RU2029859C1

RU2029859C1 - Method and apparatus to control mode of face hydraulic engine operation during oil well drilling process

Info

Publication number: RU2029859C1
Application number: SU4954492/03A
Authority: RU
Inventors: н В.И. Мирак; В.И. Миракян; Е.Я. Лапига; М.Г. Эскин
Priority date: 1991-06-17
Filing date: 1991-06-17
Publication date: 1995-02-27

Abstract

FIELD: oil extracting industry. SUBSTANCE: to increase efficiency of drilling, string of drilling pipes is lifted over face of oil-well, frequency of face engine idle mode rotation is measured and they exercise automatic identification of operational frequency of rotation, that corresponds to maintained in drilling process mode of maximum mechanical power, transferred to drill bit. In the case, moment of next identification is determined by amount of pumped mud at inlet of drilling string or by value of drilling mud pressure in pumping line of bore hole. Apparatus to realize the method has working frequency of rotation identification unit, input of which is connected with comparator and output - with microprocessor unit of control. EFFECT: methods and apparatus are used to control mode of operation of face hydraulic engines during oil wells drilling. 4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к буровой технике, в частности касается управления режимом работы забойных гидравлических двигателей при бурении скважин. The invention relates to drilling equipment, in particular for controlling the mode of operation of downhole hydraulic motors when drilling wells.

Известен способ управления режимом бурения путем регулирования осевой нагрузки на долото посредством ленточного тормоза лебедки на основе показаний наземного индикатора веса, с помощью которого осуществляется измерение веса на крюке [1]. There is a method of controlling the drilling mode by adjusting the axial load on the bit by means of a winch belt brake based on the readings of the ground weight indicator, with the help of which the weight on the hook is measured [1].

При всей своей простоте указанный споcоб хотя и позволяет судить о работе турбобура на забое скважины, но в то же время не обеспечивает его отработку в области максимума механической мощности. Объясняется это по крайней мере двумя основными причинами. Во-первых, информация, получаемая с помощью индикатора веса, особенно при наклонно направленном бурении, неточна, так как при этом не учитывается сила трения бурильной колонны о стенки скважины. Во-вторых, при бурении гидравлическими двигателями осевая нагрузка без точной информации о физико-механических свойствах проходимых горных пород не характеризует ни частоту вращения, ни развиваемый момент, т.е. мощность на валу двигателя, которая при прочих равных условиях определяет механическую скорость бурения. For all its simplicity, the indicated method, although it allows one to judge the operation of the turbodrill at the bottom of the well, does not at the same time ensure its development in the region of maximum mechanical power. This is explained by at least two main reasons. Firstly, the information obtained using the weight indicator, especially during directional drilling, is inaccurate, since it does not take into account the friction force of the drill string against the borehole wall. Secondly, when drilling with hydraulic motors, the axial load without accurate information on the physicomechanical properties of rocks passed through does not characterize either the rotational speed or the developed moment, i.e. power on the motor shaft, which, other things being equal, determines the mechanical drilling speed.

Известен также способ управления режимом работы турбобура путем автоматического поддержания постоянной величины осевой нагрузки на долото с помощью электропорошкового тормоза типа ТЭП-45, связанного механически с валом лебедки [2]. There is also a method of controlling the mode of operation of a turbodrill by automatically maintaining a constant value of the axial load on the bit using an electric powder brake of the TEP-45 type, mechanically connected to the winch shaft [2].

Как и в предыдущем способе, при данном методе не учитываются физико-механические свойства проходимых горных пород, в результате чего не обеспечивается отработка турбобура в области максимума механической мощности. As in the previous method, this method does not take into account the physicomechanical properties of passable rocks, as a result of which the development of a turbodrill in the region of maximum mechanical power is not ensured.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ и устройство для автоматического управления режимом работы турбобура [3] . Closest to the technical nature of the proposed is a method and apparatus for automatically controlling the operating mode of a turbodrill [3].

