Способ регулирования условий процесса бурения скважин и устройство для его реализации Российский патент 2018 года по МПК E21B44/02 G06F17/11 

Изобретение к бурению скважин и может найти применение при регулировании условий процесса бурения.

Процесс бурения реализуется в два этапа:

- этапа разрушения горной породы забоя в результате воздействия вооружения вращающегося долота, находящегося под нагрузкой, на горную породу забоя;

- этапа очистки забоя от разрушенной породы с помощью расхода промывочной жидкости.

Оба этапа осуществляются одновременно и в результате их взаимодействия формируется система «долото - забой», представляющая собой механическую систему, функционирующую по своей закономерности. Определение и описание этой закономерности, в частности, в виде коэффициента передачи системы «долото - забой» представляет собой сложную и актуальную задачу, поскольку создает предпосылки автоматизации процесса бурения.

Система «долото - забой» представляет собой механическую систему, которая состоит из активных и пассивных элементов. Активными элементами являются источники энергии. В динамических механических системах, т.е. движущихся, в частности, поступательно могут быть источники двух видов: источники силы и источники скорости. Источником силы в схеме механической цепи является приложенная к системе заданная внешняя сила (в нашем случае нагрузка на систему «долото - забой» G, определяемая собственным весом сжатой части буровой колонны).

Если задается скорость какой-либо определенной точка системы, эта известная скорость (в нашем случае скорость бурения V_б) фигурирует в механической цепи как источник скорости. Роль пассивных элементов играют массы, пружины и механические сопротивления [М. Гарднер, Дж.Л. Бернс. Переходные процессы в линейных системах с сосредоточенными постоянными. Физ. Матгиз, 1961]. В нашем случае в системе «долото - забой» пассивным элементом является сопротивление породы забоя разрушению, определяемое твердостью горной породы в забойных условиях ρ_ш.з по Шрейнеру.

Известен способ регулирования условий процесса бурения скважины и компоновка низа буровой колонны для его осуществления [Патент RU №2550117, опубл. 10.05.2015, Бюл №13], являющийся прототипом способа. В прототипе долото рассматривается как трехканальный преобразователь механической и гидравлической мощностей в углубление. Причем углубление осуществляется в два этапа. Указываются этапы бурения, указываются параметры, участвующие в этапах, но каким образом эти параметры взаимодействуют между собой при реализации этапов в прототипе не приводится.

Другими словами, в прототипе (в способе) отсутствует скрупулезный анализ взаимодействия параметров этапов разрушения породы забоя и его очистки, не говоря уже о том, каким образом процессы разрушения и очистки взаимодействуют между собой при бурении, формируя систему «долото - забой», что и является его недостатком.

Известна схема автоматической подачи бурового инструмента [Марьянский Д.И., Штурман Л.И. Возможности рационального решения задачи автоматической подачи бурового инструмента. Энергетический бюллетень, №7, 1951]. В аналоге устройства рассматривается возможность регулирования подачи инструмента при бурении скважин различными буровыми двигателями. Однако во всех случаях регулирующим параметров является нагрузка на долото и не учитывается первопричина нагрузки, скорость подачи инструмента, что является его недостатком. Известен также блок автоматического управления осевой нагрузкой на долото путем управления электропорошковым тормозом ТЭП-4500. [Лукьянов Э.Е., Стрельченко В.В. Геолого-технологические исследования в процессе бурения. - М.: Нефть газ, 1967, с. 345-353], который является прототипом устройства. Однако управляя тормозом лебедки, регулируется скорость подачи инструмента. И только в результате изменения скорости движения сжатой части буровой колонны меняется нагрузка на систему «долото - забой».

Другими словами и в прототипе не учитывается скорость подачи инструмента, следовательно и у аналога, и у прототипа устройства регулирование осуществляется по одному параметру - нагрузке на долото, первопричиной которой является скорость подачи. Это и является их недостатком, при этом регулирование необходимо осуществлять по обоим параметром: по скорости подачи инструмента, определяемой скоростью бурения и являющейся первопричиной нагрузки на систему «долото - забой», и по этой нагрузке, как дублирующий скорость подачи параметр, одновременно определяющий предельное значение нагрузки, угрожающей целостности бурового инструмента и оборудования.

