Способ регулирования режимов бурения Советский патент 1985 года по МПК E21B7/00 E21B44/00 

4

о: 4 « Изобретение относится к бурению скважин и может быть использовано при разработке рациональных режимов бурения. Известен способ регулирования оптимальных режимой бурения путем измерения крутящего момента и поддержания минимальной энергоемкости процесса разрушения PJ Однако при этом нельзя вьщелить зоны неустойчивого равновесия продольной формы изгиба низа бурильной колонны и бурение осуществляется в неоптимальном режиме, так как происходит преждевременный износ вооружения и опор породоразрушдющего инструмента в результате вибра ций. Кроме того на величинукрутяще го момента влияют другие факторы, как, например, силы трения бурильной колонны о стенки скважины, наличие желобных выработок, которые также затрудняют процесс оптимизаци режимов бурения и при большой глуби не и (или) при значительной кривизн скважины, когда указанные факторы оказывают решающее действие на вели т-ину крутящего момента, данный способ оказывается неприменимым для регулирования режимов бурения. Наиболее близким к предлагаемому является способ регулирования режимов бурения, включающий измерение режимных параметров при бурении с подачей верхнего конца бурильной ко лонны с последующим определением и поддержанием их оптимальных, значений 2 . Известный способ также не позволяет выделять области режимных пар метров, при которых имеет место не устойчивое равновесие продольной формы изгиба низа бурильной колонны сопровождаемое низкочастотными и высокоамплитудными колебаниями низ колонны. Более того, механическая скорость за неболыиой контролируемый промежуток времени чаще всего оказьшается выше при тех значениях режимных параметров, при которых имеет место неустойчивое равновеси продольной формы изгиба низа бурил ной колонны. В результате задается неоптимапьный режим бурения, при к тором, происходит преждевременньй и нос вооружения и опор породоразрушающего инструмента в результате вибраций, снижается средняя за дол 172 ление механическая скорость и проходка на долото, а следовательно, и рейсовая скорость бурения, происходит преждевременный износ элементов бурильной колонны. Цель изобретения - уменьшение вибрационных нагрузок на породоразрущающий инструмент и бурильную колонну. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу регулирования режимов бурения, включающему измерение режимных параметров при бурении с подачей верхнего конца бурильной колонны с последующим определением и поддержанием их оптимальных значений, дополнительно измеряют изменение нагрузки на породоразрущающий инструмент во времени при бурении без подачи верхнего конца бурильной колонны, по результатам измерений определяют области неустойчивого равновесия продольной формы изгиба нижней части бурильной колонны и регулируют режимные параметры бурения вне областей неустойчивого равновесия продольной формы изгиба нижней части бурильной колонны. На чертеже приведена зависимость скорости измерения нагрузки на долото от величины нагрузки. Сущность способа заключается в следующем. При приложении нагрузки на породоразрушающий инструмент, превышающей значение критической нагрузки, низ бурильной колонны изгибается. Область изменения режимных параметров, при которых имеет место неусточчивая форма равновесия изогнутого низа, зависит от жесткости низа бурильной колонны, пространственной траектории ствола скважины, производительности буровых насосов, свойств разбуриваемых пород и других факторов. Неравномерная подача бурильной колонны, изменение крутящего момента на долоте, пульсации бурового раствора в скважине - все это вызывает изменение упругого напряженного состояния и формы изогнутого низа с возникновением упругих колебаний, сопровождаемых низкочастотными динамическими вибрационными нагрузками на породоразрушающий инструмент и бурильную колонну. В результате происходит более интенсивный из31

HOC вооружения (например, зубьев) и опор (например, подшипников) породоразрушающего инструмента, а также элементов бурильной колонны.

При регулировании режимных параметров в интервале значений, при которых имеет место устойчивое положение продольной формы изогнутого низа бурильной колонны, действие указанных выше факторов не приводит к изменению продольной формы изогнутого низа. Следовательно, будут отсутствовать динамические нагрузки, обусловленные изменением продольной форк«ы изогнутого низа.

Согласно законам Гука при уменьшении или увеличении нагрузки на породоразр ушаю1дий инструмент бурильная колонна изменяет длину, причем изменение продольной деформации не изогнутой части колонны прямо пропорционально изменению нагрузки. При приложении нагрузки на долото вьпие критической величины нижний участок колонны изгибается с образованием полуволны и к упругой линейной деформации добавляется деформация, вызванная изгибом низа колонны.

