RU2681160C1

RU2681160C1 - Active feed control regulator

Info

Publication number: RU2681160C1
Application number: RU2018115450A
Authority: RU
Inventors: Олег Викторович Никулин; Рафаэль Мирхазиянович Шарипов; Артур Ранисович Газизуллин; Роберт Абузарович Авхадеев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Управляющая компания "Татбурнефть" (ООО "УК "Татбурнефть")
Priority date: 2018-04-24
Filing date: 2018-04-24
Publication date: 2019-03-04

Abstract

FIELD: oil and gas industry.SUBSTANCE: invention relates to the drilling of oil and gas wells using hydraulic downhole motors, and in particular to the methods of controlling the axial load on the bit and the mode of operation of hydraulic downhole motors. Invention includes measurements of the weight of the drill pipe string above the bottomhole and with the load on the bit, maintaining the specified difference of the measured values, the adjustment of the axial load on the bit by measuring the pressure in the manifold during operation of the hydraulic downhole motor and comparing the pressure with the set value from the bench characteristic (or according to the datasheet data). At the same time, the required pressure drop on the hydraulic downhole motor is determined from its bench characteristic (or according to the datasheet values), which is incorporated in the control system, depending on the value of the regulated output parameter of the hydraulic downhole motor – power, torque or speed. Sum of the differential pressure in the operating mode (depending on the value of the selected output parameter) and the differential pressure on the hydraulic downhole motor at idle is determined as setting of pressure in the manifold. Pressure setpoint in the manifold is compared with the actual pressure, and their difference is the signal for correcting the axial load on the bit.EFFECT: technical result is an increase in the efficiency of drilling by promptly adjusting the axial load on the bit and changing the operating modes of downhole hydraulic motors using their output parameters – power, torque, speed.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин гидравлическими забойными двигателями, а именно к способам контроля осевой нагрузки на долото и режима работы гидравлических забойных двигателей. Техническим результатом является повышение эффективности бурения скважин путем оперативного регулирования осевой нагрузки на долото и изменения режимов работы гидравлических забойных двигателей используя их выходные параметры - мощность, момент, частоту вращения. Изобретение включает замеры показаний веса колонны бурильных труб над забоем и с нагрузкой на долото, поддержание заданной разницы измеренных значений, корректировку осевой нагрузки на долото путем измерения давления в манифольде при работе гидравлического забойного двигателя и сравнения давления с заданным значением из стендовой характеристики (или по паспортным данным). При этом определяется необходимый перепад давления на гидравлическом забойном двигателе из его стендовой характеристики (или по паспортным значениям), которая заложена в систему управления, в зависимости от величины регулируемого выходного параметра гидравлического забойного двигателя - мощности, момента или частоты вращения. Определяется сумма перепада давления в рабочем режиме (в зависимости от величины выбранного выходного параметра) и перепада давления на гидравлическом забойном двигателе в режиме холостого хода как задание давления в манифольде. Задание давления в манифольде сравнивается с фактическим давлением, а их разность является сигналом коррекции осевой нагрузки на долото.The invention relates to the drilling of oil and gas wells by hydraulic downhole motors, and in particular to methods of controlling the axial load on the bit and the operating mode of the hydraulic downhole motors. The technical result is to increase the efficiency of well drilling by quickly adjusting the axial load on the bit and changing the operating modes of the hydraulic downhole motors using their output parameters - power, torque, speed. The invention includes measuring the weight of the drill pipe string over the bottom and with the load on the bit, maintaining a given difference in measured values, adjusting the axial load on the bit by measuring the pressure in the manifold when the hydraulic downhole motor is running and comparing the pressure with the set value from the bench characteristic (or according to the passport data). At the same time, the necessary pressure drop across the hydraulic downhole motor is determined from its bench characteristic (or according to the passport values), which is embedded in the control system, depending on the magnitude of the adjustable output parameter of the hydraulic downhole motor - power, torque or speed. The sum of the differential pressure in the operating mode (depending on the value of the selected output parameter) and the differential pressure on the hydraulic downhole motor in idle mode is determined as the pressure in the manifold. The pressure reference in the manifold is compared with the actual pressure, and their difference is a signal for the correction of the axial load on the bit.

Известна система автоматического управления процессом бурения (патент РФ №2041348, дата публикации 09.08.1995) содержащая датчик механической скорости, датчик осевой нагрузки, экстремальный регулятор и блок преобразования координат. При этом входы блока преобразования координат соединены с датчиком механической скорости и осевой нагрузки, выход соединен с входом экстремального регулятора. Система позволяет преобразовать не экстремальный объект в экстремальный и обеспечить тем самым автоматический поиск режима бурения по осевой нагрузке.A known system for automatic control of the drilling process (RF patent No. 2041348, publication date 08/09/1995) containing a mechanical speed sensor, an axial load sensor, an extreme controller and a coordinate conversion unit. In this case, the inputs of the coordinate transformation unit are connected to the sensor of mechanical speed and axial load, the output is connected to the input of the extreme controller. The system allows you to convert a non-extreme object into an extreme one and thereby ensure automatic search of the drilling mode by axial load.

