ИИС, подтверждающие ее высокую эффективность.,

Публикации по теме диссертационной работе:

1. А. с. 1051241 СССР, МКИ Е 21 В 45/00. Устройство для измерения перемещений талевого блока по углу поворота барабана лебедки/ЕА. Кузнецов, ЕЕ Титенков, О.Е Кузнецова (СССР).-N 3466681/22; Заявл. 07.0?. 82; Опубл. 30.10.83; Бил. N40. -С. 104.

2. А. с. 1186790 СССР, МКИ Е 21 В 45/00. 47/04. Устройство для измерения длины труб, спускаемых в скважину (СССР)/ЕА. Кузнецов, ЕЕ Титенков,- N 3741348/22; Заявл. 14.05.84; Опубл. 23.10.85; Вал. N39.-0.200

3. А. с. 1382930 СССР, ШИ В 21 В 45/00, 47/04. Устройство для измерения длины колонны труб, спускаемых в скважину /

Е А. Бражников, а И. Заварзин, ЕЕ Титенков (СССР).-N 4107922/22; Заявл. 11.06.86; Опубл. 23. 03.88; ЙОД. N11.-С. 140.

" / ■ - 4. А. с, 1557315 СССР, Ыйй Е 21 В 45/00, 47/04. Устройство для измерений вертикальных яермещэний бурильной колонны/

В.А. Бражников, Ей. заварзин, А.К. Рахимов, М.И. Сергеев, а а Титенков (СССР). - N 4391641/23; Заявл. 10.03.88; Опубл. 15.04.90; Бал. N14.-0225.

5. А. с. 1716113 СССР, МКИ Е 21 В 45/00. Устройство для измерения длины колонны труб при спуско-подъемных операциях/ В. А. Кузнецов, & В. Титенков (СССР).- N 4703383/03; Заявл. 12.06.89; ОпубА 29.02,92; Вюя. N8.-С. 163.

6. Вражникоь Е А., Заварзин Е И., Титенков Е Е Микропроцессорная система для измерения длины бурильной колонны при спуско-подъемных //Математическое, алгоритмическое и техническое обеспечение АСУ Ш Тез. докл. Всесоюзн. научи, техн. конф.-Ташкент, 1988. -С. Ш.

7. Бражников Е А., Заварзин tt И., Титенков Е Е Измерение вертикальных перемещений бурильной колонны по углу поворота барабана лебедки //Нефть и газ Западной Сибири: Тез. до(сл. Всесоюзн. научн. техн. конф.-ТюменьЛ989.-С. 107.

8. Бражников Е А., Кузнецов Е А., Титенков Е Е , Ялалди-нов Р. А. К вопросу об измерении перемещения бурильной колонны //Совершенствование эксплуатации нефтепромысловых труб,- Сб. науч. - исслед. ин-та разработки и эксплуатации нефтепромысловых труб.-Куйбышев, 1991.-С. 8-12.

9. Титенков Е Е , .Бражников Е А., Кузнецов Е А. КИС для измерения перемещения бурильной колонны// Информационно-изме-. рительные системы - 89: Тез. докл. Всесоюз. научн. - техн. конф. -Ульяновск. 1989. -С. 110.

Ю. Титенков Е Е , Кузнецов Е А. ИИС для определения статических и динамических парметров бурильной колонны// Измерительные информационные системы: Тез. докл. Всесоюзн. научн. -техн. конф. -Санкт-Петербург, 1Ö91. -С. 136.

ШТ. "Авиатор*. Тиран 100 экз. Заказ S 1/65-