автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Модернизация аппаратных методов регулирования работы бурильной колонны на основе измерения динамических параметров крутящего момента

На правах рукописи

Заикин Станислав Фёдорович Модернизация аппаратных методов регулирования работы бурильной колонны на основе измерения динамических параметров крутящего

момента

Специальность: 05.02.13 - «Машины, агрегаты и процессы» (нефтяной и газовой промышленности)

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005559489

2 * ФЕВ 2015

г. Ухта-2015

005559489

Диссертация выполнена на кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности Ухтинского государственного технического университета

Научный руководитель:

Быков Игорь Юрьевич, доктор технических наук, профессор Официальные оппоненты:

Близнюков Владимир Юрьевич, доктор технических наук, старший научный сотрудник, начальник управления технологической и геологической экспертизы Экспертно-аналитической группы ОАО «НК «Роснефть».

Смирнов Антон Леонидович, кандидат технических наук, директор ООО

«ЭкспертСтрой»

Ведущая организация: Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе

Защита состоится «13» марта 2015 г. в 12— часов на заседании диссертационного совета Д 212.291.02 в Ухтинском государственном техническом университете по адресу: ул. Первомайская 13, г. Ухта, Республика Коми,169300

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ухтинского государственного технического университета

Автореферат размещён на сайте УГТУ www.uatu.net в разделе «Диссертационный совет»

Автореферат разослан «12» февраля 2015 года.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.291.02

кандидат технических наук -£¿41-—$^____М. М. Бердник

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В большинстве существующих систем регулирования работы бурильной колонны в качестве управляющих воздействий используют текущие заданные статические значения осевой нагрузки (Р0) и угловой скорости вращения (щ), в связи с этим такие системы регулирования работы бурильной колонны лишены возможности отслеживания динамических процессов при углублении скважины. Выделение динамических составляющих крутящего момента как наиболее информативного параметра и разработка методов регулирования работы бурильной колонны по этим параметрам позволяет обеспечить своевременное воздействие на динамические процессы работы и компенсировать автоколебания бурильной колонны вследствие уменьшения влияния этих воздействий. Это даёт возможность повысить кпд буровой установки и увеличить механическую скорость проводки скважины. В связи с этим представленная работа является актуальной.

Цель диссертационной работы

Модернизация аппаратных методов регулирования работы бурильной колонны на основе измерения динамических параметров крутящего момента.

Основные задачи исследования

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ существующих современных методов регулирования работы бурильной колонны при углублении скважины;

2. Разработать методологию анализа динамических свойств бурильной колонны в процессе углубления скважины.

3. Исследовать динамические свойства и параметры бурильной колонны.

4. Проанализировать методы измерения крутящего момента на валу привода буровой установки и выбрать эффективный параметр регулирования работы бурильной колонны при углублении скважины.

5. Выполнить анализ результатов исследований измерения крутящего момента и аппаратных методов регулирования работы бурильной колонны и обосновать предлагаемую их модернизацию.

6. Предложить способ модернизации аппаратных методов регулирования работы бурильной колонны при углублении скважины по динамическим параметрам крутящего момента.

Методы решения поставленных задач

Поставленные задачи решались с использованием комплекса исследований, включающих в себя:

- анализ и обобщение данных, опубликованных в отечественной и зарубежной литературе по методам исследований и совершенствованию процесса регулирования работы бурильной колонны с целью обеспечения её устойчивости при углублении скважины;

- методы дифференциального и интегрального исчисления;

- методы математического моделирования и вычислительной математики;

- основы построения систем автоматического регулирования;

- методы анализа устойчивости систем и объектов регулирования;

- методы теории информации;

- частотные методы анализа динамических систем;

- экспериментальные и производственные исследования.

Полученные при проведении экспериментальных и производственных

исследований результаты анализировались и обрабатывались методами математической статистики.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Показано, что динамические изменения параметров бурильной колонны адекватно описываются адаптированной математической моделью, содержащей две сосредоточенные массы с моментами инерции Jl и 32, связанные упругой связью с коэффициентом упругости С/2.

2. Найдены функциональные связи оперативных параметров регулирования работы бурильной колонны (Р0, т) с моментом сопротивления на долоте (Ми), определяющие область стопорения и область крутильных колебаний для одноразмерной и двухразмерной колонны в параметрах (Ми, Н, по)-

3. Установлено, что бурильная колонна как объект регулирования структурно неустойчива в отсутствии вязкого трения и имеет границу устойчивости при диссипативном влиянии вязкой среды.

