способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ управления колебаниями в буровом оборудовании, приводимом в действие приводом в процессе бурения, включающий измерение колебаний поперечной и продольной переменных, по произведению которых определяют поток энергии через буровое оборудование, и регулирование крутильных колебаний оборудования путем поддерживания потока энергии через буровое оборудование на заданном уровне, отличающийся тем, что продольную и поперечную переменные измеряют на приводе, по измеренным продольной и поперечной переменным определяют крутящий момент приводного двигателя и поддерживают поток энергии на заданном уровне путем регулирования крутящего момента приводного двигателя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве приводного двигателя используется электродвигатель, при этом в качестве продольной переменной выбрана величина тока, проходящего через электродвигатель, а в качестве поперечной переменной величина напряжения на электродвигателе.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве поперечной переменной выбрана величина скорости вращающейся детали привода, а в качестве продольной переменной выбран крутящий момент, передаваемый указанной вращающейся деталью привода.

4. Система управления колебаниями в буровом оборудовании, приводимом в действие приводом в процессе бурения, включающая средства измерения колебаний продольной и поперечной переменной, связанные со средством контроля потока энергии через буровое оборудование и средством регулирования крутильных колебаний оборудования путем поддержания потока энергии через буровое оборудование на заданном уровне, отличающаяся тем, что она снабжена средством определения крутящего момента приводного двигателя по измеренным продольной и поперечной переменным и средством регулирования крутящего момента приводного двигателя для поддержания потока энергии на заданном уровне.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что при использовании в качестве приводного двигателя бурового оборудования электродвигателя средство для измерения поперечной переменной выполнено в виде устройства для измерения величины напряжения на электродвигателе, а средство контроля потока энергии через буровое оборудование выполнено в виде цепи обратной связи, вход которой связан со средством измерения величины напряжения на электродвигателе, а выход соединен со средством регулирования крутящего момента электродвигателя, выполненного в виде регулятора тока электродвигателя.

6. Система по п.4, отличающаяся тем, что при использовании в качестве приводного двигателя бурового оборудования электродвигателя средство измерения колебаний продольной переменной выполнено в виде устройства измерения величины тока электродвигателя, а средство контроля потока энергии через буровое оборудование выполнено в виде цепи обратной связи, вход которой связан с устройством измерения величины тока электродвигателя, а выход соединен со средством регулирования крутящего момента электродвигателя, выполненного в виде регулятора напряжения электродвигателя.

7. Система по п.4, отличающаяся тем, что при использовании в качестве приводного двигателя электродвигателя, получающего питание от силового привода, средства для измерения продольной и поперечной переменных выполнены соответственно в виде устройства для измерения величины тока и величины напряжения электродвигателя, а средство для контроля потока энергии через буровое оборудование выполнено в виде цепи обратной связи, вход которой связан с выходом устройства измерения напряжения, а выход связан с входом средства определения крутящего момента электродвигателя, которое выполнено в виде двух множительных блоков, подключенных выходами к входам операционного усилителя, причем к входам первого множительного блока подключены выходы цепи обратной связи и устройства измерения напряжения электродвигателя, к входам второго множительного блока подключены выходы устройств измерения величин тока и напряжения электродвигателя, а выход операционного усилителя соединен с входом силового привода.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способу и системе регулирования колебаний в оборудовании для бурения скважин, включающем в себя ряд трубчатых частей с соответствующей системой привода.

Различные колебания могут возникать в буровом оборудовании во время операций бурения скважин или добычи нефти. Если оборудование включает в себя вращающийся инструмент, могут возникнуть крутильные и продольные колебания, вызываемые переменными движениями скольжения и застревания бурового инструмента вдоль стенки скважины, колебательными силами взаимодействия головки инструмента и породы и импульсами давления бурового раствора, образуемого грязевыми насосами.

В разных случаях требуется погасить эти колебания для того, чтобы сократить ударные нагрузки на оборудование, однако в некоторых ситуациях может потребоваться увеличение этих нагрузок, например, для создания резонансного толчка для высвобождения застрявшей буровой трубы.

В данной области техники известны различные приемы уменьшения или увеличения колебаний оборудования для бурения.