Задача изобретения - оптимизация процесса бурения системой (устройством) автоматизированного регулирования скоростью подачи инструмента на систему «долото - забой» на основе условий коэффициента передачи процесса бурения, полученного путем синтеза коэффициентов передачи этапов процесса бурения: разрушения горной породы забоя и очистки его от разрушенной породы.

Поставленная задача достигается способом регулирования условий бурения скважины, реализуемого в два этапа и основанного на рассмотрении системы «долото - забой» как источника скорости, описываемого коэффициентом передачи, в котором отношение G/p≥1 - условие, определяющее режим системы как источник скорости, а отношение ϑ_б/ϑ_п≤1 - условие, определяющее регулирование процессом бурения, при этом коэффициент передачи имеет вид

где - коэффициент геометрического фактора долота: F_к=1,3Rηδ - опорная площадь вооружения долота [Алексеев Ю.Ф. Использование данных по механическим и аброзивным свойствам горных пород при бурении скважин. - М.: Недра, 1968, 173 с.];

S - площадь долота;

l - длина окружности долота;

R - радиус долота;

η - коэффициент перекрытия вооружения долота (1,05);

δ - притупление вооружения (зубьев) долота (1,25 мм);

h₀ - начальная высота вооружения (зубьев) долота;

t - текущее время;

τ - постоянная времени износа вооружения (зубьев) долота;

n - число оборотов в единицу времени долота;

z - число зубьев внешнего венца шарошек долота;

- коэффициент передачи долота, D и d - соответственно диаметр долота и шарошек;

G - нагрузка на долото;

Р=Р_шз(P_тз)F_к - минимальная нагрузка на долото, при которой осуществляется преимущественно объемный вид разрушения породы, упругохрупких (пластичных) пород;

ϑ_б - механическая скорость бурения;

ϑ_п - скорость подачи инструмента;

γ_ж - удельный вес промывочной жидкости;

γ_п - удельный вес разрушаемой породы;

γ_зп - удельный вес промывочной жидкости в затрубном пространстве.

Поскольку процесс бурения одновременно реализуется двумя этапами, то каждый этап рассматривается как преобразователь, характеризуемый коэффициентом передачи. Преобразователь разрушения горной породы забоя, соответствующий первому этапу, преобразует окружную скорость долота ϑ_окр (вход), вращающегося под нагрузкой, в скорость разрушения горной породы, которую будем считать механической скоростью бурения ϑ_б (выход). Окружная скорость долота определяется выражением

где R - радиус долота; n - число оборотов долота в единицу времени.

Тогда коэффициент передачи преобразователя разрушения можно записать в виде

Преобразователь очистки забоя, соответствующий второму этапу, преобразует объемный расход промывочной жидкости (вход) в объем разрушенной породы забоя (выход). Объем разрушенной породы определяется выражением

где ϑ_п - скорость подачи долота (инструмента).

Тогда коэффициент передачи преобразователя очистки забоя можно записать в виде

Коэффициенты K' и K'' отражают комплексом параметров процессов разрушения породы забоя и очистки его от разрушенной породы, но не определяют их взаимодействие, определяющее процесс бурения в целом. Причиной (вход) углубления инструмента - цель процесса бурения, является очистка забоя от разрушенной породы, характеризуемая коэффициентом K'', а разрушение вооружением долота является следствием (выход), характеризуемое коэффициентом передачи K'. Поэтому, рассматривая процесс бурения в целом как некий преобразователь, можно записать его коэффициент передачи в виде

Как видим, полученный коэффициент передачи не зависит от типа долота, т.е. конструктивных особенностей его вооружения, поэтому является обобщенным коэффициентом передачи процесса бурения.

