Основы оптимизации геологоразведочного бурения на ТПИ

Оптимизация любого процесса- это действия направленные на получение наилучших результатов.

Оптимизация включает действия по достижению оптимального результата и «критерии оптимизации», по которым можно судить о достижении действительно наилучших результатов. Для различных производств и процессов применяются самые разные критерии. В разведочном бурении разделяют «глобальные критерии оптимизации» и локальные критерии».

Глобальные критерии позволяют оценить эффективность всего объема работ по сооружению скважины. Обычно это время на сооружение скважины –«Т критерий», и стоимость работ, отнесенная к единице, т.е. стоимость 1 метра бурения с учетом всех затрат. Глобальные критерии учитываются при проектировании буровых работ и составления сметной документации (выбор прогрессивных видов и разновидностей бурения, видов очистных агентов, наиболее экономичных трассы и конструкции скважины и.т.п.).

Локальные критерии оптимизации необходимы для оценки эффективности управления процессом бурения. Они позволяют определять правильность выбора параметров режима бурения с целью получения наилучших результатов по всем трем направлениям оценки эффективности - производительности, себестоимости и качества. Оценка производительности непосредственно в процессе бурения связана с двумя сторонами процесса – скоростью углубки (механической скоростью бурения – Vм) и углубкой за рейс – hр. Причем величина углубки за рейс имеет важное значение не только при колонковом бурении обычными снарядами, но и при бурении снарядами ССК и при бескерновом бурении ге6ологоразведочных скважин на ТПИ. Первостепенное значение величины скорости углубки очевидно, но не всегда однозначно. Есть условия бурения, когда чем выше скорость углубки, тем больше производительность, но это будет при условии, что увеличение скорости углубки не будет приводить к негативным явлениям – повышенному износу ПРИ и, в результате, снижению возможной углубки за рейс. Особенно сильно это сказывается при бурении глубоких скважин, где время на непроизводительные спуско-подъемные операции соизмеримо со временем чистого бурения. Это обстояте6льство делает нежелательным использование Vм в качестве локального критерия оптимизации процесса бурения. Указанного недостатка лишен другой показатель скорости – рейсовая скорость бурения:

Vр = =

Из выражения Vр следует, что рейсовая скорость учитывает оба фактора определяющих производительность и Vм и hр. Максимум Vр даст всегда и максимум производительности в рейсе. Рейсовая скорость может служить достаточно надежным локальным критерием производительности для текущей оценки эффективности управления процессом бурения. При бурении затупляющимся инструментом, когда механическая скорость бурения постоянно снижается, существует максимум рейсовой скорости, после которого продолжение бурения становится невыгодным - производительность будет снижаться. Математически доказывается, что в этом случае максимум рейсовой скорости будет тогда, когда рейсовая скорость сравняется с механической (см. рис №). Это обстоятельство позволяет определять оптимальное время рейса, если, конечно, удается измерять или вычислять текущее значение рейсовой скорости. К большому сожалению, в отличие от механической скорости, для измерения которой имеются серийные приборы, рейсовую скорость на производстве практически не измеряют. В литературе приводятся схемы приборов разных типов для измерения и регистрации текущего значения рейсовой скорости, но из-за отсутствия энтузиастов в производственных и конструкторских организациях этим, на наш взгляд, очень нужным вопросом серьезно не занимаются.

Итак - Рейсовая скорость бурения лучший локальный критерий оптимизации процесса бурения по производительности.

Не случайно подчеркивается, что рейсовая скорость лучший критерий оптимизации процесса бурения по производительности. Кроме производительности критерием эффективности процесса бурения является себестоимость. Напомним выражение себестоимости бурения:

Сст = где q - стоимость 1 часа бурения, Ц – цена ПРИ, Нпри - проходка на коронку.

В совершенствовании техники и технологических процессов имеется два этапа – механизация и автоматизация. Механизация предусматривает замену ручного физического труда рабочего механизмами – при этом рабочий управляет механизмами кнопками или рычагами, т.е. без рабочего механизм не работает. Автоматизация это полная замена человека механизмами или приборами, т.е. оборудование, станок и.т.п. работают по заданной программе без участия рабочего.

