Технологическое обслуживание с точным управлением давлением

Вращающийся противовыбросовый превентор

1. Назначение и область применения
Ротационный противовыбросовый превентор устанавливается поверх кольцевого или клинового противовыбросового превентора и при проведении буровых операций под давлением, в том числе по технологии недобалансного бурения, служит для герметизации вращающегося бурового инструмента и обеспечивает разделение потоков. В комплексе с гидравлическими противовыбросовыми превенторами, обратными клапанами бурового оборудования, жидкогазовыми сепараторами и устройствами для подачи давления при спуско‑подъёмных операциях без опрессовки скважины он позволяет безопасно осуществлять бурение под давлением и спуско‑подъёмные операции без опрессовки. Кроме того, он играет важную роль при выполнении специальных операций, таких как освобождение низконапорных нефтяных и газовых пластов, эффективная защита от выбросов и утечек, газовое бурение, бурение и капитальный ремонт скважин без опрессовки и др.

2. Основной принцип работы
Буровой инструмент, вращаясь, приводит в движение верхний подшипниковый узел противовыбросового устройства, при этом резиновый уплотнительный сердечник вращается вместе с бурильной колонной. Уплотнение вокруг бурильной колонны обеспечивается за счёт её собственной упругой деформации и дополнительного уплотнения, создаваемого давлением в скважине. Подвижное уплотнение между центральной трубой и подшипниковым узлом осуществляется с помощью верхнего и нижнего подвижных уплотнительных узлов.
Гидравлическая энергетическая установка предназначена для управления открытием и закрытием зажимных хомутов, а также для обеспечения смазки и охлаждения узла подшипников, что гарантирует их нормальную работу.

3. Технические параметры

Диаметр корпуса: 346 мм (13-5/8 дюйма), 480 мм (18-3/4 дюйма), 540 мм (21-1/4 дюйма)
Спецификация нижнего фланца: 13‑5/8 дюйма — 35 МПа, 18‑3/4 дюйма — 70 МПа, 21‑1/4 дюйма — 35 МПа, 21‑1/4 дюйма — 14 МПа.
Боковой выходной патрубок: 7‑1/16 дюйма — 35 МПа, стальной обод типа 6B; боковой входной патрубок: 2‑1/16 дюйма — 35 МПа, стальной обод типа 6B (по выбору пользователя — с муфтой для нефтяных труб или с переходником).
Номинальный диаметр подшипникового узла: 178 мм, 192 мм, 197 мм, 203 мм, 220 мм
Рабочее давление: максимальное динамическое — 17,5 МПа, максимальное статическое — 35 МПа.
Максимальная частота вращения: 130 об/мин
Комплектуемое буровое оборудование: бурильные трубопроводы диаметром 5‑1/2 дюйма, 5 дюймов, 3‑1/2 дюйма, 2‑7/8 дюйма и др.
Рабочая среда: газ, пена и различные буровые растворы
Габаритные размеры обычного противовыбросового устройства: высота корпуса — 1000 мм, высота в сборе с подшипниковым узлом, установленным в корпусе, — 1655 мм.
Габаритные размеры экологически безопасного противовыбросового оборудования: высота корпуса — 1100 мм, высота в сборе с подшипниковым узлом внутри корпуса — 1755 мм.

4. Структурное устройство

Вращающийся противовыбросовый превентор в основном состоит из корпуса, узла подшипников, гидравлической силовой установки, управляющих трубопроводов, гидравлического плоскостного клапана и вспомогательных устройств.

Применение бурения с точным управлением давлением

Ключевая цель: Суть точного управляемого бурения заключается в прецизионном, оперативном контроле профиля кольцевого давления в стволе скважины — особенно давления у забоя — с целью поддержания его как можно более стабильным в заданном целевом диапазоне, обычно представляющем собой «узкое плотностное окно» между пластовым поровым давлением и давлением разрыва пласта. Это подобно хождению по канату на большой высоте и требует чрезвычайно тонкой и точной регулировки.

