АВТОМАТИЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ БУРІННЯ ПОШУКОВО-РОЗВІДУВАЛЬНИХ І ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ СВЕРДЛОВИН НА СУХОДОЛІ І ШЕЛЬФІ

ЛЕКЦІЯ 8

АВТОМАТИЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ БУРІННЯ ПОШУКОВО-РОЗВІДУВАЛЬНИХ І ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ СВЕРДЛОВИН НА СУХОДОЛІ І ШЕЛЬФІ

8.1 Задачі автоматизації буріння

8.1.1 Особливості процесу буріння як об’єкта керування

Буріння свердловини – це процес спорудження направленої гірської виробки великої довжини і малого (в порівнянні з глибиною) діаметру з метою створення транспортної артерії, яка з’єднує продуктивний пласт з наземними спорудами. Процес спорудження свердловини складається із декількох етапів:

а) спорудження наземних споруд;

б) механічне буріння ствола свердловини, яке можна розділити на два процеси – руйнування породи за допомогою бурового інструменту і промивку свердловини буровим розчином, який транспортує вибурену породу до гирла. Ці два процеси суміщені в часі і відбуваються паралельно;

в) роз’єднання пластів, яке включає два послідовні види робіт – спуск обсадної колони і цементування (тампонування) позатрубного простору;

г) освоєння (закінчення) свердловини. Метою цього етапу є створення притоку нафти чи газу із пласта в споруджену свердловину.

Витрати на механічне буріння свердловини за оцінками авторів роботи складають 75-80% від загальної вартості спорудження свердловини. Тому основна увага в даній роботі приділена питанням керування процесом механічного буріння (або просто буріння) нафтових і газових свердловин.

Бурова установка, за допомогою якої здійснюється технологічний процес спорудження свердловини, з точки зору керування нею, є складним об’єктом з багатьма каналами передачі як керуючих впливів так і збурень, які зумовлені взаємодією системи з навколишнім середовищем і унікальними властивостями самої бурової установки.

Результатом дії вхідних впливів є величини, які характеризують стан керованого об’єкта, ефективність його протікання та техніко-економічні показники буріння. Виявлення в загальному випадку керуючих впливів є складною інженерною задачею і розв’язок її визначається не тільки складністю системи, її фізичною природою, а й метою керування. Керуючі впливи повинні бути такими, щоб перевести систему із деякого початкового стану в визначений кінцевий стан таким чином, щоб була досягнута мета керування.

Метою керування процесом буріння є безаварійне спорудження свердловини визначеної глибини і конструкції у задані терміни і, по можливості, з мінімальними витратами. Реалізується ця мета в процесі спорудження свердловини безпосередньо за допомогою керуючих впливів, які можна розділити на дві групи. Перша група – це різновидність бурових веж, комплекс бурових верстатів, тип колони бурильних труб, типорозмір бурильного інструменту. Другу групу утворюють режимні параметри процесу: осьове навантаження на долото, частота його обертання, кількість та якість бурового розчину. Змінні першої групи носять назву елементів технічного керування, а другої – елементів технологічного керування.

Елементи технічного керування вибираються на стадії проектування свердловини і в подальшому залишаються незмінними, в крайньому випадку, для кожного рейсу проходки.

Елементи технологічного впливу можна цілеспрямовано змінювати з метою досягнення необхідних показників в кожному із рейсів.

Осьове навантаження на долото та частота його обертання визначають величину енергії, що вивільнюється при періодичних ударах зубів долота об поверхню вибою, а промивальна рідина для ефективного перебігу процесу руйнування вибою свердловини повинна забезпечувати його повне очищення.

Крім того, керуючі впливи повинні відповідати деяким додатковим вимогам.

По-перше, керуючі впливи повинні бути такими, щоб керований об’єкт задовольняв умові керованості, тобто вони повинні переводити об’єкт із початкового стану (нульова проходка, нове долото) в кінцевий стан (проходка за рейс, відпрацьоване долото).

Із аналізу фізичної суті процесу буріння виходить, що осьове навантаження на долото, частота його обертання і витрата промивальної рідини задовольняють умови керованості процесу буріння свердловини.

По-друге, керуючі впливи повинні бути взаємно незалежними. Розглянемо, як відповідають цій вимозі керуючі впливи при різних способах буріння.

При роторному бурінні колона бурильних труб приводиться в обертовий рух окремим приводом.

При турбінному бурінні керуючими впливами слід взяти осьове навантаження на долото і витрату промивальної рідини. Частота обертання долота перебуває в функціональній залежності від цих величин, яка має на практиці ймовірнісний характер.

Ідея переносу електродвигуна на вибій свердловини вперше була здійснена в 1947-1950 рр. на нафтових промислах Башкирії і Азербайджану. З 1952 р. в цих районах почалась дослідно-промислова їх експлуатація.