Известен способ регулирования электропривода регулятора подачи долота (патент РФ №2108456, дата публикации 10.04.1998). В способе после задания нагрузки на долото преобразуют его в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе микропроцессорного комплекса (МПК). Задают в МПК скорость подачи долота. После растормаживания колонны бурильных труб и измерения тока двигателя преобразуют текущее значение тока двигателя в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Определяют статический ток двигателя в МПК. Фиксируют статический ток двигателя в МПК, запоминая тем самым вес колонны до соприкосновения долота с забоем. Перечисленные выше операции повторяют при каждом разбуривании скважины на длину очередной пристыкованной к колонне трубы. Затем тестируют электропривод регулятора подачи долота. После соприкосновения долота с забоем вновь ток двигателя, измеренный датчиком тока, преобразуют в цифровую форму в АЦП. Определяют в МПК статический ток двигателя. Определяют нагрузку на долото в МПК и определяют в нем ошибку по нагрузке на долото. Обрабатывают ее, определяя сигнал задания на скорость двигателя. После измерения скорости двигателя преобразуют текущее значение двигателя в цифровую форму. Определяют в МПК ошибку по скорости двигателя, обрабатывают ее, определяя сигнал задания на ток. Определяют в МПК ошибку по току двигателя, обрабатывают ее, определяя управляющее воздействие на преобразователь. Выдают его в порт ввода-вывода МПК, преобразуют в аналоговую форму в АЦП и подают преобразованное управляющее воздействие на преобразователь, питающий двигатель.A known method of regulating the electric drive of the bit feed regulator (RF patent No. 2108456, publication date 04/10/1998). In the method, after setting the load on the bit, it is converted to digital form in an analog-to-digital converter of a microprocessor complex (IPC). Set the bit feed rate in the IPC. After disengaging the drill pipe string and measuring the motor current, the current value of the motor current is converted to digital form in an analog-to-digital converter (ADC). Determine the static motor current in the IPC. The static motor current is recorded in the IPC, thereby memorizing the weight of the column until the bit contacts the face. The above operations are repeated at each drilling of the well to the length of the next pipe docked to the column. Then test the electric drive regulator feed bit. After the bit contacts the face, the motor current, measured by the current sensor, is again converted into digital form in the ADC. The static current of the motor is determined in the IPC. The load on the bit in the IPC is determined and the error in the load on the bit is determined in it. They process it by determining the reference signal for engine speed. After measuring the speed of the engine, the current value of the engine is digitized. The error in the motor speed is determined in the IPC, it is processed, determining the current reference signal. The error in the motor current is determined in the IPC, it is processed, determining the control effect on the converter. Issue it to the input-output port of the IPC, convert it into an analog form in the ADC and apply the converted control action to the converter that feeds the motor.

Известна система автоматического управления процессом бурения, содержащая объект регулирования (буровой станок), датчики осевой нагрузки, скорости бурения, крутящего момента, управляющий блок адаптации, основное управляющее устройство, датчик сигнала по крутящему моменту, схему сравнения и исполнительную схему по частоте вращения (Авторское свидетельство СССР N 739219, кл. Е21В 45/00,1980).A well-known system for automatic control of the drilling process, containing the control object (drilling rig), axial load sensors, drilling speed, torque, adaptation control unit, main control device, signal signal for torque, comparison circuit and actuating circuit for speed (Copyright certificate USSR N 739219, class ЕВВ 45 / 00.199).

Общим недостатком указанных технических решений является то, что при бурении наклонных и горизонтальных скважин фактическая осевая нагрузка на долото не будет равна измеренным значениям с использованием наземного оборудования потому, что часть веса колонны бурильных труб воспринимается стенками скважины.A common drawback of these technical solutions is that when drilling deviated and horizontal wells, the actual axial load on the bit will not be equal to the measured values using ground equipment because part of the weight of the drill pipe string is perceived by the walls of the well.

