Автоматизация процесса бурения

Введение.

Автоматизация технологического процесса составляет важную часть научно-технического прогресса в проведении геологоразведочных работ. Теоретические исследования в области совершенствования управления процессом бурения и его оптимизации получили новые возможности практической реализации с появлением управляющей микропроцессорной техники и созданием на ее основе систем автоматизированного управления.

В отрасли в течение ряда лет проводятся исследования по созданию микропроцессорных систем автоматизированного управления геологоразведочным бурением, реализующие методы и средства универсального, многофункционального управления, способного в отличие от жестких аналоговых решений осуществлять гибкую технологию бурения.

Разнообразные образцы систем автоматизированного управления процессом бурения разведочных скважин на твердые полезные ископаемые позволяют не только управлять процессом бурения в реальном времени по любому из известных алгоритмов, но и собирать, накапливать и обрабатывать информацию о процессе бурения, а также диагностировать работоспособность отдельных узлов и механизмов.

Автоматизация технологических процессов на основе современной техники должна обеспечить интенсификацию производства, повышение качества и снижение себестоимости продукции.

Необходимость этого вытекает из анализа производственной деятельности геологоразведочных организаций по выполнению плановых заданий. Несмотря на то, что внедрение современного оборудования, инструментов, прогрессивной технологии бурения, средств механизации и автоматизации отдельных операций, совершенствование организации труда в целом обеспечило выполнение этих заданий, в разведочном бурении остаются значительные резервы повышения производительности труда и улучшения его технико-экономических показателей. Эти резервы заключаются, прежде всего, в оптимизации и автоматизации оперативного управления процессом бурения скважин и в совершенствовании организации работ.

Сегодня, в условиях интенсифицированного производства, возросших скоростей бурения резко повысилась физическая нагрузка на буровой персонал. Учитывая также и тенденцию к росту глубин бурения разведочных поисковых скважин, можно утверждать, что возросли психологическая нагрузка и ответственность за решения, принимаемые бурильщиком в процессе бурения. Уже сейчас время простоев из-за неправильных технологических решений в процессе бурения составляет 5-7% общего баланса рабочего времени.

Процесс бурения, особенно глубоких скважин, протекающий в условиях значительной неопределенности, подвергается сильным и непредсказуемым возмущающим воздействиям, основа которых – как горно-геологические, так и технико-технологические факторы. Буровики знают насколько проектный геологический разрез может отличаться от фактического, а следовательно, проектная технология бурения – от фактической. Бурильщику приходится отступать от проектной технологии, использовать свой опыт, знания, интуицию, чтобы вовремя обнаружить изменение категории буримости пород, неблагоприятную технологическую ситуацию; хорошие мастера работают на грани искусства. Поэтому научить бурить хорошо, не задавать проектные параметры режимов бурения, а варьировать ими в зависимости от условий очень сложно. Намного быстрее и дешевле научить бурильщика пользоваться системой автоматизированного управления процессом бурения, которая будет выбирать и поддерживать оптимальные режимы бурения в соответствии с заданными критериями оптимальности и в рамках установленных ограничений. С помощью систем автоматизированного управления можно более жестко нормировать процесс бурения, широко внедрять передовые технологии бурения.

Устройство сбора и первичной обработки информации о состоянии процесса бурения является неотъемлимой частью автоматизированной системы управления этим процессом. Задачей настоящего дипломного проекта является разработка такого устройства. Выбор этой проблемы обуславливается спецификой специальности АТПиП.

Глава 1.Описание технологического процесса бурения.

1.1. Буровая скважина и ее элементы.

Буровой скважиной называется цилиндрическая горная выработка в земной коре, характеризуемая относительно малым диаметром по сравнению с ее глубиной.

Основные элементы буровой скважины (рис. ZZZZ).

Устье скважины 1 - место пересечения буровой скважиной земной поверхности, дна акватории или элементов горной выработки при бурении в подземных условиях.

Забой скважины 8 - дно буровой скважины углубляющееся в процессе бурения; он может быть кольцевой 6 с керном 7 или сплошной 8.

