автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Забойный аэродинамический датчик для телеметрической системы контроля осевой нагрузки на долото

На правах рукописи

Алексеев Александр Викторович

ЗАБОЙНЫЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ ДАТЧИК

ДЛЯ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ НА ДОЛОТО

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники

и систем управления

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Астрахань - 2004

Работа выполнена на кафедре Автоматизации технологических процессов и производств Астраханского Государственного Технического Университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, академик РАЕН Есауленко В.Н.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент Метрологической академии РФ Зак Евгений Аронович

кандидат технических наук, Малюга Анатолий Георгиевич

Ведущее предприятие: ООО "Астраханьгазпром"

Защита состоится "_22_" ¿ШрРЗ 2004 г в 9_часов на заседании

диссертационного совета Д307.001.01 в Астраханском Государственном Техническом Университете по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева 16.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского Государственного Технического Университета.

Автореферат разослан

л2йп 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ____ _

доктор технических наук, профессор — Попов А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. За последние десятилетия в два — три раза возросли глубины бурения, значительно усложнились условия строительства скважин, получают все большее распространение новые технологии строительства скважин, принципиально отличающиеся от старых и обуславливающие существенные изменения ряда показателей, характеризующих процесс бурения.

Применяемые в настоящее время новые технологии бурения скважин характеризуются возрастанием механических скоростей бурения. Известно, что механическая скорость бурения во многом определяется значением осевой нагрузки на долото. Увеличение скоростей бурения обуславливает, во-первых, необходимость соблюдения проектных значений осевой нагрузки и, во-вторых, их своевременную корректировку для поддержания оптимального режима бурения. Кроме того, известно, что при искривлении ствола скважины многократно увеличиваются силы трения между стенками скважины и бурильной колонной, что вызывает потерю веса инструмента и изменение осевой нагрузки, а это означает, что резкое отклонение осевой нагрузки от нормы может служить индикатором искривления ствола скважины. Таким образом, точное измерение осевой нагрузки на долото, наряду с другими параметрами процесса бурения, является важнейшей составляющей организации оптимального режима бурения.

Исследования отечественных ученых, таких как Кузнецов Г.М., Пи-люцкий О.В., Малюга А.Г., Есауленко В.Н., Калинин А.Г., Александров М.М., Рыбаков В.В., Пуля ГЛ. и др. привели к разработке и созданию различных средств контроля технологических параметров процесса бурения, появлению конструктивных, технологических и методологических принципов улучшения их метрологических характеристик.

Ведущими зарубежными производителями и поставщиками приборов и приборных комплексов контроля процесса бурения являются фирмы «Шлюм-берже», «Мартин-Деккер», «Моторола», «Дрессер», «Джиолограф», «Тотко», «Бароид», «Джиосервисиз», «Свако» и др. Характерной особенность зарубежных разработок является тенденция устойчивого применения хорошо зарекомендовавших себя преобразователей и приборов, на базе которых создаются новые комплексы, приспособленные для конкретных буровых установок. Так, например, более двух десятков лет подряд не изменяются, при этом, не существенно отличаясь от отечественных, конструкции приборов для измерения нагрузки на крюке, манометры для буровых насосов и др.

До сих пор в практике буровых работ при управлении процессом бурения используется информация о технологических параметрах бурения, в частности, осевой нагрузки на долото, получаемая от наземных средств измерений. Вместе с тем известно, что при бурении глубоких скважин значения осевой нагрузки, полученные по показаниям наземных приборов, могут существенно отличаются от д е й с "я чя^рр скРяжтг" П/удамстлц роя, авторов несоответствие может достигать управ-

I БИБЛИОТЕКА |

ление и оптимизация режима бурения по данным наземных приборов являются крайне затруднительными. Кроме того, отклонение текущих значений технологических параметров от проектных создает ряд осложнений и серьёзных аварий, преодоление которых требует значительных затрат времени и материальных средств на всех этапах строительства скважин.

Все эти данные убедительно свидетельствуют о том, что оптимизация режима бурения и безаварийная проходка скважины невозможны без контроля забойных параметров бурения и, в частности, осевой нагрузки на долото, как важнейшего технологического параметра процесса бурения.

Основание для выполнения работы. Работа выполнена по планам НИР Астраханского государственного технического университета (номера государственной регистрации 01.98 0004872, 01.99.0009426, 01.20.0005849).

Цели и задачи диссертации. Целью диссертации является разработка глубинного датчика осевой нагрузки на долото, обладающего высокой надежностью и точностью, как составной части телеметрической системы измерения осевой нагрузки на долото в процессе бурения скважин и исследование его основных характеристик.

В соответствии с поставленной целью в работе ставятся и решаются следующие задачи:

1. Анализ существующих методов и средств контроля параметров бурения скважин.

2. Анализ принципов проектирования забойной измерительной аппаратуры.

3. Патентный анализ забойных датчиков осевой нагрузки.

4. Выбор элементной базы забойного датчика осевой нагрузки, канала связи с поверхностью и разработка конструкции датчика осевой нагрузки на долото.

5. Построение макета датчика осевой нагрузки и его экспериментальное исследование.

6 Построение математической модели датчика осевой нагрузки на долото и анализ ее соответствия экспериментальным данным.

7. Разработка рекомендаций по проектированию датчика осевой нагрузки.

8. Определение метрологических характеристик датчика осевой нагрузки на долото.

9. Разработка методики расчета датчика осевой нагрузки.

Методы исследований. Научные положения, представленные в диссертационной работе, обоснованы теоретическими и экспериментальными исследованиями с применением элементов и методов теории газодинамики, теории измерительных преобразователей, математического анализа, цифрового моделирования на ЭВМ с использованием пакета MathCAD 2000 Professional и других.

Основные теоретические положения и выводы подтверждены результатами экспериментальных исследований в лабораторных условиях на этапах

разработки. Исследования проводились на кафедре "Автоматизация технологических процессов и производств" Астраханского государственного технического университета.

На защиту выносятся:

1. Классификация забойных датчиков на основе способов представления и передачи информации об измеряемых параметрах.

2. Результаты экспериментальных исследований, позволившие разработать рекомендации по выбору геометрических параметров, режиму течения газа и давлений питания для аэродинамического генератора в составе забойного датчика осевой нагрузки на долото.

3. Математическая модель и методика расчета аэродинамического датчика осевой нагрузки на долото, позволяющие осуществлять расчет датчика с учетом характеристик канала связи и диапазона измеряемой величины.

4. Система автоматического регулирования подачи долота. Алгоритм обработки информации, поступающей отдатчика.

Научная новизна работы:

1. Проведен анализ построения наземных и забойных средств контроля осевой нагрузки на долото с учетом всех элементов процесса бурения. Предложена классификация забойных датчиков по способам представления и передачи информации об измеряемых параметрах.

2. Разработаны способы улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик забойного аэродинамического датчика осевой нагрузки, включающие рекомендации по выбору геометрических параметров, режиму течения газа и давлений питания для аэродинамического генератора в составе забойного датчика осевой нагрузки.

3. Разработана методика расчета аэродинамического датчика осевой нагрузки на долото и получены аналитические выражения, составляющие основу этой методики.

4. Разработан алгоритм, позволяющий однозначно интерпретировать поступающую от датчика информацию. На основе разработанного алгоритма синтезирована система автоматического регулирования подачи долота.

Личный вклад:

1. Предложена классификация забойных датчиков по способам представления и передачи информации об измеряемых параметрах.

2. Участие в разработке конструкции датчика осевой нагрузки на долото.

3. Разработка макета датчика осевой нагрузки; проведение экспериментальных исследований.

4. Разработка математической модели и методики расчета датчика осевой нагрузки.

5. Предложены способы улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик забойного аэродинамического датчика осевой нагрузки, включающие ряд рекомендаций.

Практической ценностью обладают:

1. Разработанный забойный аэродинамический датчик осевой нагрузки на долото, обеспечивающий измерение осевой нагрузки непосредственно в процессе бурения и позволяющий существенно повысить точность ее измерения. Оригинальность конструкции датчика подтверждена решением о выдаче патента на полезную модель от 19 августа 2003 г.

2. Результаты экспериментального исследования датчика осевой нагрузки, позволяющие разработать рекомендации по выбору геометрических параметров и режима работы аэродинамического генератора в составе забойного датчика осевой нагрузки на долото.

3. Математическая модель и методика расчета датчика.

4. Алгоритм интерпретации показаний датчика осевой нагрузки и система автоматического регулирования подачи долота.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при чтении лекций по курсам "Технические средства автоматизации" и "Технические измерения и приборы". На основе построенного макета датчика поставлена лабораторная работа по указанным курсам.