4. Найдено что, отношение скорости изменения мощности на приводе к скорости изменения частоты вращения бурильной колонны, характеризующее затраты энергии привода за один оборот, представляет собой критерий оценки работы бурильной колонны (critM'), способный обеспечить автоматическое регулирование её частоты вращения.

Защищаемые положения:

1. Аппаратный метод регулирования работы бурильной колонны как эффективный метод, обеспечивающий устойчивость её работы при углублении скважины.

2. Математическое и структурное моделирование бурильной колонны для выявления динамической устойчивости в процессе углубления скважины.

3. Частотный анализ динамических свойств бурильной колонны в рабочем режиме для оценки границы устойчивости её работы.

4. Возможность оценки потребления энергии привода бурильной колонны на преодоление биений, приводящих к снижению кпд буровой установки.

5. Модернизация аппаратного метода регулирования работы бурильной колонны на основе измерения динамических составляющих крутящего момента.

Практическая ценность работы:

1. Обоснована возможность использования аппаратных методов регулирования работы бурильной колонны на основе измерения динамических параметров крутящего момента.

2. Выбрана математическая и разработана структурная модели бурильной колоны для исследования устойчивости её работы с использованием частотных методов анализа.

3. Разработан порядок исследования структурной модели в пакетах MATLAB и PDS, позволяющий выявлять границу устойчивости бурильной колонны как объекта регулирования.

4. Обоснован метод регулирования привода бурильной колонны на основе измерения динамических составляющих крутящего момента, обеспечивающий устойчивый режим работы бурильной колонны.

5. Предложены способы модернизация аппаратных методов регулирования работы бурильной колонны и системы для его осуществления (заявка №2014119752, дата поступления 16.05.2014, заявка №2014144772, дата поступления 05.11.2014).

Апробация результатов исследований

Основные положения диссертационной работы докладывались на:

шестой международной конференции «Автоматизированные, информационные и управляющие системы: от А до Я», Москва 11-14.04.2011 г.;

- научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет», 1215.04. 2011 г.; 20-23.09. 2011 г.; 17-20.04. 2012г; 16-19.04. 2013 г.; 22-25.04. 2014г.;

Х-ой межрегиональной научно-практической конференции «Современные проблемы нефтепромысловой и буровой механики» ФГБОУ «Ухтинский государственный технический университет» 04.02.2012г.;

- XI межрегиональной научно-практической конференции «Современные проблемы нефтепромысловой и буровой механики», ФГБОУ «Ухтинский государственный технический университет» 09.02.13 г.;

- всероссийских научно-практических конференциях «Инновационное развитие единого транспортного комплекса России», на базе Ухтинского филиала МИИТ, ФГБОУ «Московский государственный университет путей сообщения» 23.03.2013г; 26-27.04. 2014 г.;

XII Межрегиональной научно-практической конференции «Современные проблемы нефтепромысловой и буровой механики», ФГБОУ «Ухтинский государственный технический университет» 08.02. 2014 г.;

- Х-ой международной научно-практической конференции "Прикладные научные разработки", Чехия, Прага, 22-30 июля 2014 г.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 29 печатных работ. В том числе шестнадцать статей размещены в журналах, рекомендованных ВАК. Две статьи опубликованы в Швеции в Scientific and Methodological e-magazine. -Lund, №4 (Collected works, Best Article), 2014. - URL: http://www.doai.net/2385/. /2386. Одна статья в Чехии в Материалах Х-ой международной научно-практической конференции «Прикладные научные разработки - 2014» (25 июля - 6 августа 2014 года): / под ред. Publishing House "Education and Science" s.r.o. (Чехия, Прага), 2014. - С. 27 - 32.

Структура и объём работы

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основная часть содержит 148 страниц, 75 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает 139 наименований. Общий объём работы с приложениями составляет 151 страницу.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю докт. тех. наук, профессору кафедры МОН и ГП Быкову И. Ю., заведующему кафедрой МОН и ГП, канд. тех. наук Селиванову Д. Г. и коллективу кафедры; ректору УГТУ, докт. тех. наук, профессору Цхадая Н. Д.; заведующему кафедрой ТМ, докт. тех. наук Хегаю В. К.; канд. тех. наук, доценту Логачёву Ю. JL; докт. тех. наук, профессору Кучерявому В. И.; докт. тех. наук, профессору, заведующему кафедрой ЭАТТТ Ягубову 3. X., старшему преподавателю этой кафедры Полетаеву С. В.; канд. тех. наук РОАТ МИИТ Перминову Б. А., оказавшим поддержку и помощь в работе над диссертацией.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель и основные задачи исследования, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе рассматривается опыт использования аппаратных методов регулирования работы бурильной колонны. Большой вклад в изучение проблем построения регуляторов работы бурильной колонны на базе программных, программно-аппаратных и аппаратных методов внесли отечественные и зарубежные учёные Исакович Р. Я., Попадько В. Е., Спасибов В. М., Викерик В. И., Шубин К. В., Санников С. П., Демпси П. Нессьоэн П. Я., Кюллингстад О., и др.