Известен способ контроля осевой нагрузки на долото при бурении горизонтальных и наклонно-направленных скважин винтовым забойным двигателем (патент РФ №2361055, дата публикации 10.07.2009) включающий определение давления на стояке буровой установки в холостом режиме работы винтового забойного двигателя (долото над забоем), создание необходимой нагрузки на долото разгруженным весом бурильной колонны на забой, определяемой по станции геолого-технических исследований (ГТИ), до тех пор, пока давление на стояке не вырастет на величину разницы давлений в рабочем и холостом режимах работы двигателя, определенных по его характеристике, после запуска винтового забойного двигателя (над забоем), при работе его в режиме холостого хода производят проворачивание бурильной колонны с последующим замером величины момента на роторе в режиме работы двигателя на холостом ходу, после этого создают осевую нагрузку на долото и производят проворачивание бурильной колонны с последующим замером величины момента на роторе - момент на роторе в рабочем режиме работы двигателя, при этом фактическую осевую нагрузку на долото определяют по математической формуле. Недостатком способа является большое количество ручных измерений и расчетов, а также отсутствие автоматического регулирования подачи долота.A known method of controlling axial load on a bit when drilling horizontal and directional wells with a downhole motor (RF patent No. 2361055, publication date 07/10/2009) including determining the pressure on the riser of a drilling rig in idle operation of a downhole motor (bit above the bottom), creating the necessary load on the bit with the unloaded weight of the drill string at the bottom, determined by the station of geological and technical research (GTI), until the pressure on the riser increases by the amount of pressure difference in working and idle engine operating modes, determined by its characteristic, after starting a downhole screw motor (above the bottom), when operating in idle mode, the drill string is rotated with subsequent measurement of the magnitude of the moment on the rotor in the engine idle mode, then create an axial load on the bit and rotate the drill string with subsequent measurement of the magnitude of the moment on the rotor - the moment on the rotor in the operating mode of the engine, with the actual axis th load on the bit is determined by the mathematical formula. The disadvantage of this method is the large number of manual measurements and calculations, as well as the lack of automatic control of the bit feed.

Наиболее близким по технической сути и достигаемым результатам является способ контроля режима работы гидравлического забойного двигателя в забойных условиях (патент РФ №2508447, дата публикации 27.02.2014) включающий замеры показаний давления в нагнетательной линии под нагрузкой и без нагрузки на долото, поддержание постоянной разницы замеренных показаний давлений, определяют максимально допустимую величину скорости подачи долота по математической формуле, осуществляют замеры скорости подачи долота и в случае ее превышения выше максимального допустимого значения снижают ее. Недостатками способа являются, во-первых, отсутствие контроля за осевой нагрузкой на долото при бурении вертикальных участков скважины; во-вторых, отсутствие возможности раздельного регулирования выходных параметров гидравлических забойных двигателей, таких как развиваемая мощность, момент и частота вращения; в-третьих, пассивность регулирования - работа только на спуск колонны бурильных труб без осуществления приподъема колонны в случае резкого увеличения осевой нагрузки на долото.The closest in technical essence and the achieved results is a way to control the operation of a hydraulic downhole motor in downhole conditions (RF patent No. 2508447, publication date 02/27/2014) including measuring pressure readings in the discharge line under load and without load on the bit, maintaining a constant difference between the measured pressure readings, determine the maximum allowable value of the bit feed speed according to the mathematical formula, measure the bit feed speed, and if it is exceeded, the maximum permissible value reduces it. The disadvantages of the method are, firstly, the lack of control over the axial load on the bit when drilling vertical sections of the well; secondly, the inability to separately control the output parameters of hydraulic downhole motors, such as the developed power, torque and speed; thirdly, the passivity of regulation is the work only on the descent of the drill pipe string without lifting the string in the event of a sharp increase in axial load on the bit.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности бурения скважин путем оперативного изменения режимов работы гидравлических забойных двигателей используя их выходные параметры - мощность, момент, частоту вращения.The objective of the present invention is to increase the efficiency of well drilling by quickly changing the operating modes of hydraulic downhole motors using their output parameters - power, torque, speed.

Технический результат достигается за счет того, что производятся замеры показаний веса колонны бурильных труб над забоем и с нагрузкой на долото, поддерживается заданная разница измеренных значений, корректировка осевой нагрузки на долото путем измерения давления в манифольде при работе гидравлического забойного двигателя и сравнения давления с заданным значением. При этом определяется необходимый перепад давления на гидравлическом забойном двигателе из его стендовой характеристики (или по паспортным значениям), которая заложена в память системы управления, в зависимости от величины регулируемого выходного параметра гидравлического забойного двигателя -мощности, момента или частоты вращения. Определяется сумма перепада давления в рабочем режиме (в зависимости от величины выбранного выходного параметра) и перепада давления на гидравлическом забойном двигателе в режиме холостого хода как задание давления в манифольде. Задание давления в манифольде сравнивается с фактическим давлением, а их разность является сигналом коррекции осевой нагрузки на долото.The technical result is achieved due to the fact that measurements are made of the weight of the drill pipe string over the bottom and with a load on the bit, the specified difference in the measured values is maintained, the axial load on the bit is adjusted by measuring the pressure in the manifold when the hydraulic downhole motor is running and comparing the pressure with the set value . At the same time, the necessary pressure difference on the hydraulic downhole motor is determined from its bench characteristic (or according to the passport values), which is stored in the control system memory, depending on the magnitude of the adjustable output parameter of the hydraulic downhole motor - power, torque or speed. The sum of the differential pressure in the operating mode (depending on the value of the selected output parameter) and the differential pressure on the hydraulic downhole motor in idle mode is determined as the pressure in the manifold. The pressure reference in the manifold is compared with the actual pressure, and their difference is a signal for the correction of the axial load on the bit.

Активный регулятор подачи долота содержит два контура регулирования (фиг.1) - первый контур регулирования осевой нагрузки на долото и второй контур регулирования давления в манифольде.The active bit feed controller contains two control loops (Fig. 1) - a first axial load control loop for the bit and a second manifold pressure control loop.