Апробация работы. Основные вопросы, составляющие содержание диссертации, докладывались и обсуждались на 46 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного технического университета (2002 г.); 47 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного технического университета (2003 г.); выставке Астрахань - Нефть и Газ 2003; выставке Энерго и ресурсосбережение 2003, г. Астрахань.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в шести печатных работах, в том числе один патент на полезную модель, 5 статей в центральных специализированных журналах "Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море", "Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной и газовой промышленности", "Приборы + автоматизация". Кроме того, автором разработаны методические указания к проведению учебно-исследовательских работ по курсу "Технические измерения и приборы", которые используются в учебном процессе студентами специальности №210200 "Автоматизация технологических процессов и производств" Астраханского государственного технического университета.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений, изложенных на 134 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка и 12 таблиц. Список использованной литературы содержит 92 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности проблемы создания новых средств для контроля забойных параметров непосредственно в процессе бурения. Сформулирована цель исследования.

В первой главе выполнен сравнительный анализ комплексов контроля параметров бурения, рассмотрена их роль в формировании информационно-измерительных систем бурения; рассмотрены известные средства автоматизации подачи долота, произведен обзор средств контроля осевой нагрузки на долото в составе комплексов контроля параметров бурения.

В настоящее время основной тенденцией развития АСУ 111 бурения является наращивание микропроцессорной техники и прикладного программного обеспечения. При этом базой для создания АСУТП являются приборные комплексы контроля параметров бурения, большую часть которых составляют традиционные технические средства, адаптируемые к электронно-вычислительным системам и микропроцессорной технике с помощью новых унифицированных преобразователей.

В подавляющем большинстве случаев для измерения осевой нагрузки используются гидравлические и электрические индикаторы веса. Будучи просты по конструкции и несложны в эксплуатации, гидравлические индикаторы веса обладают рядом существенных конструктивных и эксплуатационных недостатков. Погрешность измерения веса бурового инструмента и осевой нагрузки индикаторами веса сильно зависит от сил трения в талевой системе и жесткости талевого каната. При искривлении ствола скважины часть веса колонны бурильных труб разгружается на стенки скважины, а часть компенсируется прилипанием глиняной корки. Все это вызывает потерю веса и, как следствие, невозможность точного определения нагрузок на забой. Это особенно проявляется при бурении скважин забойными двигателями, когда колонна не вращается. По данным ряда авторов, силы трения не вращающейся бурильной колонны о стенки скважины при глубинах до 6 - 7 км и искривлениях до 10° достигают иногда 15-25 тонн и становятся соизмеримыми с осевой нагрузкой на долото. Эта помеха, помимо искажения информации, нарушает обратную связь забоя с наземными регуляторами подачи и лишает возможности автоматизации подачи с поверхности.

Применяемые в настоящее время, наземные средства контроля осевой нагрузки уже не способны обеспечивать требуемое качество информации и давать представление об истинном режиме на забое скважины, что в большинстве случаев исключает возможность вести бурение скважин в оптимальных режимах и использовать все имеющиеся для этого резервы. Поэтому для получения точной информации о величине осевой нагрузки на долото требуется применять телеметрические устройства, которые позволят резко повысить точность получаемой информации за счет исключения влияния любых внешних факторов, и связанных с ними помех. В связи с этим особую значимость приобретает задача создания надежных технических средств, позво-

ляющих получать информацию об осевой нагрузке на долото непосредствен -но с забоя скважины в процессе бурения и согласования этих средств с имеющейся структурой систем автоматического управления процессом бурения.

Во второй главе рассматриваются принципы построения забойной измерительной аппаратуры. Проводится выбор канала связи и элементной базы для проектируемого датчика осевой нагрузки на долото. Рассматриваются пути реализации частотного способа представления и передачи информации об осевой нагрузке на долото.

Важнейшим вопросом при проектировании телеметрической системы (ТС) контроля осевой нагрузки на долото в процессе бурения является выбор технических средств и обоснование этого выбора. Выбор технических средств, используемых для контроля параметров процесса бурения определяется рядом элементов, характеризующих процесс бурения, поэтому необходимо выделить те из них, которые оказывают наиболее значительное влияние на выбор забойной телеметрической аппаратуры. В таблице 1 представлены основные элементы процесса бурения и их влияние на технические требования к забойной аппаратуре.

Таблица 1.

Элементы процесса бурения и требования к забойной аппаратуре.

Элемент процесса бурения. Влияние на технические требования к забойной аппаратуре.

Геолого-геофизические свойства залегающих пород Определяют динамические нагрузки на забойную аппаратуру, залают требования по виброустойчивости и ударостойкости.

Глубина бурения Определяет внешние условия работы забойной аппаратуры. Задает требования по термо- и баростойкости для забойной аппаратуры.

Способ бурения Дополнительные уточнения по принципу действия и элементной базе забойной аппаратуры.

Руководствуясь проектными данными на бурение скважины, можно определить технические требования к забойной измерительной аппаратуре по термо- и баростойкости, виброустойчивости и ударостойкости, и на основе этих требований дать рекомендации по элементной базе и принципу действия глубинных устройств. Способ бурения позволит определить возможные типы источников питания забойной аппаратуры, тем самым, уточняя ранее установленные рекомендации по построению забойного блока.

Канал связи ТС контроля осевой нагрузки на долото в процессе бурения глубоких скважин должен обладать следующими характеристиками: большой дальностью действия - согласно средней глубине бурящихся скважин, около 6000 метров; высокой точностью передачи информации; наименьшей сложностью - организация КС должна обеспечиваться минимальным количеством элементов, это же условие обеспечит минимальную стоимость его реализации; высокой надежностью; малым временем передачи-для быстрого формирования информационной модели процесса, и своевременной

выработки управляющих воздействий. В таблице 2 приведен анализ известных каналов связи.

сравнительный Таблица 2.

Сравнительный анализ каналов связи.

Характеристики каналов связи Каналы связи забоя скважины с дневной поверхностью

Проводной электрический КС Электромагнитный КС Акустический КС Гидравлический КС

Дальность действия Скважины средней глубины, до 6000 м. Скважины средней глубины, до 5000 м. Определяется числом ретрансляторов Свыше 10000 метров

Точность передачи Высокая Высокая Очень низкая Зависит от способа представления сигнала

Пропускная способность Высокая (измерение свыше 30 параметров) Низкая Достаточно высокая Низкая

Скорость передачи Высокая (равна скорости света) Достаточно высокая (скорость электромагнитных волн в породе) Сравнительно высокая (равна скорости звука в металле) Сравнительно низкая (скорость звука в жидкой среде и глинистых растворах)

Сложность Высокая Низкая Средняя Низкая

Стоимость реализации Большая стоимость. При электробурении стоимость снижается. Не требует затрат Затраты при введении ретрансляторов. Не требует затрат

Надежность Достаточно высокая Высокая Достаточно высокая Высокая

На основании анализа соответствия характеристик известных каналов связи указанным требованиям, в качестве канала связи для ТС контроля осевой нагрузки на долото в процессе бурения глубоких скважин выбран гидравлический канал связи (ГКС).

В ряде случаев дальность действия телеметрической системы оказывается ограниченной не только возможностями канала связи, но и возможностями элементной базы, используемой при построении забойных устройств. Известно, что максимальная температура работоспособности электронных компонентов не превышает 135 °С. Известно также, что на глубине 6000 м температура составляет около 200 °С, поэтому при построении забойного измерительного блока применение электронных компонентов недопустимо.

Сходство конструкций известных скважинных приборов ТС контроля забойных параметров бурения, не содержащих электронных компонентов и использующих для передачи информации ГКС, обусловило необходимость проведения их классификации по способам представления и передачи информации об измеряемых параметрах, а также установить преимущества и недостатки всех выявленных способов (таблица 3).

Таблица 3.

Способы представления информации в забойных датчиках._

Измеряемые параметры Представление информации Недостатки

Датчики одного параметра

Осевая нагрузка на долото Величина давления бурового раствора Сильное влияние помех в канале связи на сигнал.

Амплитуда импульсов бурового раствора

Частота импульсов бурового раствора (ЗИН) Не применим при измерениях в процессе бурения.

Датчики нескольких параметров

Частота вращения забойного двигателя (или турбобура) и осевая нагрузка на долото. Частота импульсов давления бурового раствора соответствует частоте вращения забойного двигателя; амплитуда импульсов - осевой нагрузке. Сильное влияние помех в канале связи на сигнал. Питание датчика осуществляется энергией вращения забойного двигателя, которая зависит от скоростных характеристик потока бурового раствора. При роторном способе бурения применение нецелесообразно.