В патенте США N 4535972 описана система для регулирования вертикальных движений бурового инструмента с помощью гидравлического цилиндра, соединенного с подвижным блоком и верхом инструмента. Хотя известная система предназначена для поддержания нагрузки на буровую головку в заданных пределах, она не действует как регулирующий успокоитель колебаний с обратной связью.

В докладе SPE N 18049 "Обратное кручение, используемое для регулирования движения", представленном Г. В.Хэлси и др. из Рогаландского исследовательского института в октябре 1988 г. на конференции SPE в Хьюстоне (США), описана система, которая адаптирует величину скорости вращения вращательного привода бурового узла на основе измерения крутильного момента вращательного стола. Известная система может осуществлять коррекцию скорости вращения пропорционально отрицательному измеряемому крутильному моменту.

Однако измерение крутильного момента на вращательном столе во время работы осуществлять неудобно и при этом возможны поломки, поскольку это связано с оборудованием, таким как тензодатчики, чувствительным к колебаниям и ударным нагрузкам.

Настоящее изобретение ставит целью устранить этот недостаток известной системы и предложить дешевый и разумный способ и систему регулирования колебаний в оборудовании для бурения, при этом оборудование включает в себя продолговатое тело, проходящее в скважину, образованную в земляной породе, и соответствующую систему привода упомянутого продолговатого тела. Способ в соответствии с настоящим изобретением заключается в регулировании потока энергии через оборудование для бурения, когда приводная система приводит в действие продолговатое тело, причем поток энергии определяется как произведение поперечной переменной и сквозной переменной при измерении колебаний по крайней мере одной из упомянутых переменных и регулировании по крайней мере другой из упомянутых переменных в ответ на измеренные колебания по крайней мере одной из упомянутых переменных.

Способ в соответствии с настоящим изобретением основан на понимании того, что колебания в физической системе могут быть выражены как колебания потока энергии через систему, и что этот поток энергии может быть всегда выражен с помощью двух переменных величин, таких как произведение напряжения и тока, произведение давления и скорости потока, произведение линейной скорости и силы, произведение крутильного момента и угловой скорости или, другими словами, произведением "поперечной переменной" на "сквозную переменную".

Наблюдалось, что система, раскрытая в докладе SPE, изменяет угловую скорость вращательного стола в ответ на измеряемые изменения крутильного момента, но также и то, что известная система не изменяет угловую скорость таким образом, чтобы произведение крутящего момента и угловой скорости, или, другими словами, поток энергии регулировался.

На основании сути настоящего изобретения различные колебания в буровом оборудовании можно точно регулировать.

Эффективный способ регулирования потока энергии через буровое оборудование состоит из регулирования потока энергии через систему привода, причем упомянутый поток энергии через систему привода определяется как произведение упомянутой поперечной переменной и сквозной переменной.

Например, если буровое оборудование представляет собой буровой узел, включающий в себя вращающийся инструмент, который соединен своим верхним концом с вращательным приводом, крутильные колебания в узле можно погасить посредством поддержания потока энергии, передаваемого вращательным приводом буровому инструменту, в заданных пределах. Другими словами, колебания, распространяющиеся в направлении вперед через инструмент, передаются во вращательный привод и затем и его источнику энергии, вместо того, чтобы отразиться от верхнего конца бурового инструмента.

Если буровой инструмент приводится в действие электрическим двигателем, ток двигателя можно выбирать как упомянутую сквозную переменную величину, а напряжение двигателя можно выбрать как упомянутую поперечную переменную.

Если буровой инструмент приводится в действие гидравлическим двигателем, скорость потока в двигатель можно взять за упомянутую сквозную переменную величину, а давление текучего вещества в двигателе как упомянутую поперечную переменную величину.

Если буровой инструмент приводится в действие дизельным двигателем, поток энергии в буровой инструмент можно регулировать посредством соединения генератора электрического или гидравлического двигателя с регулированием с обратной связью и привода двигателя с помощью дифференциала.

