Непрерывный контроль за параметрами режима бурения и их исследование, являющиеся обязательной частью технологического процесса бурения скважин, позволяют:
установить оптимальный режим бурения применительно к конкретным ГТУ и корректировать его с учетом изменения геологического разреза;
предупреждать аварийные ситуации, возникающие в процессе бурения;
получить объективные сведения о балансе рабочего времени, что позволяет выявлять резервы роста производительности труда;
автоматизировать процесс.
Параметры режима бурения устанавливаются и контролируются с помощью средств измерения одиночных параметров (веса бурового инструмента и осевой нагрузки на забой скважины; крутящего момента на роторе расхода бурового раствора давления бурового и цементного растворов), а также комплекса приборов контроля и регистрации основных технологических параметров бурения.
К КИП для измерения одиночных параметров относятся ГИВ; преобразователи крутящего момента и усилий для измерения момента типов ДКМ и ПМР, индикаторы крутящего момента на роторе ГИМ - 1 и КМР - 1; расходомеры РГР - 7 и РГР - 100; манометр геликсный МБГ- 1.
Нагрузку на забой с помощью ГИВ определяют как разницу между весом бурильной колонны, когда инструмент чуть приподнят над забоем, и весом ее во время бурения. Вес инструмента, висящего на крюке талевой системы, определяется как произведение усилия в неподвижном конце каната на число его струн, несущих талевый блок. При этом учитывается начальное усилие в неподвижном конце от веса талевого блока, крюка и вертлюга.
Нагрузка, действующая на вышку, вычисляется как произведение усилия в неподвижном конце талевого каната на общее число несущих струн плюс две струны (неподвижный и ходовой конца каната), т.е учитываются дополнительные усилия на вышку, передаваемые через кронблок ходовым и неподвижным концами талевого каната.
Для измерения веса бурильной колонны, подвешенной на крюке талевой системы, и косвенного определения осевой нагрузки на долото служит прибор, называемый индикатором веса. Перед началом бурения бурильную колонну, находящуюся над забоем, вращая вхолостую, медленно подают на забой, затем включают буровые насосы и замечают первое показание индикатора веса; второе его показание отсчитывают в начале бурения. Величина нагрузки на забой будет равняться разности показаний индикатора веса до и после начала бурения, умноженной на число струн талевого блока.
В индикаторе веса использован принцип измерения горизонтальной составляющей натяжения неподвижного конца каната. Для уменьшения габаритов и веса индикатора он рассчитывается на усилие не от всего веса бурильной колонны, а лишь на усилие в неподвижном конце талевого каната; изменение этого усилия пропорционально нагрузке на крюке.
Гидравлический индикатор веса (ГИВ) состоит из трансформатора давления и манометров - показывающего и самопишущего. По показывающим приборам бурильщик контролирует текущий процесс бурения. По записи диаграммы самопишущего манометра и работы, связанные с ее проходкой.
Основными узлами гидравлического индикатора (рис. 7.24) являются гидравлический трансформатор давления 7, манометр 6, показывающий прибор (верньерный) 5, регистрирующий прибор 4 с краном 2 и пресс-бачком 3. Все перечисленные устройства соединены в единую гидравлическую систему трубкой 1, заполненной специальной жидкостью из пресс-бачка. Насос используется для закачки жидкости в систему, вентиль - для отключения системы от насоса после закачки.
Трансформатор давления является преобразователем усилий в неподвижном конце талевого каната в величины давления, передаваемые на показывающий и самопишущий манометры. Трансформатор представляет собой гидравлическую мессдозу, состоящую из литого корпуса и резиновой (с кордом) мембраны, расположенной внутри его. На мембрану опирается тарелка, несущая средний ролик. Трансформатор монтируется на неподвижном конце талевого каната, изгибающегося между крайними и средним (опорным) роликами. На средний ролик действует горизонтальная составляющая натяжения в канате, вызванная его изгибом. Усилие, действующее на тарелку, определяется величиной натяжения и углом изгиба каната.
Показывающим и самопишущим манометрами измеряется давление, пропорциональное усилиям, действующим на мембрану. Благодаря объемным деформациям упругих элементов манометра, а также соединительных трубок тарелка при увеличении давления несколько перемещается и изменяет угол изгиба каната. Это обстоятельство, согласно данным А.В. Синельникова, вносит нелинейную зависимость между давлением в трансформаторе и усилием в канате. Поэтому, чтобы пользоваться индикатором веса, необходимо иметь градуировоч- ную таблицу, которая составляется при тарировке прибора на заводе, изготовляющем приборы. Следовательно, индикатор веса - прибор, имеющий индивидуальную шкалу.
При управлении процессом бурения скважин необходим контроль момента вращения бурильной колонны, работающей в напряженном состоянии, так как превышение установленного значения крутящего момента может привести к сложной аварии. Крутящий момент устанавливают по изменению упругих свойств вала, углу его закручивания, тангенциальным напряжениям на поверхности или по изменению силы активного тока ротора электродвигателя. В качестве преоб-
разователей крутящего момента в электрический сигнал могут быть использованы индуктивные, индукционные, емкостные, магнитоупру- гие, струнные, танзометрические типы датчиков.
