СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ БУРЕНИЯ СКВАЖИН Российский патент 2023 года по МПК E21B44/02 G05B13/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к системе автоматизированного управления процессом бурения скважин.

Настоящее изобретение может быть использовано, по меньшей мере, для разработки нефтяных и газовых месторождений.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известна система автоматизированного управления бурением скважин, раскрытая в RU 82759 U1, опубл. 10.05.2009. Система предназначена для управления процессом бурения на углеводороды, основанного на измерениях технологических и скважинных параметров и содержит: мобильный терминал 1; дисплей бурильщика 2; сервер буровой 3; автоматизированные рабочие места управляющих операторов и контролеров процессов 4, 5; телеметрическое устройство 6, соединенное с датчиками инклинометрических параметров 7, датчиками технологических параметров 8, датчиками геофизических параметров 9, глубинным исполнительным устройством 10; информационно-измерительное устройство 11 и наземные исполнительные устройства 12. Все перечисленные устройства буровой площадки объединены локальной информационно-вычислительной сетью 13, которая через сервер буровой 3, через гетерогенную информационную сеть (ГИС) 14 может быть соединена с другими буровыми площадками 15, 16, а также внешними объектами, такими как: уполномоченная служба управления, библиотеки нормативных и технологических документов, внутрипроизводственные базы знаний, а также базы знаний общего пользования, центры обработки информации, источники точного времени, погоды и т.д. Устройства на буровой площадке объединены проводной или беспроводной связью или их комбинацией. Решение позволяет повысить эффективность управления бурением скважин.

Кроме того, из уровня техники известны способ и компьютерная система управления бурением скважин, раскрытые в RU 2723805 C1, опубл. 17.06.2020, прототип. Технический результат заключается в создании эффективной и быстродействующей системы управления бурением скважин, обеспечивающей безаварийную проводку скважин в меняющихся условиях и максимальную добычу углеводородов. Компьютерная система управления бурением скважин в соответствии с предлагаемым изобретением содержит блок сбора данных о бурении, блок компьютерной обработки собранных данных, блок аналитики в реальном времени и блок выработки рекомендаций в реальном времени. В соответствии с предлагаемым способом отбирают исходные данные, характеризующие процесс бурения и содержащие реально-временные данные, измеряемые в процессе бурения скважины, контекстные данные бурения, относящиеся к макропараметрам бурения, и геологические данные, характеризующие продуктивный пласт, в котором осуществляют бурение. Осуществляют компьютерную обработку собранных данных и формируют структурированные массивы данных, содержащие полную характеристику процесса бурения в каждый момент времени. Используя в качестве входных данных сформированные структурированные массивы данных, определяют в реальном времени фактические условия бурения и прогнозируют вероятность возникновения осложнений при бурении. Используя в качестве входных данных определенные в реальном времени фактические условия бурения и вероятность возникновения осложнений при бурении, вырабатывают рекомендации по корректировке траектории ствола скважины для получения максимальной продуктивности скважины и/или рекомендации по изменению режимов бурения, состава бурового раствора.

Недостатком раскрытых выше технических решений является то, что отсутствует база данных различных электронизированных долот, забойных двигателей, компоновок нижней части бурильной колонны, промывочных жидкостей, на основе которой система управления бурения скважин автоматически выбирает оптимальные электронизированное долото (ЭД), забойный двигатель (ЗД), компоновку нижней части бурильной колонны (КНБК), вид промывочной жидкости по их рабочим характеристикам, и оптимальные технологические режимные параметры бурения, например, такие как осевая нагрузка на долото, частота вращения долота, крутящий момент на долоте, реологические параметры, расход и давление промывочной жидкости и т.д., чтобы обеспечить оптимальные показатели бурения в процессе бурения скважины, например, такие как максимальная средняя скорость бурения интервала скважины за одно долбление, максимальная средняя скорость бурения интервала скважины за одно долбление при минимальном износе ЭД, ЗД и другого наземного и подземного бурового инструмента, максимальная скорость интервала бурения, максимальная стойкость ЭД, ЗД и другого наземного и подземного бурового инструмента и т.д.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка системы автоматизированного управления процессом бурения скважин, которая автоматически выбирает оптимальные ЭД, ЗД, КНБК, вид промывочной жидкости по их рабочим характеристикам, и оптимальные технологические режимные параметры бурения, чтобы обеспечить оптимальные показатели бурения в процессе бурения скважины.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение оптимальных показателей бурения в процессе бурения скважины, повышение срока службы бурового ЭД, ЗД, КНБК и другого наземного и подземного бурового инструмента, повышение эффективности управления процессом бурения скважин.