Проведён анализ современных методов регулирования работы бурильной колонны. На примере современных систем регулирования («Вектор 1», «Узбекистан 2А», «Зоя 1.1», «Леуза-2», «Контур-2», «ИВЭ-50», фирм Drill-AU-Mationlnc, Dresser Macgobar, Baroid и др.) показано, что в качестве основных управляющих воздействий в системах регулирования применяются текущие статические значения режимных параметров бурения. Построение регуляторов с использованием статических параметров не позволяет отслеживать динамические процессы работы бурильной колонны в скважине, а это в свою очередь не позволяет компенсировать автоколебания.

Проанализированы основные направления контроля и модернизации методов регулирования работы бурильной колонны.

Предложено использование динамических составляющих крутящего момента на роторе буровой установки в качестве основного управляющего воздействия. Проведён обзор средств измерения и контроля крутящих моментов. Согласно работам российских и зарубежных учёных (Демихов В. И., Леонов А. И., Фролов Л. В., Ермолкин О. В., Орлов Л. И., Новоженин A.A., Ягубов 3. X., Перминов Б. А., Демпси П., Vandiver J. К., Nicholson J., Shyu R. J. и др.) проведена классификация средств измерения крутящего момента, определены наиболее эффективные методы измерения. Установлено, что необходимо провести:

- анализ существующих современных аппаратных методов регулирования работы бурильной колонны;

- обосновать методики исследования динамических свойств бурильной колонны;

- определить динамические свойства и параметры бурильной колонны в процессе её работы;

- исследование методов измерения крутящего момента на валу привода буровой установки и выбор эффективного параметра регулирования работы бурильной колонны;

- модернизацию аппаратных методов регулирования работы бурильной колонны по динамическим параметрам крутящего момента.

Во второй главе описаны применяемые в работе методики исследований: аналитический метод на базе известных физико-математических зависимостей динамических параметров работы бурильной колонны, метод построения и анализа структурных схем, метод исследования модели средствами MATLAB и PDS, экспериментальный метод.

Предложены математическая и структурная модели бурильной колонны. Согласно математической модели цепочная многомассовая структура содержит п сосредоточенных масс с моментами инерции J1J2,..../«. Между массами имеется упругая связь с взаимными жесткостями С12; С23; С34; ... Cn-i,n (работы И. П. Христича). При этом движение масс описывается уравнениями:

'Ч, - Мсщл (0 - Мвтр] (t)-Ml2(t)(2.1)

м„-1,п(0 - мстрп(1) - мвщт{ о=Jn^; (2.2)

где Мдв - момент привода при взаимодействии с бурильной колонной; Мстрп - момент сухого трения; Мвтрп - момент вязкого трения; Мп-1,п - упругий момент связи.

В этой математической модели возможно восстановление всех моментов упругого взаимодействия по результатам оценки угловых скоростей вращения а>1, ... со„. Тогда структурная схема многомассовой модели будет иметь вид:

Рисунок 2.1 - Структурная схема многомассовой модели бурильной колонны Описание динамики такой структуры существующими математическими методами практически невозможно, поэтому в качестве расчётной рекомендована адаптированная двухмассовая математическая модель. Уравнения движения такой модели имеют вид:

мдв«)-мст1Л(1)-мвтр«)-мп{ 0 = (2.3)

MJt)-McmrJt)-MBmp2(l) = J. М12(0 = С12АЩ

dco2.

Kmpl = ßnM MK„,P2 = ßu" 2(t);

(2.4)

(2.5)

(2.6)

(2.7)

Здесь С12 - коэффициент упругости; - коэффициент вязкого трения, Дер — угол закручивания.

В соответствии с адаптированной математической моделью 2.3 - 2.7 получена структурная схема двухмассовой модели бурильной колонны, которая приведена на рисунке 2.2., с учётом преобразований. Ми.

к$Ъ 1 К2Т1

р +кзТз8-.'; Р в

Рисунок 2.2 - Структурная схема двухмассовой модели бурильной колонны с учётом преобразований Исследования двухмассовой структурной модели по рисунку 2.2

проводились в пакетах MATLAB и PDS для динамических систем.