В бурении геологоразведочных скважин при работе с тяжелыми бурильными трубами и другим буровым инструментом, к сожалению, еще много тяжелого физического труда и задачи механизации, несмотря на многие достижения пока еще полностью не решены. Для окончательной замены ручного труда в бурении задачи механизации соединяются с задачами автоматизации путем создания полностью автоматизированных буровых установок. По литературным данным такие установки почти созданы, а в недалеком будущем будут созданы наверняка.

Основные направления автоматизации в бурении скважин:

1. Полная механизация и последующая автоматизация спускоподъемных операций.

Началом автоматизации управления процессом бурения можно считать применение прибора ОМ-40 («измеритель и автоматический измеритель крутящего момента»). Это обычный электроизмерительный прибор измеряет величину крутящего момента, передаваемого на буровой снаряд, путем деления измеряемой мощности на частоту вращения. В приборе имеются два дополнительных реостата, подключенных к ваттметру с установками соответственно «сигнализация» и ограничение». В начале бурения определяется рабочее, нормальное значение крутящего момента, с определенным запасом значения крутящего момента устанавливается реостат «сигнализация», со следующим шагом запаса устанавливается реостат «ограничение» (например, если рабочее значение Мкр = 50 Нм. сигнализация ставится на 70 Нм, и ограничение ставится на 90 Нм.). В процессе бурении, если на забое возникают негативные явления (зашламование, самозаклинивание и т.п.) Мкр возрастает до 70 Нм. прибор подает сигнал. Если на сигнал не реагируют, а момент растет, то при достижении Мкр значения ограничения (в данном примере 90 НМ.) прибор сам автоматически поставит гидравлику в положение «шпиндель вверх», поднимет снаряд от забоя и затем остановит двигатель станка. То есть, прибор автоматически предотвратит аварийную ситуацию.

Примером комплексной механизации и автоматизации практически всех основных, включающих автоматизацию управления, и большинства вспомогательных операций по бурению скважин является «Буровая установка нового поколения» - РБК-4 (Справочник по бурению геологоразведочных скважин, 2000 г.)

Для того, чтобы полностью автоматизировать управление процессом бурения нужно:

1. Выбрать рабочие локальные критерии оптимизации.

2. Выбрать методику управления процессом бурения.

3. Обеспечить получение необходимой информации в том числе с забоя скважины, хотя бы

косвенно.

Выбор методики управления относится к алмазному бурению в твердых породах. Здесь есть два варианта методики управления – по осевой нагрузке на коронку и по задаваемой углубке за оборот. В разделе особенности технологии алмазного бурения подробно анализировались достоинства управления по углубке за оборот. К этим достоинствам можно добавить, что эта методика значительно лучше подходит для автоматизации управления процессом бурения. Автоматически определять и поддерживать оптимальную углубку за оборот, используя в качестве контрольного параметра величину осевой нагрузки. Значение величины осевой нагрузки легко преобразовать в электрический сигнал, применяя манометр с электросигналом Аспирантами кафедры разведочного бурения РГГРУ был создан простейший автомат с электрической схемой, который с помощью электроманометра и сильсинной передачи на регулятор потока в гидравлической схеме бурового станка, позволял автоматически находить и поддерживать оптимальное значение углубки за оборот.

Задача получения информации, необходимой для оптимизации и автоматизации процесса управления бурением наиболее сложная и до конца не решенная и в настоящее время. Прежде всего надо определить, что именно необходимо измерять для эффективного управления процессом бурения, определить объекты и методы измерения. Объекты бурения, значения величин которых оказывают большее или меньшее влияние на на оценку обстоятельств бурения и на принятие решений по управлению процессом бурения приведены на диаграмме. Рис №.

