ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ
Г. С. БРОДОВ И. Г. ШЕЛКОВНИКОВ Э. К. ЕГОРОВ
А
Контроль процесса бурения скважин, как и любого другого сложного технологического процесса, является важным средством повышения эффективности н производительности труда. Все технологические измерения проводятся с помощью контрольно-измерительной аппаратуры (КИП). КИП являются базовой составляющей автоматизации производственных процессов. Однако, практически, буровые установки оснащались контрольной аппаратурой частично.
Геолого-технические условия проведения буровых работ отличаются по характеристике не только в каждом районе, но зачастую и в каждой скважине. Поэтому измерение параметров процесса бурения необходимо не только для контроля заданного технологического режима, но и для установления наиболее рациональной технологии при бурении каждой скважины.
Непрерывный контроль параметров бурения скважин позволяет, кроме того, по показаниям наземных приборов расчленять пласты разбуриваемых пород непосредственно в процессе бурения. Это способствует своевременному принятию необходимых мер для полноценного извлечения керна из скважины.
Большое значение имеет контроль процесса бурения в предупреждении возникновения аварийных ситуаций и ликвидации авврий. Бурильщик с помощью измерительной аппаратуры может не только следить за изменениями процесса, но и получать предупредительную сигнализацию при отклонениях значений параметров режима бурения и работы механизмов. Кроме того, измерительная аппаратура обеспечивает возможность устройства автоматических защитных средств. Регистрация параметров процесса бурения дает возможность расшифровать баланс рабочего времени, что позволяет выявить резервы роста производительности труда [13].
Оснащение контрольно-измерительной аппаратурой буровых установок позволяет автоматизировать процесс бурения, обеспечивает получение информации для систем диспетчеризации, создавая тем самым, основу для разработки и применения автоматизированных систем управления геологоразведочным производством.
Специальным конструкторским бюро «Геотехника» было разработано несколько видов контрольно-измерительной аппаратуры для различных типов буровых установок [1]. Опыт внедрения этой аппаратуры позволил решить целый ряд вопросов, связанных с конструированием и эксплуатацией приборов. Установлено, что в силу специфичности условий эксплуатации КИП на буровых, нельзя рассчитывать иа использование приборов общепромышленного назначения с присущими им характеристиками.
Аппаратура должна работать в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды с повышенной влажностью, быть непроницаема для пыли и брызг, устойчива к воздействию ударов и вибрации, устойчива колебаниям напряжения питающей среды. Специфичность условий эксплуатации контрольноизмерительной аппаратуры буровых станков привела к необходимости выработки особых требований к основным параметрам приборов. Эта задача была решена путём разработки и реализации нормальных стандартных рядов КИП буровых установок для бурения скважин на твёрдые полезные ископаемые.
Нормальные ряды КИП устанавливают рациональный минимум оснащения указателями, регистраторами н сигнализацией буровых установок по номенклатуре параметров наземного контроля, определяют классы точности и диапазоны измерения, а также формулируют основные технические требования.
В зависимости от размерного класса буровых установок, нормальные ряды предусматривают контроль следующих основных параметров процесса бурения: 1- веса бурового снаряда и осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент; 2- нагрузки на крюке талевой оснастки; 3-механической скорости бурения; 4 — скорости
вращения бурового снаряда; 5 — крутящего момента на вращателе; 6 — расхода промывочной жидкости; 7-давления в магистрале промывочной жидкости.
Контроль осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент — один из основных методов управления процессом разрушения горных пород при любом способе бурения От правильного выбора значения и контроля данного параметра зависит эффективность всего процесса. Например, внезапные изменения осевой нагрузки, особенно при бурении со свободной подачей, свидетельствует о смене разбуриваемых пород. Это позволяет в процессе бурения вести с помощью КИП механический каротаж. В связи с тем, что по мере увеличения глубины скважины уменьшается отношение нагрузки на породоразрушающий инструмент к весу снаряда, нормальными рядами предусмотрено повышение точности измерителей нагрузки от класса 4 до класса 1.
Контроль нагрузки на крюке талевой системы необходим при спуско-подьёмных операциях и, особенно, при ликвидации аварий, вызванных прихватом инструмента в скважине. Применение такого контроля повышает безопасность буровых работ.
Контроль механической скорости бурения позволяет устанавливать наиболее эффективные режимы и проводить механический каротаж в процессе бурения
Контроль крутящего момента является основным методом предупреждения аварий, вызванных прихватом или обрывом колонны бурильных труб прн перегрузках крутящих моментов. Кроме того, контроль крутящего момента позволяет судить о характере разрушения горной породы при бурении и дает дополнительную
информацию для механического каротажа. Это позволяет в сочетании с контролем осевой нагрузки оперативно управлять процессом работы породоразрушающего инструмента
Контроль расхода промывочной жидкости особенно необходим при бурении скважин алмазным инструментом. Он позволяет избежать прижогов коронкн и связанных с этим прихватов инструмента Кроме того, измерение расхода промывочной жидкости позволяет своевременно обнаружить поглощение промывочного раствора в скважине н контролировать состояние буровых насосов
Контроль давления промывочной жидкости является необходимым по условиям техники безопасности. Кроме того, по давлению можно судить о степени зашламования забоя и герметичности соединений колонны бурильных труб
Нормальными рядами предусмотрен класс точности приборов, равный 4 Для регистраторов установлен класс точности 2,5.