Предложенная методика исследования позволяет сделать вывод о том,

что при наличии вязкого трения бурильная колонна имеет границу

устойчивости, а переходные процессы при переключении режимов работы

всегда сопровождаются её автоколебаниями.

Третья глава посвящена исследованию свойств и параметров бурильной

колонны в процессе её работы. Исследование заключалось в выявлении

функциональных зависимостей основных параметров динамики бурильной

колонны на базе методик, предложенных в работах А. Гринхила, А. Н.

Динника, А. Е. Сарояна, Л. С. Либензона, и расчёте критических параметров,

определяющих устойчивость работы бурильной колонны. Исходя из анализа,

определены критические значения её длины, осевой нагрузки, крутящего

момента и угловой скорости. Показано, что при возрастании осевой нагрузки

возникают биения и выявлена зависимость частоты биений от величины этой нагрузки. Выделены области безвибрационной работы бурильной колонны в параметрах (Ми, п) в зависимости от длины бурильной колонны с использованием работ Е. К. Юнина и В. К. Хегая. В основу расчёта конкретных параметров положена эмпирическая формула Соловьёва Е. М., определяющая момент сопротивления вращению долота. На рисунке 3.1 построена диаграмма (М/„ Н) момента сопротивления в зависимости от длины колонны при скорости вращения ротора щ= 90об/мин (9,42 рад/с), коэффициенте диссипации |Х = 0,5 с"'. Из рисунка видно, что существуют области работы бурильной колонны в режиме равномерного безвибрационного вращения. При этом существует длина колонны, при которой исчезает область крутильных колебаний, и переход из области равномерного вращения осуществляется сразу в область стопорения.

1 20Л|

§

к

зс 15,»!

X

с; Ю «.5

X

50,0!

>

С

О

о

X £,0 Н

ад

г

о 2,5 ■

0,444

спорость вращения - № об/шнс шэф. диссипации —ц = 0,5 с"1

область сгопорення

& равномерное вращение

1500 2000 МОв ЗйОО

й шяажхм , м

область вдгтильиых

Рисунок 3.1 - Вид диаграммы «момент сопротивления — длина колонны»

(Ми, Н)

При увеличении коэффициента диссипации область безвибрационного бурения увеличивается за счёт расширения значений момента сопротивления, действующего на долото, что связано с проявлением демпфирующих свойств среды.

Расчёты позволили провести построение оптимальных областей работы бурильной колонны на трёхмерной диаграмме (Ми, по, Н): на рисунках 3.2, для одноразмерной колонны, на рисунках 3.3 для двухразмерной колонны. Оптимальная область работы бурильной колонны находится ниже поверхности

2 ограничивающей снизу область развития крутильных колебаний и ниже поверхности области стопорения 1 при её пересечении с областью крутильных колебаний, т.е. при длинах колоны, когда исчезает область крутильных колебаний.

Существование оптимальных областей позволяет разработать программу регулирования работы бурильной колонны в зависимости от её длины и скорости вращения долота.

иж>о.| 5000 , «00 , •юоо ■ »00 > момент сойрот1шлеиня, Нм (Л= #,зс 10000 \ 6000- сопратиалевня. Нм ^ ЦП.

Я-дамы | ш/ ' * тшляшифт юляи^я ; £2 # я -скорость вращения., рад/'с " * Н-дзета 10 У п -скорость кэ-доняы, м г в^эщення. рад/с

Рисунок 3.2 - Области поведения одноразмерной бурильной колонны при ц = 0,5с"1 и /л = 1с"'

Рисунок 3.3 — Области поведения двухразмерной бурильной колонны при ц = 0,5с"1 и ц = 1с"1

Зависимость приращения момента сопротивления при стопорении от длины колонны при скорости вращения ротора 80 об/мин (8,37 рад/с) для одноразмерной и двухразмерной колонны приведена на рисунке 3.4.

Она показывает, что приращение момента сопротивления, при котором происходит стопорение бурильной колонны, уменьшается при её удлинении и практически не зависит от числа разнородных участков, что позволяет при регулировании работы не допустить остановки долота.

