Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Результаты экспериментальных исследований и статистиче­ские данные показывают, что погрешность средств измерений значительно увеличивается при изменении температуры окру­жающей среды. Это обстоятельство является существенным, так как приводит к значительному снижению точности резуль­татов измерений, а следовательно, и результатов технологиче­ских операций и процессов.

В технических условиях на комплекс средств наземного контроля и управления процессом бурения нефтяных и газовых скважин (СКУБ), выпускаемый серийно, указано, что макси­мальное значение допустимого изменения выходного сигнала первичных преобразователей: нагрузки на крюк и осевой на­

грузки на буровой инструмент, крутящего момента на роторе и на машинном ключе, подачи бурового инструмента, давления нагнетания и расхода бурового раствора, частоты вращения ро­тора, уровня раствора в приемных емкостях, для соответствую­щего предела приведенной основной погрешности, равной ±2,5 при измерениях и ±4% при регистрации параметров, не превы­шает:

1) при отклонении температуры окружающего воздуха от—20 до —50 °С и от +20 до +50 °С на каждые 10 °С соответствен­но ±1,35 и ±1,75%;

2) при изменении напряжения питания в диапазоне от 170 до 264 В ±0,8 и ±1,3%;

3) при изменении частоты переменного тока в диапазоне от 45 до 55 Гц ±0,8 и ±1,3%;

4) при воздействии внешнего магнитного поля напряженно­стью 400 А/м, создаваемого постоянным или синусоидальным, меняющимся во времени с частотой 50±1 Гц, соответственно ±1,0 и ±1,6%.

При снижении температуры окружающей среды до —50 °С и систематическом монотонном изменении погрешности ее величщ на может быть равна 9,45% при измерениях и 12,25% при реги­страции параметров.

Если учесть возможные дополнительные погрешности от из­менения напряжения питания и частоты временного тока, то до­полнительная погрешность увеличивается еще н ее суммарная величина может достигнуть 9,8% при измерениях и 12,9% при регистрации параметров. Таким образом, общая погрешность может составлять при измерениях до 10% и при регистрации до 13% от диапазона измерений технологического параметра.

Следовательно, результаты измерений в любой точке диа­пазона измерений, например нагрузки на крюке, могут отли­чаться от действительного значения на 10%. Конечно, в данном случае рассмотрен наихудший случай, но случай, допустимый для средств измерений нагрузки на крюке комплекса СКУБ.

Рассмотрим, каковы вероятности ошибок контроля при ис­пользовании измерительных преобразователей усилий комплекса СКУБ для контроля нагрузки на долото. При равномерном рас­пределении нагрузки на долото и изменении ее от 20 до 140 кН (6 = 60 кН, о*=60 кН), верхнем значении диапазона измерений 2500 кН и погрешности измерений 10%, согласно методике, по­лучим:

6/о*=1; Д = 340 кН; А = Д/6 = 5,6;

а>0,15; р> 0,038.

Таким образом, общая вероятность ошибок контроля соста­вит величину, большую 0,188, т. е. результат каждого пятого измерения при контроле будет ошибочным.

Рассмотрим еще один пример. В табл. 13П приведены допу­стимые значения крутящих моментов для резьбовых соединений при свинчивании обсадных труб различных наружных диамет­ров и толщин стенок.

При вычислении вероятностей ошибок контроля были сдела­ны допущения, что среднее значение крутящего момента выбра­но вблизи нижней границы допустимых значений. Погрешности измерений распределены по нормальному закону, а контроли­руемые величины — по закону равной вероятности.

Среднеквадратическое отклонение контролируемых величин

°х = 8/V^

Коэффициент точности

А=Д/6,

где Д — погрешность измерения.

Вероятности ошибок контроля определены по табл. 13П. Из данных табл. 13П следует, что вероятности ошибок контроля первого рода имеют наибольшее значение для труб диаметром менее 178 мм при толщине стенок трубы менее 9 мм (до 0,196).