Частота импульсов давления бурового раствора соответствует частоте вращения забойного двигателя; отношение амплитуд соседних импульсов -осевой нагрузке.

Частота импульсов давления бурового раствора соответствует частоте вращения забойного двигателя; скважность импульсов - осевой нагрузке. Питание датчика осуществляется энергией вращения забойного двигателя, зависящей от скоростных характеристик потока бурового' раствора. При роторном способе бурения применение нецелесообразно.

Частота импульсов давления бурового раствора положительной полярности пропорционально частоте вращения забойного двигателя; число импульсов отрицательной полярности - осевой нагрузке.

Время между импульсами давления бурового раствора положительной полярности пропорционально частоте вращения забойного двигателя; расстояние по времени от импульса отрицательной полярности до первого положительного импульса - осевой нагрузке. Неоднозначность интерпретации результатов измерения ввиду сложности определения точки отсчета. Нецелесообразность применения при роторном бурении.

Частота вращения забойного двигателя (или турбобура), осевая нагрузка на долото, зенитный угол скважины. Период следования импульсов давления бурового раствора обратно пропорционален частоте вращения забойного двигателя; осевая нагрузка прямо пропорциональна величине среднего давления в нагнетательной линии насосов; резкое увеличение давления до максимальной величины - превышению заданного зенитного угла. Сильное влияние на сигнал помех в канале связи. Питание датчика осуществляется энергией вращения забойного двигателя, зависящей от скоростных характеристик потока бурового раствора. Нецелесообразность применения при роторном бурении.

Для устранения всех выявленных недостатков необходимо применить частотный способ представления информации об осевой нагрузке и предусмотреть в скважинном приборе собственный блок питания. Повышение надежности забойного блока осуществляется за счет исключения из него трущихся и движущихся частей.

Решением этих задач стало построение забойного датчика на основе элементов пневматики, а именно, струйных элементов, основанных на эффекте Коанда. Для реализации частотного способа представления и передачи информации об осевой нагрузке на долото необходимо использовать измерительные преобразователи, построенные на основе генератора, частота выходного сигнала которого функционально связана с величиной осевой нагрузки.

Основными требованиями, предъявляемыми к забойному измеритель-

Рис. 1. Аэродинамический генератор колебаний.

а - струя газа обтекает профилированную поверхность и заполняет приемную камеру;

б- струя газа отклоняется от профилированной поверхности и приемная камера опоражнивается.

1 - сопло питания, 2 - профилированная поверхность; 3 - приемное сопло, 4 - приемная камера.

ному преобразователю осевой нагрузки на долото, являются простота конструкции, отсутствие механических движущихся деталей и узлов, обуславливающее устойчивость к воздействию высоких температур и вибраций, и непосредственное преобразование измеряемого параметра в частоту импульсов генератора. Анализ схем струйных генераторов на предмет соответствия указанным требованиям показал, что характеристиками, наиболее соответствующими указанным требованиям, обладает аэродинамический генератор колебаний Л.А. Залманзона (рис 1).

В третьей главе описывается конструкция и принцип действия датчика осевой нагрузки на долото, приводится описание макета датчика и проводится анализ данных экспериментального исследования макета датчика осевой нагрузки. Даны рекомендации по конструктивным особенностям датчика осевой нагрузки.

Датчик содержит (см рис 2): переводники 1 и 2, шток 3, пружину 4, тягу 5, герметичный контейнер 6, струйный элемент Коанда, составленный соплом питания 7, приемным 8, выходным 9 соплами и профилированной поверхностью 10, приемную камеру 11с подвижным дном 12, баллон питания 13, редуктор давления 14, реактор поглощения газа 15, сильфон 16, гидроцилиндр 17, клапанную систему 18.

\ г

\ I

* 4/

Рис 2. Схема забойного дат чика осевой нагрузки

Рис. 3. Геометрические размеры аэродинамического генератора колебаний.

Для проверки работоспособности разработанного датчика и снятия его метрологических характеристик, был построен макет датчика осевой нагрузки на долото (фото 1). Макет выполнен на основе металлического каркаса 1, на верхней панели которого располагаются редуктор давления 2, выход которого эластичной трубкой соединен с питающим соплом аэродинамического генератора колебаний, выполненного на основе струйного элемента Коанда 3 и также расположенного па верхней панели макета. Приемная камера выполнена в виде металлического цилиндра 4, верхняя часть которого, вместе с входным соплом возвышается над панелью макета для возможности непосредственного соединения с выходным соплом аэродинамического генератора колебаний. Дно приемной камеры выполнено в виде диска, боковая поверхность которого, для исключения

возможности утечки газа из камеры, составляет вместе с внутренней поверхностью приемной камеры притертую пару. К центру дна приемной камеры крепится зубчатая рейка 5, исполняющая роль тяги. Регулировка положения дна в приемной камере производится путем вращения шестеренки 6, входящей в зацепление с зубчатой рейкой 5. На нижней части приемной камеры жестко закреплена линейка штангенциркуля 7. Нижний конец зубчатой рейки жестко соединен с подвижным нониусом штангенциркуля для контроля положения дна в приемной камере. На верхней панели макета расположены образцовый манометр 8, расходомер 9 и электронный секундомер 10 для контроля изменения давления внутри приемной камеры, измерения амплитудных и временных параметров импульсов давления на выходном сопле аэродинамического генератора.

При испытаниях использовался аэродинамический генератор (рис. 2) со следующими геометрическими параметрами: длина профильной части вставки 2:1=3.5 мм; угол с к о диаметры с о п е^Тм м ; зазор между питающим соплом / и профильной вставкой 2: 8¡- 0.2 мм; зазор между приемным соплом 3 и профильной вставкой 2: ¿¡= 0.1 лш; положение вставки относительно оси сопел: ниже оси сопел. Размеры внутренней полости приемной камеры: высота 370 мм, диаметр 80 мм. Максимальная величина хода дна в приемной камере 138 мм. Минимальная величина перемещения дна составила 12 мм. Таким образом, объем приемной камеры можно было изменять в пределах от

1.86 дм1 ко 0.694 дм3 с шагом

По результатам испытаний макета датчика осевой нагрузки сделаны следующие выводы:

1. Подтверждена работоспособность данного датчика, что указывает на правильность выбранного подхода проектирования. Для различных давлений питания определены максимальное и минимальное давления в приемной камере и давление в выходном сопле. Определены величины расхода газа.

2. Результаты опытов по определению статических характеристик (рис 4) и позиционной ошибки датчика, а также результаты математической обработки полученных данных свидетельствуют о высокой устойчивости работы датчика при меняющихся внешних условиях. Это указывает на то, что предложенный датчик соответствует основным требованиям, предъявляемым к забойной измерительной аппаратуре.

Основным эксплуатационным показателем датчика является время его работы на забое. Известно, что среднее время отработки долота на забое зависит от ряда факторов и колеблется в пределах от 10 до 50 часов. При давлении питания 0.05 МПа расход газа в аэродинамическом генераторе составил 28 л/час. Расчет источника питания показал, что в этом случае время работы макетированного датчика на забое составит 9 часов. Для увеличения времени работы датчика необходимо понижать расход газа в нем. Основными путями снижения расхода газа являются: уменьшение давления питания и уменьшение диаметров каналов и сопел аэродинамического генератора.

и

Рис. 4. Экспериментальные статические характеристики датчика (зависимость частоты выходных колебаний от длины приемной камеры), полученные для различных давлений питания.

Основными метрологическими характеристиками датчика являются чувствительность и диапазон выходного сигнала. Для передачи информации с забоя по гидравлическому каналу связи наиболее приемлемым является интервал инфранизких частот 0.01 - 0.3 Гц..Эксперимент показал, что наиболее близким к указанному интервалу частот обладает статическая характеристика, полученная при более высоком давлении питания (рис 4).

Уточнение данных по размерам приемной камеры и аэродинамического генератора, а также выбор величины давления внутри полости герметичного забойного блока могут быть проведены только на основании математического моделирования работы датчика и проверке соответствия математической модели и полученных экспериментальных данных.

В четвертой главе приводится математическая модель датчика осевой нагрузки и анализ ее соответствия экспериментальным данным. Приводится методика расчета датчика и система автоматического регулирования подачи долота.