В подальшому на промислах України, Куйбишевської області і Туркменії були створені цехи електробуріння, що дало можливість досягти високих техніко-економічних показників буріння.

Сучасний серійний двигун електробура є асинхронною машиною напругою до 2500В.

Подача електроенергії від джерела струму до електробура здійснюється за допомогою шлангового кабеля, який складається із окремих секцій, що автоматично з’єднуються в електричне коло при збирання колони бурильних труб.

Оскільки асинхронний двигун має жорстку механічну характеристику, то частоту обертання електробура за рахунок використання редукторів-вставок можна змінювати незалежно від осьового навантаження на долото і величини витрати промивальної рідини в межах від 70 до 700 хв-1 .

Основним недоліком електробуріння є висока аварійність струмопідводу і значні гідравлічні втрати в трубах, які створюються шланговим кабелем, і ці втрати зростають з глибиною свердловини.

Характерною особливістю бурового процесу є те, що на теперішній час відсутні серійні прилади для вимірювання режимних параметрів безпосередньо на вибої свердловини, що значною мірою і зумовлює унікальність процесу її проходки. Це призводить до необхідності використовувати природні канали зв’язку (колона бурильних труб, стовп промивальної рідини) і оцінювати режимні параметри за показами наземних приладів.

Дослідження, проведені авторами робіт, засвідчили, що природні канали зв’язку породжують адитивні шуми, які в загальному випадку є нестаціонарними.

При записі осьового навантаження на долото можна виявити нестаціонарність випадкового процесу F(t) за математичним сподіванням, дисперсією і інтервалом кореляції як за глибиною свердловини, так і в межах одного довбання. Проте завжди є можливість виявити ділянки запису осьового навантаження на долото, де функція F(t) є стаціонарним випадковим процесом, який володіє властивостями ергодичності.

При ручній подачі долота дисперсія F(t) може досягати значень порядку 39кH2, а при автоматичній подачі – порядку 4,5кH2.

Із аналізу статистичних властивостей керуючих впливів випливає, що найбільш динамічний режимний параметр – осьове навантаження на долото. Інші режимні параметри і Q за нормальних умов буріння змінюються значно повільніше, але в передаварійних ситуаціях (заклинювання опор шарошок долота) зміна швидкості обертання (і відповідно момент на долоті) за динамічністю може наближатись до осьового навантаження на долото.

До показників, які характеризують стан керованого об’єкта, належать проходка на долото h(t)і стан озброєння долота та опор шарошок.

Прямому вимірюванню (спостереженню) доступна лише проходка на долото. Про стан озброєння долота і опор шарошок можна судити лише опосередковано за механічною швидкістю буріння та моментом на долоті.

Проходка на долото оцінюється за переміщенням верхнього кінця колони бурильних труб. Тобто бурильна колона є каналом, по якому надходить інформація від вибою свердловини на світлову поверхню. Внаслідок дії на колону таких факторів, як осьова сила розтягу під дією власної ваги колони бурильних труб, осьова сила стиску нижньої частини колони бурильних труб при створенні навантаження на долото, підіймальна сила промивальної рідини, дія на колону температури свердловини, навантаження від дії відцентрових сил при обертанні колони, розтягуюче навантаження при прокачуванні промивальної рідини, сили від дії тертя колони в свердловині, сили згину в нахилених свердловинах та динамічні сили, що зумовлені інерційністю колони, дійсне переміщення долота на вибої свердловини вимірюють з певною похибкою, яку можна трактувати як адитивний шум :

. (8.1)

Отже, структурну схему процесу буріння як керованого об’єкта можна відобразити так, як це зображено на рис. 8.1. Там прийняті такі позначення: і – оцінки стану озброєння та опор долота; – вектор, який характеризує взаємодію об’єкта з навколишнім середовищем (вектор збурення). Основна компонента цього вектора – це зміна фізико-механічних властивостей розбурювання порід.

Рисунок 8.1 – Структурна схема процесу буріння свердловини

як керованого об’єкта

Вектор з компонентами , , є вектором стану керованого об’єкта.

8.1.2 Способи керування процесом буріння глибоких свердловин на нафту і газ

Способи керування процесом буріння можна поділити на ручний, автоматичний, оптимальний і адаптивний.

При ручному способі керування процесом буріння керує бурильник, покладаючись на вимоги технологічного регламенту, а також на здобутий досвід і інструкції.

Автоматичний спосіб керування процесом буріння передбачає, як правило, стабілізацію одного з режимних параметрів – осьового навантаження на долото. Одним із перших пристроїв подачі долота був автомат ХЕМЗ Харківського електромеханічного заводу, перші зразки якого були впроваджені у виробництво в 1936 році. Він був створений на базі системи генератор-двигун.