Указанный технический результат достигается за счет того, что:

Система автоматизированного управления процессом бурения скважин, содержит:

глобальную управляющую платформу;

базу данных моделей электронизированных долот, моделей забойных двигателей, компоновок нижней части бурильной колонны, видов промывочных жидкостей, моделей геологических разрезов месторождений, связанную с глобальной управляющей платформой, и содержащую следующие данные:

- для каждой породы в зависимости от категории породы зависимости скорости бурения и износа ЭД от значений рабочих параметров различных моделей электронизированных долот, значений рабочих параметров различных моделей забойных двигателей, значений рабочих параметров различных компоновок нижней части бурильной колонны, значений рабочих параметров различных видов промывочных жидкостей;

- по меньшей мере одну модель геологического разреза по меньшей мере одного месторождения по пластам, включающую, по меньшей мере, следующие характеристики каждого пласта: категорию породы, толщину пласта, время бурения каждого пласта с помощью каждой модели электронизированного долота;

причем для указанной по меньшей мере одной модели геологического разреза по меньшей мере одного месторождения глобальная управляющая платформа на основе данных, содержащихся в указанной базе данных, автоматически выбирает модель электронизированного долота (ЭД), модель забойного двигателя (ЗД), компоновку нижней части бурильной колонны (КНБК), вид промывочной жидкости и автоматически рассчитывает проект на строительство по меньшей мере одной скважины по оптимальным режимам бурения, включающим оптимальные значения рабочих параметров выбранной модели ЭД, выбранной модели ЗД, выбранной КНБК и выбранного вида промывочной жидкости по глубине скважины в процессе бурения, таким образом, чтобы обеспечить один или более оптимальных показателей бурения в процессе бурения скважины;

один или более наземных вычислительных центров, каждый наземный вычислительный центр находится на буровой установке и связан с глобальной управляющей платформой, и каждый наземный вычислительный центр получает от глобальной управляющей платформы данные о выбранной модели ЭД, выбранной модели ЗД, выбранной КНБК и выбранном виде промывочной жидкости, оптимальные режимы бурения, включающие оптимальные значения рабочих параметров выбранной модели ЭД, выбранной модели ЗД, выбранной КНБК и выбранного вида промывочной жидкости по глубине скважины в процессе бурения; и контролирует выдерживание оптимальных режимов бурения по значениям рабочих параметров;

одна или более буровых установок, каждая буровая установка связана с наземным вычислительным центром и бурение скважины осуществляется с помощью автоматически выбранных модели ЭД, модели ЗД, КНБК, вида промывочной жидкости, в соответствии с автоматически рассчитанными оптимальными режимами бурения, при этом в процессе бурения скважины автоматически регистрируют и передают в наземный вычислительный центр с привязкой по глубине с заданной частотой дискретизации по меньшей мере следующие текущие данные: значения рабочих параметров ЭД, ЗД, промывочной жидкости, координаты положения долота в скважине по углам азимута и зенита, данные датчиков;

причем с помощью каждого наземного вычислительного центра осуществляют передачу в глобальную управляющую платформу текущих данных, поступающих от буровой установки, глобальная управляющая платформа на основе текущих данных автоматически определяет характеристики пластов по глубине скважины и сравнивает с моделью геологического разреза месторождения по пластам и при несоответствии автоматически пересчитывает на основе текущих данных и обновляет модель геологического разреза месторождения по пластам в базе данных; и автоматически пересчитывает и обновляет оптимальные режимы бурения для выбранной модели ЭД, выбранной модели ЗД, выбранной КНБК и выбранного вида промывочной жидкости таким образом, чтобы обеспечить один или более оптимальных показателей бурения в процессе бурения скважины; и передает в наземный вычислительный центр обновленные оптимальные режимы бурения;

и наземный вычислительной центр контролирует выдерживание обновленных оптимальных режимов бурения для выбранной модели ЭД, выбранной модели ЗД, выбранной КНБК и выбранного вида промывочной жидкости по глубине скважины в процессе бурения.

В одном из вариантов реализации системы рабочими параметрами ЭД являются, по меньшей мере, осевая нагрузка, крутящий момент, частота вращения, вибрации, износ ЭД, рабочими параметрами ЗД являются, по меньшей мере, осевая нагрузка, крутящий момент, частота вращения, дифференциальный перепад давления, ресурс ЗД, рабочими параметрами КНБК являются, по меньшей мере, масса-габаритные характеристики каждого элемента КНБК и всех элементов в совокупности, жесткостные характеристики каждого элемента КНБК и всех элементов в совокупности, местоположение каждого элемента КНБК по длине инструмента, рабочими параметрами промывочной жидкости являются, по меньшей мере, реологические параметры, расход промывочной жидкости, температура, давление промывочной жидкости на устье и давление промывочной жидкости внутри долота и кольцевом пространстве на забое.

В одном из вариантов реализации системы категориями породы являются, по меньшей мере, категория породы по буримости, категория породы по абразивности.

В одном из вариантов реализации системы оптимальными показателями бурения являются, по меньшей мере, максимальная средняя скорость бурения интервала скважины за одно долбление, как усредненная по всем пластам геологического разреза при минимальном износе ЭД, ЗД, наземного и подземного бурового инструмента, максимальная скорость интервала бурения, максимальная стойкость ЭД, ЗД, наземного и подземного бурового инструмента в процессе бурения скважины, минимальная стоимость бурения одного метра.