Кроме того, отношение всегда стремится к единице, поскольку любое изменение скорости подачи инструмента ϑ_п влечет за собой изменение нагрузки на систему «долото - забой», которая в свою очередь влечет за собой такое же изменение скорости бурения ϑ_б, поэтому условие ϑ_б=ϑ_п является условием оптимального регулирования процессом бурения.

Известно выражение, связывающее параметры системы «долото - забой» [Патент RU №2499887, опубл. 27.11.2013, Бюл. №33] и имеющее вид

где - коэффициент, отражающий разрушительные возможности элемента вооружения и изменение физических свойств промывочной жидкости;

V₁₃ - объем разрушенной породы за единичный акт воздействия зуба долота на забой;

- площадь поверхности одного зуба долота, контактирующего с забоем;

- коэффициент седиментации;

ϑ_осед, ϑ_ж - соответственно скорость осаждения частиц породы (шлама) и скорость потока промывочной жидкости;

γ_п - удельный вес разрушаемой породы;

γ_зп - удельный вес промывочной жидкости в затрубном пространстве;

γ_ж - удельный вес промывочной жидкости, закачиваемой в скважину.

Из изложенного выше ясно, что принадлежность выражения (6) шарошечному долоту определяет только отношение коэффициента А, все прочие члены этого коэффициента носят общий характер, т.е. не зависят от типа долота. Тогда по аналогии с шарошечным долотом можно записать аналогичные отношения для алмазного и лопастного долот, т.е. коэффициент А носит довольно общий характер.

При объемном, самом эффективном, разрушении упругохрупких и упругопластичных пород зона разрушения больше площади самого штампа (зуба) в 5÷50 раз [Вопияков В.А. и др. диспетчерское управление буровыми работами. - М.: Недра 1974, 216 с.].

Представим отношение в виде:

где

h - высота зуба долота текущая;

h₀ - первоначальная высота зуба;

τ - постоянная времени износа зуба;

t - текущее время;

n - число оборотов долота единицу времени;

z - число зубьев внешнего венца шарошки;

- коэффициент передачи долота; D и d - соответственно диаметр долота и шарошки.

С учетом выражений (6), (7), (8) выражение (5) примет вид

где S=πR² - площадь долота;

l=2πR - длина окружности долота.

Известно, что геометрический фактор долота К_гф определяется выражением [Погорельский A.M. Первое обобщенное критериальное уравнение бурового процесса на забое скважины с применением долота вращающегося типа. Изв. ВУЗов. Нефть и газ, №7, 1960]

где F_к=1,3RηS - опорная площадь вооружения долота [Алексеев Ю.Ф. Использование данных по механическим и абразивным свойствам горных пород при бурении скважин. М.: Недра, 1968, 173 с.];

η - коэффициент перекрытия вооружения (1,05);

δ - притупление зубьев долота (1,25 мм).

Тогда

С учетом выражения (11) коэффициент передачи (9) примет вид

Известно, что минимальная нагрузка на долото, при котором объемный вид разрушения имеет преимущественное значение [Вопияков В.А. и др. Диспетчерское управление буровыми работами. - М.: Недра, 1974, 216 с.]:

а) для упругохрупких и упругопластичных пород

где Р_шз - твердость породы в забойных условиях (по Шрейнеру);

б) для пород не дающих хрупкого разрушения, т.е. для пластичных пород

где Р_тз - предел текучести породы в забойных условиях.

С учетом (13) и (13а) выражение (12) примет вид

Полученный коэффициент передачи системы «долото - забой» по существу определяет закономерность ее работы в процессе бурения, в котором можно выделит пять частей:

1. Генератор механических колебаний .

2. Отношение , определяющее работу долота в режиме источника скорости. Поскольку нагрузка G находится в числителе отношения, то коэффициент передачи системы «долото - забой» k пропорционален нагрузке G. Очевидно, что величину коэффициента желательно иметь как можно большей, что возможно неограниченным увеличением нагрузки G. Ограничивающим фактором величины нагрузки является прочностные свойства бурового инструмента и оборудования, значение которого определяется предельной величиной G_пр. Поэтому значение нагрузки на систему «долото - забой» должно удовлетворять условию G_пр>G (G<G_пр).