Как видно из приведенной диаграммы все объекты измерения необходимые для принятия решения по управлению процессом бурения, можно разделить на две группы: постоянно действующие параметры – характеристика состояния скважины, состояние бурового инструмента, параметры очистного агента и параметры, отражающие процесс бурения скважины.

Информация о состоянии объектов первой группы должна учитываться при принятии как общих (стратегических) решений при проектировании режимов бурения для оценки необходимых ограничений, так и при непосредственном управлении процессом бурения. Измерения параметров этих объектов производятся эпизодически, иногда один – два раза за время бурении скважины, только состояние породоразрушающих инструментов оценивают после каждого рейса.

Объекты второй группы должны давать оперативную информацию, используемую непосредственно для управления процессом бурения и для внесения корректив в управление на основании получаемой информации. В этой группе в свою очередь выделяются объекты измеряемые непосредственно на поверхности и параметры процесса бурения действующие на забое.

Параметры процесса бурения, измеряемые на поверхности, в свою очередь делятся на три группы различающиеся по своим функциям: параметры управления (режима бурения), параметры контроля процесса бурения и параметры эффективности (оценки результатов бурения).

Параметры управления являются активной частью управления процессом, они задаются, устанавливаются и корректируются напрямую бурильщиком или автоматической системой управления.

Параметры контроля позволяют оценивать благоприятные условия процесса бурения и дают информацию о нарастании неблагоприятных условий и возникновении аварийных ситуаций.

Параметры эффективности дают возможность оценивать правильность принимаемых решений по управлению процессом бурения, позволяют целенаправленно вносить коррективы в управление процессом, являются критериями оптимизации процесса бурения, позволяют определять рациональный момент прекращения рейса.

Производственный опыт бурения и специальные исследования показывают, что реальные значения основных параметров режима бурения, замеряемые на поверхности, и действительные значения этих параметров на забое скважины могут значительно различаться, что нельзя не учитывать при управлении процессом бурения.

К сожалению, забойные параметры бурения приходится оценивать косвенно по информации, имеющейся на поверхности. Реальных приборов и датчиков, которые позволяли бы получать напрямую информацию с забоя скважины, пока нет. В свое время были разработаны и испытаны комплекты приборы для измерения забойных параметров в процессе бурения. Приборы с передачей информации с забоя скважины на поверхность с помощью радио сигналов позволяли получать информацию с забоя только при глубине скважины до 100 м. Приборы, регистрирующие параметры бурения непосредственно на забое во время бурения оказались очень сложными и ненадежными в тяжелых условиях бурения. Все эти приборы могли использоваться и использовались только для проведения опытных исследований, а для производственного применения не пригодны. Опытные измерения забойных параметров дали очень важную информацию о соотношении косвенных измерений на поверхности и реальными значениями тех же параметров на забое. Основной интерес представляло соотношение величины осевой нагрузки на ПРИ, замеренной на поверхности по усилию приложенному к верхнему концу бурового снаряда и веса снаряда в скважине, и непосредственно замеренной на забое. Эти измерения показали, что в зависимости от условий бурения почти всегда реальная величина осевой нагрузки на ПРИ на забое меньше, иногда, очень значительно меньше замеренной(вычисленной) на поверхности, т.е. происходит потеря осевой нагрузки. Величина потери осевой нагрузки может достигать 50% и более от замеренной на поверхности. Потери осевой нагрузки объясняются двумя причинами – распором бурильных труб в скважине за счет сил трения изогнутых бурильных труб о стенки скважины. Бурильные трубы почти всегда под действием осевой нагрузки и центробежных сил изгибаются тем больше, чем больше диаметр скважины и чем больше осевая нагрузка. Отмечались случаи, когда с увеличением усилия осевой нагрузки, передаваемой с поверхности, реальная осевая нагрузка на забое становилась меньше. Вторая причина отличия осевой нагрузки на забое от поверхностной – гидроподпор. Сила гидроподпора, действующая на буровой снаряд снизу вверх зависит от характера гидросопротивлений в колонковом наборе (размер промывочных каналов коронки, их чистота) и от расхода промывочной жидкости причем в квадратичной зависимости. При малых расходах жидкости сила гидроподпора незначительна, но при больших расходах она может достигать величин соизмеримых с осевой нагрузкой.