В одном из вариантов реализации системы данными датчиков являются, по меньшей мере, данные гамма датчиков, данные резистивеметрии, данные плотномеров;

В одном из вариантов реализации системы в процессе бурения скважины автоматически регистрируют и передают в наземный вычислительный центр с привязкой по глубине с заданной частотой дискретизации текущие данные с забоя и с поверхности, при этом текущие данные с забоя включают, по меньшей мере, осевую нагрузку ЭД, частоту вращения ЭД, крутящий момент ЭД, расход промывочной жидкости, температуру, давление промывочной жидкости внутри долота и кольцевом пространстве на забое, координаты положения долота в скважине по углам азимута и зенита, данные датчиков, текущие данные с поверхности включают, по меньшей мере, осевую нагрузку, частоту вращения, крутящий момент на ведущей бурильной трубе, расход промывочной жидкости на входе и выходе циркуляционной системы, температуру на входе и выходе циркуляционной системы, давление промывочной жидкости в напорной и выкидной линии, реологические параметры промывочной жидкости на входе и выходе из циркуляционной системы, объемы промывочной жидкости в ёмкостях.

В одном из вариантов реализации системы реологическими параметрами промывочной жидкости являются, по меньшей мере, плотность, вязкость, показатель фильтрации.

В одном из вариантов реализации система дополнительно содержит один или более стандартизованных испытательных стендов для получения для каждой породы в зависимости от категории породы зависимостей скорости бурения и износа ЭД от значений рабочих параметров различных моделей электронизированных долот, значений рабочих параметров различных моделей забойных двигателей, значений рабочих параметров различных компоновок нижней части бурильной колонны, значений рабочих параметров различных видов промывочных жидкостей, и автоматической записи полученных зависимостей в базу данных.

В одном из вариантов реализации системы глобальная управляющая платформа автоматически рассчитывает проект на строительство по меньшей мере одной скважины дополнительно по конструкции скважины, профилю ствола скважины, буровым растворам, технологии бурения.

В одном из вариантов реализации системы частоту дискретизации задают в зависимости от скорости бурения, чем больше скорость бурения, тем больше частота дискретизации.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Реализация изобретения будет описана в дальнейшем в соответствии с прилагаемыми чертежами, которые представлены для пояснения сути изобретения и никоим образом не ограничивают область изобретения.

Заявляемое изобретение проиллюстрировано фигурами 1-6, на которых изображены:

Фиг. 1 – иллюстрирует пример блок-схемы системы автоматизированного управления процессом бурения скважин.

Фиг. 2 – иллюстрирует пример базы данных по скорости бурения в зависимости от значений рабочих параметров различных моделей электронизированных долот и от категории буримости пород.

Фиг. 3 – иллюстрирует пример базы данных по ресурсу электронизированных долот в зависимости от категории абразивности пород.

Фиг. 4 – иллюстрирует пример выбора модели электронизированного долота по времени бурения скважины различными моделями электронизированных долот на основе модели геологического разреза месторождения по пластам.

Фиг. 5 – иллюстрирует пример базы данных различных моделей забойных двигателей по рабочим параметрам.

Фиг. 6 – иллюстрирует пример автоматической корректировки модели геологического разреза месторождения для последующих скважин.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту будет очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.

Кроме того, из приведенного изложения будет ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, будут очевидными для квалифицированных в предметной области специалистов.

Система содержит (Фиг. 1) глобальную управляющую платформу, базу данных различных моделей электронизированных долот, различных моделей забойных двигателей, различных компоновок нижней части бурильной колонны, различных видов промывочных жидкостей (состав промывочной жидкости, сырье, используемое для приготовления промывочной жидкости и т.д.), связанную с глобальной управляющей платформой, один или более наземных вычислительных центров, при этом каждый наземный вычислительной центр находится на буровой установке и интегрирован с ней, при этом каждый наземный вычислительный центр обменивается данными с глобальной управляющей платформой.

База данных также хранит модели геологических разрезов месторождений по пластам (например, 3D профиль месторождения от поверхности до проектных глубин бурения и/или ниже), геофизические характеристики каждого пласта для каждого геологического разреза (например, глубина залегания пласта, толщина пласта, тип формации пласта, буримость пласта, абразивность пласта и т.д.). 3D профиль месторождения создают и уточняют на основе полученных данных, например, на основе сейсмических данных, геофизических данных, полученных по разрезу месторождения от ранее пробуренных скважин, на основе данных, полученных от электронизированного долота в процессе бурения скважин. Также база данных для каждого пласта хранит характеристики пласта (например, категории горной породы по буримости и абразивности, толщину пласта, время бурения пласта различными моделями электронизированных долот). Также база данных хранит для каждой породы, в зависимости от категории породы, зависимости скорости бурения и износа ЭД от значений рабочих параметров различных моделей электронизированных долот, значений рабочих параметров различных моделей забойных двигателей, значений рабочих параметров различных компоновок нижней части бурильной колонны, значений рабочих параметров различных видов промывочных жидкостей.

Рабочими параметрами ЭД являются, например, осевая нагрузка, крутящий момент, частота вращения, вибрации, износ ЭД и т.д. Рабочими параметрами ЗД являются, например, осевая нагрузка, крутящий момент, частота вращения, дифференциальный перепад давления, ресурс ЗД и т.д. Рабочими параметрами КНБК являются, например, масса-габаритные характеристики каждого элемента КНБК и всех элементов в совокупности, жесткостные характеристики каждого элемента КНБК и всех элементов в совокупности, местоположение каждого элемента КНБК по длине инструмента и т.д. Рабочими параметрами промывочной жидкости являются, например, реологические параметры (например, плотность, вязкость, показатель фильтрации (способность раствора при определенных условиях отдавать воду пористым породам) и т.д), расход промывочной жидкости, температура, давление промывочной жидкости на устье и давление промывочной жидкости внутри долота и кольцевом пространстве на забое и т.д.

