СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗНОСА ОПОРЫ И ВООРУЖЕНИЯ ДОЛОТА В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ СКВАЖИНЫ ВИНТОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ Российский патент 1995 года по МПК E21B45/00 

Изобретение относится к области контроля и управления процессом бурения и может быть использовано для оптимизации процесса бурения скважин винтовыми двигателями либо другими гидравлическими забойными двигателями, содержащими в своей конструкции рабочую пару (статор-ротор) винтового двигателя.

Известен способ определения износа опоры и вооружения долота, основанный на применении теории распознавания образцов при обработке информации о параметрах процесса бурения, получаемой с помощью соответствующих датчиков [1]
В этом способе путем предварительных экспериментальных исследований производят определение эталонных величин поступающих с датчиков сигналов о весе бурильного инструмента, значениях амплитуды и частоты крутильных автоколебаний бурильной колонны, возникающих при взаимодействии долота с забоем, механической скорости бурения и давления в нагнетательной линии буровых насосов, соответствующих тем или иным ситуациям. Каждая из таких ситуаций, например заклинка опоры долота, полный износ его вооружения и т.д. характеризуется определенными величинами вышеперечисленных параметров бурения. На эталонные признаки для всех технологических ситуаций составляется матрица и закладывается в блоки-анализаторы устройства.

В последующем, при бурении скважин с использованием известного способа контролируемые с помощью датчиков параметры бурения сравниваются в каждый момент времени с их эталонными значениями, величины которых задаются исходя из оптимальной для данной ситуации вероятности обнаружения отклонения. При совпадении сигналов, поступающих в устройство в процессе бурения, с эталонными значениями фиксируется та или иная забойная ситуация, характеризующая износ опоры либо вооружения долота.

Недостатком данного способа является то, что для определения эталонных значений параметров, характеризующих износ опоры либо вооружения долота в процессе бурения, требуется проведение большего объема экспериментальных исследований, поскольку значения этих параметров и их сочетания в большой степени зависят от физико-механических свойств разбуриваемых горных пород, отличающихся, например, в Западной Сибири, большим многообразием, а также от ряда технологических факторов (профиль бурящейся скважины, вид промывочной жидкости и т.д.).

К числу недостатков данного способа относится также использование для передачи колебаний, возникающих при взаимодействии долота с забоем, колонны бурильных труб. В последнее время при бурении нефтяных и газовых скважин все большее применение находят комбинированные бурильные колонны, в состав которых наряду со стальными трубами входят легкосплавные бурильные трубы, обладающие большой способностью гасить вибрации, исходящие от долота в процессе бурения, затрудняя применение данного способа при бурении глубоких скважин.

Известен способ определения износа опоры и вооружения долота [2] основанный на измерениях, осуществляемых на поверхности с помощью соответствующих датчиков вибраций бурового инструмента и колебаний токовой нагрузки в цепи электродвигателя вращателя (ротора буровой установки). В результате сопоставления в каждый момент времени величин контролируемых параметров в процессе бурения в общем спектре колебаний бурового инструмента фиксируются определенные диагностические частоты и соотношения между колебаниями бурового инструмента и колебаниями токовой нагрузки в цепи электродвигателя вращателя, характеризующие состояние опоры и вооружения долота.

Недостатком известного способа является то, что он не может быть использован в турбинном бурении, потому что в число контролируемых при его реализации параметров входит величина токовой нагрузки в цепи электродвигателя, что представляется возможным только при роторном способе бурения и при бурении с применением электробура.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения износа опоры вооружения долота в процессе бурения скважины [3]
В основе этого способа наряду с измерениями механической скорости бурения и частоты вращения долота, производимыми на поверхности, имеют место измерения частоты и амплитуды гидравлических импульсов, генерируемых забойным излучателем, производимые в нисходящем потоке промывочной жидкости при помощи специального датчика, устанавливаемого на стоянке манифольда.

Известный способ включает в себя предварительную стадию, заключающуюся в проведении экспериментальных исследований, в ходе которых определяются исходные данные для построения эталонной кривой работы нового долота, необходимой в последующем для определения износа опоры и вооружения работающего на забое долота, которая представляет собой графическую зависимость безразмерной механической скорости бурения от безразмерного крутящего момента на долоте.

Под безразмерной механической скоростью бурения понимается квадратный корень из соотношения текущей механической скорости бурения к произведению текущей частоты вращения долота и диаметра долота.