Высокоточная сборка данных в реальном времени

Источник данных: Система в режиме реального времени собирает ключевые данные с помощью сети высокоточных датчиков, установленных на наземном оборудовании (иногда в сочетании с подземными инструментами):

• Дебит: частота хода входного бурового насоса/расход, дебит выходного бурового раствора (самый ключевой параметр).
• Давление: давление в стояке, давление в обсадной колонне, давление на узле дросселирования (вверх по течению/вниз по течению от дроссельного клапана).
• Уровень жидкости: уровень в отстойнике (сепараторе) — косвенно отражает баланс поступления и оттока жидкости.
• Плотность: плотность входного бурового раствора.
• Содержание газа: содержание газа в возвращаемой на выходе жидкости (при необходимости).
• Подземное давление: (при наличии установленного измерительного инструмента бурения/PWD/LWD).

Назначение: На основе этих данных система способна «определять» фактическое состояние давления в стволе скважины (в частности, давление у забоя, рассчитываемое с помощью гидравлической модели и корректируемое на основе измеренных данных) и характер течения флюидов (например, наличие утечек, прорывов или других аномалий).

Алгоритм интеллектуального управления

Установочная точка: Инженер заранее вводит целевое давление устья скважины или целевую эквивалентную циркуляционную плотность.
Модели и вычисления: Система оснащена встроенной или подключённой к ней передовой гидравлической моделью. Эта модель на основе данных датчиков, собираемых в режиме реального времени (объёмный расход, свойства бурового раствора и др.), а также геометрических параметров ствола скважины, в режиме реального времени вычисляет распределение давления в текущем стволе скважины, в частности — давление у забоя.
Ключевой элемент алгоритма — замкнутое управление:

• Ключевым управляющим параметром является степень открытия дроссельной заслонки. Дроссельная заслонка представляет собой высокоточный «регулирующий клапан давления»; величина её открытия непосредственно влияет на обратное давление у устья скважины, а через него — на общее давление в стволе скважины.
• Система в режиме реального времени сравнивает рассчитанное давление устья скважины/давление в ключевой точке (или эквивалентную плотность) с заданным целевым значением (точкой настройки).
• На основе заранее заданных передовых алгоритмов управления (например, ПИД‑управления — пропорционально‑интегрально‑дифференциального управления, а также более продвинутых методов, таких как модельное прогнозирующее управление, робастное управление и др.)
• ПИД‑регулятор: на основе величины отклонения (компонент P), накопленного отклонения (компонент I) и скорости изменения отклонения (компонент D) производится совокупный расчёт необходимого изменения степени открытия дроссельной заслонки. Пропорциональный компонент корректирует текущее отклонение, интегральный компонент устраняет накопленное за прошлое отклонение, а дифференциальный компонент прогнозирует тенденцию будущего отклонения и обеспечивает его подавление.
• Более продвинутые алгоритмы: позволяют лучше справляться с такими сложными особенностями, как системная задержка и сильная связь между компонентами, повышая скорость отклика и стабильность.
• Компенсация помех: система способна в режиме реального времени выявлять и нейтрализовать основные источники помех:
• Изменение дебита: операции, связанные с движением буровой колонны (навинчиванием или отвинчиванием секций), а также включение и остановка бурового насоса, приводят к мгновенным изменениям дебита и являются основным источником возмущений. Система либо заранее прогнозирует такие изменения — например, посредством подсчёта числа ходов насоса, — либо фиксирует их; в обоих случаях она заблаговременно или своевременно корректирует степень открытия дроссельной заслонки, чтобы компенсировать влияние изменений дебита на давление и обеспечить стабильность давления у ствола скважины. Именно в этом заключается ключевая функция автоматической непрерывной циркуляционной компенсации.
• Изменение плотности и свойств бурового раствора: при изменении характеристик вводимого бурового раствора система корректирует стратегию управления на основе расчётов по модели и новых параметров.
• Подземные колебания: при обнаружении даже незначительного перетока или утечки система автоматически корректирует заданные значения или стратегию реагирования.