Кроме того, база данных дополнительно может хранить сетку разработки (бурения) скважин, графики бурения, проекты на бурение скважин, нормативные документы, тендерные (закупочные) процедуры, экономические показатели.

Глобальная управляющая платформа на основе модели геологического разреза месторождения автоматически выбирает модель ЭД, модель ЗД, КНБК, вид промывочной жидкость из указанной базы данных, и автоматически определяет оптимальные значения рабочих параметров выбранной модели ЭД, выбранной модели ЗД, и оптимальные рабочие параметры выбранной разновидности промывочной жидкости по глубине скважины в процессе бурения таким образом, чтобы обеспечить оптимальные показатели бурения в процессе бурения скважины (например, максимальную среднюю скорость бурения интервала скважины за одно долбление, максимальную среднюю скорость бурения интервала скважины за одно долбление при минимальном износе ЭД, ЗД и другого наземного и подземного бурового инструмента, максимальную скорость интервала бурения, максимальную стойкость ЭД, ЗД и другого наземного и подземного бурового инструмента и т.д.).

Каждый наземный вычислительный центр получает от глобальной управляющей платформы данные о выбранной модели ЭД, выбранной модели ЗД, КНБК, вида промывочной жидкости, оптимальные значения рабочих режимов (параметров) для выбранной модели ЭД, выбранной модели ЗД, КНБК оптимальные параметры для выбранного вида промывочной жидкости по глубине скважины в процессе бурения; и контролирует выдерживание оптимальных значений рабочих режимов для выбранной модели ЭД, выбранной модели ЗД, КНБК, оптимальных рабочих параметров для выбранного вида промывочной жидкости по глубине скважины в процессе бурения.

На каждой буровой установке бурение скважины осуществляется с помощью модели ЭД, модели ЗД, КНБК, вида промывочной жидкости, автоматически выбранных глобальной управляющей платформой, при этом в процессе бурения скважины автоматически регистрируют и передают в наземный вычислительный центр с привязкой по глубине с заданной частотой дискретизации по меньшей мере следующие текущие данные – с забоя от долота и с поверхности. Например, с забоя от долота передают такие текущие данные, как осевую нагрузку, частоту вращения, крутящий момент, расход промывочной жидкости, температуру, давление промывочной жидкости внутри долота и кольцевом пространстве на забое, координаты положения долота в скважине по углам азимута и зенита, данные гамма датчиков, данные резистивеметрии, данные плотномеров. Например, с поверхности передают такие текущие данные, как осевую нагрузку, частоту вращения, крутящий момент на ведущей бурильной трубе, расход промывочной жидкости на входе и выходе циркуляционной системы, температуру на входе и выходе циркуляционной системы, давление промывочной жидкости в напорной и выкидной линии, реологические параметры промывочной жидкости на входе и выходе из циркуляционной системы, объемы промывочной жидкости в ёмкостях.

С помощью каждого наземного вычислительного центра осуществляют передачу в глобальную управляющую платформу текущих данных, поступающих от буровой установки, глобальная управляющая платформа на основе текущих данных определяет характеристики пластов по глубине скважины и сравнивает с моделью геологического разреза месторождения по пластам и при несоответствии обновляет в базе данных на основе текущих данных модель геологического разреза месторождения по пластам, характеристики каждого пласта, для каждого пласта зависимости скорости бурения от значений рабочих параметров (режимов) различных электронизированных долот, забойных двигателей, компоновок нижней части бурильной колонны, рабочих параметров промывочных жидкостей; и определяет обновленные оптимальные значения рабочих режимов для выбранной модели ЭД, выбранной модели ЗД, выбранной КНБК и выбранного промывочной жидкости таким образом, чтобы обеспечить оптимальные показатели бурения в процессе бурения скважины (например, максимальную среднюю скорость бурения интервала скважины за одно долбление, максимальную среднюю скорость бурения интервала скважины за одно долбление при минимальном износе ЭД и ЗД и другого наземного и подземного бурового инструмента, максимальную скорость интервала бурения, максимальную стойкость ЭД и ЗД и другого наземного и подземного бурового инструмента и т.д.); и передает в наземный вычислительный центр обновленные оптимальные значения рабочих параметров для выбранной модели ЭД, выбранной модели ЗД, выбранной КНБК и выбранного вида промывочной жидкости. Наземный вычислительной центр контролирует выдерживание обновленных оптимальных значений рабочих параметров для выбранной модели ЭД, выбранной модели ЗД, выбранного КНБК и выбранного вида промывочной жидкости по глубине скважины в процессе бурения.

Электронизированное долото [1] включает корпус долота или переводник как силовую и неотъемлемую часть долота и содержит аккумуляторно-генераторный блок питания с беспроводной подзарядкой из вне. Электронный блок (модуль) долота установлен в корпусе долота или переводнике. Электронный блок состоит из микропроцессора, энергонезависимой памяти, таймера, управляющей программы, преобразователей и усилителей сигналов, измерительного блока, состоящего из датчиков технологических параметров, расположенных на долоте или наддолотном переводнике и выполненных с возможностью регистрации и передачи в наземный вычислительный центр в процессе бурения с привязкой по глубине с определенной частотой дискретизации технологических параметров электронизированного долота и скважины в процессе бурения, GPS, GSM, Bluetooth модулей, беспроводного блока приема/передачи данных на поверхность из скважины, энергонезависимой рамки электронизированного долота.

