Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор современного состояния вопроса , 10
1.1. Основные особенности процесса бурения 10
1.2. /Автоматизация процесса бурения 1 1
1.3. Средства автоматизации подачи долота 14
1.3.1. Особенности построения и требования, предъявляемые ксредствам автоматизации подачи долота 22 1.4. Информационно-измерительные системы в бурении 24
1.4.1. Отечественные ИИС бурения... 24
1.4.2. Зарубежные ИИС бурения.. 26
1.5. Комплексы контроля параметров процесса бурения 29
1.6. Средства контроля осевой нагрузки па долото в составе комплексов контроля параметров бурения ...33
1.6.1. Основные приборы контроля осевой нагрузки на долото 33
1.6.2. Способы измерения веса бурового инструмента по деформации каната и определения осевой нагрузки на долото 35
1.7. Основные выводы и постановка задачи 36
Выводы по главе 1 38
Глава 2. Принципы проектирования систем телеметрии забойных параметров. Выбор канала связи и элементной базы для системы телеметрии осевой нагрузки на долото 39
2.1. Средства контроля осевой нагрузки на долото на забое скважины в процессе бурения 39
2.1.1. Устройство ГИУ-ОН автоконтроля осевой нагрузки на долото при электробурении
2.1.2. Устройство контроля осевой нагрузки при турбинном и роторном бурении 40
2.1.3. Забойный индикатор осевой нагрузки ЗИН 41
2.1.4. Сравнительный анализ рассмотренных устройств 42
2.2. Некоторые сведения о проектировании забойной аппаратуры 43
2.3. Анализ каналов связи забойной аппаратуры с наземными системами. 45
2.4. Выбор канала связи для телеметрической системы контроля осевой нагрузки на долото 48
2.5. Элементная база для забойной измерительной аппаратуры 52
2.6. Анализ забойных датчиков осевой нагрузки на долото 54
2.7. Элементная база забойного блока телеметрической системы
контроля осевой нагрузки на долото 57
2.8. Сравнительный анализ элементов различных типов 64
2.9. Реализация частотного способа представления информации об осевой нагрузке на долото с помощью струйных элементов, основанных на эффекте Коанда 66
2.9.1. Чисто струйные генераторы 66
2.9.2. Струйно-механические генераторы 68
2.9.3. Формирователи импульсов 69
2.9.4. Аэродинамический генератор колебаний... 70
2.10. Выбор базового элемента для забойного преобразователя осевой нагрузки на долото 71
Выводы по главе 2 72
Глава 3. Конструкция и принцип действия забойного датчика осевой нагрузки. Экспериментальное исследование макета датчика 74
3.1. Структурная схема и описание датчика осевой нагрузки на долото : 74
3.2. Выбор геометрических размеров для аэродинамическою генератора колебаний датчика осевой нагрузки 76
3.3. Экспериментальное исследование макета датчика осевой нагрузки на долото , 86
3.4. Измерительная пружина датчика осевой нагрузки 90
3.4.1. Расчет пружины для датчика осевой нагрузки 93
3.4.2. Источника питания с реактором датчика осевой нагрузки 94
3.5. Основные выводы 96
Выводы по главе 3 ^7
Глава 4. Математическая модель датчика осевой нагрузки. Анализ погрешностей датчика осевой нагрузки. Методика расчета датчика осевой нагрузки 98
4.1. Построение математической модели датчика осевой нагрузки па долото 98
4.2. Расчет датчика осевой нагрузки на долото 1 12
4.3. Анализ соответствия экспериментальных и расчетных характеристик датчика осевой нагрузки на долото 115
4.4. Анализ источников погрешностей датчика осевой нагрузки 118
4.5. Методика расчета датчика осевой нагрузки и система автоматического регулирования осевой нагрузки на долото 12!
4.6. Алгоритм интерпретации показаний датчика осевой нагрузки 124
Выводы по главе 4 125
Заключение 126
Литература
- Особенности построения и требования, предъявляемые ксредствам автоматизации подачи долота 22 1.4.