70 : 60

0!= 8,37 рад е, ц = 0}5г

40 30 10 10

= =00 1500 2:00 3590

Н - дайна колонны, м

Рисунок 3.4 - Приращение момента сопротивления одноразмерной (нижний график) и двухразмерной колонн при стопорении (верхний график)

Исследована устойчивость работы бурильной колонны с использованием частотных методов анализа. Так как, согласно структурной модели бурильной колонны, передаточная функция разомкнутой системы определяется выражением:

(3.2)

где К — коэффициент передачи структуры; то амплитудно-фазовая частотная характеристика АФЧХ структурной модели определится рисунком 3.5 слева, из которого следует, что фазный сдвиг АФЧХ будет всегда больше 270°, т.е. области АФЧХ всегда будет принадлежать точка неустойчивости (-1; 0), что характеризует бурильную колонну как структурно неустойчивый объект регулирования.

/

< V

\

/

jm

-

ЬЛг Тг

Рисунок 3.5 - АФЧХ структуры бурильной колонны

АФЧХ структурной модели бурильной колонны с учётом вязкого трения описывается выражением 3.3:

Т{Т2]а>3 +Т2а)2

(3.3)

Согласно выражению 3.3 частотная характеристика проходит через область критической точки (-1; 0), что определяет граничное условие устойчивости объекта регулирования. (Рисунок 3.5 справа).

Это означает, что введение в схему регулирования аппаратных методов корректирующих частотных звеньев способно преобразовать неустойчивый объект регулирования в устойчивый при соответствующей модернизации.

Четвёртая глава посвящена измерению крутящего момента на валу привода буровой установки. Отмечалось, что для компенсации автоколебаний классические методы регулирования работы бурильной колонны не применимы. Положительное решение этого вопроса возможно путём использования адаптивных самонастраивающихся систем, в которых происходит отслеживание динамики бурильной колонны и регулирование её работы по динамическим параметрам. В связи с этим возникает проблема выделения динамических параметров регулирования.

Предлагается измеритель крутящего момента, который может быть использован в установках с любым приводом. Общая структура дифференциальных измерений приведена на рисунке 4.1.

к1

N1» Тф + 1

(5

Кг

Тгр + 1

кг

Тзр + 1

&

к<

Тф + 1

<0(0

Рисунок 4.1 - Структурная схема дифференциального канала измерения Согласно приведённой структуре оба канала измерения объединяются блоком деления, реализующим операцию:

к'р(Т2-Т,)

+ 7М77 + 1 1г'

(4.1)

Т]Т2р1 + {Т2+Т1)р+\ _ к'

К(Р)

к"р(Тл-Т3)

= ¥=К>

Т3ту + (Т4+Т3)р+\

при условии 7/ = Тз, Т2 = Т4, что выполнимо, так как параметры Т], Т2, Тз, Т4 являются параметрами настройки.

Таким образом, в результате деления на выходе устройства можно получить статическое значение измеряемой величины, свободное от статической ошибки вследствие дифференцирования:

где Д/У— приращение мощности двигателя привода; Дсо — приращение угловой скорости вала привода.

Проведён анализ погрешности измерения дифференциальной структуры. В связи с компенсацией статической погрешности относительная погрешность структуры определяется выражением 4.3 и на практике не превышает 1%:

Структура может быть синтезирована с использованием дифференцирующих фильтров на контроллере, что позволяет получить высокую чувствительность каналов измерения без дополнительных средств усиления. Это определяет простоту комплектации и повышение надёжности измерительного прибора в целом.

Проведён выбор динамического параметра критерия регулирования работы бурильной колонны critM как частного от деления скорости изменения мощности привода к скорости изменения частоты вращения бурильной колонны, характеризующего расход энергии привода за один оборот.

При анализе измерения critM возможно рассмотрение следующих частных случаев:

dN

1. CritM = 0. Случай возможен если, = uN = 0 т.е. мощность на валу

привода колонны бурильных труб постоянна или равна 0. Так как анализ проводится в процессе углубления скважины, то случай N = 0 в анализ режима не входит, и будем считать, что мощность на валу привода постоянна /V = const. Случай critM = 0, определяет равномерный установившийся процесс работы бурильной колонны при отсутствии автоколебаний. Изменения скорости da

вращения —-- при этом не приводят к дополнительным затратам энергии dt

привода колонны бурильных труб.

(4.2)

(4.3)

2. CritM Ф 0. Случай характеризуется ростом критерия critM или его спадом. При росте скорости изменения крутящего момента critM > 0 возможно возникновение стопорения колонны бурильных труб, при спаде critM < 0 возникает явление проскальзывания. Случай характеризует начало возникновения крутильных автоколебаний.

3. CritM-^ со. Случай возможен, если скоростные изменения = 0.

at

Гипотетический вариант этого случая возможен либо при со = 0, либо при со = const. Если со = 0, то это означает, либо отсутствие вращения колонны бурильных труб (М = 0), либо их полное стопорение (аварийный режим), т.е. возникает неопределённость измерения параметров процесса углубления скважины. При со = const режим работы бурильной колонны устойчивый, равномерный с отсутствием автоколебаний.

