Пути механизации и автоматизации в геологоразведочном бурении

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 - 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 (например, буровой агрегат РБК-4).

Основные направления автоматизации в бурении скважин:

1. Полная механизация и последующая автоматизация спускоподъемных операций.

2. Автоматизация отдельных действий бурового станка – замечательное решение автоматическое перекрепление зажимных патронов без остановки бурения на шпиндельных станках серии СКБ- «Автоперехват»

3. Автоматизация управления процессом бурения.

Началом автоматизации управления процессом бурения можно считать применение прибора ОМ-40 («измеритель и автоматический ограничитель крутящего момента»). Этот обычный простой электроизмерительный прибор измеряет величину крутящего момента, передаваемого на буровой снаряд, путем деления измеряемой мощности на частоту вращения (N= Мкр.∙n). 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. = 50кНм \сигнализация ставится на 70кНм, а ограничение ставится на 90кНм. В процессе бурении, если на забое возникают негативные явления (зашламование, самозаклинивание и т.п.) и Мкр. Возрастает до 70кНм. Прибор подает сигнал. Если на сигнал не реагируют, а момент растет, то при достижении Мкр значения ограничения (в данном примере 90кНм) 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. В современных станках подобное решение может быть легко реализовано с использованием компьютерных технологий

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.

Системы автоматического управления с использованием компьютерных технологий применяются в современных станках ведущих зарубежных фирм (например, в станках Diamec фирмы Atlas Copco).

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 то, что эта методика значительно лучше подходит для автоматизации управления процессом бурения. Можно 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 сельсинной 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 решена и в настоящее время. Прежде всего, надо определить, что именно и как необходимо измерять для эффективного управления процессом бурения, определить объекты и методы измерения. Объекты бурения, значения параметров которых оказывают большее или меньшее влияние на оценку обстоятельств бурения и на принятие решений по управлению процессом бурения, приведены на диаграмме.

Как видно из приведенной диаграммы все объекты измерения необходимые для принятия решений по управлению процессом бурения, можно разделить на две группы:

-постоянно действующие параметры – характеристика состояния скважины, состояние бурового инструмента, параметры очистного агента,

- 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 бурения скважины, только состояние породоразрушающих инструментов, если он используется повторно, ценивают 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 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 приборов 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 техже параметров на забое.

Основной интерес представляло соотношение величины осевой нагрузки на ПРИ, замеренной на поверхности по усилию, приложенному к верхнему концу бурового снаряда с учетом 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, значительно меньше, замеренной (вычисленной) на поверхности, т.е. происходит потеря осевой нагрузки. Величина потери осевой нагрузки может достигать 50% и более от показанной прибором 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 вычисленной на поверхности – 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 от расхода 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 ПРИ на забое 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 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 для скола породы становится недостаточно, колонна труб начинает закручиваться, 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.