- Устройство ГИУ-ОН автоконтроля осевой нагрузки на долото при электробурении
- Выбор геометрических размеров для аэродинамическою генератора колебаний датчика осевой нагрузки
- Анализ соответствия экспериментальных и расчетных характеристик датчика осевой нагрузки на долото
Введение к работе
Существенный спад общего промышленного производства в народном хозяйстве
России, наблюдающийся в течение последнего десятилетия, во многом отрицательно повлиял и на нефтегазовую отрасль. В результате суммарная добыча нефти за этот период сократилась почти в 2 раза и наметилась тенденция к снижению объемов добычи природного газа, К числу основных причин возникновения этой ситуации, по-видимому, следует отнести резкое (более чем в 4 раза) и необоснованное снижение объемов разведочного и эксплуатационного бурения нефтяных и газовых скважин. В свою очередь такие темпы снижения объемов буровых работ в отрасли во многом обусловлены следующими факторами [26].
Промысловая практика показывает, что в настоящее время нецелесообразно бурить скважины на старых нефтяных месторождениях, поскольку около 70% эксплуатационного фонда скважин эксплуатируется с низкими дебитами. Кроме того, более 1/3 разрабатываемых залежей нефти имеют обводненность, достигающую 70% и более, с тенденцией к росту. По этой причине промысловики вынуждены значительное число скважин переводить в консервацию или в категорию бездействующих, поскольку они эксплуатируются на грани рентабельности и нередко являются убыточными для производителей.
В условиях постоянного роста цен на энергоносители, оборудование, материалы и услуги подрядчиков конечная стоимость строительства новых скважин возрастает настолько, что часто не окупается добываемой продукцией, и бурение их становится нерентабельным.
Разбуривание и ввод в разработку новых более перспективных месторождений, как правило, ограничивается в связи с большими дополнительными затратами средств и времени, обусловленными более тяжелыми географическими, климатическими и сложными геолого-техническими условиями бурении.
Вполне очевидно, что в сложившихся условиях ограниченные финансовые возможности и налоговые ограничения нефтяных компаний и буровых предприятий не позволяют надеяться на существенный рост их инвестиций в направлении увеличения объемов бурения новых скважин, В связи с этим возникает необходимость поиска, разработки и практической реализации новых, наиболее перспективных технологий, обеспечивающих сокращение финансовых, материально-технических и временных затрат на выполнение как основных, так и вспомогательных операций в цикле строительства скважин.
Одним из наиболее эффективных путей снижения стоимости строительства скважин в настоящее время является увеличение объемов бурения скважин малого диаметра -с применением технологии "тонкого профиля". Экономическая эффективность этого на-
правления подтверждена получением значительной экономии финансовых и материально-технических ресурсов на многочисленных промысловых примерах зарубежной и отечественной практики.
Основными преимуществами этой технологии являются: улучшение буровых характеристик как следствие уменьшения количества пород, вовлекаемых в процесс бурения, и сокращение времени бурения до 40%; снижение количества потребляемых материалов для обсадных колонн, буровых и тампонажных жидкостей и, связанное с этим, уменьшение количества буровых отходов; увеличение механической скорости бурения вследствие использования долот малых диаметров; уменьшение времени на спускоподъ-емные операции вследствие уменьшения массы бурильного инструмента и общее сокращение сроков строительно-монтажных работ в результате применения облегченных буровых установок.
Большинство ограничений геологического и технико-технологического характера, которые ранее препятствовали широкому распространению бурения скважин малого диаметра и были обусловлены несовершенством технических средств и технологии, в настоящее время в основном преодолено. Несмотря на то, что некоторые технико-технологические вопросы еще требуется решить, в настоящее время затраты при бурении скважин малого диаметра по сравнению с бурением скважин с традиционно применяемой конструкцией могут быть снижены до 40%.