Такой способ включает вращение забойного двигателя и долота за счет циркуляции бурового раствора, создание в буровом растворе колонны бурильных труб импульсов давления с периодом следования, пропорциональным частоте вращения вала забойного двигателя, передачу их по буровому раствору на поверхность и формирование на основе поступающих импульсов давления сигналов управления тормозом барабана лебедки для поддержания постоянной частоты вращения вала. Реализация указанного способа осуществляется посредством устройства автоматического управления, содержащего глубинный импульсный датчик давления, подключенный ко входу аппаратурного блока наземного комплекса, выполненного в виде последовательно соединенных электромеханического приемника импульсов давления, фильтра-усилителя и компаратора и последовательно соединенных микропроцессорного блока управления и формирователя управляющего сигнала, выход которого подключен ко входу регулятора нагрузки на долото. Such a method includes rotation of the downhole motor and bit due to circulation of the drilling fluid, creation of pressure pulses in the drill string of the drill pipe string with a repetition period proportional to the rotational speed of the shaft of the downhole motor, their transmission through the drilling fluid to the surface, and formation of control signals based on the incoming pressure pulses winch drum brake to maintain constant shaft speed. The implementation of this method is carried out by means of an automatic control device containing a deep pulse pressure sensor connected to the input of a ground-based complex hardware unit made in the form of a series-connected electromechanical receiver of pressure pulses, a filter amplifier and a comparator, and a microprocessor control unit and a control signal shaper connected in series, output which is connected to the input of the bit load regulator.

Недостатком этого технического решения является отсутствие возможности автоматической идентификации рабочей частоты вращения, соответствующей максимуму механической мощности на долоте, что крайне необходимо, так как даже забойные движители одного и того же типа имеют существенный разброс характеристик. The disadvantage of this technical solution is the lack of automatic identification of the operating speed corresponding to the maximum mechanical power on the bit, which is extremely necessary, since even downhole propellers of the same type have a significant variation in characteristics.

Целью изобретения является повышение эффективности бурения скважин за счет определения режима максимальной мощности конкретного типа забойного гидравлического двигателя. The aim of the invention is to increase the efficiency of well drilling by determining the maximum power mode of a particular type of downhole hydraulic motor.

Цель достигается тем, что в способе управления режимом работы забойного гидравлического двигателя при бурении скважин, включающем создание в буровом растворе колонны бурильных труб импульсов давления с периодом, пропорциональным частоте вращения вала забойного двигателя, передачу их по буровому раствору на поверхность и формирование на основе поступающих импульсов давления сигналов управления тормозом барабана лебедки для поддержания постоянной частоты вращения вала, колонну бурильных труб приподнимают над забоем скважины, осуществляют измерение частоты вращения вала забойного двигателя в режиме холостого хода и автоматически производят идентификацию рабочей частоты вращения, соответствующей режиму максимальной механической мощности, передаваемой долоту, запоминают выбранное значение этой частоты в качестве уставки, затем опускают колонну бурильных труб на забой. В процессе бурения текущие значения частоты вращения сравнивают со значением уставки, и сигнал управления тормозом формируют в зависимости от полученного в результате сравнения сигнала рассогласования. Кроме того, момент проведения очередной идентификации осуществляют по величине расхода прокачиваемого бурового раствора на входе в бурильную колонну или по величине давления бурового раствора в нагнетательной линии скважины. The goal is achieved by the fact that in the method of controlling the operating mode of the downhole hydraulic motor when drilling wells, which includes creating pressure pulses in the drill string of the drill pipe string with a period proportional to the rotational speed of the shaft of the downhole motor, transferring them through the drilling fluid to the surface and forming based on the incoming pulses pressure control signals of the winch drum brake to maintain a constant shaft speed, the drill pipe string is raised above the bottom of the well, vlyayut measuring mud motor shaft rotation speed at idle and produce automatically identifying the operating speed corresponding to the maximum mechanical power mode, the transmitted bit, storing the selected value of this frequency as the setpoint, then the drill string is lowered to the bottom hole. During drilling, the current values of the rotational speed are compared with the setting value, and the brake control signal is generated depending on the mismatch signal obtained as a result of the comparison. In addition, the moment of the next identification is carried out by the value of the flow rate of the pumped drilling fluid at the inlet of the drill string or by the value of the pressure of the drilling fluid in the injection line of the well.