С применением любого типа электрического или механического вращательного привода угловую скорость во вращающейся части узла можно взять как упомянутую поперечную переменную, а крутящий момент, сообщаемый вращательным приводом, как упомянутую сквозную переменную величину, в то время как поток энергии через узел может поддерживаться в заданных пределах посредством измерения колебаний упомянутой угловой скорости и посредством принуждения крутящего момента, сообщаемого вращательным приводом, колебаться в ответ на колебания измеряемой скорости.

Система для регулирования колебаний в оборудовании для бурения, оборудование, включающее в себя продолговатое тело, проходящее в скважину, образованную в земляной породе, и связанную с ним приводную систему для приведения в действие упомянутого продолговатого тела, в соответствии с настоящим изобретением включает в себя средство для регулирования потока энергии через буровое оборудование, когда приводная система приводит в действие продолговатое тело, причем поток энергии определяется как произведение поперечной переменной и сквозной переменной, упомянутое средство, включающее в себя средство для измерения колебаний по крайней мере одной из упомянутых переменных и средство для регулирования по крайней мере одной другой из упомянутых переменных в ответ на измеряемые колебания по крайне мере одной из переменных.

Ниже настоящее изобретение описано подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг.1 схематическое изображение вращательного бурильного узла, оснащенного системой в соответствии с настоящим изобретением, которая предназначена для регулирования крутильных колебаний;

на фиг.2 электронная схема для применения в системе согласно фиг.1;

на фиг. 3 схематическое изображение вращающегося бурильного узла, оснащенного другим вариантом системы в соответствии с настоящим изобретением для регулирования крутильных колебаний;

на фиг.4 электронная схема для применения в системе согласно фиг.3;

на фиг. 5 деталь электронной схемы для применения в системе в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.6 еще один вариант осуществления системы в соответствии с настоящим изобретением для регулирования крутильных колебаний.

На фиг.1 показано схематическое изображение вращательного привода бурового инструмента, включающего в себя вращательный стол R, имеющий момент инерции массы I_t, коробку передачи G, имеющую изменение передаточного числа 1: n, и электрический двигатель M с параллельным возбуждением, имеющий момент инерции массы I_r, причем двигатель оснащен системой регулирования колебаний в соответствии с настоящим изобретением.

Система регулирования включает в себя вычитающее устройство S для сравнения фактической скорости вращения с номинальной скоростью вращения W_r и цепь обратной связи L₁, которая использует колебания в напряжении U двигателя как входную поперечную переменную, и система регулирует ток I двигателя таким образом, что крутящий момент T, сообщаемый двигателем, изменяется заранее определенным образом в ответ на колебания скорости вращения двигателя так, чтобы поток энергии через буровой инструмент регулировался таким образом, чтобы он не выходил за заданные пределы.

Особенностью двигателя с параллельным возбуждением является то, что Т пропорциональна I, а W пропорциональна U.

На фиг.1 T_p представляет момент кручения буровой трубы.

Зависимость между измеренной поперечной переменной U и регулируемой сквозной переменной I в активной заглушающей системе согласно фиг.1 такова, что их произведение UI остается в заданных пределах, и она определяется с помощью функции обратной связи. Функция обратной связи сильно влияет на величину гашения колебаний системы. Характеристики заглушения колебаний системы можно оптимизировать с применением соответствующей функции обратной связи. Такую функцию обратной связи можно вывести из следующей последовательности вычислений.

Импеданс кручения Z приводной системы можно определить как отношение крутящего момента T на валу двигателя и полученной скорости вращения двигателя W:



Если крутящий момент T, сообщенный электрическим двигателем, сделан зависимым от угловой скорости W с использованием комплексной функции обратной связи F₁()= -T/, импеданс кручения на валу двигателя равен:

Z = -F₁() (2),

где: частота изменений переменных величин.

Как вариант, угловую скорость W можно сделать зависимой от крутящего момента T с применением сложной функции обратной связи:

F₂()= -/T

Импеданс на вращательном столе равен:

Z_rt=iI_t+n²(iI_r+Z) (3),

где i воображаемая единица .

