Аналіз процесу буріння з точки зору об’єкту управління

1.1 Опис процесу буріння нафтових та газових свердловин

1.1.1Особливості процесу буріння як об’єкта управління

Буріння свердловини 3 – це процес спорудження направленої гірської виробки великої довжини і малого (в порівнянні з глибиною) діаметру з метою створення транспортної артерії, яка з’єднує продуктивний пласт з наземними спорудами. Процес спорудження свердловини складається із декількох етапів 3:

а) спорудження наземних споруд;

б) механічне буріння ствола свердловини, яке можна розділити на два процеси – руйнування породи за допомогою бурового інструмента і промивку свердловини буровим розчином, який транспортує вибурену породу до гирла. Ці два процеси суміщені в часі і протікають паралельно;

в) роз’єднання пластів, яке включає два послідовні види робіт – спуск обсадної колони і цементування(тампонування) позатрубного простору;

г) освоєння (закінчення) свердловини. Метою цього етапу є створення притоку нафти чи газу із пласта в спорудження свердловину.

Затрати на механічне буріння свердловини за оцінками авторів роботи 3 складають 75-80% від загальної вартості спорудження свердловини.

Тому основна увага в даній роботі приділена питанням управління процесом механічного буріння (або просто буріння) нафтових і газових свердловин.

Бурова установка, з допомогою якої здійснюється технологічний процес спорудження свердловини, з точки зору управління нею, є складним об’єктом з багатьма каналами передачі як керуючих впливів так і збурень, які зумовлені взаємодією системи з навколишнім середовищем і унікальними властивостями самої бурової установки.

Результатом дії вхідних впливів є величини, які характеризують стан керованого об’єкта, ефективність його протікання та техніко-економічні показники буріння. Виявлення в загальному випадку керуючих впливів є складною інженерною задачею 4 і розв’язок її визначається не тільки складністю системи, її фізичною природою, а й метою керування. Керуючі впливи повинні бути такими, щоб перевести систему із одного початкового стану в визначений кінцевий стан таким чином, щоб була досягнута мета керування.

Метою керування процесом буріння є безаварійне спорудження свердловини визначеної глибини і конструкції у задані терміни і, по можливості, з мінімальними затратами. Реалізується ця мета в процесі спорудження свердловини безпосередньо за допомогою керуючих впливів, які можна розділити на дві групи. Перша група – це різновидність бурових вишок, комплекс бурових станків, тип колони бурильних труб, типорозмір бурильного інструменту. Другу групу утворюють режимні параметри процесу – осьове навантаження на долото, швидкість його обертання, кількість та якість бурового розчину. Змінні першої групи носять назву елементів технічного управління, а другої – елементів технологічного управління.

Елементи технічного управління вибираються на стадії проектування свердловини і в подальшому залишаються незмінними, в крайньому випадку, для кожного рейсу проходки.

Елементи технологічного впливу можна цілеспрямовано змінювати з метою досягнення необхідних показників в кожному з рейсів.

Осьове навантаження на долото та швидкість його обертання визначають величину енергії, що вивільнюється при періодичних ударах зубів долота об поверхню вибою, а промивальна рідина, для ефективного протікання процесу руйнування вибою свердловини, повинна забезпечувати його повну очистку.

Крім того, керуючі впливи повинні задовольняти деяким додатковим вимогам. По-перше, керуючі впливи повинні бути такими, щоб керований об’єкт задовільняв умові керованості, тобто вони повинні переводити об’єкт із початкового стану (нульова проходка, нове долото) в кінцевий стан (проходка за рейс, відпрацьоване долото).

Із аналізу фузичної суті процесу буріння ясно, що осьове навантаження на долото, швидкість його обертання і витрата промивальної рідини задовольняють умовам керованості процесу буріння свердловини.

По-друге керуючі впливи повинні бути взаємно незалежними. Розглянемо як задовольняють цій вимозі керуючі впливи при різних способах буріння.

При сучасному розвитку техніки і технології буріння обертання долота відбувається за двома різними принциповими схемами 5: ротором і вибійним двигуном. В першому випадку долото обертається разом з колоною бурильних труб; в другому – колона бурильних труб нерухома і служить ланкою зв’язку між гирлом свердловини і вибійним двигуном, який обертає долото.

При роторному бурінні колона бурильних труб приводиться в обертовий рух окремим приводом.

З точки зору незалежності керуючих впливів i для електродвигуна приводу ротора бажано мати жорстку механічну характеристику.

Жорсткі механічні характеристики властиві асинхронним двигунам, а м’які – двигунам постійного струму і електромагнітним муфтам.

Бурові установки для буріння свердловини глибиною до 7км, як правило, комплектуються приводом ротора з асинхронним двигуном, а при бурінні свердловин глибиною 7-10км для індивідуального приводу ротора застосовують двигуни постійного струму.

Приводи ротора мають в більшості випадків ступеневе регулювання швидкості обертання ротора.

Як показали розрахунки [6] безступеневе регулювання швидкості обертання ротора при бурінні глибоких свердловин може забезпечити збільшення механічної швидкості буріння до 20%, а рейсової швидкості – до 30%.

Природно, що граничні значення керуючих впливів обмежені технічними можливостями і особливостями технологічного процесу.

Зі збільшенням глибини свердловини ( при незмінній потужності приводу ) граничні значення величин і зменшуються. Ця закономірність роторного буріння є одним із його негативних властивостей і пояснюється тим, що зі збільшенням глибини свердловини значна частина потужності приводу ротору тратиться на переборювання опору обертанню колони бурильних труб і відповідно зменшується потужність, яка тратиться на процес руйнування породи.

Цього недоліку немає турбінне буріння, оскільки джерелом енергії, яка живить турбіну приводу долота, є потік стисненої рідини, а колона бурильних труб залишається нерухомою. Тому долоту передається більше потужності, ніж при роторному бурінні, що викликає інтенсивніше руйнування гірської породи, а це приводить до збільшення механічної швидкості буріння. Турбінний спосіб буріння особливо ефективний там, де для промивки свердловини використовується вода або необважні промивальні рідини.

Відмінною рисою турбінного буріння є