В энергонезависимую память электронизированного долота записываются данные о работе, хранении, транспортировке долота, значения осевой нагрузки, крутящего момента, частоты вращения, координат положения долота в скважине по углам азимута и зенита, температуры и давления в скважине, вибраций, сопротивлений породы, гамма излучения и плотнометрии, расхода промывочной жидкости в процессе бурения с заданной частотой дискретизации. Частоту дискретизации задают в зависимости от скорости бурения, чем больше скорость бурения, тем больше частота дискретизации. В энергонезависимую нередактируемую память долота вносятся паспортные данные долота, серийный номер долота, дата изготовления. Энергонезависимая рамка передает паспортные данные для учета складирования и учета сбора КНБК при спуске инструмента в скважину.

Гибридный аккумуляторно-генераторный блок питания долота заряжается в процессе работы долота от инерционного вращения маховика и от вращения генератора от потока промывочной жидкости, а при хранении на поверхности от беспроводной системы заряда.

Измерительный блок регистрирует параметры осевой нагрузки, крутящего момента, частоты вращения, координат положения долота в скважине по углам азимута и зенита, температуры и давления в скважине, вибраций, сопротивлений породы, гамма излучения и плотнометрии, расхода промывочной жидкости в процессе бурения и данные о времени работы, проходки, хранению, транспортировки по таймеру и датчикам активации электронного блока по движению, температуре, давлению.

Приемник/передатчик электронизированного долота передает на поверхность из скважины осевые нагрузки, крутящие моменты, частоты вращения, координаты положения долота в скважине по углам азимута и зенита, температуру и давление в скважине, вибрации, значения сопротивлений породы и гамма излучения, плотнометрии, расхода промывочной жидкости в процессе бурения с привязкой по глубине с определенной частотой дискретизации.

Приемо/передающий блок электронизированного долота передает на поверхность записанные данные о наработке долота в часах, метрах, хранении, транспортировке и режимных и паспортных данных долота, географического положения, данные осевых нагрузок, крутящего момента, частот вращения, координат положения долота в скважине по углам азимута и зенита, температуры и давления в скважине, вибраций, значения сопротивлений породы, гамма излучения и плотнометрии, расхода промывочной жидкости в процессе бурения.

Значения рабочих параметров ЭД, ЗД, промывочной жидкости, координаты положения долота в скважине по углам азимута и зенита, данные гамма датчиков, данные резистивеметрии, данные плотнометрии, данные расхода промывочной жидкости получают с помощью тензодатчиков, акселерометров, датчиков гамма каротажа и резистивиметрии, плотномеров, расходомеров, датчиков температуры, датчиков плотности (ареометров), датчиков уровня жидкости. Например, с помощью тензодатчиков определяют осевую нагрузку и крутящий момент, с помощью акселерометров определяют координаты положения долота в скважине по углам азимута и зенита, а также вибрации в процессе бурения, частоту вращения долота и вала ЗД; с помощью датчиков гамма каротажа и резистивиметрии, плотномеров определяют изменение пород, сопротивление пород и плотность пород соответственно, с помощью расходомеров определяют расход промывочной жидкости, с помощью датчиков температуры определяют температуру промывочной жидкости на входе в циркуляционную систему и выходе из циркуляционной системы, с помощью ареометров определяют плотность промывочной жидкости на выходе из скважины и блока очистки и в емкостях, с помощью датчиков уровня жидкости определяют уровень жидкости в емкостях. Расходомеры устанавливают на входе в циркуляционную систему и определяют объемный расход промывочной жидкости на входе в циркуляционную систему; также расходомеры устанавливают на выходе из циркуляционной системы и определяют объемный расход промывочной жидкости на выходе из циркуляционной системы [2].

Ниже приведен пример реализации автоматического выбора на основе модели геологического разреза месторождения модели ЭД, модели ЗД, КНБК, вида промывочной жидкости, которые бы обеспечивали оптимальные показатели бурения в процессе бурения скважины.

Глобальная платформа рассчитывает оптимальные рабочие параметры (режимы) для выбранных ЭД, ЗД, промывочной жидкости, например, следующим образом. Система дополнительно содержит стандартизованные испытательные стенды, с помощью которых получают для каждого типа пласта (тип формации пласта, буримость пласта, абразивность пласта) геологических разрезов месторождений зависимости скорости бурения от значений рабочих характеристик различных моделей электронизированных долот, моделей ЗД, различных КНБК, параметров различных разновидностей промывочных жидкостей. Полученные зависимости автоматически записывает в базу данных. Далее на основе полученных зависимостей глобальная платформа рассчитывает рабочие параметры (режимы) для выбранных ЭД, ЗД, промывочной жидкости, которые бы обеспечивали оптимальные показатели бурения в процессе бурения скважины.

