Новационные методы и средства измерения параметров бурения

Перминов Б.А., Перминов В.Б.,  

Ягубов З.Х., Ягубов Э.З. 

 

 

 

 
Новационные методы и средства 
измерения параметров бурения 

 

монография 

 

 

Boris A. Perminov, 
Viktor B. Perminov, 
Yagubov Zafar Hanguseyn ogly, 
Yagubov Emin Zafar ogly 

INNOVATIVE METHODS AND TOOLS  
FOR MEASURING DRILLING PARAMETERS 

Moscow, BIBLIO-GLOBUS, 2019 

 

 

 

 

 
Москва 
БИБЛИО-ГЛОБУС 

2019  

УДК 622.24
ББК 33.13
П26

Рецензенты:

Быков И.Ю. – д.т.н., профессор кафедры «Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности» УГТУ.

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

Перминов Б.А.

П26
Новационные методы и средства измерения параметров бурения: монография. / Перминов Б.А., Перминов В.Б., Ягубов З.Х., Ягубов Э.З. –
М.: БИБЛИО-ГЛОБУС, 2019. – 186 с.

ISBN 978-5-907063-33-4
DOI 10.18334/9785907063334

Развитие методов и средств управления технологических процессов бурения 
скважин на нефть и газ требует совершенствования методов и средств измерения 
параметров бурения. При этом наиболее востребованным на современном этапе 
является инструментарий контроля и измерения динамических приращений параметров бурения в силу реализации локальных систем управления бурением по 
принципу использования в качестве управляющих и компенсирующих воздействий именно этих приращений. 
В работе рассмотрено решение трех основных задач по дальнейшему развитию методов и средств измерения динамических приращений параметров бурения:
− задачи выделения переменных составляющих из сигналов сложной формы;
− задачи анализа вариационных структур измерения;
− задачи синтеза методов и средств измерения динамических параметров бурения на базе вариационных структур.
Ключевые слова: динамические приращения параметров, вариационные структуры, двухвходовые системы контроля, динамические свойства, частотные свойства, 
каналы измерения.

ISBN 978-5-907063-33-4
© Коллектив авторов, 2019
© Оформление и дизайн обложки, 
ООО Издательский дом «БИБЛИОГЛОБУС», 2019

СОДЕРЖАНИЕ 

 

Общие положения ............................................................................... 7 

1. Составные структуры каналов измерения .................................. 11  

1.1. Дифференциальная (вариационная) структура  
измерения крутящего момента ........................................................ 11 
1.2. Погрешности вариационной структуры измерений ............... 17 
1.3. Синтез вариационной структуры измерения  
крутящего момента ............................................................................ 21 
1.4. Реализация методов выделения и измерения  
динамических составляющих крутящего момента ........................ 27 

2. Двухвходовые системы контроля параметров бурения ............ 34 

2.1. Построение двухвходовых систем контроля ........................... 34 
2.2. Анализ двухвходовых систем контроля .................................. 43 
2.3. Динамические свойства двухвходовых систем контроля ...... 54 
2.4. Динамические ошибки измерения в двухвходовых 
системах контроля параметров бурения ......................................... 59 

3. Особенности частотных свойств двухвходовых  
систем контроля параметров бурения ............................................. 69 

3.1. Частотные характеристики вариационных структур ............. 69 
3.2. Частотные характеристики двухвходовых  
систем контроля ................................................................................. 79 
3.3. Особенности частотных свойств одноконтурной  
вариационной структуры .................................................................. 90 
3.4. Квазирезонанс в двухвходовых системах контроля  
параметров бурения .......................................................................... 98 

4. Разработка компьютерных средств измерения  
параметров бурения ........................................................................ 108 

4.1. Предпосылки разработки компьютерных средств ............... 108 
4.2. Математическое моделирование вариационной  
структуры измерения крутящего момента ................................... 118 
4.3. Реализация двухвходовой системы контроля крутящего  

момента как компьютерного средства измерения ....................... 124 
4.4. Производственные испытания двухвходовой  
системы контроля параметров бурения ........................................ 143 

Заключение ....................................................................................... 161 