3. Отношение определяет условие регулирования процессом бурения за счет отрицательной обратной связи, причем скорость подачи инструмента находится в знаменателе отношения.

4. Отношение определяет изменение физических свойств промывочной жидкости после прохождения разрушаемого забоя, т.е. после его очистки промывки).

5. Совокупность коэффициентов и постоянных величин.

Таким образом, получен коэффициент передачи, раскрывающий физическую сущность работы системы «долото - забой» в режиме источника скорости и по существу определяющий весь процесс бурения, в котором основную роль играют условия: формирования и поддержки режима источника скорости , и регулирования процессом бурения .

Пункты 2 и 3, определяющие условия в виде отношений, представим схемой неразрывных причинно-следственных взаимодействий параметров системы «долото - забой», определяющих процесс бурения как вертикальных, так и искривлено-направленных скважин (фиг. 1).

Из схемы фиг. 1 следует:

- нагрузка на систему «долото - забой» является функцией скорости подачи инструмента, т.е ;

- скорость бурения является функцией нагрузки на систему, т.е. ϑ_б=ƒ(G).

Тогда можно записать

т.е. скорость бурения является функцией скорости подачи инструмента через посредничество нагрузки на систему, которая определяет режим работы системы «долото - забой» как источник скорости.

Общеизвестно, что фактическое состояние управляемого объекта отражает только обратная связь. В нашем случае обратной связью является скорость бурения, что на схеме показано штриховой линией. В этом случае можно записать

Полученная функциональная зависимость отражает обратную связь в системе «долото - забой». Тогда условие регулирования процессом на основании (15) и (16) примет вид

Из приведенного анализа условий коэффициента передача системы «долото - забой» следует: регулируемыми параметрами при автоматизированном регулировании процессом бурения являются скорость подачи инструмента и нагрузка на систему «долото - забой», причем скорость бурения отслеживает скорость подачи через нагрузку на систему.

В процессе бурения необходимо осуществлять подачу инструмента со скоростью подачи ϑ_п, контролируемой регистратором 9 (фиг. 2). При этом вес инструмента, растянутой части буровой колонны 6, подвешенного на крюке 12 талевого блока 15 будет убывать, компенсируя увеличивающийся вес сжатой части колонны 5. По мере углубления забоя 1 контролируется убывание веса растянутой части колонны индикатором веса 25.

Известно выражение, определяющее на сколько нужно разгрузить индикатор веса для создания нагрузки на глубине на оборудование, в частности на испытатель пластов, имеющее вид [Рязанцев Н.Ф. Передача нагрузки глубинному механизму посредством веса бурильных труб. Нефтяное хозяйство №9 (сентябрь) 1965, с. 17-21]

где ΔN - число делений, на сколько нужно разгрузить индикатор веса;

N₀ - число делений на индикаторе веса до постановки инструмента на забой, соответствующих полному весу колонны бурильных труб в скважинных условиях;

- вес единицы длины колонны бурильных труб;

q₀ - вес единицы длины труб в воздухе;

γ_ж и γ_м - соответственно удельные веса жидкости и металла;

L_полн - полная длина колонны бурильных труб до постановки на забой;

- суммарная длина всех замков;

L_yпр=(0,94÷0,96) - коэффициент;

К - цена одного деления индикатора веса 25;

- длина сжатой части колонны бурильных труб;

- радиус кривизны колонны бурильных труб;

- критическая длина сжатой части колонны бурильных труб, при превышении которой колонна теряет прямолинейную устойчивость и принимает спиралевидную форму с радиусом кривизны ρ [Лубинский А. Изучение продольного изгиба бурильной колонны при роторном бурении. Сб. статей. Г. Вудс, А. Лубинский. Искривление скважин при бурении. Гостоптехиздат, 1960];

Е - модуль упругости Юнга;

- момент инерции поперечного сечения труб;

ƒ - коэффициент трения (сопротивления), значения которого лежат в пределах 0,2÷0,3;

D и d - соответственно внешний и внутренний диаметры труб;

(L₁-l) - длина растянутой части колонны, которая определяет показания индикатора веса 25.