На основании приведённого анализа можно сделать вывод, что использование критерия critM для управления процессом углубления скважины не является самодостаточным, так как измерение этого параметра дифференциальной структурой сопровождается неопределённостями вида critM = 0 и critM-* со.

Однако, используя раздельно каналы измерения N и со на базе дифференцирующих фильтров можно легко реализовать эффективное регулирование работы бурильной колонны. Действительно, если канал

dN

измерения N даёт результат изменения —— = 0, а канал измерения со результат

соответствующий = 0, то процесс углубления скважины равномерный и

устойчивый с полным отсутствием автоколебаний. При >0 и ^-<0

dt dt

наблюдается процесс стопорения колонны бурильных труб, при ^-<0 и

dt

dco „

-^->0 проскальзывание.

На основе этих посылок разработана и рекомендована методика измерения параметров бурильной колонны с использованием дифференциальной структуры измерителя крутящего момента (рисунок 4.3).

Для минимизации аппаратных средств измерения крутящего момента привода буровой и его составляющих необходимо:

1. Для целей моделирования структуры измерителя, измерения и регулирования работы бурильной колонны использовать типовой контроллер с максимальным числом входных порталов - 8.

2. Число входов с использованием аналого-цифрового преобразователя АЦП-4.

3. Контроллер должен иметь возможность моделирования дифференциальной структуры измерения, иметь цифровую индикацию не менее 12-ти разрядов, возможность подключения внешних дисплейных устройств и создания любых типов регуляторов.

4. Контроллер должен иметь устройства настройки параметров каналов измерения и регуляторов.

Рисунок 4.3 - Функциональная схема измерения параметров крутящего

момента

В пятой главе рассмотрены результаты измерений крутящего момента и дана методика построения аппаратных методов регулирования работы бурильной колонны. Для измерений применялся измеритель динамического приращения крутящего момента ИКРУМ, экспериментальная поверка которого была проведена на опытной скважине фирмы «ЭЛТЕХ», г. Усинска, Республики Коми. Структура прибора позволяет получить осциллограммы

измерений крутящего момента при различных осевых нагрузках. На рисунке 5.1 приведена осциллограмма изменения приращения крутящего момента при осевой нагрузке 160 кН и длине колонны 2000 м.

В

ШМшИИИш

шш,

Рисунок 5.1 - Осциллограмма динамического приращения момента при осевой нагрузке 160 кН Из неё можно сделать вывод, что работа бурильной колонны сопровождается автоколебаниями. Расчёты показывают, что частота их определяется моментом инерции бурильной колонны и осевой нагрузкой.

Результаты экспериментальных исследований полностью подтверждают основные теоретические положения, определяющие динамику бурильной колонны в процессе углубления скважины.

В шестой главе предложена модернизация аппаратного метода регулирования работы бурильной колонны. Для повышения устойчивости работы рекомендовано введение в структурную схему регулирования частотных корректирующих звеньев. В качестве примера такой частотной коррекции предложена функциональная схема регулирования работы бурильной колонны с использованием пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора. (Рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 - Функциональная схема системы регулирования работы бурильной колонны

Ввод ПИД-регулятора в систему автоматического регулирования работы бурильной колонны позволяет преобразовать неустойчивый объект регулирования бурильную колонну в устойчивый, т.е. в процессе регулирования исключить срыв в автоколебательный режим.

Предложен способ и устройства регулирования работы бурильной колонны по динамическим составляющим крутящего момента. Поданы заявки на предполагаемые изобретения №2014119752, приоритет от 16.05.2014 и №2014144772, приоритет от 05.11.2014. Способ основан на результатах проделанной работы и базируется на измерении динамических составляющих крутящего момента на валу привода буровой установки. При этом, определяется скорость изменения крутящего момента как сгИМ, и его

еШ

составляющие: скорость изменения мощности —= иы и скорость изменения

частоты вращения бурового инструмента-^^~ит- По величине и знаку этих

составляющих проводится регулирование работы бурильной колонны путём изменения частоты вращения выходного вала привода буровой установки.

Основные выводы

1. Проведён анализ методов измерения и регулирования работы бурильной колонны. Выделены методы программного, программно-аппаратного и аппаратного регулирования, реализуемые на основе статических режимных параметров воздействия и не приспособленные для реагирования на изменение динамических параметров работы бурильной колонны. Между тем, эти изменения могут служить регулирующим импульсом, оперативно меняющим характер вращения бурильной колонны и её осевую нагруженность. В этом заключается сущность регулирования работы бурильной колонны на основе измерения динамических параметров крутящего момента.