Цепочка преобразований, лежащих в основе функционирования датчика осевой нагрузки показана на рис 5. Первоначально, величина осевой нагрузки О, с помощью пружины преобразуется в линейное перемещение Д/ подвижного фигурного штока 3 датчика, расположенного в компоновке низа бурильной колонны, непосредственно над долотом (см. рис. 2). Перемещение

фигурного штока 3 непосредственно преобразуется в перемещение дна 12 приемной камеры 11 аэродинамического генератора, что, в свою очередь, вы-

О

д/=° к Д/ АГ

передача а «пульсов в каиад евши

Деформация пружины

Изменение объема приемной камеры

Изменение частоты выходных колебаний

зывает изменение ее объема Д V и частоты генерируемых колебаний.

Первые два преобразования являются линейными, поэтому основной задачей при построении математической модели датчика является получение аналитической зависимости для описания третьего закона преобразования.

Временные параметры выходных колебаний определяются характеристиками заполнения и опорожнения приемной камеры. Получение аналитических зависимостей, описывающих процессы заполнения и опорожнения приемной камеры, на основании общего решения основных уравнений газодинамики является сложной задачей, которая существенно упрощается при введении допущений, определяющих, с одной стороны условия протекания указанных процессов, а с другой - увязывающих принятые условия с конструктивными особенностями предлагаемого устройства.

Для упрощения решения основных уравнений газодинамики в работе приняты следующие допущения:

1. При истечении газа через отверстие тепловой обмен отсутствует, т. е. процесс его расширения следует закону адиабаты; Начальная скорость газа в резервуаре, из которого происходит истечение, равна нулю;

Процесс истечения имеет установившийся характер; Расход газа через отверстие, как при рассмотрении процесса опорожнения приемной камеры, так и для процесса ее заполнения, происходит только по закону для подкритических областей давлений; Работа датчика протекает при постоянной температуре, или сопровождается незначительными ее изменениями, т.е. протекающие процессы являются изотермическими.

Известно, что в соответствии с принятыми допущениями выражение для мгновенного расхода газа через отверстие имеет следующий вид:

2.

3.

4.

5.

где

- массовый секундный расход газа через отверстие, кг/с;

Ц ■- коэффициент истечения;

Р - сечение отверстия, м2;

к-- показатель адиабаты (для двухатомных газов и воздуха к =1.4),

Я-9.81м/с2,

р, ■- давление воздуха в сосуде, откуда происходит истечение, Па,

Р/ - плотность газа в сосуде, откуда происходит истечение, кг/м3,

Ру - противодавление среды, в которую вытекает газ, Па,

Для процесса опорожнения приемной камеры примем, что истечение сжатого газа происходит из сосуда ограниченной емкости во внешнюю среду (внутреннюю полость датчика), обладающую постоянными параметрами. Противодавление внешней среды р„. Пусть в приемной камере объемом V, содержится сжатый газ, давление которого р^, и плотность рд. В начальный момент времени * = 0 в приемной камере внезапно открыто отверстие сечением через которое газ вытекает во внешнюю среду. Поскольку мгновенный расход газа определяется согласно уравнению (1), составим дифференциальное уравнение материального баланса газа. За бесконечно малый отрезок времени Л из приемной камеры вытечет Q^Xx.cU1кг газа. Так как объем Vприемной камеры остается неизменным, то уменьшение общего веса газа на величину произойдет за счет соответствующего изменения плотности р,. Разность между ее начальным значением и ее значением через промежуток времени будет равна ф„ а общая масса газа в приемной камере уменьшится на кг, причем за счет уменьшения величины дифференциал приобретет отрицательный знак. Таким образом, получаем дифференциальное уравнение: О^Л = -Ус1рг

Решая это дифференциальное уравнение относительно времени, получим следующее выражение для времени^опорожнения приемной камеры:

где - величина газовой постоянной для вы-

бранного газа, Дж/(кг-К).

Интегрирование производится в пределах от £0 шч = /»ща-УР/о ДО Е0 КОн = ко Здесь р, - давление в приемной камере аэродинамического генератора колебаний, при котором происходит отрыв струи газа от профильной стенки и переброс ее в выходное сопло генератора; р, кон - давление в приемной камере аэродинамического генератора колебаний, при достижении которого процесс опорожнения приемной камеры заканчивается, струя газа вновь начинает обтекать профилированную стенку, в результате чего начинается процесс заполнения приемной камеры.

Для процесса заполнения приемной камеры примем, что в забойном датчике осевой нагрузки подача газа для аэродинамического генератора коле-

баний осуществляется из баллона, наполненного сжатым газом. Считаем, что баллон имеет очень большую емкость и наполнен сжатым газом с параметрами ро И ро, не изменяющимися с течением времени. Считаем также, что начальное давление в приемной камере меньше давления в баллоне. Начальные давление, плотность и температура газа в приемной камере: рд, рТа соответственно.

Пусть в начальный момент времени I = 0 в приемной камере внезапно открыто отверстие сечением через которое по короткому каналу она наполняется газом, перетекающим из баллона. За бесконечно малый отрезок времени из баллона вытечет кг газа, где также как и

раньше, равно массе газа, вытекающего за 1 сек через отверстие сечением Г.

Масса газа в приемной камере будет определяться следующим выражением: Q — У(р - рд), кг. За промежуток времени <М прирост весового количества газа составит:

Так как весовое количество газа, потерянное баллоном, равно приросту такого же количества газа в приемной камере, то: се, <й = Гф. Решая это дифференциальное уравнение относительно времени, получим следующее выражение для времени заполнения приемной камеры:

где с, = р!ро, р - давление внутри приемной камеры. Интегрирование проводится в пределах от £,„„ = р„»ч/ро ДО £цюн = - давление в приемной камере аэродинамического генератора колебаний, при достижении которого процесс опорожнения приемной камеры заканчивается, струя газа начинает обтекать профилированную стенку и начинается процесс заполнения приемной камеры.; ркон - давление в приемной камере аэродинамического генератора колебаний, при достижении которого процесс заполнения приемной камеры заканчивается, струя газа перебрасывается в выходное сопло аэродинамического генератора и начинается процесс опорожнения камеры.

Между колебаниями давлений в приемной камере и на выходном сопле аэродинамического генератора имеется непосредственная связь: время опустошения приемной камеры равно длительности импульса давления на выходном сопле, а полное время цикла, равного сумме времен заполнения и опорожнения камеры равно периоду колебаний давления на выходном сопле аэродинамического генератора.

Согласно принципу работы рассматриваемого датчика осевой нагрузки, свободный объем приемной камеры V определяется величиной осевой нагрузки на долото. В ненагруженном состоянии, когда долото находится над забоем, свободный объем приемной камеры V максимален и определяется её на-

<1Е •

3

(3)

чальным объемом Ко- Считая, что приемная камера имеет площадь основания 8, можно записать:

где /о - начальная длина внутренней полости приемной камеры, м. При изменении осевой нагрузки, дно приемной камеры перемещается на величину, пропорциональную приложенной нагрузке в: Д/ = С7/АТ, где К- коэффициент жесткости пружины, кг/м.

При этом свободный объем приемной камеры уменьшается на величину

ДК=5хД/ = 5хС/К, и, с учетом (4), становится равным: К = 5х/0 - БхС/К. Аналитическая зависимость между частотой выходных колебаний аэродинамического генератора и осевой нагрузкой на долото:

1 1

V --—X—X

1-Я. 5

0 К

2—ЛГ0 к — 1 0

ИРт^оа1-

2ЯТт

'к-1

Ж

£•„ гтк

Формула (5) является математической моделью датчика осевой нагруз-

(5)

и расчетная

статические харак-

Рис. 6. Экспериментальная

теристики датчика (зависимость частоты выходных колебаний от осевой нагрузки).

ки на долото. Полученная формула отражает процессы, протекающие в аэродинамическом генераторе колебаний, а также включает в себя характеристики всех элементов, составляющих аэродинамический генератор колебаний.

Начальными данными к расчету математической модели, кроме заданного давления питания и давления внешней среды, служат значения максимального и минимального давлений в приемной камере, значение температуры, газовая постоянная и показатели адиабаты и политропы для выбранного газа. Параметры приемной камеры: внутренний диаметр и диапазон изменения длины. Из параметров струйного элемента необходимо задать диаметр приемного сопла и величину коэффициента истечения. Все эти данные были определены при построении макета датчика и его экспериментальном исследовании.

На рис. 6 представлены экспериментальная и расчетная характеристики, полученные при давлении питания 0.05 МПа. Максимальная погрешность составила 6%. Полученные результаты свидетельствуют о хорошем согласовании теории и эксперимента.