Из базы данных (Фиг. 1) по скорости бурения в зависимости от значений рабочих параметров различных моделей электронизированных долот и от категории буримости пород (от мягких до очень крепких) (Фиг. 2) и по ресурсу электронизированных долот в зависимости от категории абразивности пород (от весьма малоабразивных до высшей степени абразивных) (Фиг. 3) выбираются долота по таким характеристикам, как, например, скорость бурения и ресурс, и рассчитывается время бурения каждого интервала. Далее из всех выбранных вариантов долот выбирается то долото, которое обеспечивает минимальное время и максимальный ресурс, минимальную стоимость, достаточные для бурения необходимого интервала. На Фиг. 4 приведен пример выбора модели электронизированного долота по времени бурения скважины различными моделями электронизированных долот на основе модели геологического разреза месторождения по пластам. По выбранному долоту подбирается забойный двигатель, обеспечивающий энергетические потребности данного долота (частота вращения, крутящий момент при номинальной мощности ЗД) (Фиг. 5).

В результате работы системы глобальная управляющая платформа по базе данных выбирает автоматически:

1) Модель ЭД, которая обеспечит оптимальные показатели бурения - максимальную среднюю скорость бурения интервала скважины за одно долбление, при минимальном износе электронизированного долота и ЗД и другого наземного и подземного бурового инструмента, максимальную скорость интервала бурения, максимальную стойкость инструмента и др. в процессе бурения скважины.

2) Ресурс (стойкость) выбранного долота.

3) Вид промывочной жидкости и ее оптимальные реологические параметры.

4) Оптимальные параметры (режимы) бурения – нагрузка на долото, частота вращения долота, крутящий момент, расход промывочной жидкости и т.д.

Изменения текущих рабочих параметров, подкрепленные данными с датчиков гамма и резистивиметрии и плотномера, покажут изменение пород и соответственно изменение разреза, что будет автоматических корректироваться в модели разреза для последующих скважин (Фиг. 6). На Фиг. 6 показаны 1 и 2 – данные по пробуренным скважинам, 2 – бурящаяся скважина, 3 – планируемая к бурению скважина. Глобальная управляющая платформа автоматически корректирует модели разреза для последующих скважин используя, например, методы машинного обучения.

Также с помощью заявленного решения можно автоматически формировать и обновлять в онлайн режиме проекты строительства скважин на каждую конкретную скважину на основе имеющихся к моменту расчета данных (3D сейсмика, геофизические данные, литологический разрез по ранее отбуренным или бурящимся скважинам и т.д.) и текущих данных, получаемых с бурящихся скважин. Глобальная управляющая платформа используя методы машинного обучения автоматически пересчитывает проекты по литологическому разрезу скважины от нуля метров до проектной глубины (тип формации пласта, толщина пласта, буримость, абразивность), автоматически подбирает ЭД, ЗД, КНБК, промывочный раствор, технологические режимы, траектории скважины для оптимального бурения из наработанного опыта, конструкции скважин (диаметры, характеристики и глубины спуска обсадных колонн) и инструмента для оптимизации расходов, предвидения и снижения рисков осложнений и аварий. На основе оптимального проекта в автоматическом режиме производится бурение скважины обеспечивая выполнение оптимальных условий бурения, постоянно пополняется база данных по разрезу по режимам бурения и работе инструмента и оборудования, для обновления и интерпретации данных для последующих скважин. На оптимальном проекте выстраиваются графики строительства скважин, ввода скважин в эксплуатацию, их технико-эконмические показатели, факты, рассчитываются отчётные и финансовые показатели, оформляются финансово-отчётные документы для подрядчиков, формируются автоматически потребности ТМЦ на строительства скважин, осуществляется без рисковый, автоматизированный выбор инструмента для ввода опытных инструментов на объекты работа (опытные работы), исключается человеческий фактор.

Специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что все операции для обработки данных по настоящему изобретению могут быть реализованы с использованием по меньшей мере одного вычислительного устройства. Вычислительное устройство содержит по крайней мере один процессор, память и инструкции, хранимые в памяти и исполняемые процессором, с помощью которых осуществляют обработку данных в самообучающейся системе автоматизированного управления процессом бурения скважин. Обработка данных может быть централизованной, например с помощью одного вычислительного устройства, или распределенной, например с помощью нескольких вычислительных устройств, распределенных по сети.

В общем случае вычислительное устройство, обеспечивающее обработку данных, необходимую для реализации заявленного решения, содержит такие компоненты, как: один или более процессоров, по меньшей мере одну память, средство хранения данных, интерфейсы ввода/вывода, средство В/В, средства сетевого взаимодействия.

