Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Новационные методы и средства измерения параметров бурения

Покупка
Артикул: 801540.01.99
Доступ онлайн
260 ₽
В корзину
Развитие методов и средств управления технологических процессов бурения скважин на нефть и газ требует совершенствования методов и средств измерения параметров бурения. При этом наиболее востребованным на современном этапе является инструментарий контроля и измерения динамических приращений параметров бурения в силу реализации локальных систем управления бурением по принципу использования в качестве управляющих и компенсирующих воздействий именно этих приращений. В работе рассмотрено решение трех основных задач по дальнейшему развитию методов и средств измерения динамических приращений параметров бурения: - задачи выделения переменных составляющих из сигналов сложной формы; - задачи анализа вариационных структур измерения; - задачи синтеза методов и средств измерения динамических параметров бурения на базе вариационных структур.
Новационные методы и средства измерения параметров бурения : монография / Б. А. Перминов, В. Б. Перминов, З. Х. Ягубов, Э. З. Ягубов. - Москва : БИБЛИО-ГЛОБУС, 2019. - 186 с. - ISBN 978-5-907063-33-4. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1979112 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Перминов Б.А., Перминов В.Б.,  

Ягубов З.Х., Ягубов Э.З. 

 

 

 

 
Новационные методы и средства 
измерения параметров бурения 

 

монография 

 

 

Boris A. Perminov, 
Viktor B. Perminov, 
Yagubov Zafar Hanguseyn ogly, 
Yagubov Emin Zafar ogly 

INNOVATIVE METHODS AND TOOLS  
FOR MEASURING DRILLING PARAMETERS 

Moscow, BIBLIO-GLOBUS, 2019 

 

 

 

 

 
Москва 
БИБЛИО-ГЛОБУС 

2019  

УДК 622.24
ББК 33.13
П26

Рецензенты:

Быков И.Ю. – д.т.н., профессор кафедры «Машины и оборудование неф-
тяной и газовой промышленности» УГТУ.

Хорошавин В.С. – д.т.н., профессор, профессор кафедры ЭПиАПУ ВятГУ.

Перминов Б.А.

П26
Новационные методы и средства измерения параметров бурения: мо-
нография. / Перминов Б.А., Перминов В.Б., Ягубов З.Х., Ягубов Э.З. –
М.: БИБЛИО-ГЛОБУС, 2019. – 186 с.

ISBN 978-5-907063-33-4
DOI 10.18334/9785907063334

Развитие методов и средств управления технологических процессов бурения 
скважин на нефть и газ требует совершенствования методов и средств измерения 
параметров бурения. При этом наиболее востребованным на современном этапе 
является инструментарий контроля и измерения динамических приращений пара-
метров бурения в силу реализации локальных систем управления бурением по 
принципу использования в качестве управляющих и компенсирующих воздейст-
вий именно этих приращений. 
В работе рассмотрено решение трех основных задач по дальнейшему разви-
тию методов и средств измерения динамических приращений параметров бурения:
− задачи выделения переменных составляющих из сигналов сложной формы;
− задачи анализа вариационных структур измерения;
− задачи синтеза методов и средств измерения динамических параметров бу-
рения на базе вариационных структур.
Ключевые слова: динамические приращения параметров, вариационные структу-
ры, двухвходовые системы контроля, динамические свойства, частотные свойства, 
каналы измерения.

ISBN 978-5-907063-33-4
© Коллектив авторов, 2019
© Оформление и дизайн обложки, 
ООО Издательский дом «БИБЛИО-
ГЛОБУС», 2019

СОДЕРЖАНИЕ 

 

Общие положения ............................................................................... 7 

1. Составные структуры каналов измерения .................................. 11  

1.1. Дифференциальная (вариационная) структура  
измерения крутящего момента ........................................................ 11 
1.2. Погрешности вариационной структуры измерений ............... 17 
1.3. Синтез вариационной структуры измерения  
крутящего момента ............................................................................ 21 
1.4. Реализация методов выделения и измерения  
динамических составляющих крутящего момента ........................ 27 