Вероятности ошибок контроля крутящего момента при свинчивании обсадных труб Наружный диаметр трубы, мм Толщина стенок трубы, мм Допустимые значения момен­та, кН-м Коэффициент точности Вероятность ошибок конт­роля 114 9 3,0—4,3 1,154 0,146 127 3,3—5,1 0,83 0,11 140 5,6— 6,6 1,5 0,196 146 5,0—6,0 1,5 0,196 168 6,0—7,9 0,78 0,102 178 7,1—8,4 1,15 0,146 194 7,4—9,6 0,68 0,09 273 11,8—15,2 0,44 0,058 146 7,6—9,6 0,75 0,098 168 9,1—12,8 0,4 0,054 178 9,7—13,6 0,38 0,05 194 9 и более 11,2—15,7 0,33 0,043 219 13,5—19,2 0,26 0,034 245 15,2—21,6 0,2 0,024 273 17,8—25,4 0,19 0,021 299 19,6—27,9 0,18 0,020 324 21,6—30,8 0,16 0,019 340—377 23,4—33,4 0,15 0,018

При максимальных погрешностях измерений, включающих дополнительные погрешности от изменения температуры окру­жающей среды и напряжения источника питания, вероятность ошибок контроля крутящего момента на машинном ключе пре­вышает 0,3, т. е. контроль в указанных условиях практически невозможен. Поэтому возникает необходимость исследований в области повышения точности результатов измерений, в частно­сти исследований дополнительных погрешностей от измерения температуры окружающей среды и разработки методов их уменьшения.

Повышения точности результатов измерений при контроле технологических параметров бурения скважин и буровых рас­творов можно достигнуть либо путем разработки технических средств измерений, инвариантных к изменению температуры окружающей среды и другим воздействиям дестабилизирующих факторов, либо путем разработки методов коррекции результа­тов измерений технологических параметров при бурении сква­жин.

Современный уровень развития техники, методов конструиро­вания и технологии изготовления средств измерений не позволя­ет исключить дополнительные погрешности измерений, возника­ющие вследствие влияния температуры окружающей среды.

Увеличение погрешностей измерительных средств при изме­нении температуры окружающей среды — следствие изменения параметров их элементов и узлов под влиянием физико-химиче­ских процессов, имеющих сложный характер, зависящий от ти­па элементов узла и их конструкции. Таким образом, внешняя среда и условия работы существенно влияют на погрешность измерительных средств. Это значительно затрудняет возмож­ность получения достоверной информации при контроле техно­логических параметров процессов бурения скважин, объектив­ное установление сроков поверочных и регламентных работ. А все вместе это затрудняет повышение точности результатов измерений технологических параметров процессов бурения скважин.

На изменение погрешностей средств измерений параметров технологических процессов бурения скважин в основном влияют температурные воздействия. Температурная нестабильность средств измерений составляет 70—90% от общей нестабильно­сти. Поэтому определение дополнительных погрешностей средств измерений под воздействием дестабилизирующих факторов прак­тически сводится к определению дополнительной погрешности от воздействий температуры окружающей среды. Под воздействи­ем температуры могут быть как обратимые, так и необратимые изменения параметров средств измерений. Следует отметить, что в основном все необратимые изменения средств измерений обыч­но невелики и устраняются при профилактических ремонтно­поверочных работах, а следовательно, устраняются и возникаю­щие при этом дополнительные погрешности. Поэтому необходи­мо учитывать в результатах измерений в основном только до­полнительные погрешности, возникающие при обратимых изме­нениях характеристик средств измерений вследствие изменения температуры окружающей среды.

В общем случае изменение дополнительных погрешностей при изменении температуры имеет нелинейный характер. Одна­ко в большинстве случаев указанную зависимость можно ли­неаризовать по интервалам. При линейных и циклических изме­нениях дополнительной погрешности средств измерений под воздействием температуры окружающей среды величина допол­нительной погрешности может быть определена эксперимен­тально.