Список использованных источников ............................................ 167 

CONTENTS 

General provisions ................................................................................. 7 

1. Composite structures of measurement channel  .............................. 11 

1.1. Differential (variation) measurement structure of torque ............ 11 
1.2. Accuracy of variation structure of measurements ....................... 17 
1.3. Synthesis of variation structure of measurements of torque ........ 21  
1.4. Implementation of methods for the selection and  
measurement of dynamic components of torque ................................ 27 

2. Two-way control systems of drilling parameters ............................ 34 

2.1. Construction of two-way control systems .................................... 34  
2.2. Analysis of two-way control systems .......................................... 43  
2.3. Dynamic properties of two-way control systems ......................... 54  
2.4. Dynamic errors in measuring drilling parameters in two-way  
control systems .................................................................................... 59  

3. Features of frequency properties of two-way control systems  
of drilling parameters .......................................................................... 69   

3.1. Frequency characteristics of variation structures ......................... 69 
3.2. Frequency characteristics of two-way control systems ............... 79 
3.3. Features of frequency properties of single circuit  
variation structure ................................................................................ 90  
3.4. Quasi-Resonance in two-way control systems  
of drilling parameters .......................................................................... 98   

4. Development of computer tools for measuring drilling  
parameters .......................................................................................... 108 

4.1. Background for the development of computer tools .................. 108  
4.2. Mathematical modeling of the variation structure  
of measurement of torque .................................................................. 118 
4.3. Implementation of a two-way torque control system  
as a computer measurement tool ....................................................... 124 
4.4. Production testing of a two-way control system  
of drilling parameters ........................................................................ 143 

Conclusion ......................................................................................... 161 

Bibliography ...................................................................................... 167 
 
 
Development of methods and tools to control technological 
processes of drilling wells for oil and gas requires the improvement 
of methods and means of measuring drilling parameters. At the same 
time, the most demanded at the present stage is the toolkit for monitoring 
and measuring dynamic increments of drilling parameters due to 
the implementation of local drilling control systems based on 
the principle of using these increments as controlling and compensating 
effects.  
The paper considers solving three main tasks for the further 
development of methods and tools for measuring dynamic increments of 
drilling parameters, such as: 
− 
problems of extracting variable components from complex 
shape signals; 
− 
problems of analysis of variation measurement structures; 
− 
problems of synthesis of methods and tools for measuring 
dynamic parameters of drilling based on variation structures. 
Keywords: dynamic parameter increments, variation structures, twoway control systems, dynamic properties, frequency properties, 
measurement channels 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 

 

Вращение колонны в скважине, как правило, сопровождается 
крутильными, продольными и собственными автоколебаниями 
вследствие её неустойчивого динамического равновесия в процессе 
работы [1], а также жёсткими биениями колонны о стенки скважины 
при нарушении устойчивости формы при определённых значениях 
осевой нагрузки [2]. Всё это приводит к дополнительным потерям 
мощности и значительному снижению крутящего момента на нагруженном породоразрушающем инструменте, что, в свою очередь, 
уменьшает механическую скорость разрушения забоя [3]. Задание 
стратегии бурения и управление технологическим процессом вращения колонны на основе программ с коррекцией по виртуальной модели недостаточно эффективно. Так, в процессе углубления скважины не представляется возможным предсказать и зафиксировать параметры, характеризующие непрерывно изменяющиеся условия работы бурильной колонны, связанные с геологической структурой 
разреза, составом и свойствами промывочной жидкости, изношенностью породоразрушающего инструмента, влиянием диссипативных 
сил и воздействием множества других случайных факторов [4]. 

Действительно, для объективной оценки влияния случайных 
факторов на процесс работы бурильной колонны измеренная информация для коррекции заданной программы бурения должна сниматься по всей длине колонны [5], что реализовать технически нереально. Кроме того, программа управления реализует функцию прямого воздействия на объект без учёта быстродействующих случайных факторов, а прямое управление неустойчивым объектом, согласно основным постулатам теории автоматического управления, 
невозможно. Всё вышесказанное определяет вращающуюся бурильную колонну в процессе работы, как неустойчивый объект управления, динамическое поведение которого непредсказуемо в связи с це

лым рядом случайных действующих факторов, что осложняет реализацию выбора параметров оптимального управления [6]. 