За безразмерный крутящий момент принято отношение текущего забойного крутящего момента на долоте к произведению текущей забойной осевой нагрузки на долото и диаметра долота.

Забойная информация о текущих значениях крутящего момента и осевой нагрузки на долоте передаются в процессе бурения на поверхность в виде гидравлических импульсов, генерируемых клапаном-модулятором, входящим в состав забойной компоновки системы, с помощью которой реализуется данный способ.

Графическая зависимость безразмерной механической скорости бурения от безразмерного крутящего момента на долоте для нового долота представляет собой практически прямую линию.

При работе долота на забое происходит износ его вооружения и фактическая кривая зависимости безразмерной механической скорости бурения от безразмерного крутящего момента, построение которой ведется на основании вышеописанных измерений, производимых в процессе бурения в каждый момент времени, отклоняется вниз от эталонной. Отклонение это растет с увеличением времени работы долота на забое. При этом эффективность работы долота оценивается параметром, зависящим только от степени износа вооружения долота и литологических изменений разбуриваемого геологического разреза. В результате постоянного анализа этого параметра и величины крутящего момента на долоте при помощи компьютерного устройства определяется состояние долота.

К недостаткам известного способа относятся низкая точность распознавания забойный ситуаций, связанных с износом опоры и вооружения долота в процессе бурения, что вызвано малой информативностью контролируемых забойных параметров, вследствие чего для определения причины изменения забойной ситуации необходимы заранее построенные эталонные графические зависимости безразмерной механической скорости от безразмерного крутящего момента, для построения которых, с учетом имеющегося многообразия типов долот и литологической неоднородности разбуриваемых геологических размеров, требуется проведение большого объема предварительных экспериментальных исследований, что снижает и оперативность способа.

Измерение гидравлических импульсов, генерируемых забойным излучателем, в нисходящем потоке промывочной жидкости, имеющем значительные шумовые помехи, обусловленные работой наземного бурового оборудования, снижает качество забойной информации.

Целью изобретения является повышение точности способа за счет увеличения получаемой с забоя информации, способствующей определению причины изменения забойной ситуации в процессе бурения скважины винтовым двигателем.

Цель достигается тем, что в известном способе определения износа опоры и вооружения долота, основанном на измерении забойной информации о работе долота, формируемой в виде гидравлических импульсов, и ее анализе, в процессе бурения скважины в качестве забойной информации используют гидравлические импульсы, образующиеся при работе винтового двигателя и вооружения долота, на устье скважины в потоке промывочной жидкости одновременно измеряют величины частоты и амплитуды их электрических аналогов, а анализ забойной информации осуществляют путем сопоставления в каждый момент времени измеряемых величин.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что в качестве забойной информации об изменениях состояния опоры и вооружения долота и литологического состава разбуриваемого геологического разреза вместо гидравлических импульсов, модулируемых с помощью специально для этого предназначенного устройства, используют гидравлические импульсы, образующиеся при работе винтового двигателя, а также гидравлические импульсы, образующиеся в результате работы вооружения долота. Таким образом заявляемый способ соответствует критерию изобретения "Новизна".

Измерение частоты и амплитуды гидравлических импульсов, образующихся при работе вооружения долота, осуществляемого в предлагаемом способе одновременно с измерениями частоты и амплитуды гидравлических импульсов, образующихся при работе винтового двигателя, придает известному техническому решению новое техническое свойство повышение точности определения износа опоры и вооружения долота за счет выделения причины изменения забойной ситуации, позволяющее в процессе бурения выявлять признаки забойных ситуаций, характеризующие износ опоры и вооружения долота, что дает основание сделать вывод о соответствии технического решения критерию изобретения "Существенные отличия".

На фиг. 1 приведена схема системы оперативного контроля параметров режима бурения.

Гидравлические импульсы, образующиеся при работе вооружения долота 1 и винтового двигателя 2, воздействуют на пьезоприемник 3, установленный в потоке промывочной жидкости на устье бурящейся скважины. Вследствие воздействия гидравлических импульсов на пьезоприемник в нем возникают переменные электродвижущие силы (ЭДС), характер динамики которых, т.е. частота и амплитуда, определяются режимными параметрами забойного излучателя.

Частота импульсов, образующихся при работе вооружения долота, определяется частотой вращения выходного вала винтового двигателя, количеством зубков (зубьев) на долоте, амплитуда в основном, физико-механическими свойствами разбуриваемых горных пород и вылетом зубков (зубьев) над телом шарошки (износом вооружения).