Повышение точности результатов измерений технологиче­ских параметров достигается путем их корректировки, т. е. вне­сения соответствующих поправок в результаты измерений. Для решения задачи повышения точности результатов измерений дтим методом не обязательно знание всего сложного процесса изменения погрешностей элементов и узлов средств измерений

под влиянием изменяющейся температуры внешней среды. До­статочно знать результирующие закономерности изменения по­грешностей измерения технических средств при колебаниях тем­пературы внешней среды в условиях их эксплуатации.

При наличии этих данных можно определять поправки к ре­зультатам измерений и корректировать данные. Для удобства пользования поправочными характеристиками можно дать их аппроксимацию и изменение погрешности средств измерений ха­рактеризовать поправочным коэффициентом. Таким образом, учет в результатах измерений дополнительной погрешности от изменения температуры окружающей среды сводится к опреде­лению поправочного коэффициента, определяющего погрешности измерений, и внесения поправки в результаты измерений.

Коррекция результатов измерений технологических парамет­ров включает следующие этапы:

экспериментальное определение величины и знака дополни­тельных погрешностей измерений при их разработке и производ­стве;

вычисление поправочных коэффициентов; внесение поправок в результаты измерений технологических параметров.

При определении величины поправки к результатам измере­ний технологических параметров, проведенных в различных климатических условиях, при изменениях напряжения и часто­ты питающего тока, могут возникнуть неточности вследствие суммарной погрешности рабочего измерительного средства. Для исключения случайных составляющих погрешности необхо­димо провести многократные измерения при одних и тех же условиях с некоторыми интервалами времени, обеспечивающими независимость результатов, и определить среднеарифметическое значение. Полученное значение контролируемой величины ис­пользуют в дальнейшем в качестве поправки, если измерение выполняют в тех же условиях. Систематические погрешности можно оценить, используя известные соотношения между изме­ряемыми величинами. Составляющие погрешности, обусловлен­ные отклонением каждой из влияющих величин от ее нормаль­ного значения, определяют экспериментально.

Ниже приведены результаты экспериментальных исследова­ний и расчетов поправочных коэффициентов и поправок к ре­зультатам измерений основных технологических параметров бу­рения скважин с помощью комплекса средств наземного конт­роля и управления процессом бурения нефтяных и газовых сква­жин (СКУБ). Более 1000 комплексов эксплуатируются во всех нефтедобывающих и газодобывающих регионах страны. В состав комплекса входят измерительные преобразователи, служащие для преобразования усилий крутящего момента, перемещений, давлений, расхода, частоты вращения ротора в электрический сигнал. В комплексе осуществлен централизованный сбор и рас­пространение информации для управления технологическими процессами на буровой.

От измерительных преобразователей информация по линиям связи поступает на средства отображения и представления ин­формации. В СКУБ не предусмотрена корректировка результа­тов измерений. Поэтому последние содержат дополнительно си­стематическую составляющую погрешности измерений.

Предлагается способ корректировки результатов измерений технологических параметров бурения скважин, полученных с помощью комплексов СКУБ.

1. Определены зависимости отклонений показаний средств измерений нагрузки на крюке от изменения температуры внеш­ней среды в диапазоне от +50 до —50 °С. По характеру зави­симости от значений измеряемой величины в погрешности изме­рений можно выделить следующие составляющие: аддитивную, мультипликативную и нелинейную. Значение аддитивной со­ставляющей погрешности измерений не зависит от значения из­меряемой величины, т. е. она постоянна по значению во всем диапазоне измерения, а следовательно, при нулевом значении измеряемой величины. В рассматриваемом случае величина ад­дитивной составляющей при 50 °С равна 20 кН, а при —50 °С — 10 кН.

