Состояние разработок по автоматизации процесса бурения

По имеющимся данным, созданием систем автоматизированного управления процессом бурения в последнее время занимаются также зарубежные фирмы.

Японская фирма “Кокэн Боринг Машин Ко” разрабатывает буровые станки с компьютерным управлением с 1979 г. Например, в 1981 г. был разработан буровой станок СВК-К-10А с программным управлением. Эта модель представляет собой малогабаритный гидравлический станок со встроенной микро-ЭВМ, который предназначен для геологической съемки и бурения цементировочных скважин глубиной до 100 м при постройке дамб и плотин. Разработчики обоснованно считают, что эффективность и безопасность бурения значительно зависят от квалификации оператора-бурильщика. Поэтому цель разработки бурового станка со встроенной ЭВМ состоит в обеспечении высокой надежности, эффективности и безопасности работы при бурении станком независимо от квалификации бурильщика и, тем более, в открытии возможности автоматического бурения станком скважины заданной глубины в неизвестных горно-геологических условиях. Система управления собирает информацию по шести параметрам и по заданной программе производит оптимальное управление станком спускоподъемные операции также автоматизированы. Специалисты фирмы утверждают, что применение станков с программным управлением позволило получить большой экономический эффект.

В ФРГ в 1989 г. приступили к оптимизации процессов бурения на основе микроэлектроники при разработке рудных месторождений скважинами большого диаметра. Начатые научно-исследовательские опытно-конструкторские работы показывают, что их результаты могут быть использованы и при других видах бурения.

Авторы считают, что автоматическое регулирование при бурении скважин большого диаметра позволяет:

· повысить скорость бурения при снижении удельного износа потребления энергии;

· создать условия для обслуживания бурового станка одним челове­ком, обслуживания одной бригадой нескольких станков;

· сократить непроизводительное время в начале и конце смены;

· максимально увеличить скорость бурения при минимизации затрат.

 В разработке предусматривается диагностика бурового станка, ре­гистрация и индикация параметров режимов бурения и некоторых режимов работы. Оптимизацию процесса бурения намечено осуще­ствить путем адаптивного регулирования с помощью вычисли­тельных устройств.

В обзоре, посвященном анализу состояния разведочного бурения и направления его развития, зарубежные специалисты утверждают, что дальнейшее развитие этого способа, вероятно, приведет к повышению| производительности, автоматизации бурового процесса с целью сокращения времени на спускоподъемные операции и обеспечения адаптивного регулирования параметров бурения с поиском оптимальных сочетаний скорости подачи, осевой нагрузки, крутящего момента и частоты вращения бурильной колонны [12]. В Специальном проектно-конструкторском бюро буровой автоматики (СПКББА) на базе ЭВМ среднего класса разработана станция автоматической оптимизации и геолого-технологического контроля бурения глубоких скважин (САОБ), предназначенная для оперативного управления про­цессом бурения с целью его оптимизации, распознавания и предупреж­дения осложнений и аварийных ситуаций, ликвидации аварий, автома­тического сбора, обработки, накопления и выдачи геолого-технологи­ческой и технико-экономической информации о процессе бурения глу­боких скважин на нефть и газ.

Основные функции станции следующие: оптимизация режимов бу­рения, обеспечивающих достижение экстремального значения критерия оптимальности (максимум рейсовой скорости или проходки на долото, минимум стоимость 1 м проходки); корректировка выбранного опти­мального режима бурения при изменении условий бурения в процессе рейса; распознавание на ранней стадии предаварийных и аварийных ситуаций и вероятностная оценка момента их наступления; накопление, хранение и представление в различной форме геолого-технологической информации о процессе бурения, кратной 1 м бурения или рейсу.

Станция может работать с любыми нефтяными буровыми уста­новками, укомплектованными необходимым набором технологических датчиков и рассчитанными на бурение эксплуатационных и поисково-разведочных скважин на нефть и газ глубиной 4000-6500 м. В первую очередь целесообразно использовать станцию на новых площадях в ус­ловиях малой изученности разрезов и недостоверности сходной геоло­го-технологической информации об условиях бурения.

Вторая наиболее значительная разработка, имеющая реальный вы­ход в производство, автоматическая система управления процессом углубки скважины в оптимальном режиме (автобурильщик “Узбекистан 2А”), созданная в Методической экспедиции геолого-экономи­ческих исследований. Система включает кабину бурильщика с размещенным в ней вычислительно-управляющим комплексом, датчики технологических параметров и исполнительный механизм для управления рычагом тор­моза лебедки. Система предназначена для ведения в автоматическом режиме процесса бурения роторным и турбинным способами глубоких скважин на нефть и газ серийными буровыми установками с использо­ванием шарошечных долот. Систему обслуживает один оператор. Вы­числительно-управляющий комплекс включает в себя вычислительный блок, выполненный на базе серийной микроЭВМ “Электроника С5-12”, пульт управления, устройства связи с объектом и оператором, пред­ставления информации, формирования управляющих сигналов, ленточ­ный перфоратор ПЛ-150 и систему питания. Комплекс предназначен для приема и анализа информации о процессе бурения по сигналам датчиков технологических параметров, а также для логической и математической обработки ее в соответствии с алгоритмом управления, формирования информационных и управляющих сигналов и обеспечения всех устройств системы электропитания.