Точное управление дроссельной заслонкой

• Контрольный алгоритм вычисляет необходимое управляющее воздействие на степень открытия дроссельной заслонки — увеличение или уменьшение её открытия.
• Данная команда передаётся исполнительному механизму (как правило, электрическому или гидравлическому приводу) посредством высокоскоростной электрогидравлической системы управления.
• Исполнительный механизм чрезвычайно точно регулирует степень открытия дроссельной заслонки (точность может достигать долей процента от полного открытия).
• Изменение степени открытия дроссельной заслонки немедленно корректирует обратное давление устья скважины, оказывая воздействие на давление в кольцевом пространстве и тем самым непосредственно влияя на эквивалентную циркуляционную плотность (ECD) всего кольцевого столба жидкости и на конечное давление устья скважины (BHP).

Итоговый замкнутый процесс

Сбор данных в режиме реального времени → расчёт модели текущего давления устья скважины/давления в ключевых точках → сравнение заданного значения с фактическим (вычисление отклонения) → формирование регулирующего алгоритма и генерация команды коррекции → точная настройка положения дроссельной заслонки исполнительным механизмом → изменение обратного давления на устье скважины → влияние на давление устья → сбор новых данных и обратная связь в систему… — таким образом формируется непрерывный высокоскоростной замкнутый контур управления с временным разрешением в миллисекунды.

Ключевые особенности и преимущества

• Отклик в миллисекунды: система обладает чрезвычайно высокой скоростью вычислений и исполнения, что позволяет оперативно реагировать на мгновенные изменения расхода.
• Высокоточное управление: колебания давления у ствола скважины можно поддерживать в крайне узком диапазоне (например, в пределах ±0,1 условной плотности или ±50 psi).
• Динамическое балансирование давления: поддержание динамической (а не статической) стабильности давления у основания скважины, обеспечивая непрерывную защиту стенок скважины в процессе бурения, включая операции, такие как соединение колонн.
• Автоматическая диагностика и предупреждение: система способна автоматически выявлять малейшие признаки перетока и утечки и подавать соответствующие сигналы тревоги.
• Значительное повышение безопасности: эффективное предотвращение таких сложных аварий, как выбросы из скважины, фонтанирование, утечки и заклинивание бурового инструмента.
• Повышение эффективности бурения: безопасное и быстрое бурение в ранее трудно проходимых пластах с «узким окном» параметров, сокращение непроизводительного времени.

Конструктивные особенности дроссельной заслонки

• Конструкция плунжера: в качестве основного управляющего элемента используется плунжер, который за счёт своего вертикального перемещения регулирует площадь сечения потока, обеспечивая точное управление расходом и давлением.
• Электрический исполнительный механизм: оснащён электрическим приводом и сервомотором, предназначен для приведения в движение плунжера, обеспечивая высокую точность управления.
• Уплотнительная конструкция: применение высокопроизводительных уплотнительных материалов обеспечивает надёжную герметичность в условиях высокого давления и высоких температур.
• Материал корпуса клапана: как правило, изготавливается из высокопрочной низколегированной стали или нержавеющей стали, чтобы выдерживать высокое давление и воздействие агрессивных сред.
• Система обратной связи: встроенный датчик положения, датчики давления, установленные перед и за дроссельной заслонкой, обеспечивают непрерывный мониторинг положения плунжера и давления жидкости, формируя сигналы обратной связи для реализации замкнутого управления.

Конструктивные преимущества дроссельной заслонки

• Высокоточное управление: электроприводные исполнительные механизмы в сочетании с системой обратной связи обеспечивают точную регулировку расхода и давления, что отвечает строгим требованиям буровых операций.
• Быстрое реагирование: электроприводы обладают высокой скоростью отклика, позволяя оперативно корректировать положение плунжера и адаптироваться к быстро меняющимся условиям работы в процессе бурения.
• Высокая степень автоматизации: возможно интегрирование с системами автоматического управления, что обеспечивает дистанционное управление и автоматизированные операции, снижает необходимость ручного вмешательства и повышает эффективность выполнения работ.
• Высокая надёжность: применение высокопроизводительных материалов и герметичной конструкции обеспечивает долговременную надёжную работу в тяжёлых условиях эксплуатации.
• Простота обслуживания: конструкция проста, а обслуживание и замена комплектующих удобны, что сокращает время простоя.