2. Двухвходовые системы контроля параметров бурения ............ 34 

2.1. Построение двухвходовых систем контроля ........................... 34 
2.2. Анализ двухвходовых систем контроля .................................. 43 
2.3. Динамические свойства двухвходовых систем контроля ...... 54 
2.4. Динамические ошибки измерения в двухвходовых 
системах контроля параметров бурения ......................................... 59 

3. Особенности частотных свойств двухвходовых  
систем контроля параметров бурения ............................................. 69 

3.1. Частотные характеристики вариационных структур ............. 69 
3.2. Частотные характеристики двухвходовых  
систем контроля ................................................................................. 79 
3.3. Особенности частотных свойств одноконтурной  
вариационной структуры .................................................................. 90 
3.4. Квазирезонанс в двухвходовых системах контроля  
параметров бурения .......................................................................... 98 

4. Разработка компьютерных средств измерения  
параметров бурения ........................................................................ 108 

4.1. Предпосылки разработки компьютерных средств ............... 108 
4.2. Математическое моделирование вариационной  
структуры измерения крутящего момента ................................... 118 
4.3. Реализация двухвходовой системы контроля крутящего  

момента как компьютерного средства измерения ....................... 124 
4.4. Производственные испытания двухвходовой  
системы контроля параметров бурения ........................................ 143 

Заключение ....................................................................................... 161 

Список использованных источников ............................................ 167 

CONTENTS 

General provisions ................................................................................. 7 

1. Composite structures of measurement channel  .............................. 11 

1.1. Differential (variation) measurement structure of torque ............ 11 
1.2. Accuracy of variation structure of measurements ....................... 17 
1.3. Synthesis of variation structure of measurements of torque ........ 21  
1.4. Implementation of methods for the selection and  
measurement of dynamic components of torque ................................ 27 

2. Two-way control systems of drilling parameters ............................ 34 

2.1. Construction of two-way control systems .................................... 34  
2.2. Analysis of two-way control systems .......................................... 43  
2.3. Dynamic properties of two-way control systems ......................... 54  
2.4. Dynamic errors in measuring drilling parameters in two-way  
control systems .................................................................................... 59  

3. Features of frequency properties of two-way control systems  
of drilling parameters .......................................................................... 69   

3.1. Frequency characteristics of variation structures ......................... 69 
3.2. Frequency characteristics of two-way control systems ............... 79 
3.3. Features of frequency properties of single circuit  
variation structure ................................................................................ 90  
3.4. Quasi-Resonance in two-way control systems  
of drilling parameters .......................................................................... 98   

4. Development of computer tools for measuring drilling  
parameters .......................................................................................... 108 

4.1. Background for the development of computer tools .................. 108  
4.2. Mathematical modeling of the variation structure  
of measurement of torque .................................................................. 118 
4.3. Implementation of a two-way torque control system  
as a computer measurement tool ....................................................... 124 
4.4. Production testing of a two-way control system  
of drilling parameters ........................................................................ 143 

Conclusion ......................................................................................... 161 

Bibliography ...................................................................................... 167 
 
 
Development of methods and tools to control technological 
processes of drilling wells for oil and gas requires the improvement 
of methods and means of measuring drilling parameters. At the same 
time, the most demanded at the present stage is the toolkit for monitoring 
and measuring dynamic increments of drilling parameters due to 
the implementation of local drilling control systems based on 
the principle of using these increments as controlling and compensating 
effects.  
The paper considers solving three main tasks for the further 
development of methods and tools for measuring dynamic increments of 
drilling parameters, such as: 
− 
problems of extracting variable components from complex 
shape signals; 
− 
problems of analysis of variation measurement structures; 
− 
problems of synthesis of methods and tools for measuring 
dynamic parameters of drilling based on variation structures. 
Keywords: dynamic parameter increments, variation structures, two-
way control systems, dynamic properties, frequency properties, 
measurement channels 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 

 