Момент на роторном столе контролируют по усилию, передаваемому ротором подроторному основанию. Крутящий момент измеряют
независимо от направления вращения ротора и натяжения цепной передачи. Крутящий момент роторного стола, приводящего во вращение колонну труб с инструментом, определяют по изменению натяжения цепной передачи датчиком ДКМ, который устанавливают под ведущей ветвью цепи привода.
При помощи регулировочного болта 2 и тарельчатой пружины 3 создается начальная стрела прогиба цепи привода роторного стола в месте соприкосновения звездочки 4, установленной на рычаге 1, с цепью (рис. 7.25). При изменении крутящего момента натяжение цепи меняется, что приводит к перемещению траверсы 5. Перемещение последней влечет за собой деформацию тарельчатой пружины и смещение рычага 1, связанного с измерительной обмоткой преобразователя и вторичным прибором. Погрешность измерения не превышает ± 2,5%.
Индикатор крутящего момента на роторе ГИМ - 1, используемый в комплексе Б - 7, состоит из гидравлического преобразователя цепи ротора, рычага с рабочим колесом, показывающего прибора, соединительного шланга и демпфера (рис. 7.26).
Техническая характеристика ГИМ – 1
В комплексе СКУБ для измерения момента на роторе используется преобразователь усилий типа ПМР (рис. 7.27). Мембрана 9 установлена в корпусе 3 и закреплена винтом 10. К кронштейнам 4 и 7, жестко соединенным с мембраной 9, прикреплены катушка 6 дифференциально трансформатора и плунжер 8. На кронштейнах установлен дифференциально-трансформаторный преобразователь. Корпус 3 ввинчен в сварной корпус 5, с помощью которого преобразователь устанавливается на основании ПМР или на основании опор качающегося редуктора. На резьбовой конец мембраны навинчивается стакан 11с тарельчатыми пружинами 2 и пята 1, воспринимающая усилие болта (при карданно-редукторном приводе) или рамы (при цепном приводе).
Техническая характеристика ПМР
Один из важнейших параметров режима промывки скважины - расход бурового раствора. Контроль за ним в нагнетательной линии насосов и на выходе из скважины позволяет установить возникновение газонефтепроявлений или поглощений, их интенсивность, момент окончания разбуривания поглощающих и проявляющих пластов, оценить эффективность изоляционных работ, т.е. свести к минимуму технико-экономические потери, связанные с осложнениями при бурении скважин.При турбинном способе расхода бурового раствора характеризует режим бурения. Знание последнего необходимо для оценки процесса разрушения горных пород в его взаимосвязи с энергетической харак
теристикой забойного двигателя. Для измерения расхода разработаны различные устройства.
Мгновенный расход бурового раствора в нагнетательной линии контролируют с помощью индукционного расходомера РГР - 7 или сменившего его РГР - 100.
Расходомеры РГР - 7 (рис. 7.28) и РГР -100 предназначебны для контроля мгновенного расхода электропроводных жидкостей, в частности бурового раствора на водной основе, и устанавливаются в напорном трубопроводе бурового или тампонажного манифольда. Преобразователь расхода по уровню взрывозащиты относится к особо взрывоопасному электрооборудованию.
Расходомеры состоят из первичного и вторичного преобразователей и указывающего прибора (рис. 7.28). Принцип действия индукционного расходомера основан на законе электромагнитной индукции. Электропроводная жидкость может быть рассмотрена как бесконечное число проводников, при прохождении которых в магнитном поле возникает э.д.с., пропорциональная средней скорости потока.
Система магнитного возбуждения 1 создает переменное магнитное поле, в котором по немагнитной и изолированной внутри трубе 2 протекает электропроводная жидкость. Индуцируемая в жидкости э.д.с. снимается с корпуса первичного преобразователя и одного электрода 3, введенного внутрь трубы, и подается в преобразовательный блок, где измеряется потенциометрическим методом. При этом компенсирующее напряжение снимается с потенциометра 4 через фазовращатель 5, получающий питание от системы катушек компенсации, находящихся в магнитном поле первичного преобразователя. Элемент
сравнения 6, построенный на триоде, дает сигнал разбаланса на усилитель 7 с выходом на реверсивный двигатель 8.
Двигатель поворачивает движок реохорда, а вместе с ним ротор сельсина-датчика 9 сведения разбаланса к нулю и фиксирует угол, пропорциональный измеряемой э.д.с., т.е. мгновенному объемному расходу.
Выходной сигнал с сельсина-датчика поступает на следующий сельсин указывающего (или регистрирующего) прибора 10.
В отличие от существующего отечественных и зарубежных индукционных расходомеров РГР - 7 и РГР - 100 компенсируют влияние на показания прибора не только электрических, но и магнитных свойств жидкости (при работе на утяжеленных буровых растворах) и, кроме того, рассчитаны на работу при повышенных колебаниях параметров питания (при работе от дизель-генераторной установки).
Для измерения давления глинистого и цементного растворов при бурении и цементировании нефтяных и газовых скважин применяют манометр буровой геликсный МБГ - 1.