Мультипликативная составляющая погрешности измерений прямо пропорциональна значению измеряемой величины. Коэф­фициент мультипликативной температурной погрешности одре-, деляется как отношение диапазона измерения мультипликатив­ной составляющей погрешности к наибольшему соответствующе­му значению диапазона измерений:

Дм = Афм/АД’м,

где Афм — диапазон измерения мультипликативной составляю­щей погрешности измерений; АХМ — диапазон измерения пара­метра.

В рассматриваемом случае в интервале диапазона измерений от 0 до 1200 кН при 50 °С коэффициент температурной погреш­ности равен 0,066, а при —50 qC — 0,06. В интервале 1200— 1500 кН при 50 °С имеется нелинейный участок температурной погрешности, коэффициент которой равен —0,1.

Температурная погрешность для любой точки диапазона из­мерения нагрузки на крюке может быть определена по формуле как сумма составляющих погрешностей: аддитивной, мульти­

пликативной и нелинейной. Например, температурная погреш­ность At измерения нагрузки на крюке при 900 кН

Ai = Aa + AMG = 20+0,066-900=80 кН,

где Аа — аддитивная составляющая температурной погрешно­сти измерений; G — измеренное значение нагрузки на крюке.

Аддитивная составляющая температурной погрешности из­мерений момента на роторе при 50 °С равна 0,25 кН • м, а при —50 °С — 0,12 кН-м. Мультипликативная составляющая темпе­ратурной погрешности имеет сложный нелинейный характер: при о0О:С в интервале 0—6 кН-м коэффициент температурной по­грешности равен 0,05, в интервале 6—12 кН-м температурная погрешность не изменялась; в интервале 12—18 кН-м коэффи­циент температурной погрешности равен 0,066, в интервале 18— 24 кН-м он равен 0,016, а в интервале 24—30 кН*м — 0,06. При —50 °С в интервале 0—12 кН-м коэффициент температурной погрешности равен 0,04, в интервале 12—24 кН-м не изменял­ся, в интервале 24—30 кН • м — 0,08.

Погрешность от изменения температуры окружающей среды для любой точки диапазона измерений момента на роторе мо­жет быть определена по приведенной выше формуле.

2. Определены зависимости отклонений показаний средств измерений момента на машинном ключе от изменения темпера­туры внешней среды в диапазоне от +50 до —50 °С. Аддитивная составляющая температурной погрешности измерений момента на машинном ключе при 50°С равна 0,2 кН-м, а при —50°С — 0,1 кН-м.

Мультипликативная составляющая температурной погрешно­сти имеет сложный характер: при 50 °С в интервале 0—6 кН-м коэффициент температурной погрешности равен 0,06, в интерва­ле 6—24 кН-м — 0,025, в интервале 24—30 кН*м — 0,066; при температуре —50°С в интервале 0—24 кН-м коэффициент тем­пературной погрешности — 0,02, а в интервале 24—30 ikH-m — 0,06.

Погрешность от изменения температуры окружающей среды для любой точки диапазона измерения момента на машинном ключе может быть определена по приведенной выше формуле.

3. Определены зависимости отклонений показаний средств измерений давления нагнетания бурового раствора от измене­ния температуры внешней среды в диапазоне от +50 до —50 °С.

Аддитивная составляющая температурной погрешности изме­рений давления нагнетания бурового раствора при температуре 50 °С равна 0,24 МПа, а при —50 °С — 0,06 МПа.

Мультипликативная составляющая температурной погрешно­сти имеет нелинейный характер: при 50 °С в интервале 0—

18 МПа коэффициент температурной погрешности равен 0,04, в интервале 18—25 МПа — 0,043; при —50 °С во всем диапазо­не измерений можно принять коэффициент температурной по­грешности равным 0,037.

Погрешность от изменения температуры окружающей среды для любой точки диапазона измерения давления нагнетания бу­рового раствора может быть определена по приведенной выше формуле.

