Введение к работе
Актуальность работы. С начала 80-х годов XX века в нашей стране внедряются новые технологии глубокого бурения скважин на нефть и газ с глубиной забоя от 5000 до 7000м. В ближайшие годы глубина скважин возрастет до 9000м. При этом условия строительства скважин значительно усложняются, в связи с этим совершенствуется технологии проводки скважин, обеспечивающие существенные изменения ряда показателей процесса бурения.
Особое значение приобретает бурение наклонно направленных и горизонтальных скважин. Важнейшей задачей при строительстве скважин является автоматизация всех технологических процессов бурения, так как отклонение текущих значений технологических параметров от проектных создает ряд осложнений и серьезных аварий, преодоление которых требует значительных затрат времени и материальных средств на всех этапах строительства скважин. Эти обстоятельства выдвигают на первый план необходимость получения достоверной информации о протекании чрезвычайно сложного технологического процесса бурения скважин и оперативное управление этим процессом.
Исследования отечественных ученых: Варламова В,П., Грачева Ю.В., Грачева Б.А., Демихова В,И., Есауленко В.Н., Калинина А.Г., Кузнецова Г.М., Леонова А,И., Лукъянова Э.Е., Малюги А.Г., Молчанова А.А., Пилюцкого О.В., Рыбакова В.В., Шишкина О.П. и др. обеспечили разработку и создание различных средств контроля технологических параметров процесса бурения, появление новых конструктивных технологических и методологических принципов повышения их метрологических характеристик.
Повышение скоростей бурения и увеличение глубин, бурение наклонно направленных скважин еще более усложняет процесс управления, при этом контроль процесса бурения по наземным параметрам существенно усложняется. В связи с этим становится практически невозможным поддержание оптимального режима бурения и предупреждения различных аварий и осложнений.
Определенные успехи достигнуты в области разработки приборов и средств контроля наземных параметров процесса бурения нефтяных и газовых скважин. В области же создания промышленных средств контроля и регулирования забойных параметров до настоящего времени наблюдается значительное отставание от требований современной технологии проводки скважин. Еще многие вопросы этого направления нуждаются в разработке и изучении. Решение этих проблем может быть ускорено с применением надежных и точных средств контроля забойных параметров и автоматизации процесса бурения на этой основе путем создания автоматизированных систем управления процессом бурения скважин. До настоящего времени в практике бурения используется информация о косвенном измерении забойных параметров. Очевидно, эффективно управлять процессом бурения на такой основе нельзя.
Это обстоятельство еще раз подчеркивает актуальность работ по созданию забойных датчиков первичной информации. Особое значение это приобретает при бурении наклонно – направленных и горизонтальных скважин, так как отклонение стволов от заданного направления и последующая коррекция его, тем более забуривание новых стволов приводит к значительным материальным затратам. Тяжелые условия работы, средств измерения параметров режима бурения на забое, где температура может достигать 2000С и более, давление 100 –150 МПа, вибрации десятки и даже сотни g (ускорение свободного падения), исключают возможность использования электронных компонентов и вынуждают вести поиск надежных элементов для работы в этих условиях.
Таким образом, создание надежных и точных технических средств контроля и автоматического управления забойными технологическими параметрами вообще и пространственным положением ствола скважины, в частности, позволяющих повысить производительность буровых работ и снизить стоимость проходки, является актуальной проблемой.
Основание для выполнения работы. Работа выполнена по планам НИР Астраханского государственного технического университета (номера государственной регистрации 01.20.0005849, 06.22.06ХТ, 01.49.07).
Цели и задачи диссертации. Целью диссертации является разработка глубинного датчика зенитного угла искривления скважины, обладающего высокой надежностью и точностью, как составной части телеметрической системы измерения параметров пространственного положения стволов в процессе бурения скважин и исследование его характеристик.
В соответствии с поставленной задачей в работе ставятся и решаются следующие задачи:
-
Анализ существующих методов и средств контроля параметров бурения скважин.
-
Анализ принципов проектирования забойной измерительной аппаратуры.
-
Патентный анализ забойных датчиков пространственного положения стволов бурящихся скважин.
-
Выбор элементной базы забойного датчика, канала связи с поверхностью и разработка конструкции датчика зенитного угла искривления скважин.
-
Построение макета датчика зенитного угла искривления скважин и его экспериментальное исследование.
-
Построение математической модели датчика зенитного угла искривления скважин и анализ ее соответствия экспериментальным данным.
