Aktivno prigušenje torzijskih vibracija naftnog bušnog vretena

Nezanemariva elestičnost dugačkog naftnog bušnog vretena u kombinaciji s razmjerno malim momentom inercije alata i takozvanim „stick-slip“ trenjem između alata i stijene može prouzročiti značajne neželjne torzijske vibracije elektromotornog pogona bušnog vretena. Kako bi se umanjila amplituda torzijskih vibracija i tako poboljšala kvaliteta i produktivnost procesa bušenja implementirna je inovativna strategija upravljanja zasnovana na aktivnom prigušenju torzijskih vibracija. Blokovski dijagram regulacijskog sustava prikazan je na slici 1. Jezgra strategije upravljanja uključuje proporcionalno-integralni (PI) regulator brzine vrtnje proširen povratnom vezom po estimiranom momentu torzije bušnog vretena (takozvani PIm regulator). U svrhu izbjegavanja potencijalno opasnog naglog odvrtanja naftnog bušnog vretena, uzrokovanog ograničenjem snage frekvencijskog pretvarača u kočnom (generatorskom) režimu rada u kombinaciji sa „stick-slip“ trenjem na alatu, strategija upravljanja također uključuje odgovarajući algoritam sprječavanja naglog odvrtanja. Algoritam kontinuirano nadzire estimiranu brzinu vrtnje alata i moment motora, te sigurno popušta torzijski moment vretena u slučaju kritičnog zaglavljanja alata. Konačno, u svrhu adaptacije cjelokupne strategije upravljanja s obzirom na varirajuću duljinu bušnog vretena i konfiguraciju alata, razvijena je procedura samopodešenja (engl. auto-tuning) zasnovana na estimaciji ključnih parametara naftnog bušnog vretena (to jest prirodnih frekvencija pogona bušnog vretena). Estimator prirodnih frekvencija vibracija zasnovan je na adaptivnom Kalmanovom filtru.

Sl. 1. Shematski prikaz regulacijskog sustava naftnog bušnog vretena.



Cjelokupna strategija upravljanja implementirana je na standardnom programabilnom logičkom kontroleru (PLC-u) s aritmetikom pomičnog zareza, te je najprije eksperimentalno ispitana u laboratorijskim uvjetima na eksperimentalnom postavu s realnim hardverom u petlji (engl. hardware-in-the-loop, HIL) u sklopu priprema za ispitivanja na terenu. Terenska ispitivanja upravljačke strategije i konačno puštanje u rad komercijalnog rješenja provedeni su na naftnoj bušaćoj garnituri partnera iz industrije opremljenoj 600 kW (3200 Nm) motorom vršnog pogona (engl. top-drive), prikazanim na slici 2.

Sl. 2. Fotografije bušaće garniture s detaljem motora vršnog pogona (a), i upravljački centar motora vršnog pogona s ciljanim programabilnim logičkim kontrolerom (b).



PI regulator brzine vrtnje s aktivnim prigušenjem uspoređen je sa standardnim (komercijalnim) regulatorom brzine vrtnje motora naftnog bušnog vretena (razmjerno „brzi“ PI regulator). Na slici 3a prikazani su usporedni rezultati ispitivanja za slučaj naglog usporavanja bušnog vretena podignutog s dna bušottine. Regulator s aktivnim prigušenjem značajno poboljšava razinu prigušenja torzijskih vibracija pobuđenih uslijed nagle promjenom referentne vrijednosti brzine vrtnje pogonskog motora. Usporedni rezultati za slučaj bušenja uz naglu promjenu sile nasjedanja alata (engl. weight-on-bit, WoB) sa 6 tona na 8 tona prikazani su na slici 3b. Regulator s aktivnim prigušenjem je ponovno karakteriziran značajno boljim potiskivanjem torzijskih vibracija u usporedbi sa standardnim rješenjem. Konačno, performanse prethodno razmatranih regulatora uspoređene su temeljem 48-satnog nadzora momenta bušenja i sile nasjedanja alata od strane gelološke službe na terenu, čiji rezultati su prikazani na slici 4. Odzivi pokazuju da primjena regulatora s aktivnim prigušenjem rezultira znatno mirnijim radom bušnog vretena u usporedbi sa standardnim rješenjem (standardna devijacija perturbacija momenta bušenja smanjena je za više od 50%), a što je postignuto pri približno 15% većem iznosu sile nasjedanja alata, te je time automatski poboljšana i brzina prodiranja alata.

Sl. 3. Usporedni rezultati standardnog regulatora rješenja i PI regulatora s aktivnim prigušenjem za slučaj naglog smanjenja reference brzine (a), i nagle promjene iznosa sile nasjedanja alata (b).

 

Sl. 4. Usporedba performansi standardnog rješenja i regulatora s aktivnim prigušenjem: moment bušenja (a) i primijenjena sila nasjedanja alata (b) u ovisnosti o dubini bušenja (podaci geološke službe na terenu).



Sustav aktivnog prigušenja je trenutno operativan na nekoliko kopnenih bušaćih garnitura tvrtke CROSCO.

PUBLICATIONS