Однако выражение (18) определяет статическую нагрузку на испытательное оборудование, находящееся в скважине. При использовании этого выражения для определения нагрузки на систему «долото - забой» при бурении необходимо учитывать удлинение сжатой части колонны бурильных труб и укорочение растянутой. В этом случае длина сжатой части будет определяться выражением

где l_б - длина сжатой части колонны бурильных труб при бурении:

Δl=ϑ_п⋅t - удлинение сжатой части колонны бурильных труб;

t - текущее время, определяемое забойными условиями.

Тогда L₁-l_б=L₁-(l+Δl).

Подставим полученное выражение в формулу (18) получим

На фиг. 2 приведено устройство, реализующее условия коэффициента передачи системы «долото - забой», на которой:

1 - забой скважины;

2 - скважина;

3 - долото;

1, 3 - система «долото - забой» при бурении;

4 - забойный гидродвигатель;

5 - сжатая часть труб буровой колонны;

6 - растянутая часть труб буровой колонны;

А - точка, в которой механические напряжения в материале труб равно нулю;

7 - роторный стол;

8 - электродвигатель роторного стола;

9 - регистратор перемещения талевого блока РП-45;

10 - квадратная труба (квадрат), проходит через квадратное отверстие вращающего диска роторного стола;

11 - датчик натяжения талевого каната;

12 - крюк;

13 - неподвижный (мертвый) конец талевого каната;

14 - измерительный трос регистратора РП-45;

15 - шкив талевого блока;

16 - шкив крон-блока;

17 - двигатель барабана буровой лебедки;

18 - редуктор лебедки;

19 - барабан лебедки;

20 - электропорошковое тормозное устройство ТЭП-4500;

21 - устройство управления электропорошковым тормозным устройством ТЭП-4500;

22 - ходовой конец талевого каната;

23 - блок управления движением бурового инструмента при бурении и спускоподъемных операциях;

24 - линии связи бурового оборудования с блоком управления;

25 - индикатор веса;

26 - ручной ввод данных.

Работа устройства начинается с момента подачи инструмента, когда вращающее от забойного двигателя 4 долото 3 под нагрузкой, определяемой весом сжатой части буровой колонны бурильных труб 5, начитает разрушать породу забоя 1. Забой начитает углубляться, а вся колонна бурильных труб увлечет за собой шкив 15 талевого блока, скорость опускания которого измеряется регистратором РП-45. Одновременно будет изменяться убывающий вес колонны, измеряемый датчиком натяжения 11. Измеряемые данные будут поступать по линиям 24 в блок управления, результаты измерения сравниваются со значением уставок скорости ϑ_б и нагрузки Р. Значение уставки нагрузки P - известная величина по результатам пробуренных соседних скважин, значение же уставки скорости ϑ_б можно определить с помощью алгоритма

[Решение выдачи патента на изобретение по заявке №20151473 А5/03 (072891), 05.09.2016]. По результатам измерения блоком 23 выдается сигнал на устройство управления 21 электропорошковым тормозом 20. В зависимости от величины сигнала зависит скорость вращения барабана лебедки. Величина сигнала управления тормозным устройством определяется отношением , а величина нагрузки отношением . Кроме того, значение нагрузки ΔN (25) вычисляется по алгоритму (20) описания изобретения. Все необходимые данные алгоритмом вводятся по ручному входу 26. При бурении барабан лебедки 19 вращается под действием веса растянутой части буровой колонны труб, а при спускоподъемных операциях - от двигателя 17 через редуктор 18, т.е. в регулировании скорости подачи инструмента участвует и скорость подачи (бурения), измеряемая регистратором PR-45, и нагрузка системы «долото - забой», определяемая по алгоритму (20) и результатом измерения датчиком натяжения 11.