-
Разработка рекомендаций по проектированию датчика зенитного угла искривления скважин.
-
Определение метрологических характеристик датчика зенитного угла искривления скважин.
-
Разработка методики расчета датчика зенитного угла искривления скважин.
Методы исследований. Научные положения, представленные в диссертационной работе, обоснованы теоретическими и экспериментальными исследованиями с применением методов теории газодинамики, теории измерительных преобразователей, математического анализа, цифрового моделирования на ЭВМ с использованием пакета MathCAD 2000 Professional и других.
Основные теоретические положения и выводы подтверждены результатами экспериментальных исследований в лабораторных условиях на этапах разработки. Исследования проводились на кафедре «Автоматизация технологических процессов» Астраханского государственного технического университета.
На защиту выносятся:
-
Классификация забойных датчиков пространственного положения стволов скважин на основе способов представления и передачи информации об измеряемых параметрах.
-
Математическая модель и методика расчета аэродинамического датчика зенитного угла построенная на основе законов газодинамики, позволяющие осуществлять расчет датчика с учетом характеристик канала связи и диапазона измеряемой величины.
-
Результаты экспериментальных исследований, позволившие разработать рекомендации по выбору геометрических параметров, режима течения газа и давлений питания для аэродинамического генератора в составе забойного датчика зенитного угла.
-
Система автоматического регулирования зенитного угла искривления скважины.
Научная новизна работы:
-
Проведен анализ построения наземных и забойных средств контроля с учетом всех элементов процесса бурения. Предложена классификация забойных датчиков по способам представления и передачи информации о пространственном положении ствола скважины.
-
Разработаны способы улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик забойного аэродинамического датчика зенитного угла и даны рекомендации по выбору геометрических параметров, режиму течения газа и давлений питания для аэродинамического генератора в составе забойного датчика зенитного угла искривления, обеспечивающие надежную работу в условиях забоя.
-
Разработана методика и алгоритм расчета аэродинамического датчика и получены аналитические выражения, позволяющие производить расчет различных по номенклатуре забойных датчиков зенитного угла искривления скважины.
-
На основе разработанного алгоритма синтезирована система автоматического регулирования зенитного угла искривления стволов бурящихся скважин.
Личный вклад:
-
Предложена классификация забойных датчиков по способам представления и передачи информации об измеряемых параметрах.
-
Участие в разработке конструкции датчика зенитного угла искривления скважин.
-
Разработка макета датчика зенитного угла искривления скважин, проведение экспериментальных исследований.
-
Разработка математической модели и методики расчета датчика зенитного угла искривления скважин.
-
Предложены способы улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик забойного аэродинамического датчика зенитного угла искривления скважины, включающие ряд рекомендаций.
-
Синтезирована система автоматического регулирования зенитного угла искривления скважин.
Практической ценностью обладают:
-
Разработанный забойный аэродинамический датчик зенитного угла искривления скважины, обеспечивающий измерение непосредственно в процессе бурения и позволяющий существенно повысить точность измерения. Оригинальность конструкции датчика подтверждена выдачей двух патентов РФ.
-
Результаты экспериментального исследования датчика, позволяющие разработать рекомендации по выбору геометрических параметров и режима работы аэродинамического генератора в составе забойного датчика.
-
Математическая модель и методика расчета датчика.
-
Система автоматического регулирования зенитного угла искривления скважины.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе: при чтении лекций по курсам «Технические средства автоматизации» и «Основы автоматизации производственных процессов». На основе построенного макета датчика поставлена лабораторная работа по указанным курсам.
Апробация работы. Основные вопросы, составляющие содержание диссертации, докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного технического университета (2005, 2006, 2007, 2008 г.г.), V Казахстанско-Российской международной научно-практической конференции (Атырау, 2005г.), Международной научно-технической конференции Курганского государственного университет «Повышение качества и эффективности производства» (Курган, 2006г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 11 печатных работах, в том числе в двух патентах, 9 статях в центральных специализированных журналах « Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море», «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной и газовой промышленности». Кроме того, автором разработаны методические указания к проведению учебно-исследовательских работ по курсу «Основы автоматизации производственных процессов», которые используются в учебном процессе студентами специальности «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений» Астраханского государственного технического университета.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, изложенных на 165 страницах машинописного текста и приложений, содержит 50 рисунка и 5 таблиц. Список использованной литературы содержит 97 наименований.