2.21-----.---

1040 1976 2912 3343 4784 5720 6656 7592 8.528 9464 1 04 104

С?, кг

Рис. 7. Статическая характеристика датчика осевой нагрузки (зависимость периода выходных колебаний от осевой нагрузки) и полоса погрешностей.

Для определения полосы погрешностей датчика статическая характеристика датчика осевой нагрузки представлена в виде зависимости периода входных колебаний от осевой нагрузки (рис 7).

Установлен диапазон измерения величины осевой нагрузки О: 1040 — 10400 кг.

Рис. 8. Алгоритм расчета датчика осевой

нагрузки

Чувствительность датчика осевой нагрузки л = 237х10"4~-

Выражение для нормирования погрешности датчика имеет вид: у(1) = 0.011 + 0.033 • -1 j •

Математическая модель датчика, представленная формулой (5) в общем случае может быть сведена к виду: ^ _ а , где а, Ь и с - постоянные

размерные коэффициенты для выбранных параметров датчика (параметров аэродинамического генератора, приемной камеры и пружины).

Методика расчета включает определение параметров и основных показателей аэродинамического генератора колебаний для выбранных размеров и величины давления питания, а также определения параметров приемной камеры и характеристик чувствительного элемента (измерительной пружины) для получения требуемого диапазона частот датчика, соответствующих частотному диапазону гидравлического канала связи. Алгоритм расчета приведен на рис. 8.

Основные рекомендации к расчету датчика:

1 - С целью снижения расхода газа в датчике, рекомендуется уменьшать диаметры каналов и сопел до минимально возможной величины, при которой сохраняется работоспособность аэродинамического генератора;

2 — Для максимального соответствия частотному диапазону ГКС рекомендуется давление питания аэродинамического генератора выбирать максимальным для докритического режима течения газа.

Сигнал управления Ху ЦЭВМ ИИС бурения

1

11 Ручное управление СЗз

Г 1 г

У —► ИМ —► БЛ БК —* здон —► д

Рис. 9. Структурная схема системы автоматического регулирования осевой нагрузки на долото и обеспечения безаварийной проходки скважины

Предложена следующая схема системы автоматического регулирования подачи бурового инструмента (рис. 9). Основным достоинством этой системы является исключение влияния бурильной колонны на процесс измерения осевой нагрузки, за счет чего обеспечивается существенное повышение точности измерения. Центральная ЭВМ информационно-измерительной системы бурения, помимо прочих функций, производит также прием и обработку сиг-

налов от забойного датчика осевой нагрузки. На основе получаемых данных о проходке, расходе бурового раствора, момента на роторном столе и осевой нагрузке на долото (на рисунке не показано), ЦЭВМ производит расчет управляющего воздействия по осевой нагрузке на долото по критерию максимальной механической скорости бурения. Сигнал рассогласования между измеренным значением осевой нагрузки и рассчитанным по критерию максимальной скорости бурения поступает на усилитель У, который направляет усиленный сигнал в исполнительный механизм подачи инструмента ИМ. Регулирующее воздействие через буровую лебедку БЛ, талевую систему и колонну бурильных труб БК передается на долото Д.

В заключении приводятся выводы и результаты проведенной работы.

В приложении приведены протокол испытаний макета датчика осевой нагрузки на долото, расчеты и анализ соответствия математических моделей датчика и экспериментальных данных, полученных для различных давлений питания.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Рассмотрены основные особенности процесса бурения и принципы его автоматизации. Приведены требования, предъявляемые к системе автоматизации подачи долота. Установлено, что применяемые в настоящее время, наземные средства контроля забойных параметров в составе информационно-измерительных систем процесса бурения, не отражают истинных значений забойных параметров бурения. Показано, что для автоматизации процесса бурения необходимо применять телеметрические устройства контроля осевой нагрузки на долото.

2. Проведен анализ влияния элементов бурения на требования к забойной аппаратуре. В качестве канала связи для ТС контроля осевой нагрузки на долото выбран гидравлический канал. На основе анализа научно-исследовательской, патентной и специальной литературы проведена классификация скважинных приборов, не содержащих электронных компонентов и использующих для передачи информации ГКС, по способам представления и передачи информации об измеряемых параметрах. Проведен анализ и выбор элементной базы для забойного датчика осевой нагрузки на долото. В качестве базового элемента выбран аэродинамический генератор колебаний.

3. Разработана конструкция забойного датчика осевой нагрузки на долото и построен макет датчика осевой нагрузки на долото.

4. Экспериментально получены основные эксплуатационные характеристики датчика, на основании анализа которых выработаны рекомендации по конструктивным особенностям предложенного датчика имеющие целью улучшение характеристик датчика и его согласованности с параметрами гидравлического канала связи.

5. Разработана математическая модель датчика, включающая характеристики всех элементов предложенного датчика, и позволившая аналитическим путем описать работу датчика и уточнить рекомендации по конст-

руктивным особенностям предложенного датчика. На основании анализа соответствия аналитических зависимостей и экспериментальных данных сделан вывод о хорошем согласовании теории и эксперимента. Максимальная погрешность при давлении питания 0.05 МПа составила 6%. 6. Установлен диапазон измерения величины осевой нагрузки О: 1040 — 10400 кг и чувствительность датчика осевой нагрузки

3 = -1.237x10"*__Выражение для нормирования погрешности датчика

7. Установлено, что в целях улучшения эксплуатационных и метрологических характеристик датчика, а также для лучшего согласования с характеристиками ГКС целесообразно: а) уменьшать диаметры каналов и сопел аэродинамического генератора до минимально возможной величины, при которой сохраняется работоспособность аэродинамического генератора; б) давление питания аэродинамического генератора выбирать максимальным для докритического режима течения газа.

8. Разработаны методика и алгоритм расчета датчика осевой нагрузки, которые обеспечивают существенное упрощение процесса проектирования датчика и анализа результатов его показаний.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Алексеев А.В. Методы и средства контроля забойных технологических параметров в процессе бурения. - В научно-техническом журнале Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, ВНИИОЭНГ, 2000 г, №3, с. 4-7.

2. Алексеев А.В. Контроль давления бурового раствора в процессе бурения скважин. - В научно-техническом журнале Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, ВНИИОЭНГ, 2001 г, №5-6, с. 24 - 27.

3. Алексеев А.В. Анализ забойных датчиков осевой нагрузки на долото. - В научно-техническом журнале Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, ВНИИОЭНГ, 2002 г, №11, с. 19 -21.

4. Алексеев А.В. Контроль осевой нагрузки на долото в процессе бурения глубоких скважин. - В научно-техническом журнале Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной и газовой промышленности, МНТО приборостроителей и метрологов, 2003 г, №10, с. 9 - 11.

5. Алексеев А.В., Есауленко В.Н. Математическая модель датчика осевой нагрузки на долото. - В журнале Приборы + Автоматизация, МНТО приборостроителей и метрологов, 2003 г, №11, с. 32 - 36.

6. Патент на полезную модель № 34635 МПК7 Е 21 В 47/00. Устройство для измерения осевой нагрузки на долото. Алексеев А.В., Есауленко В.Н. Опубл. 10.12.2003, Бюл. № 34. Начало отсчета срока действия патента 05.06.2002 г.

кг

имеет вид: у(() = 0.011+0.033-

№ - 6 А 6 7

Типография АГТУ. Заказ lll. Тираж lOO. 24.02.04

Введение.

Глава 1. Обзор современного состояния вопроса.

1.1. Основные особенности процесса бурения.

1.2. автоматизация процесса бурения.]

1.3. Средства автоматизации подачи долота.

1.3.1. Особенности построения и требования, предъявляемые к средствам автоматизации подачи долота.

1.4. Информационно-измерительные системы в бурении.

1.4.1. Отечественные ИИС бурения.

1.4.2. Зарубежные ИИС бурения.

1.5. Комплексы контроля параметров процесса бурения.

1.6. Средства контроля осевой нагрузки на долото в составе комплексов контроля параметров бурения.

1.6.1. Основные приборы контроля осевой нагрузки на долото.

1.6.2. Способы измерения веса бурового инструмента по деформации каната и определения осевой нагрузки на долото.

Существенный спад общего промышленного производства в народном хозяйстве России, наблюдающийся в течение последнего десятилетия, во многом отрицательно повлиял и на нефтегазовую отрасль. В результате суммарная добыча нефти за этот период сократилась почти в 2 раза и наметилась тенденция к снижению объемов добычи природного газа. К числу основных причин возникновения этой ситуации, по-видимому, следует отнести резкое (более чем в 4 раза) и необоснованное снижение объемов разведочного и эксплуатационного бурения нефтяных и газовых скважин. В свою очередь такие темпы снижения объемов буровых работ в отрасли во многом обусловлены следующими факторами [26].