2. Показано, что реализация этого принципа может быть основана на аппаратном методе регулирования работы бурильной колонны при условии его модернизации за счёт использования частотных корректирующих звеньев, введённых в схему регулирования и реагирующих на изменение динамического приращения крутящего момента выходного вала привода буровой установки.

3. Для модернизации аппаратного метода предложена методология построения структурных моделей бурильной колонны, при этом обосновано, что модель бурильной колонны должна иметь двухмассовую структуру, динамические изменения параметров которой описываются адаптированной

математической моделью, содержащей две (и = 2) сосредоточенные массы с моментами инерции Jir J2 и коэффициентом упругости С¡2.

4. Исследование двухмассовой модели с использованием пакетов MATLAB и PDS позволило сделать вывод, что переходные процессы при переключении режимов бурения всегда сопровождается автоколебаниями бурильной колонны, что подтверждено экспериментально, а её работа имеет границу устойчивости при диссипативном влиянии вязкой среды, и это позволяет разработать предложения по реализации устойчивого режима работы бурильной колоны с использованием частотных методов коррекции.

5. Показано, что наиболее информативным параметром, отражающим взаимодействие сил и диссипативных воздействий при работе бурильной колонны в скважине, является параметр крутящего момента и его составляющие: скорость изменения мощности привода, скорость изменения угловой частоты вращения вала и изменение критерия приращения крутящего момента critM. Предложена методика выбора оптимального значения крутящего момента в зависимости от длины бурильной колонны для областей безвибрационной работы бурильной колонны.

6. Модернизирован метод регулирования работы бурильной колонны, где в качестве регулирующих воздействий используются динамические составляющие крутящего момента при их измерении измерителем динамического приращения. Поданы заявки №2014119752, приоритет от 16.05.14 и №2014144772, приоритет от 05.11.2014 на изобретения «Способ регулирования процесса бурения и устройство для его осуществления».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах;

1. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А. Дифференциальная (вариационная) структура измерителя крутящего момента на валу электродвигателя буровых установок // Инженер-нефтяник. - 2011. - №2. - С. 33-35.

2. Заикин С.Ф., Перминов Б.А. Косвенный метод измерения крутящего момента // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2011. №7. -С. 46-48

3. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А. Оценка метрологических точностных характеристик дифференциальной (вариационной) структуры измерителя крутящего момента на валу силового привода буровых установок // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. — 2011. - №7. -С. 14-16.

4. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А. Дифференциальная (вариационная) структура измерителя крутящего момента на валу электродвигателя буровых установок // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. -2011. - №8. - С. 5 - 9.

5. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А. Реализация дифференциальной структуры измерительного комплекса крутящего момента на роторе двигателя буровой установки: Сборник научных трудов: материалы научно-технической конференции (20-23 сентября 2011 г.): В 3 ч.; Ч. I / под ред. Н. Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2011. - С. 170 - 173.

6. Заикин С. Ф., Перминов Б. А. Механические нагрузки в системах электропривода в процессе бурения скважин и способы их ограничения Сборник научных трудов (Текст): Материалы всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы науки» (24, 25 марта 2012 года): / под ред. С. Ф. Заикина. - Ухта: Ухтинский филиал МИИТ, 2012. - С. 147-150.

7. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А. Оптимизация управления процессом углубления скважины: Сборник научных трудов: материалы научно-технической конференции (17-20 апреля 2012 г.): В 3 ч.; Ч. I / под ред. Н. Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2012. - С. 135 - 140.

8. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А. Колонна бурильных труб в процессе углубления скважины, как объект автоматического регулирования // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. — 2012. — №10. -С. 13-17.

9. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А. Оптимизация управления процессом углубления скважины // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. -М.: 2012. -№10. - С. 17-21.

10. Балукин Д. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А. Определение момента сопротивления, действующего на бурильную колонну в оптимальных рабочих

зонах параметров бурения. Сборник научных трудов (Текст): Материалы всероссийской научно-практической конференции «Инновационное развитие единого транспортного комплекса России» (23, 24 марта 2013 года): / под ред. С. Ф. Заикина. - Ухта: Ухтинский филиал МИИТ, 2013. - С. 23 - 27.

11. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А., Перминов В. Б., Полетаев С. В., Ягубов 3. X. Частотные характеристики бурильной колонны как объекта управления // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2014. -Т. 20.-С. 2321 -2325.

12. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А., Перминов В. Б., Полетаев С. В., Ягубов 3. X. Исследование структурной модели бурильной колонны // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2014. - Т. 20. - С. 2316-2320.

13. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А., Перминов В. Б. Методика измерения параметров бурения с использованием вариационной структуры: Сборник научных трудов: материалы научно-технической конференции (20-25 апреля 2014 г.): В 3 ч.; Ч. I / под ред. Н. Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2014. - С. 132 -134.

14. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А., Перминов В. Б. Экспериментальная проверка основных теоретических положений динамики бурильной колонны: Сборник научных трудов: материалы научно-технической конференции (20-25 апреля 2014 г.): В 3 ч.; Ч. I / под ред. Н. Д. Цхадая. — Ухта: УГТУ, 2014.-С. 134-139.

15. Заикин С. Ф., Лапин А. Е., Перминов Б. А. Исследование структурной модели бурильной колонны средствами МАТЬАВ. Сборник научных трудов (Текст): Материалы всероссийской научно-практической конференции «Инновационное развитие единого транспортного комплекса России» (26, 27 апреля 2014 года): / под ред. С. Ф. Заикина. - Ухта: Ухтинский филиал МИИТ, 2014. - С. 25-31.

16. Заикин С. Ф., Полетаев С. В., Перминов Б. А. Частотные характеристики бурильной колонны как объекта управления. Сборник научных трудов (Текст): Материалы всероссийской научно-практической конференции «Инновационное развитие единого транспортного комплекса России» (26, 27 апреля 2014 года): / под ред. С. Ф. Заикина. - Ухта: Ухтинский филиал МИИТ,

2014.-С. 23-27.

17. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов В. Б. Определение наброса момента сопротивления, действующего на бурильную колонну в оптимальных рабочих зонах параметров бурения // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.-М.: 2014. -№4. - С. 33-40.

18. Заикин С. Ф., Перминов Б. А. Исследование структурной модели бурильной колонны в пакете MatLab Сборник научных трудов (Текст): Материалы Х-ой международной научно-практической конференции «Прикладные научные разработки - 2014» (25 июля - 6 августа 2014 года): / под ред. Publishing House "Education and Science" s.r.o. (Чехия, Прага), 2014. - С. 27 -32.

19. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А., Перминов В. Б. Динамические свойства бурильной колонны // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - М.: 2014. -№8. - С. 4 - 8.

20. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А., Перминов В. Б. Влияние осевой нагрузки на динамику бурильной колонны // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. — М.: 2014. - №8. - С. 22 — 28.

21. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А., Перминов В. Б. Возможность использования динамических составляющих параметров крутящего момента для управления процессом углубления скважины // Инженер-нефтяник. - 2014. -№3. - С. 20 - 22.

22. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А., Перминов В. Б. Методы управления процессом углубления скважины // Инженер-нефтяник. - 2014. -№3-С. 23-27.

23. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А., Перминов В. Б. Способ измерения параметров бурения с использованием вариационной структуры // Инженер-нефтяник. - 2014. -№3. - С. 27 - 29.

24. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А., Перминов В. Б. Экспериментальная проверка основных теоретических положений динамики бурильной колонны // Инженер-нефтяник. - 2014. - №3. - С. 30 - 33.

25. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А., Перминов В. Б. Структурное моделирование бурильной колонны // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. -М.: 2014. -№10. - С. 13 - 18.

26. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А., Перминов В. Б. Переходные процессы при различных режимах работы бурильной колонны // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2014. - №11. -С. 8-12.

27. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А., Перминов В. Б. Частотные свойства бурильной колонны как объекта управления // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2014. - №11. -С. 13-15.

28. Bikov I., Zaikin S., Perminov В., Perminov V., Poletaev S., Yagubov Z. Investigation of the structural model of the drillstring // DOAJ - Lund University: Koncept : Scientific and Methodological e-magazine. - Lund, №4 (Collected works,Best Article), 2014. - URL: http://\vww.doai.net/2385/

29. Bikov I., Zaikin S., Perminov В., Perminov V., Poletaev S., Yagubov Z. The frequency characteristics of the drill string as a management object // DOAJ -Lund University: Koncept: Scientific and Methodological e-magazine. - Lund, №4 (Collected works, Best Article), 2014. - URL: http://www.doai.net/2386/

Отпечатано в типографии Ухтинского государственного технического университета Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, 13. Подписано в печать 20.01.2015 г. Усл.печ.л. 1,4. Тираж 130 экз. Заявка N° 4871