Приборы для текущего контроля за параметрами режима бурения. Индикаторы веса (устройство, правила тарировки, чтение индикаторных диаграмм).

 

Текущий контроль параметров процесса бурения осуществ­ляется с помощью следующих основных приборов: индикатора веса, манометра, моментомера, тахометра, а также приборов для измерения механической скорости и проходки.

Индикатор веса. Осевая нагрузка на долото в каждый мо­мент определяется при помощи индикатора веса. Этим прибо­ром определяется также нагрузка, действующая на крюк тале­вой системы. Наибольшее распространение получили гидравли­ческие индикаторы веса. Принципиальная схема измерения уси­лий при помощи гидравлического индикатора веса показана на рис.  Основная часть индикатора веса — трансформатор (мессдоза), который состоит из корпуса 1 и поршня 4 в виде тарелки. Талевый канат проходит через роликовые опоры 2, 5 корпуса и роликовую опору 3 пор­шня, изгибаясь под определенно задан­ным углом. Трансформатор давления укрепляется на неподвижном конце ка­ната. Благодаря изгибу оси каната воз­никают усилия, действующие на поршень (мембрану), опирающийся на резиновую камеру 6, заполненную жидкостью. Вос­принимаемое жидкостью усилие переда­ется по системе трубок на указывающий и записывающий манометры. Комплект индикатора

 

 веса состоит из трансформатора давления, одного указывающего манометра и одного самопишущего манометра с круглой диаграммой, вращаемой часовым механизмом со скоростью один оборот за сутки. Указывающий манометр с ус­ловной шкалой, градуированной на 100 делений, устанавли­вают на щите у поста бурильщика. Очень часто в комплект индикатора веса входит верньер, представляющий собой на­ружный манометр со стрелкой, с замкнутой шкалой, разделен­ной на 40 делений без цифровых обозначений. Каждому деле­нию верньера соответствует половина деления указывающего манометра. Благодаря этому верньером удобно пользоваться для определения нагрузки на долото, так как при этом отсчеты производятся с большой точностью. Верньер рассчитан на дав­ление до 60 делений по манометру. Если вес бурильной ко­лонны превышает 60 делений, верньер надо выключить. Перед установкой индикатора веса необходимо убедиться в том, что неподвижный конец талевого каната на всем своем протяжении от ролика кронблока до места укрепления прохо­дит свободно, не задевая за элементы фонаря вышки. Канат в месте крепления трансформатора не должен иметь разорван­ных проволок и следов видимого износа. После того как индикатор веса смонтирован и проверена его герметичность, устанавливают стрелку показывающего ма­нометра на деление 10 при свободном крюке. Это делается для того, чтобы можно было в любой момент заметить утечки жид­кости из трубочек в местах их соединений.

Через каждые 6 месяцев индикатор веса независимо от его со­стояния необходимо демонтировать для осмотра и текущего ре­монта. Ремонт индикатора веса на буровой, связанный хотя бы с частичной разборкой трансформатора давления, указываю­щего и самопишущего манометров, запрещается. Не разреша­ется также замена отдельных приборов комплекта. Вся гидравлическая система заполняется водой, а в зимнее время смесью воды со спиртом или глицерином. Жидкость, за­полняющая систему, должна быть нейтральной по отношению к кислотности и щелочности, а также обладать малым коэффи­циентом расширения, не должна растворять резину и замер­зать. Наиболее удовлетворяет этим условиям 50%-ный раствор глицерина в воде. При отсутствии глицерина применяют раз­бавленный спирт (40% воды). В условиях покоя натяжение концов в канате должно быть равным усилию на крюке, деленному на число струн талевого каната, поддерживающих талевый блок, т. е.

где Р. — натяжение концов каната; Q — усилие на крюке; п — число рабочих роликов талевого блока. Одно и то же показание индикатора веса может соответст­вовать в зависимости от оснастки талевой системы разным дей­ствительным весам бурильной колонны. К каждому индикатору веса прилагается паспорт, в котором указана цена делений для различных показаний прибора. Цена делений, в начале шкалы манометра меньше цены делений в конце шкалы. Это объясняется изменением угла прогиба ка­ната в сторону уменьшения по мере увеличения нагрузки на крюке. На практике часто приходится определять цену деления ин­дикатора, не пользуясь паспортом прибора. В тот момент, когда долото не касается забоя скважины, вес бурильной колонны Q соответствует некоторому показанию индикатора веса А; зная, что условный нуль индикатора веса отнесен к 10-му делению, легко определить цену делений:

Приближенный вес бурильной колонны обычно находят из следующего выражения:

где L — длина колонны бурильных труб, равная глубине сква­жины в данный момент, м; l — длина одной свечи, м; q — вес I м бурильных труб. кН; q_s — вес замка, кН. Чтобы определить осевую нагрузку на забой в момент буре­ния, необходимо знать показание индикатора веса в этот мо­мент. Если показание индикатора веса P_д, то осевая нагрузка будет

 

Отсчет производится в следующем порядке. Спускаемую в скважину бурильную колонну с навинченной ведущей трубой поднимают над забоем на 2—3 м и затем с вращением и цир­куляцией бурового раствора медленно опускают. В этот момент фиксируют показание А стрелки манометра.

После создания осевой нагрузки на забой частью веса бу­рильных труб на долото определяют величину В. Разность между этими двумя показаниями, умноженная на цену деления индикатора веса, и будет характеризовать осевую нагрузку. Отсчет производится в следующем порядке. Спускаемую в скважину бурильную колонну с навинченной ведущей трубой поднимают над забоем на 2—3 м и затем с вращением и цир­куляцией бурового раствора медленно опускают. В этот момент фиксируют показание А стрелки манометра.

После создания осевой нагрузки на забой частью веса бу­рильных труб на долото определяют величину В. Разность между этими двумя показаниями, умноженная на цену деления индикатора веса, и будет характеризовать осевую нагрузку.