Промысловая практика показывает, что в настоящее время нецелесообразно бурить скважины на старых нефтяных месторождениях, поскольку около 70% эксплуатационного фонда скважин эксплуатируется с низкими дебитами. Кроме того, более 1/3 разрабатываемых залежей нефти имеют обводненность, достигающую 70% и более, с тенденцией к росту. По этой причине промысловики вынуждены значительное число скважин переводить в консервацию или в категорию бездействующих, поскольку они эксплуатируются на грани рентабельности и нередко являются убыточными для производителей.

В условиях постоянного роста цен на энергоносители, оборудование, материалы и услуги подрядчиков конечная стоимость строительства новых скважин возрастает настолько, что часто не окупается добываемой продукцией, и бурение их становится нерентабельным.

Разбуривание и ввод в разработку новых более перспективных месторождений, как правило, ограничивается в связи с большими дополнительными затратами средств и времени, обусловленными более тяжелыми географическими, климатическими и сложными геолого-техническими условиями бурении.

Вполне очевидно, что в сложившихся условиях ограниченные финансовые возможности и налоговые ограничения нефтяных компаний и буровых предприятий не позволяют надеяться на существенный рост их инвестиций в направлении увеличения объемов бурения новых скважин. В связи с этим возникает необходимость поиска, разработки и практической реализации новых, наиболее перспективных технологий, обеспечивающих сокращение финансовых, материально-технических и временных затрат на выполнение как основных, так и вспомогательных операций в цикле строительства скважин.

Одним из наиболее эффективных путей снижения стоимости строительства скважин в настоящее время является увеличение объемов бурения скважин малого диаметра -с применением технологии "тонкого профиля". Экономическая эффективность этого направления подтверждена получением значительной экономии финансовых и материально-технических ресурсов на многочисленных промысловых примерах зарубежной и отечественной практики.

Основными преимуществами этой технологии являются: улучшение буровых характеристик как следствие уменьшения количества пород, вовлекаемых в процесс бурения, и сокращение времени бурения до 40%; снижение количества потребляемых материалов для обсадных колонн, буровых и тампонажных жидкостей и, связанное с этим, уменьшение количества буровых отходов; увеличение механической скорости бурения вследствие использования долот малых диаметров; уменьшение времени на спускоподь-емные операции вследствие уменьшения массы бурильного инструмента и общее сокращение сроков строительно-монтажных работ в результате применения облегченных буровых установок.

Большинство ограничений геологического и технико-технологического характера, которые ранее препятствовали широкому распространению бурения скважин малого диаметра и были обусловлены несовершенством технических средств и технологии, в настоящее время в основном преодолено. Несмотря на то, что некоторые технико-технологические вопросы еще требуется решить, в настоящее время затраты при бурении скважин малого диаметра по сравнению с бурением скважин с традиционно применяемой конструкцией могут быть снижены до 40%.

Как уже отмечалось ранее, процесс бурения скважин с применением технологии тонкого профиля характеризуется повышением механических скоростей бурения и абсолютным контролем над вертикальной траекторией скважины. Известно, что механическая скорость бурения во многом определяется значением осевой нагрузки на долото и увеличение скоростей бурения обуславливает, во-первых, необходимость соблюдения проектных значений осевой нагрузки и, во-вторых, их своевременную корректировку для поддержания оптимального режима бурения, что невозможно без точного измерения нагрузки, реально действующей на забое скважины. Кроме того, известно, что при искривлении ствола скважины многократно увеличиваются силы трения между стенками скважины и бурильной колонной, что вызывает потерю веса инструмента и изменение осевой нагрузки, а это означает, что резкое отклонение осевой нагрузки от нормы может служить индикатором искривления ствола скважины. Таким образом, точное измерение осевой нагрузки на долото становится важнейшей составляющей организации оптимального режима бурения. При этом до сих пор в практике буровых работ при управлении процессом бурения используется информация о наземных параметрах бурения и информация о косвенном измерении забойных параметров. Известно, что при бурении глубоких скважин значения технологических параметров, определяющих режим бурения, и полученных по показаниям наземных приборов, существенно отличаются от действующих на забое скважины. Отклонение текущих значений технологических параметров от проектных создает ряд осложнений и серьёзных аварий, преодоление которых требует значительных затрат времени и материальных средств на всех этапах строительства скважин. Это подтверждается данными [26], согласно которым производительное время работы буровых бригад в среднем по отрасли составляет лишь 80-85%, общего календарного времени бурения, а в некоторых районах массового бурения (например, в Западной Сибири) этот показатель в эксплуатационном бурении не превышает 75%, т.е. почти 1/4 часть времени работы буровых бригад расходуется непроизводительно: на ликвидацию аварии и брака в работе, простои по организационно-техническим причинам.

Эти обстоятельства выдвигают на первый план необходимость получения достоверной информации о протекании сложного технологического процесса бурения скважин и оперативного управления этим процессом. Особо важное значение это приобретает при наклонно направленном бурении. Таким образом, создание надежных и точных технических средств контроля и автоматического управления забойными параметрами, позволяющих повысить производительность буровых работ и снизить стоимость проходки, является актуальной проблемой.

Основание для выполнения работы. Работа выполнена по планам НИР Астраханского государственного технического университета (номера государственной регистрации 01.98.0004872,01.99.0009426,01.20.0005849).

Цели и задачи диссертации. Целью диссертации является разработка глубинного датчика осевой нагрузки на долото, обладающего высокой надежностью и точностью, как составной части телеметрической системы измерения осевой нагрузки на долото в процессе бурения скважин и исследование его основных характеристик.

В соответствии с поставленной целью в работе ставятся и решаются следующие задачи:

1. Анализ существующих методов и средств контроля параметров бурения скважин.

2. Анализ принципов проектирования забойной измерительной аппаратуры.

3. Патентный анализ забойных датчиков осевой нагрузки.

4. Выбор элементной базы забойного датчика осевой нагрузки, канала связи с поверхностью и разработка конструкции датчика осевой нагрузки на долото.

5. Построение макета датчика осевой нагрузки и его экспериментальное исследование.

6. Разработка рекомендаций по конструктивным особенностям датчика осевой нагрузки.

7. Построение математической модели датчика осевой нагрузки на долото и анализ ее соответствия экспериментальным данным.

8. Разработка методики расчета датчика осевой нагрузки.

Методы исследований. Научные положения, представленные в диссертационной работе, обоснованы теоретическими и экспериментальными исследованиями с применением элементов и методов теории газодинамики, теории измерительных преобразователей, математического анализа, цифрового моделирования на ЭВМ с использованием пакета MathCAD 2000 Professional и других.

Основные теоретические положения и выводы подтверждены результатами экспериментальных исследований в лабораторных условиях на этапах разработки. Исследования проводились на кафедре "Автоматизация технологических процессов и производств" Астраханского государственного технического университета.

На защиту выносятся:

1. Классификация забойных датчиков на основе способов представления и передачи информации об измеряемых параметрах.

2. Результаты экспериментальных исследований, позволившие разработать рекомендации по выбору геометрических параметров, режиму течения газа и давлений питания для аэродинамического генератора в составе забойного датчика осевой нагрузки на долото.

3. Математическая модель и методика расчета аэродинамического датчика осевой нагрузки на долото, позволяющие осуществлять расчет датчика с учетом характеристик канала связи и диапазона измеряемой величины.

4. Система автоматического регулирования подачи долота. Алгоритм обработки информации, поступающей от датчика.

Научная новизна работы:

1. Проведен анализ построения наземных и забойных средств контроля осевой нагрузки на долото с учетом всех элементов, характеризующих процесс бурения. Предложена классификация забойных датчиков на основе способов представления и передачи информации об измеряемых параметрах.

2. Разработаны способы улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик забойного аэродинамического датчика осевой нагрузки, включающие рекомендации по выбору геометрических параметров, режиму течения газа и давлений питания для аэродинамического генератора в составе забойного датчика осевой нагрузки.

3. Разработана методика расчета аэродинамического датчика осевой и получены аналитические выражения, составляющие основу этой методики.

4. Разработан алгоритм, позволяющий однозначно интерпретировать поступающую от датчика информацию. На основе разработанного алгоритма синтезирована система автоматического регулирования подачи долота.