Вращение колонны в скважине, как правило, сопровождается 
крутильными, продольными и собственными автоколебаниями 
вследствие её неустойчивого динамического равновесия в процессе 
работы [1], а также жёсткими биениями колонны о стенки скважины 
при нарушении устойчивости формы при определённых значениях 
осевой нагрузки [2]. Всё это приводит к дополнительным потерям 
мощности и значительному снижению крутящего момента на нагруженном 
породоразрушающем инструменте, что, в свою очередь, 
уменьшает механическую скорость разрушения забоя [3]. Задание 
стратегии бурения и управление технологическим процессом вращения 
колонны на основе программ с коррекцией по виртуальной модели 
недостаточно эффективно. Так, в процессе углубления скважины 
не представляется возможным предсказать и зафиксировать параметры, 
характеризующие непрерывно изменяющиеся условия работы 
бурильной колонны, связанные с геологической структурой 
разреза, составом и свойствами промывочной жидкости, изношенностью 
породоразрушающего инструмента, влиянием диссипативных 
сил и воздействием множества других случайных факторов [4]. 

Действительно, для объективной оценки влияния случайных 
факторов на процесс работы бурильной колонны измеренная информация 
для коррекции заданной программы бурения должна сниматься 
по всей длине колонны [5], что реализовать технически нереально. 
Кроме того, программа управления реализует функцию прямого 
воздействия на объект без учёта быстродействующих случайных 
факторов, а прямое управление неустойчивым объектом, согласно 
основным постулатам теории автоматического управления, 
невозможно. Всё вышесказанное определяет вращающуюся бурильную 
колонну в процессе работы, как неустойчивый объект управления, 
динамическое поведение которого непредсказуемо в связи с це-

лым рядом случайных действующих факторов, что осложняет реали-
зацию выбора параметров оптимального управления [6]. 

Отсюда следует, что стратегия, определяющая режим работы 
бурильной колонны локальной скважины, может быть задана с по-
мощью программы для куста разбуриваемых скважин, а коррекция 
такой стратегии должна осуществляться на основании текущих дан-
ных о динамическом поведении бурильной колонны при разрушении 
горных пород. 

В настоящее время измерение и контроль параметров динами-
ческого поведения бурильной колонны при её работе осуществляет-
ся с использованием большого арсенала методов и средств, что сви-
детельствует об отсутствии рационального и эффективного способа 
контроля, как по выбору параметра управления, так и по способу 
измерения. 

На наш взгляд, наиболее информативным параметром, отра-
жающим процесс работы и динамические свойства вращающейся 
бурильной колонны, является параметр крутящего момента на валу 
двигателя привода силовой установки [7], результат измерения кото-
рого определяется соотношением: 

 
М
М
M
0
, 
 
где  M  – текущее значение крутящего момента; 

0
М  – значение крутящего момента, заданного программой 
управления; 
М
– динамическое приращение крутящего момента, опреде-
ляемое воздействием случайных факторов. 

Измерение текущего значения крутящего момента существую-
щими средствами контроля не позволяет выделить динамическую 
составляющую крутящего момента 
М
, которая теряется на об-
щем фоне результата измерения, в то время как она является наибо-
лее информативной частью измерения, практически определяющей 

динамику поведения работающей колонны [8]. 

Авторы предлагают оригинальный и эффективный способ вы-
деления динамической составляющей приращения крутящего мо-
мента с целью его дальнейшего использования для управления про-
цессом работы бурильной колонны [9]. Действительно, стратегия 
бурения может быть задана программой с учётом геологических 
особенностей разреза, а коррекцию технологического процесса не-
обходимо проводить по отслеживанию динамики работающей ко-
лонны с использованием приращения крутящего момента. Для вы-
деления динамического приращения, как некоторой функции во 
времени 
t
f
, возможно использование различных способов, напри-
мер применение дифференцирующих цепей. В этом случае выход-
ной сигнал определится как 
t
f
x . Однако при пассивном диффе-
ренцировании полученная на выходе дельта функция 
t
x
харак-
теризуется длительностью импульса, близкой к нулю (
0
и
), это 
препятствует дальнейшему использованию сигнала для целей управ-
ления. Использование синтезированной нами структуры для прове-
дения операции дифференцирования устраняет этот недостаток [10; 11]. 

Синтезированная структура (вариационная структура) диффе-
ренцирования входного сигнала представляет собой встречно-
параллельное включение двух апериодических звеньев с различной 
инерционностью, что позволяет получить передаточную функцию 
канала измерения с ярко выраженным свойством реального диффе-
ренцирующего звена [7]. 

Свойства вариационной структуры могут быть положены в ос-
нову способа выделения значения динамического приращения кру-
тящего момента. 

Получение возможности измерения непосредственно динами-
ческого приращения крутящего момента крайне важно, так как это 
свойство может быть широко использовано в построении регулято-

ров режима вращения бурильной колонны [12; 13]. Кроме того, в ка-
налах измерения мощности и угловой скорости реализуется отсечка 
постоянных составляющих этих значений за счёт дифференцирую-
щих свойств вариационных структур. 

Динамические свойства и чувствительность измерителя опре-
деляются параметрами настройки T1, T2, T3, T4, kN и kω. (рисунок 1.2). 

В измерителях крутящего момента с выделением динамической 
составляющей результата измерения [14], осуществляющих диффе-
ренцирование измеряемой величины, удаётся полностью отсеять как 
постоянную составляющую, так и систематическую погрешность 
измерения крутящего момента. Инерционность обоих фильтров ка-
нала измерения попарно приближают друг к другу, а результат из-
мерения получают путем деления сигнала приращения мощности на 
сигнал приращения скорости вращения вала двигателя привода. Это 
позволяет устранить статические составляющие в канале измерения 
мощности и в канале измерения скорости вращения и свести к нулю 
систематическую составляющую погрешности измерения за счет 
дифференцирования. Кроме того, за счет деления измеряемых вели-
чин компенсируется синфазная помеха. 

1. СОСТАВНЫЕ СТРУКТУРЫ КАНАЛОВ ИЗМЕРЕНИЯ 

 

1.1. Дифференциальная (вариационная) структура измерения  
крутящего момента 

Существенным недостатком существующих методов и средств 
измерения крутящего момента [15; 16] является специфика их применения, 
т. е. возможность использования только в случае непосредственного 
контакта с объектом измерения. 

Вторым недостатком контактных методов измерения, как и 
всех устройств измерения крутящего момента, является малая разрешающая 
способность «шкалы» прибора. Действительно, при аварийной 
ситуации, когда наступает стопорение бурового инструмента, 
начальный всплеск динамического приращения крутящего момента (
10–15% от значений, действующих на буровой инструмент) 
бывает зачастую сложно зафиксировать, тем более измерить с достаточной 
степенью точности. Кроме того, прямые методы измерения 
характеризуются большими составляющими статической погрешности 
измерения, а также синфазными погрешностями.  

На наш взгляд, для устранения указанных недостатков рациональным 
методом является ввод дифференцирующих фильтров в канал 
измерения, что позволяет отсечь постоянную составляющую ре-
зультата измерения и сопровождающие её статические погрешности. 
Согласно [17; 18; 19; 20–27], вариационная (дифференциальная) 
структура измерения, представляющая собой двухканальный изме-
ритель, показания каждого из каналов которого поступают на блок 
деления, выдающий итоговый результат, свободна от этих недостат-
ков. Иными словами, на первый канал поступает измеряемое значе-
ние мощности двигателя привода буровой установки, причём ре-
зультат измерения пропорционален этой мощности, т. е.: 

 

)
(
1
1
N
F
x .  
(1.1) 
На второй канал измерения поступает значение угловой скоро-
сти вращения вала двигателя привода, при этом результат измерения 
пропорционален угловой скорости вала: 

 
)
(
2
2
F
x .  
(1.2) 
На выходе блока деления получаем окончательно: 

 
)
(
)
(
)
(

2

1

2

1
M
F
F
N
F
x
x
Y
,  
(1.3) 

т. е. результат измерения Y будет определяться некоторой функцией 
крутящего момента М. 