Частота и амплитуда импульсов, образующихся при работе винтового двигателя, определяются его режимными параметрами частотой вращения выходного вала, полезной мощностью, развиваемой в процессе бурения.

Развиваемая винтовым двигателем полезная мощность находится в прямой зависимости от момента сопротивления вращению долота при бурении, конструктивных особенностей долота (тип вооружения, исполнение опор), его физического состояния (износ опор, износ вооружения) и физико-механических свойств (буримость, моментоемкость) разбуриваемых горных пород.

Преобразованные в пьезоприемнике в переменные ЭДС гидравлические импульсы поступают на вход индикатора режимных параметров (ИРП), состоящего из усилителей 4, частотных фильтров 5 и оснащенного магнитоэлектрическими показывающими приборами 6, шкалы которых отградуированы в импульсах в секунду (частотные характеристики) и в вольтах (амплитудные характеристики). Информация о контролируемых в процессе бурения параметрах поступает в блок регистрации 7, снабженный многоканальным самопищущим прибором, где происходит параллельная запись текущих значений контролируемых параметров на диаграммную ленту.

Определение износа опоры и вооружения долота производится на основе сопоставления контролируемых параметров и их оперативного анализа в процессе бурения скважины.

На фиг. 2 изображены фрагменты диаграмм с записью контролируемых параметров, которые были получены при бурении скважины Суторминского нефтяного месторождения производственного объединения "Ноябрьскнефтегаз" в 1987 г. во время промысловых испытаний макетного образца системы контроля забойных параметров, служащей для реализации заявляемого способа. Бурение осуществлялось с применением винтового забойного двигателя Д1-195.

Представлены фрагменты диаграммных лент, отражающих конечный этап отработки долота 215, 9МЗ-ГНУРО4 при бурении скважины N 454 куста 4А в интервале глубин 2521-2525 м.

Зафиксированные на первой-шестой минутах фрагментов значения контролируемых параметров характеризуют нормальный, без резких изменений, процесс бурения.

На седьмой минуте фрагмента процесс бурения характеризуется увеличением амплитуды (кривая 1) электрических аналогов гидравлических импульсов, образующихся при работе винтового двигателя, с 6 до 10 В при снижении их частоты (кривая 2) с 16,5 до 13,5 имп/с, что свидетельствует о внезапном возрастании крутящего момента (момента силы сопротивления) на выходном валу двигателя. При этом частота (кривая 4) электрических аналогов гидравлических импульсов, образующихся при работе вооружения долота, заметно снизилась. С 42 имп/с ее значение упало до 30 имп/с, т.е. почти на 1/3. Амплитуда (кривая 3) электрических аналогов указанных импульсов изменилась незначительно (с 8 до 9 В).

Анализ описанных изменений контролируемых забойных параметров позволил сделать вывод о заклинке одной из шарошек долота, после чего осевая нагрузка на долото была снижена и бурение велось с пониженной в целях избежания заклинки шарошки осевой нагрузкой на долото, чему соответствуют участки диаграмм, представленные на девятой-двенадцатой минутах фрагментов (фиг. 2). При этом значение амплитуды сигнала, образующегося при работе винтового двигателя, составляло 5-6 В, а частота возросла до 18 имп/с. Соответственно изменились и динамические характеристики сигнала, образующегося при работе вооружения долота. Амплитуда снизилась до 7-8 В, а частота импульсов возросла до 43-45 имс/с.

На двенадцатой минуте фрагментов повторно зафиксированы изменения контролируемых забойных параметров, аналогичные тем, что были зафиксированы на седьмой минуте, свидетельствующие о повторной, несмотря на пониженную осевую нагрузку, заклинке шарошки долота.

На девятнадцатой минуте фрагментов фиг. 2 зафиксировано резкое снижение амплитуды сигнала, образующегося при работе винтового двигателя с 9,5 до 1,0 В, сопровождающееся снижением его частоты до 10 имп/с при соответствующем изменении частоты импульсов, образующихся при работе вооружения долота, что характеризует переход винтового двигателя в тормозной режим работы вследствие возрастания крутящего момента на выходном валу двигателя, после чего наступила полная остановка двигателя (двадцать первая минута фрагментов).

Было сделано предположение о заклинке второй шарошки долота. Бурение было приостановлено с целью замены долота.

Внешний осмотр отработанного долота, произведенный на устье буровой после его подъема, подтвердил наличие двух заклиненных шарошек при работоспособном вооружении.

