Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ РАБОТЫ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ КАНАЛОМ СВЯЗИ НА УСТОЙЧИВОСТЬ РАБОТЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПАРАМЕТРЫ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СИГНАЛА Вольгемут Э.А., Греков С.В.

ВНИИГАЗ Рассматривая применение телеметрической системы контроля забойных параметров в процессе бурения с гидравлическим каналом связи, необходимо на начальной стадии провести оценку взаимного влияния работы телеметрической системы и гидравлического забойного двигателя. Поскольку гидравлический канал служит для транспортирования энергии к забойному двигателю, а для передачи забойной информации используется энергия бурового раствора, телеметрическая система естественным образом влияет на работу гидравлического забойного двигателя. При срабатывании клапана-модулятора в нижнем сечении трубопровода создается положительный импульс давления (предполагается применение телесистемы именно такого типа), который из-за волновых свойств гидравлического канала приводит к возникновению отрицательного импульса расхода бурового раствора. Так как постоянная времени забойного двигателя, как правило, существенно меньше времени распространения волны до устья и обратно, то такое кратковременное снижение расхода бурового раствора через забойный двигатель приводит к соответствующему снижению вращающего момента и как следствие - к снижению частоты вращения долота.

Это снижение частоты вращения усугубляется еще и тем, что при увеличении перепада давления, например, на винтовом забойном двигателе (от срабатывания клапана-модулятора) за счет роста гидравлической составляющей осевой нагрузки на долото увеличивается момент сопротивления. При работе с серийным турбобуром снижение вращающего момента и частоты вращения может привести при определенных условиях к резкой остановке турбобура [6], а при работе с винтовым забойным двигателем - к его остановке за счет внутренней положительной обратной связи по гидравлической нагрузке на долото [8],[10].

При работе с турбобуром с так называемой падающей к тормозу линией давления (например, А7Н4С) происходит снижение амплитуды импульса _ й Нефтегазовое дело, 2005 давления, передаваемого телесистемой, за счет уменьшения перепада давления на двигателе с уменьшением частоты вращения.

Таким образом, основной задачей при выборе параметров передатчика гидравлических импульсов (ПГИ) телесистемы является минимизация воздействия телесистемы на забойный двигатель и наоборот - минимизация влияния гидравлического забойного двигателя на передаваемые на поверхность гидравлические импульсы.

Вопросу, связанному с некоторыми особенностями совместной работы телесистемы с гидроканалом связи и забойного двигателя, посвящена работа [3], в которой рассмотрена (с определенными упрощениями) только одна из задач - определение вероятности безостановочной работы турбобура 3ТСШ1-195 для различных условий бурения. При этом в качестве основного возмущающего фактора рассмотрено изменение гидравлического сопротивления клапанамодулятора, хотя фактически из-за наличия в ПГИ блока стабилизации амплитуды следует рассматривать перепад давления на клапане, не зависящий от расхода.

В настоящей статье совместная работа телеметрической системы и гидравлического забойного двигателя рассмотрена в более общей постановке применительно к забойным двигателям различного типа и реальному ПГИ.

Динамические свойства забойных двигателей для бурения скважин детально рассмотрены в классических работах М.Г. Эскина [11],[9],[7],[6] применительно к задачам исследования систем управления забойными двигателями. В данной работе мы воспользуемся этим аппаратом для решения поставленной выше задачи, принимая в качестве возмущающих воздействий изменения перепада давления в гидравлическом канале как линии с распределенными параметрами.

Изменение перепада давления Pзд на забойном двигателе (ЗД) влияет на изменение нагрузки на долото и, следовательно, на частоту вращения ЗД з. В связи с этим, следуя [11], целесообразно применяемые ЗД разделить на следующие три группы в зависимости от гидравлической характеристики Pзд(з):

зд = ap (1) з 1). Забойные двигатели, у которых перепад давления слабо зависит или совсем не зависит от частоты вращения з: ap = 0. К ЗД-1 относятся серийные турбобуры.

_ й Нефтегазовое дело, 2005 2). Забойные двигатели с сильно выраженной зависимостью Pзд(з): ap 0. К ЗД-2 относятся так называемые турбобуры с падающей к тормозу линией давления, у которых перепад давления увеличивается с увеличением частоты вращения, т.е. ap > 0.

3). Забойные двигатели, у которых при постоянном расходе Qп частота з не изменяется, а Pзд определяется только моментом на валу ЗД: ap =. К этой группе относятся двигатели объемного типа.

Взаимодействие телеметрической системы с серийным турбобуром Примем для турбобуров линейную зависимость Mп(з) [11]:

з Mп = Mпт 1- (2) зхх Mпт = K1Qп (3) зхх = K2Qп (4) В выражениях (2)(4):

Mп - момент, развиваемый турбобуром;

Mпт - так называемый тормозной момент турбобура при з = 0;

зхх - частота вращения вала турбобура при холостом ходе, когда Mп = 0;

- удельный вес промывочной жидкости;

- число отдельных турбинок;

K1, K2 - коэффициенты, зависящие от геометрических размеров и конструкции турбобура;

Qп - расход промывочной жидкости.