При бурении без подачи верхнего конца бурильной колонны (например, при заторможенном барабане лебедки) в процессе углубления скважины происходит снижение нагрузки на породоразрушающий инструмент во времени за счет перераспределения напряжений и деформаций в бурильной колонне и уменьшения длины сжатого участка низа, весом которого нагружается породоразрушающий инструмент. При переходе значений нагрузки через обасть неустойчивого равновесия проольной формы изогнутого низа темп снижения нагрузки на породоразрушающий инструмент замедляется, так как в этом случае к упругой деформации неизогнутой части колонны добавяется деформация изогнутой части колонны (изогнутый низ колонны выпрямляется) . На кривой изменения нагрузки на породоразрушающий инстру мент во времени переход через область неустойчивого равновесия проольной формы изгиба будет отмечаться снижением темпа уменьшения нагрузки. После перехода через неустойчивого равновесия продольной ормы изогнутого низа темп снижения нагрузки на породоразрушающий ин46417Л

струмент будет вновь пропорционален темпу углубления скважины.

Совокупность отличий в предлагаемом способе дает возможность 5 получить новые свойства объекта, а именно - вьщелять области ружимных параметров, при которых имеет место неустойчивое равновесие продольной формы изгиба нижней части бурильной to колонны.

Способ осуществляют следующим образом.

Создают нагрузку на породоразрушающий инструмент путем разгрузки 5 нижней части бурильной колонны на забой скважины, закрепляют верхний конец бурильной колонны, например, путем установкибарабана лебедки на тормоз и осуществляют бурение, измеряя при этом изменение нагрузки на породоразрушающий инструмент во времени, остальные параметры режима бурения при этом поддерживают постоянными. По результатам измере5 НИИ определяют области изменения нагрузок, при которых имеет место неустойчивое равновесие продольной формы изгиба низа бурильной колонны. Указанные операции проводят в том 0 диапазоне изменения других режимных параметров, в котором осуществляют их регулирование. Например, если при роторном способе бурения оптимальный режим определяют при второй и третьей скоростях вращения привода лебедки, что соответствует скорости вращения долота примерно 70 об/мин и 140 об/мин, то измерения проводят при скоростях вращения ротора 70 об/мин и 140 об/мин. Полученные интервалы нагрузок для указанных скоростей вращения, при которых имеет место неустойчивое равновесие продольной формы изгиба низа бурильной колонны, выделяют как нерабочие области в оптимизационных зависимостях (кривых). Оптимизационные зависимости (кривые) получают известными методами, например, путем измерения механической скорости бурения при разных сочетаниях постоянных значений скорости вращения и нагрузки на породоразрушающий инструмент.

. Зависимость скорости измерения 5 нагрузки на долото от величины нагрузки, построена по результатам измерений на скважине при бурении с заторможенным барабаном лебедки.

скорость вращения ротора при этом составляла 70 об/мин (см.черт.). Интервалы нагрузок, при которых имеет место неустойчивое равновесие продольной формы изгиба нижней части бурильной колонны в области проведенных измерений, заштрихованы. В процессе бурения с заторможенным барабаном лебедки по гидравлическо.му индикатору веса измеряют темп , уменьшения веса на крюке, а нагрузку на долото определяют как разность

между полным и текущим весом на крюке.

Способ можно применять как при роторном способе бурения, так и при бурении с применением забойных

двигателей.

Применение предлагаемого способа позволит повысить рейсовую скорость бурения, а также увеличить долговечность элементов бурильной колонны.

5

Гч

5S

:

|

2s

о

с

«о

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ БУРЕНИЯ, включаюп1ий измерение режимных параметров при бурении с подачей верхнего конца бурильной колонны с последующим определением и поддержанием их оптимальных- значений, отличающийся тем, что, с целью уменьшения вибрационных нагрузок, на породоразрушающий инструмент и бурильную колонну, дополнительно измеряют изменение нагрузки на породоразрушающий инструмент во времени при бурении без подачи верхнего конца бурильной колонны, по результатам измерений определяют области неустойчивого равновесия продольной формы изгиба нижней части бурильной колонны и регулируют i режимные параметры бурения вне областей неустойчивого равновесия продоль(Л ной формы.изгиба нижней части бурильной колонны.