Индикаторы веса применяют не только при бурении, но и при ловильных работах и при спуске промежуточных и экс­плуатационных колонн и т. д. Внимательное наблюдение за индикатором веса очень часто позволяет предотвратить аварии во время спуска бурильной колонны и в процессе других работ. По индикаторной диаграмме инженерно-технические работники изучают процесс бурения, разрабатывают режимы бурения, контролируют соблюдение заданных параметров режима. Основной недостаток гидравлического индикатора веса — за­висимость показаний от диаметра каната, от температуры окру­жающей среды, от утечек жидкости. Кроме описанного выше гидравлического индикатора веса, существуют электрический и механический индикаторы веса. Электрический индикатор веса, так же как и гидравлический, измеряет вес бурильного инструмента по усилию в неподвиж­ном конце талевого каната. Электрический индикатор веса состоит из датчика с индук­ционным преобразователем, назначение которого—восприни­мать натяжение неподвижного конца талевого каната и отоб­ражать это натяжение пропорционально э.д.с. Он имеет также измеритель записывающего или указывающего типа. К основным преимуществам электрического индикатора веса относятся: независимость показаний от диаметра каната, воз­можность осуществления дистанционной передачи, легкость из­менения чувствительности прибора, большая точность. Регистрирующая часть ин­дикатора веса позволяет по записи на диаграмме оценивать работу в скважине, следить за соблюдением буровой бригадой заданных параметров режима бурения. Диаграмма гидравлического индикатора веса представляет собой бумажный круг с расчерченными на нем концентрическими окружностями. Жир­ные черные круги соответствуют делениям манометра в 0; 10; 20; 30;...; 100 единиц. Пространство между этими окружно­стями разделено на 10 частей, через которые проходят тонкие окружности. Таким образом, интервал между каждыми двумя соседними окружностями соответствует одному делению мано­метра. Отметки от 0 до 100 идут от центра к периферии. На­ружная окружность разделена на 24 большие части соответст­венно часам в сутки, а каждая большая часть, в свою очередь, разделена на 4 части, соответствующие каждая 15 мин. Через каждое из этих делений проведены кривые радиусом, равным длине пера от его центра вращения. Запись на диаграмме надо читать следующим образом. Если линия на диаграмме прохо­дит параллельно одной из окружностей, то это означает, что в этот отрезок времени вес на крюке не изменился. Это может быть или при остановке, или же в процессе бурения при по­стоянной нагрузке. Если же линия проходит параллельно кривой радиальной линии, то это является показателем, что в данный момент вре­мени произошли мгновенное изменение в веса бурильной ко­лонны на подъемном крюке. Последнее происходит во время подъема бурильной колонны с ротора, натяжки прихваченной в скважине бурильной колонны и т. д. Разница будет только в том, что в последнем случае крайняя точка этой кривой будет значительно превосходить наибольший вес бурильной колонны в данный момент. Если посадить бурильную колонну на элеватор, то этот мо­мент будет также отмечен такой же линией, но с той лишь раз­ницей, что в данном случае она покажет на уменьшение веса на подъемном крюке от какого-то максимума до условного нуля (10-е деление). Процесс спуска начинается после смены долота, т. е. при минимальном весе на подъемном крюке, и характери­зуется постепенным увеличением веса с каждой спущенной свечой. Процесс подъема бурильной колонны из скважины представ­ляет собой на диаграмме картину, обратную спуску. С каждой свечой вес на крюке уменьшается. Но так как в процессе подъ­ема от ротора до балкона верхового рабочего вес бурильной колонны остается одним и тем же, а подъем длится некоторое время, то период механического подъема будет на диаграмме обозначаться небольшой площадкой, параллельной окружности и соответствующей весу бурильной колонны в данный момент. Поэтому на индикаторной диаграмме при подъеме каждой свечи будут зафиксированы две линии, соединенные на конце пло­щадкой. Рассмотрим, как будет фиксироваться на диаграмме про­цесс бурения. Если осевая нагрузка поддерживалась постоян­ной, то площадка параллельна окружности, характеризующей вес бурильной колонны. Если же в процессе бурения происхо­дили колебания осевой нагрузки на забой, то это будет харак­теризоваться изменениями в виде рывков и волнообразных за­писей на диаграмме. Осевая нагрузка на забой может быть определена как раз­ность между весом бурильной колонны, приподнятой над за­боем, и весом бурильной колонны, частично опирающейся на забой при бурении. На диаграмме осевая нагрузка будет опре­деляться по числу клеток между окружностями, соответствую­щими максимальному отклонению стрелки манометра при окон­чании спуска бурильной колонны и минимальному отклонению стрелки в процессе бурения. Деления по манометру следует переводить в кН. Контроль за другими параметрами режима бурения. Давле­ние бурового раствора измеряется датчиком, который монтируется на трубопроводе между насосами и стояком или на стояке нагнетательной линии буровых насосов. Частота вращения ротора измеряется тахометрами различ­ных конструкций. Имеются также приборы по измерению меха­нической скорости проходки и ряд других приборов, регистри­рующих и показывающих забойные параметры процессов буре­ния (частота вращения вала турбобура, пространственное по­ложение забоя скважины и т. д.). Все описанные приборы входят в комплект системы назем­ного контроля процессов бурения (ПКБ — пульт контроля про­цессов бурения). Номенклатура параметров, контролируемых пультом контроля процессов бурения, определяется в зависимо­сти от мощности буровой установки. В последнее время все шире и шире внедряется передача па­раметров режима бурения на расстояние как при помощи про­волочной, так и беспроволочной связи. Это позволяет на диспет­черских пунктах (участках) оборудовать специальные пульты, на которых монтируют показывающие и регистрирующие при­боры параметров режима бурения каждой буровой. Диспетчер (инженер участка) получает возможность круг­лосуточно следить за работой буровых и при необходимости незамедлительно вносить нужные коррективы в процесс про­водки скважин. В США для оптимизации процесса бурения была проведена отработка системы передачи оперативной информации через спутник связи о процессе проводки скважины с буровой, распо­ложенной в Северном море, в исследовательский центр в городе Тулсе (США), откуда выдавались рекомендации по оптимиза­ции процесса бурения и регулированию параметров бурового раствора. Телеметрия забойных параметров при бурении скважин — решающий фак­тор в создании автоматической системы управления процессом бурения. В результате работ, проведенных у нас и за рубежом соз­дано достаточно большое количество приборов для контроля забойных параметров (под забойными параметрами понима­ются напряженное состояние бурильной колонны, частота вра­щения долота, температура и давление на забое скважины, ме­стоположение ствола скважины в пространстве и т. п.). При этом для связи с поверхностью используются различные виды каналов связи:

1) электропроводный с помощью встроенной в колонну труб линии связи;

2) беспроводные с передачей электрического сигнала по бу­рильной колонне и горным породам и передачей гидравлических импульсов по буровому раствору, заключенному в бурильной колонне;

3) механический — по телу бурильной трубы,

Существует два принципиальных метода передачи сигнала с забоя по каналам связи — непрерывный и дискретный. Более удобный и надежный в практических целях — второй.

В настоящее время находит все большее признание идея создания автономного забойного двигателя с одновременной ре­гистрацией забойных параметров. Для телеконтроля комплекса параметров процесса бурения скважин электробурами и состояния двигателей электробуров разработано несколько систем. В этих системах передача теле­метрических сигналов в скважине осуществляется по токоподводу электробура.