Стенки скважины 9 - боковая поверхность буровой скважины.

Ствол скважины 2,5 - пространство, ограниченное стенками скважины. В неустойчивых породах стенки скважины закрепляются обсадными колоннами, при этом ствол скважины сужается.

Ось скважины 4 - геометрическое место точек центра забоя, перемещающегося при углубке скважины, т. е. воображаемая линия, соединяющая центры поперечных сечений буровой скважины.

Глубина скважины - расстояние между устьем и забоем скважины по ее оси.

Диаметр скважины - условный диаметр равный номинальному диаметру породоразрушающего инструмента. Фактический диаметр скважины, как правило больше номинального породоразрушающего инструмента за счет разработки скважины.

Существует также понятие "конструкция скважины". Под конструкцией скважины подразумевают ее характеристику, определяющую изменение

1 2

/

9

3

/

4

5

А - А 6

8 7

Рис.ZZZZ. Элементы буровой скважины:

1 - устье скважины; 2 - ствол скважины, обсаженный трубами; 3 - обсадные колонны; 4 - ось скважины; 5 -ствол скважины, не обсаженный трубами; 6 - кольцевой забой; 7 - керн; 8 - сплошной забой; 9 - стенки скважины; ,,- диаметры ствола скважины в разных интервалах; , ,, - диаметры обсадных колонн соответственно наружные, внутренние; - диаметр керна; ,- глубина интервалов скважины, закрепленных трубами;- глубина скважины

диаметра (,,) c глубиной, а также диаметры (, ) и длины (,) обсадных колонн 3 (см. рис. ZZZZ).

Различают ствол скважины, не закрепленный трубами, 5 и ствол скважины, закрепленный трубами, 2.

Последующий диаметр скважины уменьшается после каждого закрепления.

Каждая обсадная колонна выступает над устьем скважины, но может опускаться и впотай. При необходимости пространство между стенками скважины и обсадными трубами заполняется цементным раствором.

1.2. Классификация буровых скважин

Все скважины, бурящиеся с целью региональных исследований, поисков, разведки и разработки месторождений подразделяются на следующие категории и группы.

Геологоразведочные скважины делят на опорные, параметрические, структурно- картировочные, поисковые и разведочные.

Опорные скважины бурят для изучения геологического строения и гидрогеологических условий крупных геоструктурных элементов (регионов) для выбора наиболее перспективных направлений геологоразведочных работ.

Параметрические скважины бурят для измерения параметров геофизических свойств и температуры пород в условиях их естественного залегания, изучения и выявления перспективных районов для детальных геологопоисковых работ.

Структурно-картировочные скважины бурят для выявления и изучения геологических структур, элементов залегания пластов пород, для контроля и уточнения данных геологической и геофизической съемок.

Поисковые скважины бурят для открытия новых месторождений полезных ископаемых.

Разведочные скважины бурят для оконтуривания и определения запасов полезного ископаемого, установления горнотехнических условий и выбора метода его эксплуатации.

Эксплуатационные скважины бурят для добычи нефти и газа, подземных вод, рассолов, содержащих соли брома, йода и других компонентов; для подземной газификации углей, выплавки серы и озокерита, выщелачивания железа, марганца, фосфоритов, меди и солей урана, возгонки ртути, подземного сжигания серы, скважинной гидродобычи углей и фосфатов; использования тепла земных недр. В соответствии с добываемым полезным ископаемым эксплуатационные скважины подразделяют на нефтяные, газовые, гидрогеологические, геотехнологические, гидротермальные.

Технические скважины бурят для решения различных инженерных задач.

1.3. Сущность и схема процесса бурения скважин

Различают понятия "бурение" и "сооружение скважины". Под бурением понимают комплекс следующих операций, в результате которых выполнения которых создается буровая скважина.

1. Разрушение горной породы на забое.

2. Удаление разрушенной породы (шлама) с забоя на поверхность.

3. Закрепление стенок скважины в неустойчивых (обрушающих) породах.

Породу можно разрушать механическим, электрическим, термическим (тепловым), взрывным, химическим и другими способами.