Второй параметр режима бурения – частота вращения, количественно совпадает с измеренной на поверхности, но различия все-таки есть – различия качественные. Если на поверхности вращение ведущей бурильной трубы и.соответственно, верхней части бурового снаряда более-менее равномерно, то на забое характер вращения коронки может значительно отличаться. Исследования, проведенные сотрудниками кафедры бурения нашего университета показали, что вращение коронки на забое может иметь три разных режима - нормальное равномерное вращение, неравномерное вращение и прерывистое вращение с остановками и срывами. Первый режим нормальный, второй нежелательный, так как приводит к повышенному износу коронок, третий режим недопустим – приводит к разрушению коронок и обрывам бурильных труб. Неравномерность вращения коронки возникает из-за упругих свойств бурильной колонны и неравномерности сопротивления породы вращению коронки. При слишком большой осевой нагрузке резцы внедряются в породу на столько что крутящего момента становится недостаточно, колонна труб начинает скручиваться, момент возрастает, порода скалывается и коронка проворачивается, а затем процесс повторяется, т.е возникают релаксационные колебания.

Третий параметр режима бурения - расход очистного агента на забое может отличаться от замеренного на поверхности за счет утечек (потери) части промывочной жидкости через резьбовые соединения бурильных труб. В качественных колоннах труб утечки незначительны, но в сильно изношенных трубах утечки могут достигать 10 – 30% от расхода и будут тем больше, чем больше давление жидкости на насосе и больше частота вращения снаряда.

Для достижения действительно оптимальных результатов бурения в перспективе необходимо решить проблему получения прямой достоверной информации с забоя скважины непосредственно в процессе бурения.

Методы измерения параметров бурения.

Измерения, восприятие и использование информации получаемой в процессе бурения могут осуществляться различными методами:

1 Прямые и косвенные измерения – это различие рассмотрено выше.

2. Одиночные и комплексные измерения. В зависимости от конкретных условий бурения и главных задач управления процессом может быт достаточно измерение только одного параметра бурения, например скорости углубки или осевой нагрузки на ПРИ, но такие случаи бывают только при самых легких условиях бурения (небольшая глубина, бескерновое бурение и.т.п.). в большинстве случаев для правильной оценки ситуации и принятия правильных решений управления процессом бурения, необходимо учитывать одновременно информацию нескольких объектов бурения. Наиболее эффективно одновременно учитывать информацию о большинстве параметров процесса бурения. Такие измерения позволяют выполнять давно применяющиеся комплекты приборов КУРС с измерением одновременно 4, 6 и 7 параметров бурения (осевая нагрузка, частота вращения, расход промывочной жидкости, давление в нагнетательной линии, крутящий момент, механическая скорость бурения),

К сожалению, нет серийных приборов для измерения рейсовой скорости бурения, хотя это реально и было бы очень полезно.

3. Визуальные измерения и регистрация параметров. Также как и комплексные измерения значительно эффективнее, чем одиночные, так регистрация параметров по времени рейса дает на порядок выше, чем визуальные наблюдения. Регистрация комплексных измерений параметров по времени, не только позволяет видеть и анализировать совокупность показателей параметров управления, параметров контроля и,главное, параметров эффективности, т.е. результатов управления. Такой регистрирующий комплект приборов «РУМБ» применяется давно, но редко из-за инертности руководителей буровых работ. Наиболее полное измерение и использование параметров бурения и дополнительная информация о вспомогательных процессах (до 20 параметров) используется в автоматизированной буровой установки РБК-4. Современное развитие электронной техники возможно позволяет создать и внедрить новое поколение приборов для комплексного измерения и регистрации параметров бурения в сочетании с системами автоматизации управления процессами бурения.

Приложение к курсу лекций по бурению на ТПИ.

Дата добавления: 2014-01-07