Первый контур регулирования осевой нагрузки на долото содержит датчик веса 1, установленный на неподвижном конце талевого каната и блок фиксации веса колонны бурильных труб 2, выходные сигналы которых сравниваются в первом сумматоре 1. Во втором сумматоре 2 сравниваются выходной сигнал первого сумматора 1 и сигнал блока задания осевой нагрузки на долото 5, выходной сигнал которого поступает в пропорционально-интегральный регулятор осевой нагрузки на долото 6, формирующий корректирующее воздействие в сигнал задания скорости бурения (спуска колонны бурильных труб). Блоком задания скорости бурения 7 устанавливается максимальная скорость бурения, выходной сигнал которого складывается в третьем сумматоре 3 с выходным сигналом регулятора 6. Выходной сигнал третьего сумматора 3 поступает в систему автоматического управления преобразователя частоты 8, который управляет электродвигателем 9 аварийного (вспомогательного) привода буровой лебедки.The first axial load control circuit for the bit contains a weight sensor 1 mounted on the fixed end of the hoist rope and a block for fixing the weight of the drill pipe string 2, the output signals of which are compared in the first adder 1. In the second adder 2, the output signal of the first adder 1 and the signal of the reference unit are compared axial load on the bit 5, the output signal of which is supplied to the proportional-integral controller of the axial load on the bit 6, which generates a corrective effect in the signal for setting the drilling speed (descent and drill pipe strings). The drilling speed setting unit 7 sets the maximum drilling speed, the output signal of which is added to the third adder 3 with the output signal of the controller 6. The output signal of the third adder 3 is supplied to the automatic control system of the frequency converter 8, which controls the electric motor 9 of the emergency (auxiliary) winch drive.

Второй контур регулирования давления в манифольде содержит блок 10 задания зависимости мощности, момента и частоты вращения от перепада давления на гидравлическом забойном двигателе из стендовой характеристики (или по паспортным данным гидравлического забойного двигателя), на первый вход которого поступает сигнал от блока выбора типа гидравлического забойного двигателя 11, на второй вход поступает сигнал от блока выбора регулируемого параметра 12, на третий вход поступает сигнал от блока задания величины регулируемого параметра 13. Блок 10 содержит зависимости мощности, момента и частоты вращения от перепада давления на различных гидравлических забойных двигателях из стендовых характеристик(или по паспортным данным гидравлических забойных двигателей), выходной сигнал которого складывается в четвертом сумматоре 4 с сигналом от блока фиксации давления в манифольде при работе гидравлического забойного двигателя на холостом ходу 4. Сигнал от датчика давления 3 сравнивается в пятом сумматоре 5 с выходным сигналом четвертого сумматора 4, выход которого поступает на пропорционально-интегральный регулятор давления в манифольде 14, выходной сигнал которого является сигналом коррекции осевой нагрузки на долото и поступает на третий вход третьего сумматора 3.The second manifold pressure control loop contains a block 10 for setting the dependence of power, torque and speed on the differential pressure on the hydraulic downhole motor from the bench characteristic (or according to the passport data of the hydraulic downhole motor), the first input of which receives a signal from the block of the type of hydraulic downhole motor 11, the second input receives a signal from the block for selecting the adjustable parameter 12, the third input receives a signal from the block for setting the value of the adjustable parameter 13. Block 10 contains the dependences of power, torque and speed on the differential pressure of various hydraulic downhole motors from bench characteristics (or according to the passport data of hydraulic downhole motors), the output signal of which is added to the fourth adder 4 with a signal from the pressure fixing block in the manifold during operation of the hydraulic downhole engine idling 4. The signal from the pressure sensor 3 is compared in the fifth adder 5 with the output signal of the fourth adder 4, the output of which is proportional tional-integral manifold pressure regulator 14, whose output signal is a correction of the axial load on the bit and supplied to the third input of the third adder 3.

Активный регулятор подачи долота работает следующим образом.The active controller feed bit works as follows.

Осуществляется спуск компоновки низа бурильной колонны и, не доходя до забоя производится взвешивание колонны бурильных труб. Сигнал о весе колонны бурильных труб поступает от датчика веса 1, установленного на неподвижном конце талевого каната. Вес колонны бурильных труб запоминается в блоке фиксации веса колонны бурильных труб 2. Запускают буровой насос и гидравлический забойный двигатель без нагрузки; фиксируется давление в манифольде при работе гидравлического забойного двигателя на холостом ходу. Сигнал о давлении в манифольде поступает од датчика давления 3. Давление в манифольде при работе гидравлического забойного двигателя на холостом ходу запоминается в блоке фиксации давления в манифольде при работе гидравлического забойного двигателя на холостом ходу 4. Спускают компоновку низа бурильной колонны до забоя плавно создавая нагрузку на долото.The lower part of the drill string is launched and, before reaching the bottom, the drill pipe string is weighed. The signal about the weight of the drill pipe string comes from a weight sensor 1 mounted on the fixed end of the hoist rope. The weight of the drill pipe string is stored in the unit for fixing the weight of the drill pipe string 2. Start the mud pump and hydraulic downhole motor without load; the pressure in the manifold is fixed when the hydraulic downhole motor is idling. The pressure signal in the manifold is received from the pressure sensor 3. The pressure in the manifold when the hydraulic downhole motor is idling is stored in the pressure fixing block in the manifold when the hydraulic downhole motor is idling 4. The bottom of the drill string is lowered to the bottom to smoothly create a load on bit.