Эквивалентная инерция I"_t вращательного стола определяется как



Из уравнений (2) (4) следует:



Z_rt придана заранее выбранная величина для того, чтобы погасить крутильные колебания. Для требуемой функции обратной связи



Эта функция является требуемой функцией обратной связи для диапазона частоты, в котором происходит возникновение колебаний. Для очень низких частот, в частности для статической составляющей скорости, желательно, чтобы привод действовал как обычный жесткий привод, т.е. должна быть очень большой, чтобы бурильщик мог медленно изменять скорость вращения бурового узла без зависимости статической составляющей скорости от статической составляющей крутящего момента. Это можно достигнуть посредством замены a в указанном уравнении (6) на



где d постоянная времени.

Этот импеданс становится бесконечным, если частота приближается к нулю, или приближается к a для высоких частот. Преобразованная частота, т.е. частота, при которой абсолютное значение импеданса увеличилось до находится при f=1/2.

Замена названного выше выражения импеданса в уравнении (6) дает новую функцию обратной связи:



Подходящая электронная схема для изменения тока I двигателя и крутящего момента T двигателя в ответ на измеряемые колебания угловой скорости верха бурового инструмента в соответствии с функцией обратной связи F₁() показана на фиг.2.

Схема на фиг. 2 включает в себя три операционных усилителя A1, A2 и A3 соответственно, причем каждый усилитель имеет первый и второй входы; два конденсатора C1 и C2 и семь резисторов R1, R2, R3, R4, R5, R6 и R7 соответственно. Вход 1 схемы соединен через R1 с первым входом усилителя A1, и этот первый вход соединен через R2 и C2 с выходом усилителя A1. Выход усилителя A1 через резистор R3 соединен с первым входом усилителя A2. Вход 1 схемы соединен через R7 и C1 с первым входом усилителя A2, и этот первый вход соединен через R4 с выходом усилителя A2. Выход усилителя A2 через R5 соединен через R6 с выходом усилителя A3 и выходом 2 схемы. Второй вход каждого усилителя соединен с заземлением.

При обычным использовании схемы, показанной на фиг.2, сигнал обратной связи тока двигателя подается на выходе 2 схемы в двигатель M в ответ на изменение выходного сигнала на валу двигателя, причем выходной сигнал пропорционален напряжению двигателя и образуется на входе 1 схемы.

Следует отметить, что регулируемые, а также измеряемые переменные выражаются напряжениями. Эти напряжения служат в качестве носителей информации и их не следует путать с переменными величинами, определяющими поток энергии, который следует регулировать.

На фиг. 3 схематически показан вращательный привод инструмента, включающий в себя вращательный стол или привод R, имеющий момент инерции массы I_t, коробку скоростей G, имеющую измененные передаточного числа 1:n, и электрический двигатель M с параллельным возбуждением, имеющий момент инерции массы I_r, причем двигатель оснащен системой регулирования колебаний в соответствии с настоящим изобретением.

Система регулирования включает в себя вычитающее устройство S, предназначенное для сравнения фактической скорости вращения с номинальной скоростью вращения W_r, и цепь обратной связи L₂, которая использует колебания измеряемого тока I двигателя как входную сквозную переменную, и система регулирует напряжение U двигателя таким образом, что произведение UI или, другими словами, поток электрической энергии через двигатель остается в заданных пределах.

И вновь зависимость между изменяемой сквозной переменной I и регулируемой поперечной переменной U такова, что их произведение не выходит за заданные пределы и определяется с помощью функции обратной связи F₂, которая является обратной F₁.

Подходящая электронная схема для изменения напряжения двигателя в ответ на измеряемые колебания тока I двигателя в соответствии с функцией F₂ обратной связи показана на фиг.4.

Схема на фиг.4 включает в себя два операционных усилителя A4 и A5, причем каждый усилитель имеет первый и второй входы; два конденсатора C3 и C4 и четыре резистора R8, R9, R10 и R11. Вход 3 схемы через R8 соединен с первым входом усилителя A4. Выход усилителя A4 соединяется с выходом 4 схемы, через C3 с первым входом усилителя A4 и через A11 с первым входом усилителя A5. Первый вход A5 через C4 и R10 соединен с выходом усилителя A5, причем этот выход через R9 соединен с первым входом усилителя A4.

