Двухвходовые структуры контроля и их применение в системах управления процессом бурения скважин

Двухвходовые структуры контроля и их 
применение в системах управления 
процессом бурения скважин 

монография 

 
 
 
TWO-WAY CONTROL STRUCTURES  
AND THEIR APPLICATION IN WELL  
CONTROL SYSTEMS 

Moscow, BIBLIO-GLOBUS, 2019 
 

 

 

 

 

 

Москва 

БИБЛИО-ГЛОБУС 

2019  

УДК 622.24 
ББК 33.131/132 
Д25 

Рецензенты: 

Кузьбожев В.С.  ‒ д.т.н., профессор, и.о. заместителя директора по науке филиала ООО «Газпром ВНИИГАЗ», 

Хорошавин В.С. – д.т.н., профессор кафедры ЭПиАПУ ВятГУ. 

 

Перминов Б.А. 

Д 25 
Двухвходовые структуры контроля и их применение в системах 
управления процессом бурения скважин. / Б.А. Перминов, 
В.Б. Перминов, З.Х. Ягубов, Э.З. Ягубов, И.А. Дементьев, К.Г. Игнатьев. – М.: БИБЛИО-ГЛОБУС, 2019. – 378 с. 

 
 

ISBN 978-5-907063-44-0 
DOI 10.18334/9785907063440 

 
Монография посвящена исследованию методов и средств измерения динамических приращений параметров (вариационных отклонений) с возможностью выделения этих отклонений из сложного сигнала и использования выделенного сигнала для целей построения оптимальных систем управления бурением скважин по механической скорости проходки. 
Проведен анализ и синтез структур измерения динамических приращений крутящего момента на выходном вале привода бурильной колонны и рассмотрены вопросы построения локальных систем управления с использованием этих приращений на базе исследований динамики бурильной колонны при 
углублении скважины. 
Ключевые слова: двухвходовые структуры, динамические приращения, 
вариационные отклонения, частотные характеристики, динамические свойства, синтез компьютерных средств измерения, системы управления бурением. 
 
ISBN 978-5-907063-44-0                         © Коллектив авторов, 2019 
© Оформление и дизайн обложки,   
ООО Издательский дом  
«БИБЛИО-ГЛОБУС», 2019 

СОДЕРЖАНИЕ 

Предисловие ....................................................................................... 11 

1. Общие положения ......................................................................... 13 

1.1. Основные понятия и определения теоретических  
основ измерений вариационных отклонений ........................ 17   

1.2. Динамические свойства вариационных структур .......... 22 

1.3. Условие максимальной чувствительности  
вариационной структуры ......................................................... 27 

1.4. Погрешности вариационных структур............................ 30 

1.5. Особенности частотных свойств вариационной  
структуры .................................................................................. 32 

2. Двухвходовые   структуры   измерения   динамических  
приращений   параметров ................................................................. 40 

2.1. Построение двухвходовой структуры измерения  
динамических приращений параметров ................................ 41 

2.2. Метрологические свойства двухвходовых структур  
деления ....................................................................................... 46 

2.3. Динамические ошибки измерения в двухвходовых  
структурах деления .................................................................. 54 

2.4. Частотные свойства двухвходовых структур деления .. 63 

2.5. Квазирезонанс в двухвходовых структурах деления .... 72 

3. Реализация двухвходовых структур деления ............................. 85 

3.1 Синтез двухвходовой структуры при косвенных ........... 85  

измерениях крутящего момента 

3.2. Способ выделения и измерения динамических  
составляющих крутящего момента ........................................ 98 

3.3. Согласование инерционных свойств двухвходовой  
структуры измерения градиента крутящего момента  
с системой управления бурением ......................................... 103 

3.4. Определение аварийной ситуации процесса бурения  
с использованием вариационной структуры измерения  
крутящего момента ................................................................. 111 

3.5. Аварийная ситуация в процессе бурения при медленно   
нарастающем воздействии..................................................... 118 

4. Разработка компьютерных средств измерения параметров  
бурения ............................................................................................. 127 

4.1. Предпосылки разработки компьютерных средств  
для измерения динамических приращений параметров  
бурения .................................................................................... 127 

4.2. Математическое моделирование вариационной  
структуры измерения крутящего момента .......................... 137 

4.3. Реализация двухвходовой системы контроля крутящего  
момента как компьютерного средства измерения .............. 143 

4.4. Производственные испытания двухвходовой системы  
контроля параметров бурения ............................................... 162 

5. Анализ динамических свойств бурильной колонны в процессе  
углубления скважины ..................................................................... 181 

5.1. Необходимость анализа динамических свойств  
бурильной колонны как объекта управления ...................... 181 

5.2. Обоснование структурных моделей динамики  
бурильной колонны ................................................................ 182 

5.3. Исследование структурной модели бурильной  
колонны ................................................................................... 193 

5.4. Структурное моделирование бурильной колонны  
как эффективный метод исследования ее динамических  
свойств ..................................................................................... 202 

5.5. Упругодеформированное состояние  
бурильной колонны ................................................................ 212 

5.6. Влияние осевой нагрузки на динамику  
бурильной колонны ................................................................ 222 

5.7. Исследование устойчивости работы бурильной  
колонны с использованием частотных методов ................. 225 

5.8. Влияние глубины проходки скважины на устойчивость  
работы бурильной колонны ................................................... 233 

5.9. Биения бурильной колонны в процессе углубления  
скважины ................................................................................. 240 

5.10. Влияние автоколебаний на механическую скорость  
бурения .................................................................................... 251 