Сигнал о весе колонны бурильных труб с блока фиксации веса колонны бурильных труб2 сравнивается в первом сумматоре 1 с сигналом от датчика веса 1. Выходной сигнал первого сумматора 1 является сигналом, пропорциональным осевой нагрузке на долото.The signal about the weight of the drill pipe string from the unit for fixing the weight of the drill pipe string 2 is compared in the first adder 1 with the signal from the weight sensor 1. The output signal of the first adder 1 is a signal proportional to the axial load on the bit.

В блок задания осевой нагрузки на долото 5 бурильщиком вводится необходимое значение осевой нагрузки на долото, выходной сигнал которого поступает на второй сумматор 2. На второй вход второго сумматора 2 поступает сигнал об осевой нагрузке на долото от первого сумматора 1. Выходной сигнал второго сумматора 2, являющийся сигналом ошибки регулирования, в зависимости от нагрузки на долото, может быть, как положительным, так и отрицательным, поступает на вход пропорционально-интегрального регулятора осевой нагрузки на долото 6, выходной сигнал которого поступает на вход третьего сумматора 3. На второй вход третьего сумматора 3 поступает сигнал от блока задания скорости бурения 7 (сигнал скорости спуска бурильной колонны в процессе бурения). Выходной сигнал третьего сумматора 3 является управляющим сигналом задания скорости, поступающий в систему автоматического управления преобразователя частоты 8, который управляет электродвигателем 9 аварийного (вспомогательного) привода буровой лебедки.In the unit for setting the axial load on the bit 5, the driller enters the necessary value of the axial load on the bit, the output signal of which is supplied to the second adder 2. The signal about the axial load on the bit from the first adder 1 is received at the second input of the second adder 2. The output signal of the second adder 2, which is a signal of regulation error, depending on the load on the bit, can be either positive or negative, it is input to the proportional-integral controller of the axial load on the bit 6, the output signal which is fed to the input of the third adder 3. The second input of the third adder 3 receives a signal from the unit for setting the drilling speed 7 (the signal for the descent of the drill string during drilling). The output signal of the third adder 3 is a control signal for setting the speed supplied to the automatic control system of the frequency converter 8, which controls the electric motor 9 emergency (auxiliary) drive winch.

В случае положительного выходного сигнала второго сумматора 2 - значение нагрузки на долото меньше заданного - сигнал будет восприниматься как задание на увеличение скорости спуска колонны бурильных труб в процессе бурения, а в случае отрицательного сигнала - значение нагрузки на долото больше заданного -сигнал будет восприниматься как задание на снижение скорости спуска колонны бурильных труб в процессе бурения вплоть до ее приподъема до тех пор, пока нагрузка не станет равна заданию.In the case of a positive output signal of the second adder 2 - the value of the bit load is less than the specified one - the signal will be perceived as a task to increase the speed of the drill pipe string lowering during drilling, and in the case of a negative signal - the value of the bit load more than the specified value - the signal will be perceived as a task to reduce the speed of descent of the drill pipe string during drilling up to its rise until the load becomes equal to the task.