Личный вклад:

1. предложена классификация забойных датчиков на основе способов представления и передачи информации об измеряемых параметрах;

2. участие в разработке конструкции датчика осевой нагрузки на долото;

3. разработка макета датчика осевой нагрузки; проведение экспериментальных исследований;

4. разработка математической модели и методики расчета датчика осевой нагрузки.

Практической ценностью обладают:

1. Разработанный забойный аэродинамический датчик осевой нагрузки на долото, обеспечивающий измерение осевой нагрузки непосредственно в процессе бурения и позволяющий существенно повысить точность ее измерения. Оригинальность конструкции датчика подтверждена решением о выдаче патента на полезную модель от 19 августа 2003 г.

2. Результаты экспериментального исследования датчика осевой нагрузки, позволяющие разработать рекомендации по выбору геометрических параметров и режима работы аэродинамического генератора в составе забойного датчика осевой нагрузки на долото.

3. Математическая модель и методика расчета датчика.

4. Алгоритм интерпретации показаний датчика осевой нагрузки и система автоматического регулирования подачи долота.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при чтении лекций по курсам "Технические средства автоматизации" и "Технические измерения и приборы". На основе построенного макета датчика поставлена лабораторная работа по указанным курсам.

Апробация работы. Основные вопросы, составляющие содержание диссертации, докладывались и обсуждались на 46 научно-технической конференциях профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного технического университета (2002 г.); 47 научно-технической конференциях профессорско-преподавательского состава

Астраханского государственного технического университета (2003 г.); на выставке Астрахань - Нефть и Газ 2003.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в шести печатных работах, в том числе один патент на полезную модель, 5 статей в центральных специализированных журналах "Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море", "Автоматизация и телемеханизация в нефтяной и газовой промышленности". Кроме того, автором разработаны методические указания к проведению учебно-исследовательских работ по курсам 'Технические измерения и приборы", "Технические средства автоматизации", которые используются в учебном процессе студентами специальности "Автоматизация технологических процессов и производств".

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений, изложенных на 160 страницах машинописного текста, включающего рисунки, таблицы и приложения. Список использованной литературы содержит 58 наименований.

Выводы по главе 4.

1. Разработана математическая модель предложенного датчика, позволившая аналитическим путем описать работу датчика и уточнить рекомендации по конструктивным особенностям предложенного датчика. На основании анализа соответствия аналитических зависимостей и экспериментальных данных сделан вывод о хорошем согласовании теории и эксперимента. Максимальная погрешность при давлении питания 0.05 МПа составила 6%.

2. Установлен диапазон измерения величины осевой нагрузки G: 1040 — 10400 кг и чувствительность датчика осевой нагрузки s = -1.237хЮ"4—• Выражение для норкг мирования погрешности датчика имеет вид: = o.oi ] + о.озз• -1 j •

3. Установлено, что в целях улучшения эксплуатационных и метрологических характеристик датчика, а также для лучшего согласования с характеристиками ГКС целесообразно: а) уменьшать диаметры каналов и сопел аэродинамического генератора до минимально возможной величины, при которой сохраняется работоспособность аэродинамического генератора; б) давление питания аэродинамического генератора выбирать максимальным для докритического режима течения газа.

4. Разработаны методика и алгоритм расчета датчика осевой нагрузки, которые обеспечивают существенное упрощение процесса проектирования датчика и анализа результатов его показаний.

В диссертации проведена разработка и исследование основных характеристик глубинного датчика осевой нагрузки на долото, как составной части телеметрической системы измерения осевой нагрузки на долото в процессе бурения скважин.

Анализируя и обобщая содержащуюся в работе информацию, можно сформулировать следующие выводы.

1. Рассмотрены основные особенности процесса бурения и принципы его автоматизации. Приведены требования, предъявляемые к системе автоматизации подачи долота. Установлено, что применяемые в настоящее время, наземные средства контроля забойных параметров в составе информационно-измерительных систем процесса бурения, не отражают истинных значений забойных параметров бурения. Показано, что для автоматизации процесса бурения необходимо применять телеметрические устройства контроля осевой нагрузки на долото.

2. Проведен анализ влияния элементов бурения на требования к забойной аппаратуре. В качестве канала связи для ТС контроля осевой нагрузки на долото выбран гидравлический канал. На основе анализа научно-исследовательской, патентной и специальной литературы проведена классификация скважинных приборов, не содержащих электронных компонентов и использующих для передачи информации ГКС, по способам представления и передачи информации об измеряемых параметрах. Проведен анализ и выбор элементной базы для забойного датчика осевой нагрузки на долото. В качестве базового элемента выбран аэродинамический генератор колебаний.

3. Разработана конструкция забойного датчика осевой нагрузки на долото и построен макет датчика осевой нагрузки на долото.

4. Экспериментально получены основные эксплуатационные характеристики датчика, на основании анализа которых выработаны рекомендации по конструктивным особенностям предложенного датчика имеющие целью улучшение характеристик датчика и его согласованности с параметрами гидравлического канала связи.

5. Разработана математическая модель датчика, включающая характеристики всех элементов предложенного датчика, и позволившая аналитическим путем описать работу датчика и уточнить рекомендации по конструктивным особенностям предложенного датчика. На основании анализа соответствия аналитических зависимостей и экспериментальных данных сделан вывод о хорошем согласовании теории и эксперимента. Максимальная погрешность при давлении питания 0.05 МПа составила 6%.

6. Установлен диапазон измерения величины осевой нагрузки G: 1040 — 10400 кг и чувствительность датчика осевой нагрузки .$ = -].237x10"4—- Выражение для нор

7. Установлено, что в целях улучшения эксплуатационных и метрологических характеристик датчика, а также для лучшего согласования с характеристиками ГКС целесообразно: а) уменьшать диаметры каналов и сопел аэродинамического генератора до минимально возможной величины, при которой сохраняется работоспособность аэродинамического генератора; б) давление питания аэродинамического генератора выбирать максимальным для докритического режима течения газа.

8. Разработаны методика и алгоритм расчета датчика осевой нагрузки, которые обеспечивают существенное упрощение процесса проектирования датчика и анализа результатов его показаний. кг мирования погрешности датчика имеет вид: ^ о.оп+0.033

1. Абдрахманов Г.С. Контроль технологических процессов в бурении. М. Недра, 1974 г.

2. Автоматизация и электрификация объектов нефтяной промышленности. Сборник научных трудов. Вып. №1. Грозненский нефтяной институт им. акад. М. Д. Мил-лионщикова Грозный 1978 г

3. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя. Изд. 3-е, переработ. М. Машиностроение, 1968 г.

4. Аппаратура и оборудование для геофизических исследований нефтяных и газовых скважин: Справочник/ А.А. Молчанов, В.В. Лаптев, В.Н. Моисеев, Р.С. Челокьян. М., Недра, 1987 г.

5. А. с. 1209837 СССР, МКИ3 Е21 В47/022. Устройство для измерения угла искривления скважины. / Д.А. Бородин, В.Н. Есауленко, С.В. Есауленко.

6. А. с. 279520 СССР, МКИ Е21 В47/06. Устройство для измерения температуры в скважинах. / JI. А. Афонов, В.Н. Есауленко.

7. А. с. 1627686 СССР, МКИ3 Е21 В47/06. Устройстводля измерения давления вскважинах. / В.Н. Есауленко.

8. А. с. 1146433 Е 21 В 47/12 Устройство для контроля забойных параметров по гидравлической линии связи. О. К. Рогачев, М. И. Ворожбитов, В. И. Миракян, А. М. Каплунов, А. К. Короненков.

9. А. с. 607961 Е 21 В 45/00 Глубинный датчик числа оборотов турбобура и нагрузки на долото. С. А. Альперович, В. П. Варламов, В. Ю. Левитин.

10. А. с. 1446270 Е 21 В 19/08 // Е 21 В 44/00 Устройство для контроля осевой нагрузки на долото. В.В. Кузнецов, В.Я. Курочкин.

11. А. с. 1585506 Е 21 В 47/12 Устройство измерения и передачи информации о частоте вращения забойного двигателя и осевой нагрузки на долото. В. С. Басович, А. И. Леонов, В. Н. Сахаровский, А. П. Федоров.

12. А. с. 1479631 Е 21 В 44/00, Е 21 В 19/08 Забойный датчик устройства контроля осевой нагрузки на долото. Г. А. Панфилов, М. И. Столбун.

13. Балакшин О.Б. Автоматизация пневматического контроля размеров в машиностроении. М., Машиностроение, 1964 г.

14. Богачева А.В. Пневматические элементы систем автоматического управления. М., Машиностроение 1966 г.