Подставляя (3) и (4) в (2), получим:

з (5) M = K Q (Q - ) п 1 п п K Таким образом, вращающий момент Mп зависит от расхода промывочной жидкости Qп и частоты вращения вала ЗД з. Разложим (5) в ряд Тейлора по Qп и з и ограничимся первыми членами:

Mп = aпqQп + aпз, (6) Kгде aпq = 2K1Qп0 - зKKaп = - QпKQп0, з0 - базовые точки, в окрестности которых берутся приращения.

_ й Нефтегазовое дело, 2005 Вращательное движение вала любого забойного двигателя, в том числе и турбобура, описывается следующим известным уравнением, справедливым для так называемого глухого крепления статора*):

dз J = Mп - Mc, (7) dt где J - приведенный к валу момент инерции вращающихся масс;

Mс - момент сопротивления на валу, а Mп определяется выражениями (2)(4).

Момент сопротивления Mс зависит от осевой нагрузки на долото, частоты вращения вала з и удельного момента mу:

Mс = fс(G1, з, mу) (8) Разложим (8) в ряд Тейлора и ограничимся первыми членами:

Mс = aсgG1 + aсз + aсmmу, (9) где Mс M M с с aсg = ; aс = ; aсm = (10) Gз mу Величина aсg обычно называется дифференциальным удельным моментом в отличие от среднего удельного момента mу. Величина aс определяет характер нагрузки на валу ЗД, от которой в значительной степени зависит устойчивость ЗД на забое.

В данной статье мы не будем рассматривать влияние изменений удельного момента mу на момент сопротивления Mс, поскольку этот вопрос в большей мере относится к анализу помех в гидравлическом канале связи.

Будем считать, что осевая нагрузка G1 имеет две составляющие - нагрузку, создаваемую весом бурильной колонны (G11), и нагрузку, создаваемую перепадом давления на ЗД (G12):

G1 = G11 + G12 (11) Нас будет интересовать лишь вторая составляющая. Нагрузка, создаваемая перепадом давления на ЗД, определяется как G12 = SтPзд, (12) *) Строго говоря, допущение о глухом креплении статора может быть принято только для решения ограниченного круга задач, связанных с анализом частоты вращения долота, притом с определенными оговорками. Для определения момента измерения азимута или положения отклонителя уже нельзя считать статор (а, следовательно, глубинное устройство телесистемы) неподвижным, и необходимо решать задачу с учетом колонны бурильных труб как линии крутильных колебаний, что, конечно, усложняет задачу.

_ й Нефтегазовое дело, 2005 где Sт - внутреннее сечение бурильных труб, а Pзд - перепад давления на ЗД. В свою очередь перепад давления на ЗД Pзд зависит от расхода промывочной жидкости и частоты вращения вала ЗД. Поэтому, следуя приведенной выше методике, можно принять:

Pзд = apqQп + apз, (13) зд где apq =, а ap определяется согласно (1).

Qп Взаимодействие телеметрической системы с забойным двигателем будет рассматриваться в настоящей статье в двух основных аспектах:

Х влияние ПГИ на частоту вращения вала ЗД, поскольку это связано с устойчивостью работы двигателя (т.е. влияние телесистемы на ЗД);

Х влияние перепада давления на ЗД при срабатывании ПГИ на действительную амплитуду и форму гидравлических импульсов, передающихся с забоя на поверхность (т.е. влияние ЗД на телесистему).

Преобразуем (6), (7), (9), (11), (12) и (13) по Лапласу и, минуя промежуточные выкладки, получим окончательное выражение, связывающее изменение частоты вращения вала ЗД с изменением расхода бурового раствора:

aпq - acgapqSт (14) = Qп з Jp - aп + acgapSт + ac Принимая во внимание, что для серийного турбобура перепад давления от частоты вращения не зависит (ap = 0), а зависит только от изменения расхода бурового раствора через коэффициент apq (см. 13)., получим:

aпq - acgapqSт з = Qп (15) Jp - aп + ac Найдем теперь связь между сигналом, формируемым телесистемой, и изменением частоты вращения вала ЗД. Для этого необходимо определить зависимость изменения расхода в линии от установленной амплитуды импульсов телесистемы и далее, воспользовавшись (14), определить з.

Для определения изменения расхода при формировании импульсов давления найдем отношение Qп (16) WQP = P п где Qп и соответственно перепад расхода и давления на выходе ПГИ.