4. Определены зависимости показаний средств измерений расхода бурового раствора от изменения температуры внешней среды в диапазоне от +50 до —50 °С. При 50 °С расходомер бу­рового раствора имеет только аддитивную составляющую по­грешности, равную +2 л/с; при —50 °С эта составляющая рав­на —3 л/с, в интервале 0—20 л/с она изменяется до 2 л/с, а в интервале 60—90 л/с увеличивается до 4 л/с.

5. Определены зависимости показаний средств измерений частоты вращения ротора от изменения температуры внешней среды в диапазоне от +50 до —50 °С. Аддитивная составляю­щая температурной погрешности средства измерений при 50 °С равна 2 об/мин, а при —50 °С — 1 об/мин.

Мультипликативная составляющая температурной погреш­ности имеет нелинейный характер: при 50 °С в интервале 0—

160 об/мин температурная погрешность не изменяется, в интер­вале 160—250 об/мин она равна 0,55; при —50 °С во всем диапа­зоне измерений можно принять коэффициент температурной по­грешности равным 0,03.

Погрешность от изменения температуры окружающей среды для любой точки диапазона измерения частоты вращения рото­ра может быть определена по приведенной выше формуле.

6. Определены зависимости показаний средств измерений уровня бурового раствора в емкости от изменения температуры внешней среды в диапазоне от +50 до —50 °С. Аддитивная со­ставляющая температурной погрешности измерений уровня бу­рового раствора при 50 °С равна 1 см, а при —50 °С она со­ставляет —1 см.

Мультипликативная составляющая температурной погрешно­сти имеет сложный характер: при 50 °С в интервале 0—64 см коэффициент температурной погрешности равен 0,047, в интер­вале 64—96 см — 0,062, в интервале 96—160 см — 0,03; при —50 °С в интервале 0—96 см коэффициент температурной по­грешности равен — 0,05, а в интервале 96—160 см — 0,03.

Погрешность от изменения температуры окружающей среды для любой точки диапазона измерения уровня может быть опре­делена по приведенной выше формуле.

Таким образом, величины дополнительных погрешностей для средств контроля параметров процессов бурения скважин вели­ки и их необходимо учитывать при использовании результатов контроля технологических параметров для определения состоя­ния технологических объектов при принятии решений по выбору управляющих воздействий. При использовании средств измере­ний параметров бурения скважин необходимо регистрировать температуру окружающей среды и вносить соответствующие по­правки в результаты измерений. .

Аналогично определяются и учитываются поправки от изме­нения параметров источников энергии, вибрации и др. Если для части составляющих погрешностей измерения находят их оцен­ки и эти погрешности устраняются путем введения поправок, то в качестве рассматриваемых элементарных погрешностей появ­ляются погрешности определения поправок. Последние тоже ха­рактеризуются определенными пределами.

Статистическое суммирование элементарных погрешностей проводится путем построения композиции их распределения. Однако для практики необходимы простые способы решения этой задачи. Самый простой вариант возможен при большом числе слагаемых, так как в этом случае результирующее рас­пределение можно считать нормальным и тогда достаточно, вы­числить его дисперсию. Дисперсия нормального распределения находится как сумма дисперсий элементарных составляющих.

Случайные погрешности можно уменьшить и учесть в резуль­тате ряда измерений, т. е. когда результат выборки измерений представляется их средним значением. Погрешность ряда изме­рений выборки характеризуется выборочной диспер­сией.

Ведомственные метрологические службы периодически про­веряют состояние средств измерений, эксплуатирующихся на скважинах. При проверке определяется соответствие основной погрешности измерительного средства паспортному значению.

Предлагается при проведении поверок проверять соответст­вие дополнительных погрешностей средств измерений паспорт­ным значениям с указанием поправок, учитывающих влияние температуры и напряжения питания. При выполнении конт­рольно-измерительных операций необходимо фиксировать тем­пературу, напряжение питания, частоту переменного тока, опре­делять величины поправок и корректировать измерения.

Комментарии запрещены.