В случае наклонно-направленного бурения и бурения горизонтальных скважин фактическая осевая нагрузка на долото не будет равна выходному сигналу первого сумматора 1 потому, что часть веса колонны бурильных труб воспринимается стенками скважины. Для более точного регулирования осевой нагрузки на долото вводится контур регулирования перепада давления на гидравлическом забойном двигателе. Блок 10 содержит зависимости мощности, момента и частоты вращения от перепада давления на гидравлических забойных двигателях из стендовых характеристик (или по паспортным данным гидравлических забойных двигателей). Указанные зависимости вносятся в блок 10 для различных типов гидравлических забойных двигателей, используемых при бурении. Выбор типа гидравлического забойного двигателя осуществляется блоком выбора типа гидравлического забойного двигателя 11, выбор регулируемого параметра - мощности, момента или частоты вращения - осуществляется блоком выбора регулируемого параметра 12, а величина регулируемого параметра задается блоком задания величины регулируемого параметра 13. Выходной сигнал блока регулирования выходных параметров гидравлических забойных двигателей 10 является сигналом задания перепада давления на гидравлическом забойном двигателе, поступает на четвертый сумматор 4, где складывается с сигналом давления в манифольде при работе гидравлического забойного двигателя на холостом ходу. Выходной сигнал четвертого сумматора 4 является сигналом задания давления в манифольде, который сравнивается в пятом сумматоре 5 с сигналом фактического давления в манифольде от датчика давления 3. Выходной сигнал пятого сумматора 5, являющийся сигналом ошибки регулирования давления, в зависимости от фактической нагрузки на долото, может быть, как положительным, так и отрицательным, поступает на вход пропорционально-интегрального регулятора давления в манифольде 14, выходной сигнал которого поступает на вход третьего сумматора 3 и является сигналом коррекции осевой нагрузки на долото.In the case of directional drilling and horizontal drilling, the actual axial load on the bit will not be equal to the output signal of the first adder 1 because part of the weight of the drill pipe string is perceived by the borehole walls. To more accurately control the axial load on the bit, a pressure differential control circuit is introduced on the hydraulic downhole motor. Block 10 contains the dependences of power, torque and speed on the differential pressure on hydraulic downhole motors from bench characteristics (or according to the passport data of hydraulic downhole motors). The indicated dependencies are entered in block 10 for various types of hydraulic downhole motors used in drilling. The choice of the hydraulic downhole motor type is carried out by the hydraulic bottomhole motor type selection unit 11, the choice of the adjustable parameter — power, torque or speed — is carried out by the adjustable parameter selection unit 12, and the adjustable parameter value is set by the variable parameter setting unit 13. The output signal of the output parameter control unit hydraulic downhole motors 10 is a signal for setting the differential pressure on the hydraulic downhole motor, is transmitted to the fourth adder 4, where it folds with the pressure signal in the manifold when the hydraulic downhole motor is idling. The output signal of the fourth adder 4 is a signal for setting the pressure in the manifold, which is compared in the fifth adder 5 with the actual pressure signal in the manifold from the pressure sensor 3. The output signal of the fifth adder 5, which is a pressure control error signal, depending on the actual load on the bit, can to be both positive and negative, is fed to the input of the proportional-integral pressure regulator in the manifold 14, the output signal of which is fed to the input of the third adder 3 and is I signal axial load on the bit correction.

При необходимости блоком 10 может задаваться необходимое давление без учета стендовых характеристик или паспортных данных гидравлических забойных двигателей, при этом обнуляются выходные значения блоков 11, 12 и 13, а в блок 10 вручную вводится задание перепада давления на гидравлическом забойном двигателе. Предлагаемый активный регулятор подачи долота может использоваться для контроля режима бурения, как для винтовых забойных двигателей, так и турбобуров.If necessary, block 10 can set the required pressure without taking into account bench characteristics or passport data of hydraulic downhole motors, while the output values of blocks 11, 12 and 13 are reset to zero, and the differential pressure setting on the hydraulic downhole motor is manually entered into block 10. The proposed active bit feed regulator can be used to control the drilling mode for both downhole screw motors and turbodrills.

В случае отрицательного выходного сигнала пятого сумматора 5 - фактическое значение давления в манифольде меньше заданного - сигнал будет восприниматься как задание на увеличение скорости спуска колонны бурильных труб, а в случае положительного сигнала - фактическое значение давления в манифольде больше заданного -сигнал будет восприниматься как задание на снижение скорости спуска колонны бурильных труб вплоть до ее приподъема.In the case of a negative output signal of the fifth adder 5 - the actual value of the pressure in the manifold is less than the specified one - the signal will be perceived as a task to increase the speed of the drill pipe string lowering, and in the case of a positive signal, the actual value of the pressure in the manifold is more than the specified value - the signal will be perceived as decrease in the speed of descent of the drill pipe string up to its rise.

Пропорционально-интегральные регуляторы 6 и 14 предназначены для выработки управляющего воздействия на объект управления пропорционально величине ошибки с учетом в данный момент времени предыдущую историю изменения входной величины.The proportional-integral controllers 6 and 14 are designed to generate a control action on the control object in proportion to the magnitude of the error, taking into account at the given time the previous history of the input value.

