Algoritmic methods for improving accuracy of drilling instrument weight and axial load on bit

Full Text

Вес бурильного инструмента и осевая нагрузка на долото относятся к важнейшим параметрам процесса бурения, во многом определяющим эффективность выполнения технологических операций. Однако используемые в настоящее время гидравлические индикаторы веса (ГИВ) и разработанный НПП «Петролайн-А» контрольно-измерительный комплекс ДЭЛ-140 имеют невысокую точность измерения веса бурильного инструмента, которая к тому же сильно зависит от окружающей температуры, а при смене талевого каната требуется индивидуальная градуировка измерительного устройства.Даже межгосударственный стандарт «Система наземного контроля процесса бурения нефтяных и газовых скважин» (ГОСТ 14169-93) допускает предельную погрешность измерения нагрузки на крюке до ±11,5 %[3]. Невысокая точность измерения веса бурильного инструмента и осевой нагрузки на долото снижает эффективность оптимизации режимов процесса бурения, определения места прихвата бурильного инструмента, автоматизации измерения длины бурильной колонны и глубины скважины. Появление микропроцессоров, непосредственно встраиваемых в измерительные устройства, позволило по-новому решить задачи повышения точности измерения. Эффективными в этом случае являются алгоритмические методы повышения точности измерения, основанные на получении дополнительной измерительной информации и специальных алгоритмах обработки этой информации [1]. В большинстве случаев вес бурильного инструмента определяется по натяжению неподвижного конца талевого каната с помощью гидравлических или электрических измерительных преобразователей. Математическую модель измерительной цепи можно представить выражением , где N- результат измерения или кодовый сигнал на выходе измерительного преобразователя; KH - коэффициент преобразования всей измерительной цепи; Ko - коэффициент оснастки талевой системы; Q - вес бурильного инструмента; Tk - силы трения колонны о стенки скважины; Tc- силы трения в талевой системе; - аддитивная помеха в виде внешних воздействий. Аддитивной помехой могут быть электромагнитные наводки, возникающие в соединительном кабеле, и дрейф нуля электронных усилителей. Погрешность измерения веса бурильного инструмента возникает из-за нестабильности коэффициента преобразования измерительной цепи KH, действия сил трения Tkи Tc,знак которых зависит от направления движения бурильной колонны, и действия аддитивной помехи, включающей в себя нестабильность температуры, параметров талевого каната и электромагнитной наводки. Из алгоритмических методов повышения точности измерения наиболее эффективными и легко реализуемыми являются метод образцовых мер и тестовые методы. Метод образцовых мер заключается в проведении дополнительных измерений, при которых на вход измерительного устройства подается образцовая мера, однородная с измеряемой величиной. При измерении веса бурильного инструмента удобно в качестве одной образцовой меры использовать «нулевой вес», например во время «холостых рейсов» талевой системы, когда талевый блок не нагружен. В качестве второй меры используется вес турбобура или вес первой «свечи», которая составлена из утяжеленных бурильных труб, взвешенных заранее с помощью динамометра. Операции подключения ко входу измерительного устройства образцовых мер выполняются один раз после смены талевого каната. Алгоритмический метод повышения точности измерения веса бурильного инструмента заключается в следующем. Первое измерение проводится при ненагруженном талевом блоке (Q = 0,Tk = 0). Чтобы силы трения были одного знака, измерения выполняются при одном и том же направлении движения талевого блока. Код результата первого измерения представлен выражением . Вторые измерения выполняются при спуске первой свечи или турбобура, вес которых был определен заранее (значение этого веса вносится в память микроконтроллера): , где Qo- образцовый вес. Значения N1и N2вводятся в память микроконтроллера. При необходимости определения веса бурильного инструмента выполняется третье измерение при полностью погруженном талевом блоке: . Значения трех измерений N1, N2и N3обрабатываются микропроцессором по алгоритму , отсюда ; (1) . С учетом (1) получим . Из этого выражения находится значение веса бурильного инструмента: . (2) Измерительное устройство, работающее по алгоритму (2), не требует