Как уже отмечалось ранее, процесс бурения скважин с применением технологии тонкого профиля характеризуется повышением механических скоростей бурения и абсолютным контролем над вертикальной траекторией скважины. Известно, что механическая скорость бурения во многом определяется значением осевой нагрузки на долото и увеличение скоростей бурения обуславливает, во-первых, необходимость соблюдения проектных значений осевой нагрузки и, во-вторых, их своевременную корректировку для поддержания оптимального режима бурения, что невозможно без точного измерения нагрузки, реально действующей на забое скважины. Кроме того, известно, что при искривлении ствола скважины многократно увеличиваются силы трения между стенками скважины и бурильной колонной, что вызывает потерю веса инструмента и изменение осевой нагрузки, а это означает, что резкое отклонение осевой нагрузки от нормы может служить индикатором искривления ствола скважины. Таким образом, точное измерение осевой нагрузки на долото становится важнейшей составляющей организации оптимального режима бурения. При этом до сих пор в практике буровых работ при управлении процессом бурения используется информация о наземных параметрах бурения и информация о косвенном измерении забойных параметров. Известно, что при бурении глубоких скважин значения
технологических параметров, определяющих режим бурения, и полученных по показаниям наземных приборов, существенно отличаются от действующих на забое скважины. Отклонение текущих значений технологических параметров от проектных создает ряд осложнений и серьёзных аварий, преодоление которых требует значительных затрат времени и материальных средств на всех этапах строительства скважин. Это подтверждается данными [26], согласно которым производительное время работы буровых бригад в среднем по отрасли составляет лишь 80-85%, общего календарного времени бурения, а в некоторых районах массового бурения (например, в Западной Сибири) этот показатель в эксплуатационном бурении не превышает 75%, т.е. почти 1/4 часть времени работы буровых бригад расходуется непроизводительно: на ликвидацию аварии и брака в работе, простои по организационно-техническим причинам.
Эти обстоятельства выдвигают на первый план необходимость получения достоверной информации о протекании сложного технологического процесса бурения скважин и оперативного управления этим процессом. Особо важное значение это приобретает при наклонно направленном бурении. Таким образом, создание надежных и точных технических средств контроля и автоматического управления забойными параметрами, 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 01.98.0004872, 01.99.0009426,01.20.0005849).
Цели и задачи диссертации. Целью диссертации является разработка глубинного датчика осевой нагрузки на долото, обладающего высокой надежностью и точностью, как составной части телеметрической системы измерения осевой нагрузки на долото в процессе бурения скважин и исследование его основных характеристик.
В соответствии с поставленной целью 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 осевой нагрузки.
Выбор элементной базы забойного датчика осевой нагрузки, канала связи с поверхностью и разработка конструкции датчика осевой нагрузки на долото,
Построение макета датчика осевой нагрузки и его экспериментальное исследование.
Разработка рекомендаций по конструктивным особенностям датчика осевой нагрузки.
Построение математической модели датчика осевой нагрузки на долото и анализ ее соответствия экспериментальным данным.
Разработка методики расчета датчика осевой нагрузки.
Методы исследований. Научные положения, представленные в диссертационной работе, обоснованы теоретическими и экспериментальными исследованиями с применением элементов и 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 и производств" Астраханского государственного технического университета.
На защиту выносятся:
Классификация забойных датчиков на основе способов представления и передачи информации об измеряемых параметрах.
Результаты экспериментальных исследований, позволившие разработать рекомендации по выбору геометрических параметров, режиму течения газа и давлений питания для аэродинамического генератора в составе забойного датчика осевой нагрузки на долото.
Математическая модель и методика расчета аэродинамического датчика осевой нагрузки на долото, позволяющие осуществлять расчет датчика с учетом характеристик канала связи и диапазона измеряемой величины.
Система автоматического регулирования подачи долота. Алгоритм обработки информации, поступающей отдатчика.
Научная новизна работы:
Проведен анализ построения наземных и забойных средств контроля осевой нагрузки на долото с учетом всех элементов, характеризующих процесс бурения. Предложена классификация забойных датчиков на основе способов представления и передачи информации об измеряемых параметрах.
Разработаны способы улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик забойного аэродинамического датчика осевой нагрузки, включающие рекомендации по выбору геометрических параметров, режиму течения газа и давле-
ний питания для аэродинамического генератора в составе забойного датчика осевой нагрузки,
Разработана методика расчета аэродинамического датчика осевой и получены аналитические выражения, составляющие основу этой методики.
Разработан алгоритм, позволяющий однозначно интерпретировать поступающую от датчика информацию. На основе разработанного алгоритма синтезирована система автоматического регулирования подачи долота.
Личный вклад:
предложена классификация забойных датчиков на основе способов представления и передачи информации об измеряемых параметрах;
участие в разработке конструкции датчика осевой нагрузки на долото;
разработка макета датчика осевой нагрузки; проведение экспериментальных исследований;
4. разработка математической модели и методики расчета датчика осевой нагрузки.