Для реализации данного способа уcтройcтво для управления режимом работы гидравлического забойного двигателя, содержащее глубинный импульсный датчик измерения и передачи на поверхность по буровому раствору импульсов давления, подключенный ко входу аппаратурного блока, выполненного в виде последовательно соединенных электромеханических приемника-преобразователя импульсов давления, фильтра-усилителя и компаратора, и последовательно соединенных микропроцессорного блока управления и формирователя управляющего сигнала, выход которого подключен ко входу регулятора нагрузки на долото, снабжено блоком идентификации рабочей частоты вращения, ко входу которого подключен выход компаратора, а выход блока идентификации соединен со входом микропроцессорного блока управления. To implement this method, a device for controlling the operating mode of a hydraulic downhole motor, comprising a deep pulse measuring and transmitting pressure pulses to the surface through the mud, connected to the input of the hardware unit, made in the form of series-connected electromechanical receiver-transducer of pressure pulses, a filter amplifier and comparator, and in series connected microprocessor control unit and control signal driver, the output of which о connected to the input of the load regulator on the bit, equipped with an identification unit for the operating speed, to the input of which the output of the comparator is connected, and the output of the identification unit is connected to the input of the microprocessor control unit.

На чертеже показана структурная схема устройства. The drawing shows a structural diagram of a device.

Устройство для управления режимом работы гидравлического забойного двигателя состоит из глубинного датчика 1, входная ось 2 которого связана с валом забойного двигателя 3, регулятора 4 нагрузки на долото и аппаратурного блока 5, содержащего электромеханический приемник-преобразователь 6 импульсов давления, фильтр-усилитель 7, компаратор 8, блок 9 идентификации, микропроцессорный блок 10 управления и преобразователь 11. A device for controlling the operating mode of a downhole hydraulic motor consists of a downhole sensor 1, the input axis 2 of which is connected to the shaft of the downhole motor 3, a bit load regulator 4 and an equipment unit 5 containing an electromechanical receiver-converter 6 of pressure pulses, a filter amplifier 7, a comparator 8, identification unit 9, microprocessor control unit 10 and converter 11.

При включении буровых насосов (бурильная колонна приподнята над забоем) начинает вращаться забойный двигатель 3, приводя в действие через входную ось 2 механизм глубинного датчика 1. Через определенное число оборотов вала забойного двигателя глубинный датчик генерирует в буровом растворе импульсы давления с периодом следования, пропорциональным частоте вращения, которые, поступая на устье скважины, преобразуются электромеханическим приемником-преобразователем 6 в электрические сигналы. Пройдя через фильтр-усилитель 7, эти сигналы отфильтровываются от помех и поступают на компаратор 8, на выходе которого формируются прямоугольные импульсы. Сформированные прямоугольные импульсы поступают в блок 9 идентификации, где в режиме идентификации осуществляется анализ частоты вращения вала турбобура в режиме холостого хода, определяется и запоминается рабочая частота вращения, соответствующая максимуму механической мощности конкретного типа забойного двигателя. When the mud pumps are turned on (the drill string is raised above the bottom), the downhole motor 3 starts to rotate, driving the depth sensor 1 mechanism through the input axis 2. After a certain number of revolutions of the downhole motor shaft, the downhole sensor generates pressure pulses in the drilling fluid with a repetition period proportional to the frequency rotations, which, arriving at the wellhead, are converted by an electromechanical receiver-converter 6 into electrical signals. Having passed through a filter amplifier 7, these signals are filtered out from interference and fed to a comparator 8, at the output of which rectangular pulses are formed. The generated rectangular pulses are sent to the identification unit 9, where in the identification mode the speed of the turbo-drill shaft is analyzed in idle mode, the operating speed corresponding to the maximum mechanical power of a particular type of downhole motor is determined and stored.