Во время обычного применения схемы, показанной на фиг.4, обратный сигнал напряжения двигателя передается на выходе 4 схемы в двигатель M в ответ на представляющий сигнал изменения в токе двигателя, подаваемом на входе 3 схемы. Сигнал обратной связи напряжения двигателя подается в вычитающее устройство, показанное на фиг.3.

В случае, если электрический двигатель, приводящий в действие вращательный стол, является двигателем постоянного тока с параллельным возбуждением, существует простая зависимость между током и крутящим моментом двигателя и между напряжением и скоростью вращения двигателя. Для двигателей других типов, таких как двигатели со смешанным или последовательным возбуждением, зависимость более сложная, так как крутящий момент и скорость вращения являются функциями квадратов и векторных произведений тока двигателя и напряжения двигателя.

Подходящая электронная схема для определения крутящего момента T двигателя из тока I двигателя, напряжения U двигателя и скорости двигателя показана на фиг.5. Схема включает в себя множительное устройство M1, имеющее первый вход 8 и второй вход 9, множительное устройство M2, имеющее первый вход 10 и второй вход 11, операционный усилитель A6. Выход множительного устройства M1 соединен с первым входом усилителя A6, а выход множительного устройства M2 соединен с вторым входом усилителя A6. Выход усилителя A6 соединен с первым входом множительного устройства M2.

Во время обычного применения схемы, показанной на фиг.6, сигнал, представляющий напряжение U двигателя, подается в первый вход 8 множительного устройства M1, сигнал, представляющий ток I двигателя, подается во второй вход 9 множительного устройства M1, а сигнал, представляющий скорость W двигателя, подается в первый вход 10 множительного устройства M2. Схема саморегулируется таким образом, что на выходе усилителя A6 образуется сигнал, представляющий крутящий момент T, так как vI=T.

Подходящая система регулирования для применения вместе с упомянутыми двигателями другого типа (т.е. двигателя со смещенным или последовательным возбуждением) показана на фиг. 6, причем система регулирования включает в себя множительное устройство M3, имеющее первый вход 12 и второй вход 13, множительное устройство M4, имеющее первый вход 14 и второй вход 15, операционный усилитель П7, цепь L3 обратной связи, имеющую функцию обратной связи F₃, мощностный привод D и вычитающее устройство S, которое сравнивает фактическую скорость вращения W двигателя с номинальной скоростью вращения W_r двигателя. Первый вход 12 множительного устройства M3 соединен с выходом 3, а второй вход 13 множительного устройства M3 соединен с выходом обычного тахометра (не показан) на поворотном валу двигателя M. Выход множительного устройства M3 соединен с входом усилителя A7. Первый вход 14 множительного устройства M4 соединен с первым выходом 16 привода D, а второй вход 15 множительного устройства M4 соединен с вторым выходом 17 привода D. Выход множительного устройства M4 соединен с другим входом усилителя А7. Выход усилителя А7 соединен с входом 18 мощностного привода D.

При обычном применении системы регулирования, показанной на фиг.6, сигнал, представляющий напряжение двигателя, подается приводом D на выход 16, а сигнал, представляющий ток двигателя, подается мощностным приводом D на выход 17. Сигнал, представляющий скорость двигателя, подается тахометром на вход 13 множительного устройства M3. Система саморегулируется таким образом, что сигнал, представляющий крутящий момент двигателя, подается на вход 12 множительного устройства M3. Функцию F₃ обратной связи можно реализовать с применением схемы, показанной на фиг.2.

Из приведенного выше описания со ссылкой на чертежи очевидно, что поток энергии в физической системе можно выразить произведением поперечной переменной и сквозной переменной. Активное заглушение колебаний требует регулирования по крайней мере одной из двух переменных на основании измерений колебаний по крайней мере другой переменной.

Следующие комбинации поперечных и сквозных переменных особенно подходят для применения в системе в соответствии с настоящим изобретением для регулирования крутильных колебаний в буровом инструменте.

1) Адаптация крутящего момента, образуемого электрическим, механическим или гидравлическим вращательным приводом на основе измерения угловой скорости какой-либо из вращающихся частей на или между головкой инструмента и вращательным приводом, таким как буровая труба, вращательный стол, коробка передач, приводной вал и т.д.