Рассмотрим работу активного регулятора подачи долота на примере. Допустим, что вес колонны бурильных труб непосредственно перед забоем составил 60 т. Это значение запоминается в блоке фиксации веса колонны бурильных труб 2. Бурильщиком задается значение осевой нагрузки на долото, например, 10 т, в блоке задания осевой нагрузки на долото 5. В блок задания скорости бурения 7 вводится начальное значение скорости бурения, например, на основании геолого-технического наряда. Спускается компоновка низа бурильной колонны до забоя плавно создавая нагрузку на долото. Выходное значение первого сумматора 1 - это фактическая осевая нагрузка на долото. Если сигнал с датчика веса 1 будет пропорционален, например, значению в 55 т, значит, что нагрузка на долото равна значению в 5 т (разность сигналов блока фиксации веса колонны бурильных труб 2 - 60 т и датчика веса 1 - 55 т). Это значение сравнивается во втором сумматоре 2 с заданным значением в блоке задания осевой нагрузки на долото 5. При этом положительный выходной сигнал второго сумматора 2 поступает на пропорционально-интегральный регулятор 6, который на своем выходе формирует положительный сигнал задания на увеличение скорости бурения (скорости спуска колонны бурильных труб) до тех пор, пока осевая нагрузка на долото не станет равна заданию. Выходной сигнал регулятора 6 складывается с сигналом задания скорости бурения блока 7 в третьем сумматоре, а его выход поступает в систему автоматического управления преобразователя частоты 8, управляющего электродвигателем 9.Consider the work of the active bit feed regulator using an example. Suppose that the weight of the drill pipe string immediately before the face was 60 tons. This value is stored in the block for fixing the weight of the drill pipe string 2. The driller sets the axial load on the bit, for example, 10 tons, in the block for setting the axial load on the drill bit 5. B setting the drilling speed 7, the initial value of the drilling speed is entered, for example, based on the geological and technical order. The bottom of the drill string is lowered to the bottom to smoothly create a load on the bit. The output value of the first adder 1 is the actual axial load on the bit. If the signal from the weight sensor 1 is proportional, for example, to a value of 55 tons, it means that the load on the bit is equal to a value of 5 tons (the difference between the signals of the unit for fixing the weight of the drill string 2 - 60 tons and the weight sensor 1 - 55 tons). This value is compared in the second adder 2 with the set value in the block for setting the axial load on the bit 5. In this case, the positive output signal of the second adder 2 is supplied to the proportional-integral controller 6, which at its output generates a positive reference signal to increase the drilling speed (descent speed drill pipe strings) until the axial load on the bit becomes equal to the reference. The output signal of the controller 6 is added to the signal for setting the drilling speed of block 7 in the third adder, and its output goes to the automatic control system of the frequency converter 8, which controls the electric motor 9.

Если сигнал с датчика веса 1 будет пропорционален, например, значению в 45 т, значит, что нагрузка на долото равна 15 т (разность сигналов блока фиксации веса колонны бурильных труб 2 - 60 т и датчика веса 1-45 т). Это значение сравнивается во втором сумматоре 2 с заданным значением в блоке задания осевой нагрузки на долото 5. При этом отрицательный выходной сигнал второго сумматора 2 поступает на пропорционально-интегральный регулятор 6, который на своем выходе формирует отрицательный сигнал задания на снижение скорости бурения (скорости спуска колонны бурильных труб) до тех пор, пока осевая нагрузка на долото не станет равна заданию. В случае резкого увеличения осевой нагрузки на долото регулятором 6 будет формироваться сигнал на снижение скорости бурения вплоть до приподъема колонны бурильных труб для восстановления заданной нагрузки. Такое регулирование называется активным.If the signal from the weight sensor 1 is proportional, for example, to a value of 45 tons, it means that the load on the bit is 15 tons (the difference between the signals of the unit for fixing the weight of the drill pipe string is 2-60 tons and the weight sensor is 1-45 tons). This value is compared in the second adder 2 with the set value in the block for setting the axial load on the bit 5. In this case, the negative output signal of the second adder 2 is supplied to the proportional-integral controller 6, which at its output generates a negative signal for the task to reduce the drilling speed (descent drill pipe strings) until the axial load on the bit becomes equal to the reference. In the case of a sharp increase in the axial load on the bit, the regulator 6 will generate a signal to reduce the drilling speed up to raising the drill pipe string to restore a given load. Such regulation is called active.

Предположим, бурильщиком в блоке выбора типа гидравлического забойного двигателя 11 выбран гидравлический забойный двигатель типа Д-178.6/7.62, в блоке выбора регулируемого параметра 12 - задан параметр мощности, а в блоке задания величины регулируемого параметра 13 - задано 200 кВт. Из стендовой характеристики гидравлического забойного двигателя типа Д-178.6/7.62, заложенной в блок 10, следует, что для мощности 200 кВт соответствует перепад давления величиной 11 МПа (фиг. 2). Выходной сигнал блока регулирования выходных параметров гидравлических забойных двигателей 10 в этом случае будет формировать на своем выходе сигнал задания, пропорциональный давлению в 11 МПа. Давление в манифольде при работе гидравлического забойного двигателя на холостом ходу с блока фиксации давления в манифольде при работе гидравлического забойного двигателя на холостом ходу 4 складывается с сигналом задания перепада давления в четвертом сумматоре 4. Например давление холостого хода гидравлического двигателя на определенной глубине составило 7 МПа, тогда выходной сигнал четвертого сумматора 4 будет пропорционален давлению в 18 МПа, что и является заданием давления в манифольде на данном интервале бурения. Если, например, давление в манифольде составило 16 МПа (сигнал от датчика давления 3), то выходной сигнал пятого сумматора 5 будет отрицательным, так как фактическое значение давления в манифольде 16 МПа меньше заданного 18 МПа. Это значит, что фактическая осевая нагрузка на долоте не достаточна для создания заданного перепада давления на гидравлическом забойном двигателе. Поэтому пропорционально-интегральным регулятором 14 формируется положительный сигнал коррекции осевой нагрузки на долото, поступающий на третий вход третьего сумматора 3 и будет восприниматься как задание на увеличение скорости спуска колонны бурильных труб до тех пор, пока давление в манифольде не станет равно 18 МПа.Suppose that a driller in the block for selecting the type of hydraulic downhole motor 11 selected a hydraulic downhole motor of type D-178.6 / 7.62, in the block for selecting adjustable parameter 12, a power parameter is set, and in the block for setting the value of adjustable parameter 13, 200 kW are set. From the bench characteristics of the hydraulic downhole motor of the D-178.6 / 7.62 type embedded in block 10, it follows that for a power of 200 kW there corresponds a pressure drop of 11 MPa (Fig. 2). The output signal of the control unit of the output parameters of the hydraulic downhole motors 10 in this case will generate a reference signal proportional to a pressure of 11 MPa at its output. The pressure in the manifold when the hydraulic downhole motor is idling from the pressure fixing unit in the manifold when the hydraulic downhole motor is idling 4 is added to the differential pressure signal in the fourth adder 4. For example, the idle pressure of the hydraulic motor at a certain depth was 7 MPa, then the output signal of the fourth adder 4 will be proportional to the pressure of 18 MPa, which is the reference pressure in the manifold for a given drilling interval. If, for example, the pressure in the manifold was 16 MPa (signal from the pressure sensor 3), then the output signal of the fifth adder 5 will be negative, since the actual value of the pressure in the manifold 16 MPa is less than the specified 18 MPa. This means that the actual axial load on the bit is not sufficient to create a given pressure drop on the hydraulic downhole motor. Therefore, the proportional-integral controller 14 generates a positive correction signal for the axial load on the bit, which arrives at the third input of the third adder 3 and will be perceived as a task to increase the speed of lowering the drill pipe string until the pressure in the manifold becomes 18 MPa.