15. Бройдо Н.Ф. Приборы пневматической унифицированной системы в схемах автоматизации. М. JI., Машгиз, 1965 г.

16. Булатов А.И., Аветисов А.Г. Справочник инженера по бурению. В 2-х томах. Том1. М. Недра, 1985 г.

17. Булатов А.И., Аветисов А.Г. Справочник инженера по бурению. В 2-х томах. Том2. М. Недра, 1985 г.

18. Варламов В. П. Грачев Ю. В. Автоматический контроль в скважинах при бурении и эксплуатации. М., Гостоптехиздат 1969 г.

19. Варламов С.Е. Контроль забойных параметров в процессе сверхглубокого бурения с использованием гидравлического канала связи (на примере Кольской сверхглубокой). Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Уфа 1997г.

20. Варламов С. Е., Басович В. С., Файн Г. М. Контроль за осевой нагрузкой в процессе бурения сверхглубоких скважин. Научно-технический журнал "Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и море", ВНИИОЭНГ 1996 г. № 4, стр. 2-3.

21. Вилле, Фернгольц Сообщение о первом европейском коллоквиуме, посвященном эффекту Коанда. Механика, 1966 г. №5.

22. Власов А.Д., Мурин Б.П. Единицы физических величин в науке и технике. М., Энергоатомиздат, 1990 г.

23. Вострокнутов А.В. Основы информационно-измерительной техники. М., 1972 г.

24. Гиммлер. Электрогидравлические системы управления космических аппаратов и их источники энергии. "Вопросы ракетной техники", М., ИИЛ, 1961 г., №12.

25. Городецкий Ю.Г. Автоматизация пневматических измерений размеров. М., Машгиз, 1965 г.

26. Градецкий В.Г., Дмитриев В.Н. Исследование элемента типа "трубка трубка" с ламинарным питающим капилляром. "Приборы и системы управления", 1967 г. №2.

27. Глизманенко Д. JI. Газовая сварка и резка металлов. М., Высшая школа. 1969 г.

28. Делсон. Сервосистемы на горячем газе для управляемых ракет и космических аппаратов. "Вопросы ракетной техники", М., ИИЛ, 1961 г., №7.

29. Демихов В. И., Леонов А. И. Контрольно-измерительные приборы при бурении свкажин. М., Недра 1980 г.

30. Демихов В. И. Средства измерения параметров бурения скважин. М. Недра 1990 г.

31. Дмитриев В.Н., Чернышев В.И. Пневматические приборы непрерывного действия. Библиотека по автоматике, вып 52, М. J1., Госэнергоиздат, 1962 г.

32. Долин П. А. Справочник по технике безопасности. М., Энергоиздат. 1982 г.

33. Есауленко В. Н. Теория и практика систем контроля и автоматического управления забойными параметрами для совершенствования техники и технологии бурения скважин. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Том 1,2. 1994 г.

34. Залманзон JT.A. Теория элементов пневмоники. М. Наука 1969г.

35. Залманзон JT.A. Проточные элементы пневматических приборов контроля и управления. М., АН СССР, 1961 г.

36. Залманзон JT.A. Мач Ю.Л., Степанов Г.П. Исследование характеристик регуляторов отношений газов, предназначенных для реактивных двигателей. Сб. Автоматическое регулирование авиадвигателей. Под ред. А.А. Шевякова, вып 1, М., Оборон-гиз, 1959 г.

37. Залманзон Л.А. Исследование характеристик аэродинамического генератора колебаний. В сб. "Системы и средства автоматического управления в нефтегазовой промышленности" М. Недра, 1970 г.

38. Залманзон Л.А. Аэрогидродинамические методы измерения входных параметров автоматических систем. Измерительные элементы пневмоники. М. Наука 1973г.

39. Заявка №2002114951/03(015634) от 05.06.2002 Устройство для измерения осевой нагрузки на долото. Алексеев А.В., Есауленко В.Н.

40. Иванцов А.И. Основы теории точности измерительных устройств. М., Издательство стандартов. 1972 г.

41. Исакович Р. Я., Кучин Б. Л., Попадько В. Е. Контроль и автоматизация добычи нефти и газа. М., Недра 1989 г.

42. Куратцев Л.Е., Цырульников И.М. Приборы размерного контроля на элементах пневмоавтоматики. М. Машиностроение 1977 г.

43. Левин В.И. Пневматические элементы и устройства релейной автоматики. М. Машиностроение 1983 г.

44. Левицкий А. 3. Использование геолого-технологической информации в бурении. М., Недра 1992 г.

45. Мальцев А. В., Дюков JI. М. Приборы и средства контроля процесса бурения. Справ, пособие. М. Недра 1989 г.

46. Милосердии Ю.В., Семенов Б.Д. Кречко Ю.А. Расчет и конструирование механизмов приборов и установок. М., Машиностроение. 1985 г.

47. Молчанов А. А. Измерение геофизических и технологических параметров в процессе бурения скважин. М., Недра, 1983 г

48. Нагорный B.C., Денисов А.А. Устройства автоматики гидро- и пневмосистем. Учеб. пособие техн. вузов. М. Высшая школа 1991г.

49. Нагорный B.C., Денисов А.А. Пневматические и гидравлические устройства автоматики. М. Высшая школа. 1978 г.

50. Новое в пневмонике. Сб. статей. Отв. ред. проф. д.т.н. Залманзон JI.A. М. Наука 1969 г.

51. Нуберт Г.П. Измерительные преобразователи неэлектрических величин. Л., Энергия. 1970г.

52. Проектирование датчиков для измерения механических величин. Под ред. Е. П. Осадчего. М., Машиностроение. 1979 г.

53. Прусенко B.C. Пневматические датчики и вторичные приборы. М. Энергия 1965 г.

54. Прусенко B.C. Элементы пневмоавтоматики регулирования тепловых процессов. Библиотека по автоматике, вып. 37, М. Л. Госэнергоиздат 1961 г.

55. Прусенко B.C. Многоконтурные пневматические системы автоматического регулирования тепловых процессов. Библиотека по автоматике, вып. 77, М. Л. Госэнергоиздат 1963 г.

56. Романенко Н.Т., Барышев В.Г., Прудников С.Н. Приборы и устройства поддержания давления воздуха. М. Машиностроение 1977 г.

57. Рукавицын В. Н., Богород Ю. Д. Контроль забойных параметров в процессе бурения газовых и нефтяных скважин. Обзорная информация. Сер. "Бурение газовых и газоконденсатных скважин". М., ВНИИЭгазпром 1980 г., вып 5, с 3 — 8.

58. Рябоконь С.А., Овечкин А.И. Основные направления снижения издержек при строительстве и ремонте скважин. Журнал "Нефтяное хозяйство" 2001 г. №2, стр. 28-31.

59. Савенко В.Г. Измерительная техника М., Высшая школа. 1974 г.

60. Середа Н.Г., Соловьев Е.М. Бурение нефтяных и газовых скважин. М. Недра, 1974 г.

61. Справочник инженера по бурению. Под ред. В.И. Мищевича, Н.А. Сидорова. Том 1. М. Недра, 1973 г.

62. Сурикова Е.И. Погрешности приборов и измерений. Л., Изд-во Ленинградского университета. 1975 г.

63. Трескунов С.Л. Экспериментальное исследование притяжения струи к твердой стенке. В сб. Новое в пневмонике. М. Наука 1969 г.

64. Трескунов СЛ., Хлыст В.А. Дискретные элементы струйной автоматики.

65. Реферативный сборник. М. ЦНИИТЭИ 1969 г.

66. Трескунов С.Л. Исследование гидромеханических процессов и оптимизация элементов, использующих эффект Коанда. Автореферат кандидатской диссертации. МЭИ, 1968 г.

67. Тумайкин А.С., Шарова И.Я. Экспериментальное исследование аэродинамического генератора колебаний. В сб. "Системы и средства автоматического управления в нефтегазовой промышленности" М. Недра, 1970 г.

68. Фарзане Н.Г., Ильясов Л.В., Азим-заде А.Ю. Технологические измерения и приборы. М., Высшая школа. 1989 г.

69. Фернер В. Пневматические приборы низкого давления. М., Мир, 1964 г.

70. Френке А.В. Электрические измерения. Л., Энергия. 1973 г.

71. Цейров Е.М. Вопросы газовой динамики воздушных выключателей. Труды ВЭИ, вып. 60. Госэнергоиздат 1956г.

72. Электрические измерения неэлектрических величин. Под ред. П. В. Новицкого. Изд. 5-е перераб. и доп. Л., Энергия. 1975 г.