Практической ценностью обладают:
Разработанный забойный аэродинамический датчик осевой нагрузки на долото, обеспечивающий измерение осевой нагрузки непосредственно в процессе бурения и позволяющий существенно повысить точность ее измерения. Оригинальность конструкции датчика подтверждена решением о выдаче патента на полезную модель от 19 августа 2003 г.
Результаты экспериментального исследования датчика осевой нагрузки, позволяющие разработать рекомендации по выбору геометрических параметров и режима работы аэродинамического генератора в составе забойного датчика осевой нагрузки на долото.
Математическая модель и методика расчета датчика.
Алгоритм интерпретации показаний датчика осевой нагрузки и система автоматического регулирования подачи долота.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при чтении лекций по курсам "Технические средства автоматизации" и "Технические измерения и приборы". На основе построенного макета датчика поставлена лабораторная работа по указанным курсам.
Апробация работы. Основные вопросы, составляющие содержание диссертации, докладывались и обсуждались на 46 научно-технической конференциях профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного технического университета (2002 г.); 47 научно-технической конференциях профессорско-преподавательского состава
Астраханского государственного технического университета (2003 г.); на выставке Астрахань - Нефть и Газ 2003.
Публикации, Основные положения диссертации опубликованы в шести печатных работах, в том числе один патент на полезную модель, 5 статей в центральных специализированных журналах "Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море", "Автоматизация и телемеханизация в нефтяной и газовой промышленности". Кроме того, автором разработаны методические указания к проведению учебно-исследовательских работ по курсам "Технические измерения и приборы", "Технические средства автоматизации", которые используются в учебном процессе студентами специальности "Автоматизация технологических процессов и производств".
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений, изложенных на 160 страницах машинописного текста, включающего рисунки, таблицы и приложения. Список использованной литературы содержит 58 наименований.
Особенности построения и требования, предъявляемые ксредствам автоматизации подачи долота 22 1.4.
Осевая нагрузка на долото является одним из основных параметров управления при автоматизации процессов разрушения породы на забое, отработки долота, режима работы гидравлического забойного двигателя, а также режима работы бурильной колонны. Качество управления этими процессами во многом определяется правильностью выбора величины нагрузки на долото. Осевая нагрузка формируется за счет опускания колонны бурильных труб на забой скважины, то есть, за счет подачи бурового инструмента.
Рассматривая функционирование описанных систем автоматизации подачи долота можно отметить следующее.
Регулирование подачи инструмента автоматами на поверхности (рис 1.2 - 1,4) значительно ухудшается при увеличении глубины бурения вследствие усиления влияния помех от сил трения и зависания колонны. При большой глубине бурения (несколько тысяч метров) или искривленности ствола, эти помехи становятся соизмеримы с осевой нагрузкой на долото, и подача становится неэффективной. Поэтому эффективное функционирование таких систем возможно только при небольших глубинах бурения.
Анализ систем автоматизации подачи с поверхности с регулированием по забойным параметрам (рис 1.5 - 1.7) показал, что в таких системах регулирование (обратная связь) осуществляется по параметрам, косвенно отражающим величину осевой нагрузки на долото (ток электробура, частота вращения турбобура, расход бурового раствора и перепад давления на турбобуре). Это крайне нежелательно, так как изменение измеряемых величин может быть вызвано факторами не связанными с осевой нагрузкой. В первую очередь это может быть обусловлено неисправностью электробура или другими аварийными ситуациями. Поэтому формирование задающего воздействия по величине осевой нагрузки на долото, позволяющего обеспечить ведение процесса бурения в оптимальном режиме, должно осуществляться на основе непосредственной информации о текущей величине осевой нагрузки на долото.
Применение забойных регуляторов подачи долота (рис 1,8 - 1.10) позволяет практически исключить влияние буровой колонны, однако, и в этом случае подача осуществляется на основе косвенных данных об осевой нагрузке, используя информацию о частоте вращения турбобура и расходе бурового раствора. Кроме того, функционирование забойных регуляторов, как правило, связано с определенным способом и технологией бурения, что существенно ограничивает область их применения.
В связи с изложенным, основные требования, предъявляемые к системам автоматизации подачи долота, должны быть сформулированы следующим образом:
1. В системе автоматизации должно применяться регулирование по забойным параметрам процесса бурения.
2. Управляющее воздействие на входе системы должно формироваться на основе прямых измерений величины регулируемого параметра.