Нормальными рядами установлены также следующие основные технические требования по условиям эксплуатации аппаратуры:
По рабочему температурному диапазону
Для датчиков н указателей,0 С…………………………………… (-30)— (+50)
Дня регистраторов, °С………………………………………. (—5)— (+50)
По устойчивости к вибрациям
TOC o "1-5" h z Для датчиков и указателей, м/сек……………………………………………….. 15
Для регистраторов (в диапазоне частот егг 50до 80 Гц), м/сек. .. 5
По параметрам источников питания Колебания, % от номинальной величины
напряжения……………………………………………………………………. ±20
частоты………………………………………………………………………………… ±2
Нормальными рядами установлено исполнение приборов: датчиков и указателей -пыле-брызгозащищённое; регистраторов — пылезащищённое.
Все параметры процесса бурения являются физически разнородными. Тем не менее, в основу всех описанных ниже приборов положены единые принципы измерения неэлектрических величин электрическими методами, что позволило в значительной мере унифицировать узлы и блоки различных систем измерЛшя, особенно, вторичных приборов и устройств питания. В этом случае появляется широкая возможность использования в унифицированных узлах принципиальных решении, разработанных в общепромышленном приборостроении. Что же касается датчиков и исполнительных механизмов автоматических устройств, то для них чаще всего приходится находить оригинальные решения.
В зависимости от условий, способа бурения, типа буровой установки контроль различных параметров может иметь различное назначение. Поэтому, как показала практика, кроме комплексной контрольно-измерительной аппаратуры целесообразно применять отдельные системы измерения каждого параметра. Такое конструктивное исполнение аппаратуры позволяет более экономично осуществить контроль и, кроме того, облегчает освоение техники буровым персоналом.
Различными могут оказаться требования к точности измерения тех или иных параметров. Полноценное формулирование этих требований позволяет осуществить выбор необходимого прнбора. Большое значение имеет оценка возможной погрешности, получаемой при измерениях. Оснащение буровых установок измерительной аппаратурой, основанной на электрическом методе измерения, позволяет осуществить автоматизацию процесса бурения.
Контроль процесса геологоразведочного бурения н его автоматизация позволяют создавать системы автоматической оптимизации и телемеханической диспетчеризации, являющихся основой систем автоматического управления геологоразведочным производством [7, 8, 15].
Углубка скважины является основной технологической операцией процесса бурения. При её реализации возникает множество ситуаций, которые фиксируются контрольными приборами. Основная задача контроля процесса бурения — оперативное распознавание технологической ситуации и её численная оценка. Другая, не менее важная — контроль действий бурильщика, для чего необходимо применять соответствующие технические средства и методы.
Для оценки реальных (забойных) значений основных параметров режима бурения, искажённых при прохождении их от наземных исполнительных механизмов до забоя скважины, созданы забойные автономные и телеизмерительные контрольно-измерительные средства. Они позволяют вносить коррективы в показания наземных приборов при управлении процессом бурения. В СКВ «Геотехника» разработана глубинная и телеизмерительная аппаратура ГРП-2 и ТИС-1200. В ВИТР’е совместно с кафедрой радиопередающих устройств ЛЭТИ им. Ульянова /Ленина/ (ЭТУ) разработана скважинная телеизмерительная многоканальная аппаратура с
электроманометр ическими преобразователями механических параметров забойных датчиков в электрический сигнал. Аппаратура предназначена для измерения осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент, крутящего момента на коронке, давления промывочной жидкости и сигнализации входа бурового снаряда в пласт угля. Передающим устройством является автономный узкополосный многоканальный забойный передатчик с беспроводным электромагнитным каналом связи (радиолиния забой-устье скважины). Наземная часть аппаратуры оснащена показывающими и записывающими приборами, сигнализатором звукового н светового оповещения об отклонении значений параметров режима бурения от заданных. При эксплуатации в скважинах устойчивая связь с забоем может осуществляться с глубины до 1,5 километра без ретранслятора.
Практическое использование наземных и забойных КИП значительно повышает эффективность процесса бурения и качество геологической информации. На современном этапе позволяет перейти к компьютерному обеспечению управления технологическими процессами. Но для этого утраченный в последние годы интерес к контрольно — измерительным приборам должен снова найти своё прежнее место. Принципиальные