В том случае, когда давление в манифольде больше заданного, например, 20 МПа, то выходной сигнал пятого сумматора 5 будет положительным, так как фактическое значение давления в манифольде 20 МПа больше заданного 18 МПа. Это значит, что фактическая осевая нагрузка на долоте велика для создания заданного перепада давления на гидравлическом забойном двигателе. Пропорционально-интегральным регулятором 14 формируется отрицательный сигнал коррекции осевой нагрузки на долото, поступающий на третий вход третьего сумматора 3 и будет восприниматься как задание на снижение скорости спуска колонны бурильных труб до тех пор, пока давление в манифольде не станет равно 18 МПа. При этом на валу гидравлического забойного двигателя будет развиваться мощность в 200 кВт (фиг. 2).In the case when the pressure in the manifold is greater than the specified one, for example, 20 MPa, the output signal of the fifth adder 5 will be positive, since the actual value of the pressure in the manifold 20 MPa is greater than the specified 18 MPa. This means that the actual axial load on the bit is large to create a given pressure drop across the hydraulic downhole motor. The proportional-integral controller 14 generates a negative signal for the correction of the axial load on the bit, which arrives at the third input of the third adder 3 and will be perceived as a task to reduce the speed of lowering the drill pipe string until the pressure in the manifold becomes 18 MPa. At the same time, a power of 200 kW will develop on the shaft of the downhole hydraulic motor (Fig. 2).

Аналогично можно выбрать в качестве регулируемого параметра момент или частоту вращения.Similarly, you can select the moment or speed as an adjustable parameter.

Предложенный активный регулятора подачи долота осуществляет не только поддержание заданной осевой нагрузки на долото, но и вносит корректировки по перепаду давления на гидравлическом забойном двигателе. Это позволяет улучшить использование гидравлического забойного двигателя, исключить его режимы разгона и торможения при изменениях осевой нагрузки, регулировать любой из выходных параметров двигателя по его стендовой характеристике. Такой подход позволит улучшить качество строительства скважины и увеличить механическую скорость бурения.The proposed active bit feed regulator not only maintains a given axial load on the bit, but also makes adjustments for the pressure drop across the hydraulic downhole motor. This makes it possible to improve the use of a downhole hydraulic motor, to exclude its acceleration and braking modes with changes in axial load, to regulate any of the output parameters of the motor according to its bench characteristic. This approach will improve the quality of well construction and increase the mechanical drilling speed.

Claims

An active bit feed regulator, including measuring the weight of the drill pipe string above the bottom and with a load on the bit, maintaining a given difference in measured values, adjusting the axial load on the bit by measuring the pressure in the manifold when the hydraulic downhole motor is idling and under load, characterized in that determines the necessary pressure difference on the downhole hydraulic motor from its bench characteristics (or according to the passport values), which are embedded in the control system, depending on the adjustable parameter and its value, the sum of the required differential pressure in the operating mode and the differential pressure on the hydraulic downhole motor in idle mode is determined as the pressure in the manifold, the pressure in the manifold is compared with the actual pressure, and their difference is a signal of axial load correction on the bit, while in the case of a sharp increase in axial load on the bit or an increase in the adjustable parameter of the hydraulic downhole motor is reduced e drilling speed until pripodema drill string, followed by reduction of the controlled variables.