Согласно указанным требованиям, система автоматизации подачи долота должна содержать забойный датчик осевой нагрузки (ЗДОН) и строиться по схеме, приведенной нарис. 1.11.
Система, построенная по схеме, показанной на рис 1.11, обеспечит поддержание осевой нагрузки на долото согласно заданной уставке, выбранной исходя из условий оптимального режима.
Основной особенностью всех рассмотренных систем (рис 1.2 — 1.7, 1.11) является то, что уставку по данному технологическому параметру задает буровой мастер, руководствуясь зачастую только собственным опытом. Таким образом, в этих системах, при формировании задающих воздействий, основную роль играет субъективный человеческий фактор, что, как известно, является крайне нежелательным. Выработка управляющих воздействий должна осуществляться в соответствии с однозначной интерпретацией получаемой информации. Поэтому целесообразно рассмотреть, какие возможности, с точки зрения анализа получаемой информации, расчету оптимальных режимов бурения и выработке управляющих воздействий по тем или иным технологическим параметрам процесса бурения, предоставляет современный уровень развития измерительной и вычислительной техники.
В связи с выше сказанным, рассмотрим, каким образом в настоящее время строятся системы информационного обеспечения процесса бурения, а также, какие средства для измерения осевой нагрузки на долото применяются в настоящее время.
Технический прогресс в технике и технологии проводки нефтяных и газовых скважин стимулирует развитие и оснащение буровых установок средствами получения и обработки информации. Для выполнения этих задач в нашей стране и за рубежом разрабатываются специальные информационно-измерительные системы (ИИС), выполняющие следующие функции [45]: 1. измерение и регистрация параметров процесса бурения; 2. сравнение значений параметров с заданными уровнями (уставками) для обнаружения отклонений, требующих вмешательства оператора, позиционного регулирования и аварийной защиты оборудования с выдачей соответствующих сигналов; 3. обработка результатов измерений; 4. хранение и выдача информации оператору или на управляющую машину. ИИС состоит из следующих функциональных блоков [45]: 1. датчики (измерительные преобразователи), обеспечивающие получение информации непосредственно от исследуемого объекта; 2. усилительно-преобразующие устройства и измерительные приборы, осуществляющие первичную обработку сигналов, получаемых отдатчиков; 3. устройства математической обработки измерительной информации в соответствии с заданным алгоритмом; 4. запоминающее и преобразующее устройства, осуществляющее хранение и преобразование информации в форму, удобную для дальнейшей обработки; 5. устройства для индикации и регистрации информации, сигнализации и пр.; 6. устройства, обеспечивающие автоматическое функционирование системы (устройства автоматического управления, самоконтроля, коммутации, выработки управляющих воздействий, источники питания и др.),
Рассмотрим некоторые ИИС, применяемые при проводке скважин в нашей стране и за рубежом [45].
Первым образцом отечественной компьютеризованной станции геолого-технологического контроля является станция СГТ, разработанная СКВ «Геофизприбор» и ВНИИНПГ, позволяющая проводить оперативный контроль режима бурения и газовый каротаж. В качестве датчиков контроля технологических параметров применен серийно выпускаемый комплекс — система контроля и управления бурением СКУБ (СКУБ-М1), разработанная Ивано-Франковским ПО «Геофизприбор». Данные технологического контроля и газового каротажа регистрируются на самопишущих потенциометрах и отображаются на цифровых индикаторах и электромеханических счетчиках.
Устройство ГИУ-ОН автоконтроля осевой нагрузки на долото при электробурении
Для передачи показаний на поверхность используется частотная телеметрическая система. Индуктивные датчики подключены к кабельному контуру генератора. При изменении нагрузки на долото от 0 до 50 тс частота генератора уменьшается от 30 до 25 кГц. Питание глубинной схемы осуществляется напряжением электробура по схеме фаза — труба. Наземное приемное устройство состоит из присоединительного фильтра верхних частот, электронного частотомера, указывающего и регистрирующего приборов. В схему входит также опорный генератор, настроенный на частоту 30 кГц. Разность частот опорного генератора и измерительного сигнала, полученная после смесителя, измеряется частотомером емкостного типа. В качестве регистрирующего прибора используется миллиамперметр или потенциометр.
Общий вид конструкции устройства показан на рисунке 2.2.