Pп Воспользуемся системой уравнений для изменения массовой скорости и давления жидкости в длинной линии [5]:

_ й Нефтегазовое дело, 2005 - P w = + 2aw x t (17) - P = c 2 w t x где:

P - давление в гидравлической линии;

- плотность бурового раствора;

w - средняя скорость в сечении;

c - скорость звука в капельной упругой жидкости, текущей в трубе с упругими стенками;

a - коэффициент затухания, зависящий, в основном, от коэффициента кинематической вязкости и внутреннего диаметра трубы.

Преобразуя систему (17) по Лапласу, решая полученные дифференциальные уравнения и обозначая:

= p( p + 2a), (18) c получаем систему уравнений, определяющих с точностью до произвольных констант преобразованные функции давления и расхода:

P = Ach(x)+ Bsh(x) (19) Q = - [Ash(x)+ Bch(x)] г где г - волновое сопротивление длинной линии;

p - переменная в преобразовании Лапласа.

Решая систему уравнений (19) относительно изменения расхода на забое при перепаде давления на выходе ПГИ, получаем зависимость для изменения расхода бурового раствора на входе забойного двигателя:

Qп 1 sh(L) +WКГch(L) (20) = Г (1+ 2RгWК )ch(L) + (WКГ + 2Rг )sh(L) P п Г Здесь:

L - длина гидравлической линии;

Rг - полное гидравлическое сопротивление линии;

Wк - передаточная функция компенсатора, которая определяется следующим образом [5].

_ й Нефтегазовое дело, 2005 Обозначим через V0 и P0 соответственно средние объем и абсолютное давление газа в компенсаторе, а через y - увеличение объема бурового раствора (или уменьшение объема газа) в компенсаторе. Предполагая, что воздух сжимается изотермически, получим или P0V0 = P10(V0 - y) P0V0, (21) P10 = V0 - y где P10 - давление в манифольде в точке замера.

Умножим и разделим правую часть (21) на (V0+y); тогда P0V0(V0 + y) P0V02 P0V0 y (22) P10 = = + V - y0 V02 - y2 V02 - yТак как в нормально работающем компенсаторе y мало по сравнению с V0, то - y V. Следовательно, V y (23) P10 P01 + V Прирост объема жидкости в компенсаторе в единицу времени равен dy V0 dP(24) = = Qк dt P0 dt Преобразуя выражение (24) по Лапласу, получим:

V(25) Qк = pP PЕсли считать производительность буровых насосов постоянной, то изменение расхода в начале гидравлической линии имеет вид:

(26) Q1 = -Qк V0 - конструктивный параметр компенсатора, - получим Обозначив = Kк Pвыражение, описывающее изменение расхода бурового раствора в начале гидравлической линии:

(27) Q1 = -P pKк _ й Нефтегазовое дело, 2005 Учитывая потери энергии в компенсаторе на перемещение мембраны и движение бурового раствора в компенсаторе, получим выражение для передаточной функции компенсатора:

Q1 pKк, (28) = = Wк P 1+ pTк где через Tк обозначена постоянная времени.

С учетом (20) выражение (15) принимает следующий вид:

aпq - acgapqSт sh(L) + WКГch(L) = - (29) з 2Rгидр Jp - aп + ac (1 + 2RгидрWК )ch(L) + (WКГ + )sh(L) Г Для определения коэффициентов, входящих в выражение (29), воспользуемся характеристиками турбобура ЗТСШ-71/2Ф [4], выбирая для расчета значений режим максимальной мощности на валу турбобура. Полученные значения приведены в таблице 1.

Таблица Коэффициент Наименование Размерность Значение момент инерции ротора [кгсмс2] 0.J гидравлическое [кгсс/м5] 1.Rгидр сопротивление двигателя дифференциальный [м] 0.aсg удельный момент коэффициент зависимости изменения момента сопротивления на валу от [кгсмс] 3.aс изменения частоты вращения турбины конструктивный [c2/м2] 2.Kкоэффициент конструктивный [1/м3] Kкоэффициент коэффициент зависимости изменения вращающего [кгсмс] - 3.aп момента от изменения частоты коэффициент зависимости изменения вращающего [кгсс/м2] aпq момента от изменения расхода бурового раствора коэффициент зависимости перепада давления на [кгсс/м5] apq турбобуре от изменения расхода бурового раствора _ й Нефтегазовое дело, 2005 На рис. 1 линия 1, показан график зависимости изменения частоты вращения вала турбобура ЗТСШ-71/2Ф от амплитуды импульсов давления на выходе ПГИ.

Рис.1. Зависимость изменения частоты вращения вала забойных двигателей от амплитуды импульсов на выходе ПГИ Изменение частоты вращения вала двигателя ЗТСШ-71/2Ф при формировании телесистемой импульсов давления амплитудой 2 MПа, с учетом передаточной функции ПГИ, показано на рис. 2.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам