способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления
Классы МПК: | E21B44/00 Системы автоматического управления или регулирования процессом бурения, те самоуправляемые системы, осуществляющие или изменяющие процесс бурения без участия оператора, например буровые системы, управляемые ЭВМ; системы, специально предназначенные для регулирования различных параметров или условий бурового процесса |
Автор(ы): | Роберт Николас Ворралл[GB], Иво Петрус Йозеф Мария Стулемейер[NL], Йохан Дирк Янсен[NL], Бартоломеус Герардус Госевинус Ван Валстийн[NL] |
Патентообладатель(и): | Шелл Интернэшнл Рисерч Маатсхаппий Б.В. (NL) |
Приоритеты: |
подача заявки:
1991-02-19 публикация патента:
20.08.1997 |
Назначение: изобретение относится к горной и нефтяной промышленности и предназначено для регулирования колебаний в оборудовании при бурении скважин. Сущность изобретения: колебания в буровом оборудовании регулируются посредством определения потока энергии через оборудование как произведения "поперечной" переменной и "сквозной" переменной. Причем колебания одной переменной измеряются, а поток энергии регулируется путем регулирования другой переменной в ответ на измеряемые колебания упомянутой одной переменной. В качестве переменных величин для определения потока энергии используются напряжение, умноженное на ток электрического привода, давление, умноженное на скорость потока гидравлического привода или крутящий момент, умноженный на угловую скорость вращательного привода. Способ реализуется системой, содержащей средства измерения колебаний продольной и поперечной переменной, связанные со средством контроля истока энергии через буровое оборудование и средство регулирования крутильных колебаний оборудования путем поддержания потока энергии через буровое оборудование на заданном уровне. Дополнительно система снабжена средствами определения крутящего момента приводного двигателя и регулирования крутящего момента приводного двигателя. 2 с. и 5 з. п. ф-лы, 6 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6
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 It, коробку передачи G, имеющую изменение передаточного числа 1: n, и электрический двигатель M с параллельным возбуждением, имеющий момент инерции массы Ir, причем двигатель оснащен системой регулирования колебаний в соответствии с настоящим изобретением. Система регулирования включает в себя вычитающее устройство S для сравнения фактической скорости вращения
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087068/937.gif)
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087068/937.gif)
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087001/183.gif)
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087701/2087701-2t.gif)
Если крутящий момент T, сообщенный электрическим двигателем, сделан зависимым от угловой скорости W с использованием комплексной функции обратной связи F1(
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087005/946.gif)
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087068/937.gif)
Z = -F1(
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087005/946.gif)
где:
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087005/946.gif)
F2(
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087005/946.gif)
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087068/937.gif)
Импеданс на вращательном столе равен:
Zrt=i
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087005/946.gif)
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087005/946.gif)
где i воображаемая единица
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087701/2087701-3t.gif)
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087701/2087701-4t.gif)
Из уравнений (2) (4) следует:
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087701/2087701-5t.gif)
Zrt придана заранее выбранная величина
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087005/945.gif)
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087701/2087701-6t.gif)
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.
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087005/945.gif)
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087701/2087701-7t.gif)
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
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087701/2087701-8t.gif)
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087005/960.gif)
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087038/948.gif)
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087701/2087701-9t.gif)
Подходящая электронная схема для изменения тока I двигателя и крутящего момента T двигателя в ответ на измеряемые колебания угловой скорости
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087068/937.gif)
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087005/946.gif)
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087068/937.gif)
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087001/183.gif)
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087068/937.gif)
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087001/183.gif)
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087001/183.gif)
![способ управления колебаниями в буровом оборудовании и система для его осуществления, патент № 2087701](/images/patents/385/2087068/937.gif)
Класс E21B44/00 Системы автоматического управления или регулирования процессом бурения, те самоуправляемые системы, осуществляющие или изменяющие процесс бурения без участия оператора, например буровые системы, управляемые ЭВМ; системы, специально предназначенные для регулирования различных параметров или условий бурового процесса