2) Адаптация напряжения, подаваемого в электрический вращательный привод, на основании измерения тока, проходящего через двигатель, или наоборот.

3) Адаптация давления на гидравлическом вращательном приводе на основании измерения скорости потока в гидравлическом двигателе или наоборот.

Обнаружено, что адаптацию переменных величин можно осуществлять таким образом, чтобы активное заглушение колебаний происходило в виде колебаний расхода энергии вращательного привода. Другим способом получения требуемой адаптациии является использование дополнительного средства, которое может как хранить, так и образовывать энергию. Например, адаптации крутящего момента, сообщаемого вращательному столу дизельным приводом, можно осуществлять с помощью генератора электрического двигателя или аккумулятора гидравлического двигателя с регулированием с обратной связью, соединенных с валом привода с помощью дифференциала.

Кроме того, было обнаружено, что колебания переменной величины можно измерять непрямым способом, измеряя колебание в выведенной производной. Например, колебания скорости можно узнать посредством измерения перемещения или ускорения.

Кроме того, обнаружено, что регулирование переменной можно также обеспечить непрямым способом, например, крутящий момент, образуемый электрическим двигателем, можно регулировать посредством регулирования тока двигателя.

Принцип активного заглушения колебаний бурового инструмента, как было описано выше, можно расширить так, чтобы он охватывал осевые колебания бурового инструмента. Заглушение осевых колебаний имеет важное значение во время бурения, а также во время других операций бурения. Для заглушения осевых колебаний можно применять систему, описанную в патенте США N 4535972, для регулирования вертикальных движений бурового инструмента с помощью гидравлического цилиндра, соединяющего подвижный блок и буровую трубу. Осевые колебания также можно эффективно заглушать, используя системы компенсации сдвига, которые состоят из гидравлической системы, предназначенной для компенсации вертикальных движений конуса, удерживающего бур. Другим возможным гидравлическим устройством для активного заглушения колебаний является устройство, которое состоит из телескопической части бурового инструмента с активно регулируемой переменной длиной. Такое устройство можно разместить в любой части бурового инструмента, например над уровнем или ниже уровня земли. Кроме того, активное заглушение осевых колебаний бурового инструмента, например, можно обеспечить операцией с регулированием с обратной связью подъемного механизма. Система заглушения может действовать на мертвом якоре с применением гидравлического устройства, или действовать как на приводе лебедки, так и на тормозе лебедки. Принцип активного заглушения можно также применять для работы насосных штанг и для применения насосных штанг для приведения в действие плунжерных всасывающих насосов.

Ниже описаны возможные поперечные и сквозные переменные для систем регулирования с обратной связью, используемых в таких активных глушителях осевых колебаний.

1) Адаптация силы, сообщаемой заглушающим устройством (т.е. гидравлическим цилиндром, системой компенсации сдвига, электрическим двигателем, приводящим в действие лебедку), на основании измерения скорости каких-либо частей бурового инструмента или между головкой и заглушающим устройством и наоборот.

2) Адаптация давления в гидравлическом заглушающем устройстве на основании измерения скорости потока в это устройство или наоборот.

3) Адаптация напряжения, подаваемого в электрический двигатель, приводящий в действие лебедку, на основании измерения тока, проходящего через двигатель, или наоборот.

Другим применением активных заглушающих систем может быть заглушение пульсов давления, образованного насосами. Это можно осуществить как посредством регулирования привода насосов, так и с помощью дополнительного устройства, соединенного с жидкостной системой, такой как активно регулируемый гидравлический цилиндр. Активное заглушение в этом случае можно обеспечить путем адаптации скорости потока в жидкостной системе на основании измерений давления или наоборот.

Другое применение активного заглушения является совершенно противоположным тем видам применения, которые описаны выше. На этот раз система регулирования обеспечивает "отрицательное заглушение" и скорее отражает энергию в систему, а не рассеивает ее. В этом случае действие инструмента, такого как резонансные буры (нисходящей скважины или на поверхности), можно было бы значительно улучшить. С помощью активного регулирования отражения волн напряжений в вибрирующем буровом инструменте маленький резонанс, образуемый резонансным буром, можно сильно увеличить.