Процессор устройства выполняет основные вычислительные операции, необходимые для функционирования устройства или функциональности одного или более его компонентов. Процессор исполняет необходимые машиночитаемые команды, содержащиеся в оперативной памяти. Память, как правило, выполнена в виде ОЗУ и содержит необходимую программную логику, обеспечивающую требуемый функционал. Средство хранения данных может выполняться в виде HDD, SSD дисков, рейд массива, сетевого хранилища, флэш-памяти, оптических накопителей информации (CD, DVD, MD, Blue-Ray дисков) и т.п. Средство позволяет выполнять долгосрочное хранение различного вида информации. Интерфейсы представляют собой стандартные средства для подключения и работы с серверной частью, например, USB, RS232, RJ45, LPT, COM, HDMI, PS/2, Lightning, FireWire и т.п. Выбор интерфейсов зависит от конкретного исполнения устройства, которое может представлять собой персональный компьютер, мейнфрейм, серверный кластер, тонкий клиент, смартфон, ноутбук и т.п. В качестве средств В/В данных используется клавиатура. Помимо клавиатуры, в составе средств В/В данных также может использоваться: джойстик, дисплей (сенсорный дисплей), проектор, тачпад, манипулятор мышь, трекбол, световое перо, динамики, микрофон и т.п. Средства сетевого взаимодействия выбираются из устройств, обеспечивающих сетевой прием и передачу данных, например, Ethernet карту, WLAN/Wi-Fi модуль, Bluetooth модуль, BLE модуль, NFC модуль, IrDa, RFID модуль, GSM модем и т.п. С помощью средств обеспечивается организация обмена данными по проводному или беспроводному каналу передачи данных, например, WAN, PAN, ЛВС (LAN), Интранет, Интернет, WLAN, WMAN или GSM, 3G, 4G, 5G, 6G и т.д. Компоненты вычислительного устройства сопряжены посредством общей шины передачи данных.

В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.

Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что различные вариации заявляемого способа и системы не изменяют сущность изобретения, а лишь определяют его конкретные воплощения и применения.

Источники

[1] заявка на изобретение РФ 2021127175

[2] патент на изобретение РФ 2790633

Изобретение относится к средствам автоматизированного управления процессом бурения скважин. Техническим результатом является обеспечение максимальной скорости бурения скважины при минимальном износе наземного и подземного бурового инструмента, повышение срока службы бурового инструмента и эффективности управления процессом бурения скважин. Заявлена система автоматизированного управления процессом бурения скважин, которая содержит: глобальную управляющую платформу; базу данных моделей, связанную с глобальной управляющей платформой; один или более наземных вычислительных центров, при этом каждый наземный вычислительный центр (ВЦ) находится на буровой установке, связан с глобальной управляющей платформой и выполнен с возможностью получать от глобальной управляющей платформы данные и контролировать выдерживание оптимальных режимов бурения; и одну или более буровых установок, каждая из которых связана с наземным ВЦ. При этом база данных включает модели электронизированных долот (ЭД), модели забойных двигателей (ЗД), компоновок нижней части бурильной колонны и видов промывочных жидкостей и модели геологических разрезов месторождений. Каждый наземный вычислительный центр выполнен с возможностью передачи в глобальную управляющую платформу текущих данных, поступающих от буровой установки в процессе бурения. А глобальная управляющая платформа выполнена с возможностью на основе текущих данных автоматически определять характеристики пластов по глубине скважины и сравнивать с моделью геологического разреза месторождения по пластам и при несоответствии автоматически на основе текущих данных пересчитывать и обновлять модель геологического разреза месторождения по пластам в базе данных, автоматически пересчитывать и обновлять оптимальные режимы бурения и передавать их в наземный вычислительный центр для их регулирования на буровой установке в процессе бурения. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система автоматизированного управления процессом бурения скважин, содержащая:

глобальную управляющую платформу;

базу данных моделей электронизированных долот (ЭД), моделей забойных двигателей, компоновок нижней части бурильной колонны, видов промывочных жидкостей, моделей геологических разрезов месторождений, связанную с глобальной управляющей платформой и содержащую следующие данные:

- для каждой породы в зависимости от категории породы зависимости скорости бурения и износа ЭД от значений рабочих параметров различных моделей электронизированных долот, значений рабочих параметров различных моделей забойных двигателей, значений рабочих параметров различных компоновок нижней части бурильной колонны, значений рабочих параметров различных видов промывочных жидкостей;

- по меньшей мере одну модель геологического разреза по меньшей мере одного месторождения по пластам, включающую, по меньшей мере, следующие характеристики каждого пласта: категорию породы, толщину пласта, время бурения каждого пласта с помощью каждой модели электронизированного долота;

причем для указанной по меньшей мере одной модели геологического разреза по меньшей мере одного месторождения глобальная управляющая платформа выполнена с возможностью на основе данных, содержащихся в указанной базе данных, автоматически выбирать модель электронизированного долота (ЭД), модель забойного двигателя (ЗД), компоновку нижней части бурильной колонны (КНБК), вид промывочной жидкости и автоматически рассчитывать проект на строительство по меньшей мере одной скважины по оптимальным режимам бурения, включающим оптимальные значения рабочих параметров выбранной модели ЭД, выбранной модели ЗД, выбранной КНБК и выбранного вида промывочной жидкости по глубине скважины в процессе бурения, таким образом, чтобы обеспечить один или более оптимальных показателей бурения в процессе бурения скважины;

один или более наземных вычислительных центров, при этом каждый наземный вычислительный центр находится на буровой установке и связан с глобальной управляющей платформой, и каждый наземный вычислительный центр выполнен с возможностью получать от глобальной управляющей платформы данные о выбранной модели ЭД, выбранной модели ЗД, выбранной КНБК и выбранном виде промывочной жидкости, оптимальные режимы бурения, включающие оптимальные значения рабочих параметров выбранной модели ЭД, выбранной модели ЗД, выбранной КНБК и выбранного вида промывочной жидкости по глубине скважины в процессе бурения, и контролировать выдерживание оптимальных режимов бурения по значениям рабочих параметров;