предварительной калибровки измерительной цепи. Единица измерения веса задается мерой Qo, значение которой заносится в память микроконтроллера. Результат измерения веса бурильного инструмента не зависит от коэффициента преобразования измерительной цепи KH, силы трения в талевой системе TC, аддитивной помехи . Остался один источник погрешности измерения - сила трения колонны о стенки скважины Tk. Для уменьшения действия этой силы в упомянутом ранее ГОСТ 14169-93 рекомендуется в процессе измерения медленно проворачивать колонну бурильных труб. Возможен другой способ уменьшения действия этой силы. В [2] рекомендуется проводить измерение веса при двух направлениях движения бурильной колонны, при которых сила трения войдет в результат измерения с разными знаками. Среднее арифметическое значение этих двух измерений позволяет значительно снизить погрешность из-за трения колонны о стенки скважины. Осевая нагрузка на долото создается частью веса колонны бурильных труб и определяется как разность начального веса бурильного инструмента QHдо начала бурения, когда долото не касается забоя скважины, и веса бурильного инструмента Qtв процессе бурения: . Для определения осевой нагрузки на долото проводятся еще два измерения. Результат измерения до начала бурения . Код результата измерения в процессе бурения . Интервалы измерения выбираются с учетом скорости изменения осевой нагрузки на долото. Она обычно мала и не приводит к динамическим погрешностям измеренения. Обработка измерительной информации ведется по алгоритму . С учетом (1) получим . (3) Измерения осевой нагрузки на долото по алгоритму (3) позволяют полностью исключить все перечисленные выше погрешности измерения. Погрешность измерения осевой нагрузки на долото определяется точностью задания образцовой меры QO и точностью выполнения вычислительных операций. Как и при измерении веса бурильного инструмента, при измерении осевой нагрузки на долото не требуется предварительная калибровка измерительного устройства. Калибровка проводится автоматически при введении в память микроконтроллера значения меры QO. Измерения веса бурильного инструмента N5 проводятся в процессе бурения дискретно через определенные интервалы времени. Период дискретизации определяется по динамическим характеристикам осевой нагрузки на долото. Осевая нагрузка на долото может быть измерена с помощью косвенной меры. Если верхний конец бурильной колонны опустить на величину ΔƖ, то на основании закона Гука осевая нагрузка возрастет на величину , где E - модуль упругости материала труб; F- площадь поперечного сечения труб; L - длина колонны бурильных труб. Алгоритм коррекции погрешностей заключается в следующем. Код первого измерения определяется выражением . В процессе бурения устанавливается осевая нагрузка на долото P1, несколько меньшая заданного значения, и проводится второе измерение: . Затем осевая нагрузка доводится до заданного значения P, проводится третье измерение веса и одновременно измерение перемещения верхнего конца бурильной колонныΔƖ: . Полученная система этих трех уравнений решается относительно P: . (4) Точность косвенного измерения осевой нагрузки на долото по алгоритму (4) зависит от точности измерения перемещения верхнего конца бурильной колонны , точности задания параметров колонны E,F,Lи точности вычислительных операций. Рассмотренные алгоритмические методы повышения точности измерений позволяют, используя существующие гидравлические и электрические измерительные преобразователи веса бурильного инструмента, не отличающиеся высокой точностью, повысить точность измерения за счет проведения дополнительных измерений и обработки измерительной информации по специальным алгоритмам. Современная микропроцессорная техника позволяет решать эти задачи с высокой эффективностью. Погрешность косвенных измерений определяется точностью выполнения вычислительных операций и числом разрядов аналого-цифровых преобразователей. Современная измерительная аппаратура имеет высокие метрологические характеристики, поэтому влияние их на погрешность косвенных измерений не учитывается.

About the authors

Vladimir A Kuznetsov

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaua st., Samara, 443100, Russian Federation

Artem V Prilepin

Samara State Technical University

Graduate Student 244, Molodogvardeyskaua st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files