Индуктивный преобразователь перемещений показан на рис 2.3. Длина сердечника равна суммарной длине среднего пакета из двух обмоток. При перемещении сердечника из среднего положения нарушается магнитная симметрия, что приводит к росту напряжения на выходе датчика. Напряжение на выходе изменяется линейно от перемещения сердечника в пределах до 0,5 мм, чувствительность составляет 7 В/мм.
Датчики типа ЗИН создают импульсы давления, частота которых является функцией контролируемого забойного параметра. На рисунке 2.4. показана схема ЗИН . Система двух поршней і и 2 образует гидротрансформатор. Осевая нагрузка воспринимается поршнем 1 и сила, создаваемая им, через поршень 2 передается к сильфонному измерителю расхода 14. Жидкость из камеры 3 через калиброванный дроссель 4 перетекает в верхнюю камеру сильфона 5. Скорость сжатия сильфона 14 пропорциональна величине осевой нагрузки на долото. Выше измерительного узла датчика расположен его исполнительный клапанный узел. Клапан 6, находящийся на пути движения промывочной жидкости, в том Рис 2.4. Забойный индикатор осевой нагрузки ЗИН
положении, как это изображено на рис.2.4, создает между зонами А и Б перепад давления 1 — 1,5 кгс/см2, а при его движении в нижнее положение — 10—20 кгс/см2 (разность этих давлений равна сигналу). Клапан 6 периодически перемещается вниз-вверх вместе с полым штоком 7 и поршнем 8 с частотой, пропорциональной осевой нагрузке. При этом поршень 8 перемещается в цилиндре 9, в верхней части которого помещен клапан 10 с пружиной 11. По расстоянию (интервалу времени) между принятыми на поверхности импульсами давления судят о величине осевой нагрузки на долото.
Для перезарядки измерительного узла в исходное положение и следующего измерения осевой нагрузки необходимо разгрузить ЗИН, приподнимая колонну бурильных труб над забоем, после чего возможен следующий цикл измерения осевой нагрузки, перемещений деталей исполнительного узла датчика и подачи им в гидравлический канал связи импульса давления.
Из трех рассмотренных забойных устройств контроля осевой нагрузки на долото первые два содержат электронную аппаратуру и осуществляют передачу информации об осевой нагрузке по проводному электрическому каналу связи, который также используется для питания этих устройств, при этом первое устройство (ГИУ-ОН) применяется при электробурении, а второе может быть применено как при турбинном, так и при роторном способе. В обоих устройствах в качестве первичных преобразователей осевой нагрузки используются индуктивные преобразователи малых перемещений. Передача осуществляется частотным способом. Третье из рассмотренных устройств (ЗИН) не содержит электронных компонентов и использует для передачи информации об осевой нагрузке гидравлический канал связи. Передача информации также осуществляется частотным способом. Чувствительным элементом является гидротрансформатор, в качестве измерительного преобразователя используется сильфонный измеритель расхода. В отличие от первых двух устройств, работающих за счет подводимой электрической энергии, для функционирования устройства ЗИН используется энергия, возникающая при создании осевой нагрузки, а также энергия потока бурового раствора, то есть естественно-возникающая в процессе бурения энергия. Устройство ЗИН может использоваться при любом способе бурения.
Выбор геометрических размеров для аэродинамическою генератора колебаний датчика осевой нагрузки
Основными требованиями, предъявляемыми к аэродинамическому генератору колебаний, работающему в составе датчика осевой нагрузки на долото, являются следующие: сохранение устойчивости работы в условиях изменяющихся параметров внешней среды; малый расход газа; миниатюризация размеров.
Решить задачу соответствия выше установленным требованиям можно только с помощью экспериментального исследования работы аэродинамического генератора колебаний. Такое исследование проводилось А.С. Тумайкиным и И.Я. Шаровой [68]. В ходе этого исследования выяснялось влияние на работу аэродинамического генератора колебаний его геометрических размеров, давления питания, объема камеры и температуры окружающей среды.
Основными геометрическими размерами, влияющими на характеристики аэродинамического генератора колебании являются (рис, 3.2): длина профильной части — / вставки 2 и угол скоса — а; диаметры сопел d; зазор между питающим соплом 1 и про фильной вставкой 2 — і; зазор между приемным соплом 3 и профильной вставкой 2 — г; размер, характеризующий положение вставки относительно оси сопел, — Д. Величина г считается положительной, если торец сопла расположен правее задней стенки профильной вставки и отрицательной, если приемное сопло расположено над вставкой. Размер Д принимается отрицательным, если профильная часть вставки расположена ниже оси сопел, и положительным, если она расположена выше этой оси. При исследованиях диаметры входного и приемного сопел брались равными и сопла устанавливались соосно. Для различных профильных вставок введено обозначение // а, где / и а указанные ранее величины.