Изобретение относится к бурению скважин и может найти применение при регулировании условий бурения. Техническим результатом является представление бурового долота источником скорости, физическая сущность функционирования которого описывается коэффициентом передачи. Предложен способ регулирования условий процесса бурения скважин, основанный на представлении долота трехканальным преобразователем механической и гидравлической мощностей в углублении в два этапа. При этом система «долото - забой» рассматривается как источник скорости и описывается коэффициентом передачи, в котором отношение - условие, определяющее формирование и поддержку режима долота как источника скорости, а отношение - условие, определяющее регулирование процессом бурения. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ регулирования условий процесса бурения скважин, основанный на представлении долота трехканальным преобразователем механической и гидравлической мощностей в углублении в два этапа, отличающийся тем, что система «долото - забой» рассматривается как источник скорости и описывается коэффициентом передачи, в котором отношение - условие, определяющее формирование и поддержку режима долота как источника скорости, а отношение - условие, определяющее регулирование процессом бурения, при этом коэффициент передачи имеет вид

где - коэффициент геометрического фактора;

F_к=1,3Rηδ - опорная площадь вооружения долота;

S - площадь долота;

l=2πR - длина внешней образующей окружности долота;

R - радиус долота;

η - коэффициент перекрытия вооружения долота;

δ - притупление вооружения (зубьев) долота;

h₀ -начальная высота вооружения (зубьев) долота;

τ - постоянная времени вооружения (зубьев) долота;

t - текущее время;

n - число оборотов долота единицу времени;

z - число зубьев внешнего венца долота;

- коэффициент передачи долота; D и d - соответственно диаметр долота и шарошки;

G - нагрузка на долото;

Р=Р_шз(Т_тз)F_к - минимальная нагрузка на долото, при которой осуществляется преимущественно объемный вид разрушения породы упругохрупких (упругопластичных) пород;

Р_шз - твердость горной породы в забойных условиях по Шрейнеру;

ϑ_б - механическая скорость бурения;

ϑ_п - скорость подачи инструмента;

γ_п - удельный вес разрушаемой породы;

γ_зп - удельный вес промывочной жидкости в затрубном пространстве;

γ_ж - удельный вес промывочной жидкости.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что неразрывное причинно-следственное взаимодействие параметров системы «долото - забой» определяет совместное (дублирующее) участие и скорости подачи инструмента, и нагрузки на систему при автоматизированном регулировании процессом бурения в соответствии с условиями коэффициента передачи п. 1.

3. Устройство для реализации коэффициента передачи и его условий, содержащее стандартное буровое оборудование и блок управления, отличающееся тем, что в блок управления вводятся значения прогнозной скорости бурения, определяемой формируемым при бурении породоразрушающим инструментом углом атаки, который определяется конструктивным параметром породоразрушающего инструмента и расходом промывочной жидкости и значением минимально необходимой нагрузки на систему «долото - забой», определяемой по результатам пробуренных соседних скважин, при этом величина разгрузки растянутой части колонны бурильных труб определяется выражением

где ΔN - число делений, на сколько нужно разгрузить индикатор веса;

N₀ - число делений на индикаторе веса до постановки инструмента на забой, соответствующих полному весу колонны бурильных труб в скважинных условиях;

- вес единицы длины колонны бурильных труб;

q₀ - вес единицы длины труб в воздухе;

γ_ж и γ_м - соответственно удельные веса жидкости и металла;

L_полн - полная длина колонны бурильных труб до постановки на забой;

- суммарная длина всех замков;

L_упр=(0,94÷0,96) - коэффициент;

K - цена одного деления индикатора веса 25;

- длина сжатой части колонны бурильных труб;

- радиус кривизны колонны бурильных труб;

- критическая длина сжатой части колонны бурильных труб, при превышении которой колонна теряет прямолинейную устойчивость и принимает спиралевидную форму с радиусом кривизны ρ;

Е - модуль упругости Юнга;

- момент инерции поперечного сечения труб;

ƒ - коэффициент трения (сопротивления), значения которого лежат в пределах 0,2÷0,3;

D и d - соответственно внешний и внутренний диаметры труб;

(L₁-l) - длина растянутой части колонны, которая определяет показания индикатора веса 25.