Бурят обычно механическим способом различными породоразрушающими инструментами. При этом под воздействием статических и динамических нагрузок породоразрушающий инструмент сминает, раздавливает, режет, скалывает, дробит, истирает, уплотняет породы. Разрушение породы может происходить по всему забою или по кольцу с образованием ненарушенного столбика породы (керна), как показано на рисунке ZZZZZ.

Существуют следующие способы удаления частиц разрушенной породы:

• гидравлический, при котором продукты разрушения выносятся потоком промывочной жидкости (вода, глинистый раствор, специальные промывочные жидкости на основе нефти, полимеров и др.);

• пневматический, при котором продукты разрушения выносятся потоком сжатого воздуха или газов;

• механический, осуществляется буровым или специальным инструментом (буровой стакан, ложковый или спиральный бур, шнек, желонка), что определяется способом бурения;

• комбинированный использует два или три перечисленных выше способов одновременно или последовательно.

Стенки скважины в неустойчивых породах в процессе углубки наиболее часто закрепляют вяжущими промывочными жидкостями (глинистые, полимерные и пр.), а также цементом и цементосодержащими материалами, синтетическими смолами, замораживанием и др. Для крепления скважин на более длительное время в основном применяют стальные обсадные трубы, но могут использоваться трубы из нержавеющей стали, чугуна, асбоцемента, пластмасс и других материалов.

Под сооружением скважины понимают комплекс работ по ее подготовке, бурению и поддержанию в устойчивом состоянии, проведению в ней необходимых исследований, ликвидации или сдаче ее в эксплуатацию.

Сооружение скважины, кроме бурения предусматривает выполнение следующих видов работ: монтаж буровой установки; испытание и исследования в скважине - каротаж; замер искривления и уровня жидкости, отбор проб воды, определение дебита с помощью откачек и т.п.; тампонирование скважины с целью разобщения и изоляции водоносных и поглощающих пластов; установка фильтра и водоподъемника в гидрогеологической скважине; предупреждение и ликвидация аварий скважины (ликвидационное тампонирование); разборка буровой установки и работы по рекультивации почвы. Перечисленные виды работ выполняются буровыми, монтажными, каротажными, гидрогеологическими и другими бригадами.

1.4.Классификация способов бурения

Бурение скважин может осуществляться способами, принципиально отличающимися по своей физической природе разрушения горных пород: механическими, физическими и химическими.

В основном применяют механическое бурение, которое, в зависимости от способа воздействия на разрушаемую породу, подразделяется на вращательное, ударное и ударно вращательное (рис. ZZ11).

Наиболее распространено вращательное бурение, при котором породоразрушающий инструмент получает вращение от специального механизма - шпинделя вращателя или ротора - через колонну бурильных труб или от забойного двигателя (гидравлического или электрического). В связи с этим различают бурение шпиндельное, роторное, забойными двигателями - турбобурами и электробурами.

При бурении указанными способами породы любой твердости можно разрушать по всей площади забоя или по кольцу с образованием в центре скважины ненарушенного столбика породы - керна. Первый способ, называемый бескерновым, широко применяется при бурении

эксплуатационных и технических скважин. Второй способ называется колонковым и применяется при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых.

В зависимости от способа подъема керна из забоя скважины на поверхность различают колонковое бурение со съемными керноприемниками и гидротранспортом керна. В первом случае керн поднимается в керноприемнике на стальном тонком канате внутри гладкостовольной колонны бурильных труб, а во втором транспортируется во внутренней трубе двойной колонны труб потоком промывочной жидкости. Вращательное бурение ведется с промывкой или продувкой.

При бурении неглубоких скважин в мягких породах применяют вращательное шнековое и медленно вращательное бурение буровыми ложками и спиральными бурами без промывки.

Ударное бурение используют при разведке рассыпных месторождений, бурении гидрогеологических и различного назначения технических скважин большого диаметра в породах любой твердости (в крепких породах оно мало производительно). Сущность этого способа заключается в том, что тяжелый ударный снаряд с долотом периодически сбрасывается на канате с небольшой высоты на забой, дробя и скалывая при этом породу. После каждого удара