В соответствии с алгоритмом управления система производит взвешивание бурового инструмента, приработку долота, поиск эффективного значения осевой нагрузки на долото и поддержание ее в процессе бурения. Если дальнейшее бурение экономически нецелесообразно, то система вырабатывает сигнал об окончании рейса и прекращает подачу инструмента. Кроме того, система обеспечивает безаварийное бурение, своевременно определяя износ опоры шарошечного долота. Сведения о ходе процесса бурения и режимах работы оборудования выдаются бурильщику с помощью стрелочных приборов, цифровой индикации, светящихся транспарантов, а также фиксируются на перфоленте, кото­рая может быть исходным документом для формирования информационного банка и служит контрольным документом, объективно представляющим состояние бурового инструмента и оборудования и отображающим работу буровой бригады.

Система предназначена для бурения скважин глубиной 3500-4000 м. Потребляемая мощность не более 0,5 кВт. Как показали результаты промысловых испытаний, применение системы позволяет сократить расход долот и время проводки скважины на 15-20% при обеспечении полной безаварийности.

Фирмой “Даймэнт Боарт” создана гидрофицированная установка с подвижным вращателем и трубодержателем, в управлении которой использован микропроцессор [13]. С помощью микропроцессора коор­динируется функционирование элементов гидроуправления, выполняют­ся расчеты различных операций и контролируется их соответствие предварительно принятым заданиям. При спускоподъемных операциях микропроцессор синхронизирует последовательность срабатывания гидропатрона вращателя и трубодержателя, перемещение вверх и вниз и контролирует интервалы времени между прохождением последовательных сигналов.

Возможно расширение функций системы управления: полное воспроизведение различных программ, заранее отработанных экспериментально; защита по максимальному крутящему моменту при свинчивании и развинчивании бурильных труб; ограничение по предель­ной осевой нагрузке во время бурения, что повышает надежность бурильной колонны и т. д. Предусматриваются регистрация и обработка информации о процессе бурения, которая затем будет использована для интерпретации этого процесса и геологического разреза.

Для бурения геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые разработана система автоматизированной оптимизации управления технологическим процессом бурения САОПБ-1. Система предназначена для автоматического управления технологическим про­цессом бурения скважин алмазным породоразрушающим инструментом по заданной оптимальной углубке коронки за оборот или заданной механической скорости и может применяться на всех буровых станках с гидравлической системой подачи, используемых при алмазном бу­рении.

Практически система представляет собой аналоговый регулятор и отличается от известных высокой надежностью и эффективностью, которые зависят от правильного выбора в каждом конкретном случае углубки коронки за оборот, задаваемой бурильщиком (технологом). При несоответствии заданной углубки (скорости бурения) условиям бурения, т.е. в случае превышения заданной скорости бурения, опти­мальной для данных условий, срабатывает защита по потребляемой мощности или давлению бурового раствора в нагнетательной линии промывочного насоса и происходит автоматический “подрыв” инстру­мента. Частое повторение описанной ситуации служит сигналом о не­обходимости уменьшения заданной углубки за оборот.

Оптимальные величины задаваемой углубки за оборот для каждой системы (горная порода-коронка) выбирают по специальной, ранее разработанной, диаграмме либо определяют опытным путем по специальной методике в процессе бурения.

Безусловной заслугой разработчиков является то, что они первыми на базе большого объема бурения доказали преимущества автоматизи­рованного управления процессом алмазного бурения.

Недостаток системы - ограниченная способность к совершенствова­нию, что присуще всем аналоговым решениям. Введение элементов адаптации, совершенствование алгоритмов управления повлечет за со­бой большие трудности и, следовательно, удорожание системы.

В начале 1999 г. Московское специальное конструкторское бюро геофизического приборостроения и информатики "Ореол" выпустила систему технологического контроля параметров бурения "СГТ-микро". Система рекомендована Госгортехнадзором РФ для внедрения во всех буровых предприятиях, в первую очередь, как оборудование для обеспечения безопасности ведения буровых работ и предотвращения аварий.

Система "СГТ-микро" по функциональным возможностям аналогична подобным средствам, выпускаемым известной фирмой "Мартин-Декер". Стоимость "СГТ-микро" в 4-6 раз меньше, а с учетом затрат на обучение персонала, профилактические обслуживание и ремонт, вызов специалистов при возникновении нештатных ситуаций и т. п., стоимостное отношение еще более возрастает в пользу "СГТ-микро".