5.11. Анализ биений бурильной колонны при углублении  
скважины ................................................................................. 256 

5.12. Влияние биений бурильной колонны  
на механическую скорость проходки скважины ................ 267 

6. Построение систем управления бурением на базе  
двухвходовых структур контроля параметров ............................. 278 

6.1. Методы и средства управления процессом  
углубления скважины ............................................................ 279 

6.2. Влияние биений бурильной колонны на стратегию  
режима бурения ...................................................................... 287 

6.3. Оптимизация управления процессом углубления  
скважины ................................................................................. 293 

6.4.  О программной оптимизации процесса углубления  
скважины ................................................................................. 305 

6.5. Управляемость процесса углубления скважины ......... 308 

6.6. Релаксационные колебания в системе «бурильная  
колонна – привод» .................................................................. 314 

6.7. Соотношение энергетических показателей в системе  
«бурильная колонна – привод» ............................................. 324 

6.8. Компенсация релаксационных колебаний двигателя  
привода бурильной колонны ................................................. 340 

Заключение ....................................................................................... 353 

Список литературы .......................................................................... 358 

CONTENTS 

Foreword .......................................................................................................... 11 

1. General provisions ..................................................................................... 13 

1.1. Basic concepts and definitions of the theoretical basis  
for the measurement of variation deviations .............................. 17 

1.2. Dynamic properties of variation structures ......................... 22  

1.3. Condition of maximum sensitivity  
of the variation structure ............................................................. 27 

1.4. Errors in variational structures ............................................ 30 

1.5. Features of the frequency properties  
of the variation structure ............................................................. 32 

2. Two-way structures for measuring dynamic parameter  
increments ............................................................................................ 40  

2.1. Building a two-way structure for measuring dynamic  
parameter increments .................................................................. 41  

2.2. Metrological properties of two-way fission structures ....... 46 

2.3. Dynamic measurement errors in two-way  
division structures ....................................................................... 54  

2.4. Frequency properties of two-way fission structures ........... 63 

2.5. Quasi-Resonance in two-way control systems  
of drilling parameters ................................................................. 72 

3. Implementation of two-way division structures .............................. 85 

3.1. Synthesis of a two-way structure with indirect torque  
measurements ............................................................................. 85 

3.2. Method for isolating and measurement of dynamic  
components of torque ................................................................. 98 

3.3. Approval of the inertial properties of the two-way torque  
gradient measurement structure with the drilling  
control system ........................................................................... 103  

3.4. Definition of a drilling process emergency using  
a variation structure of torque measurement ............................ 111 

3.5. Emergency in the process of drilling with a slowly  
increasing impact ...................................................................... 118 

4. Development of computer tools for measuring drilling  
parameters .......................................................................................... 127 

4.1. Background for the development of computer tools  
for measuring dynamic increments of drilling parameters ...... 127  

4.2. Mathematical modeling of the variation structure  
of torque measurement ............................................................. 137 

4.3. Implementation of a two-way torque control system  
as a computer measurement tool .............................................. 143 

4.4.  Production testing of a two-way control system  
of drilling parameters ............................................................... 162 

5. Analysis of the dynamic properties of the drill string  
in the process of deepening the well ................................................. 181 

5.1. The need to analyze the dynamic properties of the  
drill string as a control object ................................................... 181 

5.2. Justification of structural models of the drill  
string dynamics ......................................................................... 182 

5.3. Study of the structural model of the drill string ................ 193 

5.4. Structural modeling of a drill string as an effective  
method for studying its dynamic properties ............................. 202 

5.5. Elastic-deformed state of the drill string ........................... 212 

5.6. The effect of axial load on the dynamics  
of the drill string ....................................................................... 222 

5.7. Study of the stability of the drill string using  
frequency methods .................................................................... 225 

5.8. The influence of the depth of the borehole on the stability  
of the drill string ....................................................................... 233 

5.9. Beats of the drill string in the process  
of deepening the well ................................................................ 240 

5.10. Impact of self-oscillations on the mechanical  
drilling rate................................................................................ 251 

5.11. Analysis of the beat of the drill string during  
the deepening of the well .......................................................... 256 

5.12. Impact of the beat of the drill string on the mechanical  
rate of penetration ..................................................................... 267 

6. Building of drilling control systems based on two-way  
parameters control structures............................................................. 278 

6.1. Methods and tools for controlling the well  
dredging proces ......................................................................... 279 

6.2. Impact of drill string beat on drilling mode strategy ........ 287 

6.3. Optimization of well deepening process management ..... 293 

6.4. About software optimization of the well  
deepening process ..................................................................... 305 

6.5. Well deepening process control ........................................ 308 

6.6. Relaxation oscillations in the drill string-drive system ..... 315 

6.7. The ratio of energy indicators in the «drill string-drive»  
system ....................................................................................... 324 

6.8. Compensation of relaxation oscillations of the drill  
string drive engine .................................................................... 340 

Conclusion ......................................................................................... 353 

Bibliography ...................................................................................... 358 

The monograph is devoted to the study of methods and means 
of measuring dynamic increments of parameters (variation deviations) 
with the possibility to isolate these deviations from a complex signal and 
use the selected signal for building optimal drilling control systems by 
mechanical penetration rate. 
We have carried out the analysis and synthesis of structures 
measuring dynamic torque increments on the output shaft of the drill 
string drive; we also have considered the issues of building local control 
systems using these increments based on studies of the dynamics of the 
drill string during well deepening. 
 
Keywords: two-way structures, dynamic increments, variation 
deviations, frequency characteristics, dynamic properties, synthesis 
of computer measuring instruments, drilling control systems.