Рассмотрим влияние отдельных геометрических размеров на характеристики аэродинамического генератора колебаний. Эти исследования проводились при давлении питания рпит = 1 кГ/см и объеме камеры V =100 см для следующих геометрических параметров: (/=0,8мм, 1,0мм, 1,2мм; 1=3мм, 4мм; а = 5; 7,5; 10.
Влияние зазора между соплом питания и профильной вставкой на характеристики генератора колебаний (на частоту и амплитуду колебаний) показано на рис. 3.3.
Из рисунка видно, что изменение величины не влияет на амплитуду колебаний. Частота же колебаний изменяется с изменением " лишь в интервале 0 — 0,1 мм, дальнейшее изменение величины не влияет на частоту колебаний.
Влияние зазора 2— между профильной вставкой и приемным соплом на характеристики генератора колебаний показано на рис. 3.4 (основные данные, при которых были проведены опыты, указаны на рисунке). На рис, 3,4, а представлены характеристики изменения амплитуды и частоты колебаний в зависимости от изменения ідля профиль ных вставок с разными углами а. Как показывает рис. 3,4, 6 границы значений г, При которых наблюдается стабильная работа генератора колебаний, различны для различных длин профильных вставок. Эксперимент повторялся также и для различных значений размера Д. Во всех случаях с увеличением 2 происходит рост амплитуды и уменьшение частоты колебаний.
По рис. 3.5 можно проследить влияние изменения размера Л, характеризующего положение профильной вставки относительно оси сопел, на характеристики аэродинамического генератора колебаний. Смещение профильной вставки вниз по отношению к оси сопел вызывает увеличение амплитуды и уменьшение частоты колебаний. Увеличение амплитуды колебаний при смещении профиля вниз происходит до значения А = 0.045 МПа (/?пит -0.1 МПа). Дальнейшее перемещение профильной вставки приводит к прекращению колебаний.Для одного случая (профиль 4/7,5) это происходит уже при значении Л = —0,2 мм, тогда как для другого — (профиль 3/10) колебания перестают генериро А, кГ/см2/, гЦг 0,Л 2 0,3 ваться при значении Д = —0,3 мм.
Анализ соответствия экспериментальных и расчетных характеристик датчика осевой нагрузки на долото
Различным величинам давления питания, как видно из табл. 4.2, соответствуют различные величины максимального и минимального давления в приемной камере, вследствие чего математические модели датчика, построенные для различных давлений питания, также будут иметь некоторые отличия. Соответственно разными будут и, построенные по этим математическим моделям, статические характеристики.
Поэтому, рассмотрим расчет метрологических характеристик [24, 41, 52, 60, 63, 69, 73] датчика осевой нагрузки на долото, обладающего статической характеристикой, полученной при давлении питания равном 0,05 МПа, приведенной на рис. 4,1 — 4.4. Поскольку у измерительных преобразователей результаты измерений представляются в единицах выходной величины, то различаются погрешности по входу и по выходу. Входной величиной рассматриваемого датчика является осевая нагрузка на долото, выходной величиной является частота выходных колебаний аэродинамического генератора датчика. Тогда:
I. Абсолютная погрешность датчика осевой нагрузки по выходу Д/"— разность между экспериментально определенным значением частоты выходных колебаний и значением частоты, определяемым по расчетной статической характеристике. Определяется при определенном значении входной величины.
Максимальное значение абсолютной погрешности датчика по выходу, определенное по статической характеристике рис. 4.5 для значения осевой нагрузки, равном 10400 кг,составляет: Д/ = /,(l0400)- fp(l0400)= 0.454-0.446 = 0.008 Гц.
Абсолютная погрешность датчика осевой нагрузки по входу ДО - разность между значением величины на входе датчика (осевой нагрузки), определяемым по расчетной статической характеристике и задаваемым в процессе эксперимента. Определяется при определенном значении выходной величины.