Отсюда следует, что стратегия, определяющая режим работы 
бурильной колонны локальной скважины, может быть задана с помощью программы для куста разбуриваемых скважин, а коррекция 
такой стратегии должна осуществляться на основании текущих данных о динамическом поведении бурильной колонны при разрушении 
горных пород. 

В настоящее время измерение и контроль параметров динамического поведения бурильной колонны при её работе осуществляется с использованием большого арсенала методов и средств, что свидетельствует об отсутствии рационального и эффективного способа 
контроля, как по выбору параметра управления, так и по способу 
измерения. 

На наш взгляд, наиболее информативным параметром, отражающим процесс работы и динамические свойства вращающейся 
бурильной колонны, является параметр крутящего момента на валу 
двигателя привода силовой установки [7], результат измерения которого определяется соотношением: 

 
М
М
M
0
, 
 
где  M  – текущее значение крутящего момента; 

0
М  – значение крутящего момента, заданного программой 
управления; 
М
– динамическое приращение крутящего момента, определяемое воздействием случайных факторов. 

Измерение текущего значения крутящего момента существующими средствами контроля не позволяет выделить динамическую 
составляющую крутящего момента 
М
, которая теряется на общем фоне результата измерения, в то время как она является наиболее информативной частью измерения, практически определяющей 

динамику поведения работающей колонны [8]. 

Авторы предлагают оригинальный и эффективный способ выделения динамической составляющей приращения крутящего момента с целью его дальнейшего использования для управления процессом работы бурильной колонны [9]. Действительно, стратегия 
бурения может быть задана программой с учётом геологических 
особенностей разреза, а коррекцию технологического процесса необходимо проводить по отслеживанию динамики работающей колонны с использованием приращения крутящего момента. Для выделения динамического приращения, как некоторой функции во 
времени 
t
f
, возможно использование различных способов, например применение дифференцирующих цепей. В этом случае выходной сигнал определится как 
t
f
x . Однако при пассивном дифференцировании полученная на выходе дельта функция 
t
x
характеризуется длительностью импульса, близкой к нулю (
0
и
), это 
препятствует дальнейшему использованию сигнала для целей управления. Использование синтезированной нами структуры для проведения операции дифференцирования устраняет этот недостаток [10; 11]. 

Синтезированная структура (вариационная структура) дифференцирования входного сигнала представляет собой встречнопараллельное включение двух апериодических звеньев с различной 
инерционностью, что позволяет получить передаточную функцию 
канала измерения с ярко выраженным свойством реального дифференцирующего звена [7]. 

Свойства вариационной структуры могут быть положены в основу способа выделения значения динамического приращения крутящего момента. 

Получение возможности измерения непосредственно динамического приращения крутящего момента крайне важно, так как это 
свойство может быть широко использовано в построении регулято

ров режима вращения бурильной колонны [12; 13]. Кроме того, в каналах измерения мощности и угловой скорости реализуется отсечка 
постоянных составляющих этих значений за счёт дифференцирующих свойств вариационных структур. 

Динамические свойства и чувствительность измерителя определяются параметрами настройки T1, T2, T3, T4, kN и kω. (рисунок 1.2). 

В измерителях крутящего момента с выделением динамической 
составляющей результата измерения [14], осуществляющих дифференцирование измеряемой величины, удаётся полностью отсеять как 
постоянную составляющую, так и систематическую погрешность 
измерения крутящего момента. Инерционность обоих фильтров канала измерения попарно приближают друг к другу, а результат измерения получают путем деления сигнала приращения мощности на 
сигнал приращения скорости вращения вала двигателя привода. Это 
позволяет устранить статические составляющие в канале измерения 
мощности и в канале измерения скорости вращения и свести к нулю 
систематическую составляющую погрешности измерения за счет 
дифференцирования. Кроме того, за счет деления измеряемых величин компенсируется синфазная помеха.