Значение выбранной рабочей частоты вращения передается в микропроцессорный блок 10 управления и запоминается в нем в качестве уставки. В рабочем режиме в блоке 10 осуществляется сопоставление фактических (текущих) значений частоты вращения забойного двигателя и значения уставки, на основе которого формируется сигнал рассогласования, поступающий на вход преобразователя 11. Сформированный в преобразователе 11 сигнал управления поступает на регулятор 4 подачи долота, посредством которого осуществляется необходимое изменение тормозного усилия на барабане лебедки. Так, например, при значении частоты вращения забойного двигателя в рабочем режиме выше уставки посредством сформированного сигнала управления осуществляется более интенсивное растормаживание барабана лебедки до момента достижения забойным двигателем частоты вращения, равной значению уставки. И наоборот, при значении частоты вращения ниже уставки осуществляется подтормаживание барабана лебедки до момента достижения забойным двигателем частоты вращения, равной значению уставки. The value of the selected operating speed is transmitted to the microprocessor control unit 10 and stored in it as a setting. In the operating mode, in block 10, the actual (current) values of the rotational speed of the downhole motor are compared with the setpoint value, on the basis of which a mismatch signal is generated that is input to the converter 11. The control signal generated in the converter 11 is fed to the bit feed controller 4, through which necessary change in braking force on the winch drum. So, for example, when the speed of the downhole motor in the operating mode is higher than the setpoint by means of the generated control signal, the winch drum is released more intensively until the bottomhole motor reaches a rotation speed equal to the setpoint value. Conversely, when the speed value is lower than the setpoint, the winch drum is braked until the downhole motor reaches a speed equal to the setpoint value.

Claims

METHOD FOR CONTROLLING THE OPERATIONAL MODE OF A BHP IN DRILLING WELLS AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION.

1. A method for controlling the operating mode of a downhole hydraulic motor when drilling wells, including generating pressure pulses in the drill pipe string with a repetition period proportional to the rotational speed of the shaft of the downhole motor, transferring them to the surface through the drilling fluid and generating control signals based on the incoming pressure pulses winch drum brake to maintain a constant shaft speed, characterized in that, in order to increase the efficiency of the drilling process by determining the maximum power mode of a particular type of downhole hydraulic motor, the drill pipe string is raised above the bottom of the well, the shaft speed of the bottomhole motor is measured in idle mode and the operating speed corresponding to the maximum mechanical power transmitted to the bit is automatically identified, the selected value is stored of this frequency as a setting, then drill pipe is lowered to the bottom and during drilling the current frequency values The rotations are compared with the setting value and the brake control signal is generated depending on the mismatch signal obtained as a result of the comparison.

2. The method according to claim 1, characterized in that the moment of the next identification is carried out according to the flow rate of the pumped drilling fluid at the entrance to the drill string.

3. The method according to claim 1, characterized in that the moment of the next identification is carried out by the magnitude of the pressure of the drilling fluid in the injection line of the well.

4. A device for controlling the operating mode of a downhole hydraulic motor during well drilling, comprising a deep pulse pressure transducer connected to the input of an equipment block of a ground-based complex made in the form of a series-connected electromechanical receiver of pressure pulses, a filter amplifier and a comparator, and a series-connected microprocessor control unit and a driver of the control signal, the output of which is connected to the input of the load regulator on the bit, characterized in that, in order to increase the efficiency of the drilling process by determining the maximum mechanical power mode of a particular type of downhole motor, it is equipped with an operating speed identification unit, to the input of which a comparator output is connected, and the identification unit output is connected to the input of a microprocessor control unit.