Максимальное значение абсолютной погрешности датчика по входу, определенное по статической характеристике рис. 4.5 для значения частоты выходных колебаний, равной 0.298 Гц, составляет: ДG = G, (0.298) - Gp (0.298) = 1926 -1310 = б 16 кг.
2. Для определения относительных погрешностей датчика осевой нагрузки необходимо определить, какое значение входной величины будет считаться действительным. Необходимо учитывать что, при экспериментальном определении статических характеристик, на результаты измерений в известной степени влияют ряд внешних факторов. Это приводит к образованию случайных погрешностей измерения. Поэтому, для того, чтобы
Статические характеристики датчика (расчетная и экспериментальная), полученные при давлении питания 0.05 МПа. случайная погрешность не искажала результатов определения метрологических характеристик датчика, в качестве действительного значения входной величины примем то ее значение, которое связано со значением выходной величины датчика зависимостью, определяемой формулой математической модели (4Л 7).
Относительная погрешность датчика осевой нагрузки по входу определяется как отношение абсолютной погрешности датчика по входу к действительному значению величины на входе. Для значения частоты выходных колебаний, равного 0.298 Гц, действительное значение осевой нагрузки равно 1310 кг, относительная погрешность по входу составляет: Я7=А = ІІІ.І00% = 47% GR 1310
Для значения частоты выходных колебаний, равного 0.446 Гц, действительное значение осевой нагрузки равно 10400 кг, экспериментальное значение осевой нагрузки равнялось 10060 кг. Тогда, относительная погрешность по входу составляет:
Относительная погрешность датчика осевой нагрузки по выходу определяется как отношение абсолютной погрешности датчика по выходу к значению величины на входе, определяемому по действительному значению величины на входе по статической характеристике. Для действительного значения осевой нагрузки, равного 10400 кг, значение частоты выходных колебаний по статической характеристике равно 0.446 Гц, относительная погрешность по выходу составляет: Д =О008_100% = 18% /л 0.446
Для действительного значения осевой нагрузки, равного 1926 кг, значение частоты выходных колебаний по статической характеристике равно 0.305 Гц, экспериментально полученное значение частоты равно 0.298 Гц. Относительная погрешность по выходу составляет:
3. Приведенная погрешность датчика осевой нагрузки на долото по входу (выходу) называют отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению входного (выходного) сигнала. В качестве нормирующих значений по входу и по выходу для рассматриваемого датчика осевой нагрузки на долото примем диапазон измерений осевой нагрузки и соответствующий ему диапазон измерений выходного сигнала соответственно. Тогда: Приведенная погрешность датчика по входу: IIS G -G,, 10400-0 Приведенная погрешность датчика по выходу: У_= 0.008 -Ш0% % L-f„ 0.446-0.284 4.4. Анализ источников погрешностей датчика осевой нагрузки. В полученной математической модели датчика осевой нагрузки (4.19) основными нсииформативпыми факторами, оказывающими наиболее значительное влияние на выходной сигнал датчика, являются температура и, возникающие в процессе бурения, вибрации долота.
Согласно второму допущению, принятому при построении математической модели датчика осевой нагрузки, температура на забое скважины изменяется незначительно. 1 связи с этим се влиянием на параметры газа питания, размеры конструктивных тлемеитов датчика и па условия отрыва струи от стенки в аэродинамическом генераторе можно пренебречь.
В скважинах, близких к вертикальным (с зенитными углами, меньшими 15). вибрации (колебания долота над забоем) возникают вследствие взаимодействия зубьев (шарошек) долота с неровностями забоя скважины. Особенно сильно это проявляется при бурении в твердых породах (доломиты, аргиллиты и т.п.). и в случае, когда-пласты пород располагаются под углом к оси вращения долота, т.е. одновременно разбуриваются мяі-кие и твердые породы. При этом частота наиболее отрицательно влияющих на рабо і у долота грунтовых колебаний определяется как произведение частоты вращения долота в секунду на число шарошек, для роторного бурения, по данным А.П1. Янтурина (НашНИПИ-нефть) она составляет от 2.5 до 9 Гц. Кроме того, при бурении на больших глубинах, бурильная колонна сворачивается винтом (особенно это проявляется при роторном способе бурения), который при внезапном отрыве долота от забоя, обусловленном возникновением пустот в разбуриваемых породах, раскручивается, вслелсгвие чего происходит удар долота о забой скважины.