одна или более буровых установок, при этом каждая буровая установка связана с наземным вычислительным центром и выполнена с возможностью осуществления бурения скважины с помощью автоматически выбранных модели ЭД, модели ЗД, КНБК, вида промывочной жидкости, в соответствии с автоматически рассчитанными оптимальными режимами бурения, и автоматической регистрации и передачи в процессе бурения в наземный вычислительный центр с привязкой по глубине с заданной частотой дискретизации по меньшей мере следующих текущих данных: значения рабочих параметров ЭД, ЗД, промывочной жидкости, координаты положения долота в скважине по углам азимута и зенита, данные датчиков;

причем каждый наземный вычислительный центр выполнен с возможностью передачи в глобальную управляющую платформу текущих данных, поступающих от буровой установки, при этом глобальная управляющая платформа выполнена с возможностью на основе текущих данных автоматически определять характеристики пластов по глубине скважины и сравнивать с моделью геологического разреза месторождения по пластам и при несоответствии автоматически пересчитывать на основе текущих данных и обновлять модель геологического разреза месторождения по пластам в базе данных; и автоматически пересчитывать и обновлять оптимальные режимы бурения для выбранной модели ЭД, выбранной модели ЗД, выбранной КНБК и выбранного вида промывочной жидкости таким образом, чтобы обеспечить один или более оптимальных показателей бурения в процессе бурения скважины; и передавать в наземный вычислительный центр обновленные оптимальные режимы бурения; при этом наземный вычислительной центр выполнен с возможностью контролировать выдерживание обновленных оптимальных режимов бурения для выбранной модели ЭД, выбранной модели ЗД, выбранной КНБК и выбранного вида промывочной жидкости по глубине скважины в процессе бурения.

2. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что рабочими параметрами ЭД являются, по меньшей мере, осевая нагрузка, крутящий момент, частота вращения, вибрации, износ ЭД, рабочими параметрами ЗД являются, по меньшей мере, осевая нагрузка, крутящий момент, частота вращения, дифференциальный перепад давления, ресурс ЗД, рабочими параметрами КНБК являются, по меньшей мере, массогабаритные характеристики каждого элемента КНБК и всех элементов в совокупности, жесткостные характеристики каждого элемента КНБК и всех элементов в совокупности, местоположение каждого элемента КНБК по длине инструмента, рабочими параметрами промывочной жидкости являются, по меньшей мере, реологические параметры, расход промывочной жидкости, температура, давление промывочной жидкости на устье и давление промывочной жидкости внутри долота и кольцевом пространстве на забое.

3. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что категориями породы являются, по меньшей мере, категория породы по буримости, категория породы по абразивности.

4. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что оптимальными показателями бурения являются, по меньшей мере, максимальная средняя скорость бурения интервала скважины за одно долбление, как усредненная по всем пластам геологического разреза при минимальном износе ЭД, ЗД, наземного и подземного бурового инструмента, максимальная скорость интервала бурения, максимальная стойкость ЭД, ЗД, наземного и подземного бурового инструмента в процессе бурения скважины, минимальная стоимость бурения одного метра.

5. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что данными датчиков являются, по меньшей мере, данные гамма-датчиков, данные резистивиметрии, данные плотномеров.

6. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что текущими данными, которые в процессе бурения скважины автоматически регистрируют и передают в наземный вычислительный центр с привязкой по глубине с заданной частотой дискретизации, являются, по меньшей мере, текущие данные с забоя и текущие данные с поверхности, при этом текущие данные с забоя включают, по меньшей мере, осевую нагрузку ЭД, частоту вращения ЭД, крутящий момент ЭД, расход промывочной жидкости, температуру, давление промывочной жидкости внутри долота и в кольцевом пространстве на забое, координаты положения долота в скважине по углам азимута и зенита, данные датчиков, при этом текущие данные с поверхности включают, по меньшей мере, осевую нагрузку, частоту вращения, крутящий момент на ведущей бурильной трубе, расход промывочной жидкости на входе и выходе циркуляционной системы, температуру на входе и выходе циркуляционной системы, давление промывочной жидкости в напорной и выкидной линии, реологические параметры промывочной жидкости на входе и выходе из циркуляционной системы, объемы промывочной жидкости в ёмкостях.

7. Система по пп. 2 и 6, характеризующаяся тем, что реологическими параметрами промывочной жидкости являются, по меньшей мере, плотность, вязкость, показатель фильтрации.

8. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что дополнительно содержит один или более стандартизованных испытательных стендов для получения для каждой породы в зависимости от категории породы зависимостей скорости бурения и износа ЭД от значений рабочих параметров различных моделей электронизированных долот, значений рабочих параметров различных моделей забойных двигателей, значений рабочих параметров различных компоновок нижней части бурильной колонны, значений рабочих параметров различных видов промывочных жидкостей, и автоматической записи полученных зависимостей в базу данных.

9. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что глобальная управляющая платформа выполнена с возможностью автоматически рассчитывать проект на строительство по меньшей мере одной скважины дополнительно по конструкции скважины, профилю ствола скважины, буровым растворам, технологии бурения.

10. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что частота дискретизации передачи данных зависит от скорости бурения, чем больше скорость бурения, тем больше частота дискретизации.