На фиг. 3 представлены фрагменты диаграммных лент с графическими изображениями значений контролируемых параметров, зафиксированными при бурении скважины N 2006 Кукуйской площади производственного объединения "Пермнефть" долотом Ш215, 9СЗ-ГНУ с использованием винтового двигателя Д2-195 в интервале 1602-1604 м.

Участки диаграмм, соответствующие первой-двадцатой минутам фрагментов, характеризуются колебаниями динамических характеристик сигнала, образующегося при работе винтового двигателя (кривая 1 амплитуды от 1,5 до 3,0 В, кривая 2 частоты от 18 до 20 имп/с), и сигнала, образующегося при работе вооружения долота (кривая 3 амплитуды от 3,5 до 5,5 В, кривая 4 частоты от 40,5 до 42,0 имп/с). Такие колебания динамических характеристик свидетельствуют о работоспособном состоянии вооружения долота.

При нормальном состоянии вооружения долота эффективный процесс бурения характеризуется значениями амплитуды электрических аналогов не ниже 3В (фиг. 2). При меньших ее значениях бурение не эффективно либо из-за износа вооружения долота, либо винтового двигателя. Конкретная причина устанавливается с учетом значений динамических характеристик аналогов гидравлических импульсов, образующихся при работе вооружения долота.

Участки фрагментов диаграмм, соответствующие двадцать пятой-девяностой минутам, отличаются стабилизацией динамических характеристик контролируемых сигналов при снижении амплитуды электрических аналогов импульсов, образующихся при работе винтового двигателя, до 1 В, а амплитуды электрических аналогов импульсов, образующихся при работе вооружения долота до 2 В. Указанные изменения контролируемых параметров объясняются износом вооружения долота. Внешний осмотр поднятого из скважины долота показал, что твердосплавные зубки долота имели износ от 1/2 до 2/3 от первоначальной их высоты. Опоры шарошек долота были в работоспособном состоянии.

Применение предлагаемого способа, по сравнению с прототипом, обеспечивает следующие преимущества.

Повышение точности оценки забойных ситуаций, связанных с износом опоры и вооружения долота в процессе бурения, за счет увеличения получаемой с забоя информации позволяет значительно сократить объем предварительных экспериментальных исследований, поскольку отпадает необходимость построения эталонных графических зависимостей.

Использование в качестве носителей информации о забойных параметрах процесса работы долота гидравлических импульсов, образующихся при работе винтового двигателя и вооружения долота, позволяет повысить надежность способа, так как для его реализации не требуется дополнительных специально изготовленных устройств для формирования носителя забойной информации, т.е. модулирования гидравлических импульсов.

Возможность использования в качестве гидравлического канала связи с забоем бурящейся скважины наряду с нисходящим потоком промывочной жидкости восходящего потока, имеющего меньшие шумовые помехи, обусловленные работой буровых насосов и другого наземного оборудования, позволяет повысить качество забойной информации.

Снижаются энергетические затраты на привод буровых насосов вследствие того, что формирование гидравлических импульсов, несущих забойную информацию, происходит без применения специальных устройств, обусловливающих дополнительные гидравлические сопротивления в циркуляционной системе бурящейся скважины.

Изобретение относится к контролю и управлению процессом изобретения. Цель изобретения - повышение точности способа за счет увеличения получаемой с забоя информации, способствующей определению причины изменения забойной ситуации в процессе бурения скважины винтовым двигателем. В процессе бурения скважины на устье в потоке промывочной жидкости с помощью пьезоприемника измеряют частоту и амплитуду электрических аналогов гидравлических импульсов, образующихся при работе ВД и вооружения долота. Затем путем сопоставления в каждый момент времени величин частоты и амплитуды электрических аналогов контролируемых ГИ определяют износ опоры и вооружения долота. 3 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗНОСА ОПОРЫ И ВООРУЖЕНИЯ ДОЛОТА В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ СКВАЖИНЫ ВИНТОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ, основанный на измерении забойной информации о работе долота, формируемой в виде гидравлических импульсов, и ее анализе в процессе бурения скважины, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения за счет увеличения получаемой с забоя информации, в качестве забойной информации используют гидравлические импульсы, образующиеся при работе винтового двигателя и вооружения долота, на устье скважины в потоке промывочной жидкости одновременно измеряют величины частоты и амплитуды их электрических аналогов, а анализ забойной информации осуществляют путем сопоставления в каждый момент времени измеряемых величин.