ДФ1

БД

ДФ2

N(t)

ω(t)

Y=F(M)

 

Рисунок 1.1. Структура дифференциального измерителя крутящего 
момента 

Здесь: 

N(t) – измеряемая мощность двигателя привода; 

ω(t) – измеряемая угловая скорость вала двигателя привода; 

ДФ1 – дифференцирующий фильтр канала измерения мощности; 

ДФ2 – дифференцирующий фильтр канала измерения угловой 
скорости вала привода; 

БД – блок деления. 

Блок деления необходим, для получения результата измерения 

крутящего момента, так как 
N
M кр является результатом косвен-

ных измерений мощности и угловой скорости. 

Операция дифференцирования может быть осуществлена на 
параллельных встречно включённых апериодических звеньях, на-
пример для канала измерения мощности согласно рисунку 1.2. 

k1
T1·p + 1

k2
T2·p + 1

N(t)
N’(t)

 

Рисунок 1.2. Реализация дифференцирования на апериодических 
звеньях 

Действительно, 
общая 
передаточная 
функция 
структуры 
(см. рисунок 1.2) равна: 

1
)
(
)
(
1
1
)
(
)
(
)
(

1
2
2
2
1

1
2
'

2

2

1

1
2
1
p
T
T
p
T
T
T
T
p
k
p
T
k
p
T
k
p
W
p
W
p
WN
, (2.4) 

где 
1
)
(

1

1
1
p
T
k
p
W
 – передаточная функция первого измери-

тельного канала; 

1
)
(

2

2
2
p
T
k
p
W
– передаточная функция второго измерительного 

канала; 

1k  – статический коэффициент передачи первого преобразователя; 

2
k  – статический коэффициент передачи второго преобразователя; 
Т1 и Т2 – постоянные времени преобразователей; 

2
1
'
k
k
k
– частный случай, определяемый настройкой преоб-
разователей. 
Аналогично можно рассмотреть построение передаточной 
функции для канала измерения угловой скорости, передаточные 
функции типовых звеньев которого представлены на рисунке 2.3. 

k3
T3·p + 1

k4
T4·p + 1

ω(t)
ω’(t)

 

Рисунок 1.3. Канал измерения угловой скорости 

Здесь по аналогии с преобразованиями к рисунку 1.2 получим: 

1
)
(
)
(
1
1
)
(
)
(
)
(

3
4
2
4
3

3
4
''

4

4

3

3
4
3
wp
T
T
p
T
T
T
T
p
k
p
T
k
p
T
k
p
W
p
W
p
W, 

(1.5) 
где 
)
(
3 p
W
 и 
)
(
4 p
W
 – передаточные функции третьего и четвёр-
того апериодических звеньев; 
Т3 и Т4 – их постоянные времени; 

4
3
''
k
k
k
– статические коэффициенты передачи. 
Из выражений (1.4) и (1.5) следует, что передаточные функции 
WN(p) и Wω(p) представляют собой передаточные функции реальных 
дифференцирующих звеньев второго порядка, т. е. обладают свойст-
вами дифференцирования. Следовательно, постоянные составляю-
щие измерения величин мощности и угловой скорости через эти ка-
налы не проходят. 

Общая структура вариационных измерений приведена на ри-
сунке 1.4. 

Согласно приведённой структуре оба канала измерения объединяются 
блоком деления, выполняющим операцию 

 
K
k
k

p
T
T
p
T
T
T
T
p
k
p
T
T
p
T
T
T
T
p
k

p
W
p
WN
''

'

4
3
2
4
3

3
4
''
1
2
2
2
1

1
2
'

1
)
(
)
(
1
)
(
)
(

)
(
)
(

.  
(1.6) 

Доступ онлайн
260 ₽
В корзину