Принцип действия прибора основан на преобразовании измеряемого давления в угол поворота бесконтактного сельсина-датчика с последующей передачей показаний.
Манометр МБГ - 1 (рис. 7.29) состоит из первичного преобразователя 3, блока питания 2, указателей 1, соединенных кабелями.
Измерительным элементом первичного преобразователя служит многовитковая манометрическая геликсная пружина, которая воспринимает давление жидкости через резиновый разделитель. Разделитель и манометрическая пружина заполнены незамерзающей жидкостью.
Угол поворота сельсина регулируется перестановкой цангового зажима на тот или иной виток манометрической пружины. Регулировка позволяет получить линейную зависимость между углом поворота сельсина и давлением. Для сглаживания пульсаций давления на входе в манометрическую пружину установлен дроссель с регулирующей иглой.
Для контроля основных технологических параметров предназначен комплекс средств наземного контроля и управления процессов бурения нефтяных и газовых скважин (СКУБ).
Основные технические характеристики и рекомендации комплексов СКУБ - Ml приведены в табл. 7.12.
Комплекс приборов Б - 7 объединения "Союзнефтегазавтомати- ка" позволяет контролировать и регистрировать нагрузку на долото, частоту вращения ротора, крутящий момент на роторе и механическом ключе, давление на выкиде буровых насосов и подачу бурового инструмента.
В комплекс Б - 7 входят следующие приборы:
ГИВ - М - измеритель нагрузки;
ГИД - 1 - измеритель давления на выкиде буровых насосов, состоящий из датчика давления, показывающего прибора, соединительного шланга и запорного вентиля. Датчик выполняет функции разделителя сред бурового раствора в напорном трубопроводе, измерителя, а также гасителя пульсаций;
ИСР - 1 - измеритель частоты вращения ротора, представляющий собой обычный электрический тахометр;
ГИМ - 1 - индикатор крутящего момента на роторе, состоящий из преобразователя силы, которая действует в ведущей ветви приводной цепи ротора, рычага с рабочим колесом, показывающего прибора, соединительного шланга и демпфера. В качестве показывающего прибора использован серийный, несколько модернизированный манометр;
ИХН - 1 - измеритель ходов поршня бурового насоса в единицу времени. Расход раствора контролируется числом ходов поршня бурового насоса в единицу времени. В комплексе Б - 7 число ходов поршня насосов замеряют с помощью прибора ИХН - 1, который идентичен ИСР - 1;
ИП - 1 - измеритель проходки;
ГМК - 1 - измеритель крутящего момента на механическом ключе, представляющий собой измеритель силы, которая действует на рукоятку ключа;
Р - 7 - многоканальный регистратор, служащий для одновременной синхронной записи всех указанных технологических параметров. С регистратором Р - 7 совмещен измеритель подачи инструмента ИП — Л
Проходку измеряют, фиксируя на ленте регистратора Р - 7 единичные интервалы в 10 см.
Технические показатели комплекса Б - 7 приведены в табл. 7.13.
В настоящее время, весьма актуальной стала задача существенного повышения достоверности измерений в критические моменты и их сохранения в независимом устройстве. Такое устройство, по аналогии называемое "черный ящик", должно регистрировать параметры буровой установки и сохранять их в течение, например, 5-10 лет.
В ЗАО Московское СКБ "Ореол" по заданию Волгоградского завода буровой техники разработано устройство регистрации предельных значений (РПЗ), предназначенное для измерения, записи в энергонезависимую память и сохранения неопределенно долго текущих значений нагрузки на крюк и давления в подающей магистрали буровой установки, с целью восстановления динамики изменения этих параметров при анализе режимов работы оборудования, в том числе, в случае возникновения аварийной ситуации. Функциональная схему устройства приведена на рис. 7.30.
По своему предназначению РПЗ относится к устройствам типа "черный ящик". Зарегистрированные устройством значения параметров не могут произвольно корректироваться или уничтожаться, считывание хранящейся информации производится с помощью компьютера, имеющего специальное программное обеспечение.
Устройство обеспечивает раздельную запись текущих значений нагрузки на крюк и давления в подающей магистрали (не менее 50000 записей) по каждому параметру. Формат записей: год, месяц, число, час, минута, значение нагрузки или давления.
Кроме этого, устройство фиксирует каждый случай отключения его и повторного включения, если продолжительность выключенного состояния превышает установленный интервал, например, 10 мин. Запись событий превышения параметра производится одни раз в мин. (максимальное значение в эту мин.), а текущих значений параметров один раз в 15 сек. (среднее значение за 15 сек.). Запись величины нагрузки на буровую установку или давления в магистрали производится в виде целых чисел с дискретом в одну "тонну" для нагрузки и в одну "атмосферу" для давления. Чтение величины нагрузки на крюк или давления в магистрали производится не менее 6 раз в сек.
В устройстве производится тестирование целостности датчиков, питания датчиков и других неисправностей. Результаты тестирования отображаются на светодиодной панели, а также могут предаваться в виде кодов ошибок на компьютер.
Общий вид конструкции РПЗ приведен на рис. 7.31.
Рис. 731. Конструкция РПЗ