Способ контроля траектории шахтных технических скважин Советский патент 1989 года по МПК E21B47/22 

1147

Изобретение относится к технике вращательного бурения и предназначено для определения направления проходки геологоразведочных и других скважин.

Цель изобретения - повышение точ- ности контроля траектории скважины в процессе бурения.

На фиг. 1 приведена схема определения направления траектории по предлагаемому способу; на фиг. 2 - распо- ложение дифференциального бурового резца на забое скважины; на фиг. 3 - схема сил, действующих на резец со стороны породы при вращательном бурении; на фиг. А - схема измерения угла поворота шпинделя и калибрующей кромки резца; на фиг. 5 - схема забоя скважины при бурении вдоль границы пород разной крепости; на фиг. 6 - то же, при бурении под уг- лом к этой границе; на фиг. 7 - то же, при значительном смещении калибрующей кромки резца в породу с меньшей крепостью; на фиг. 8 - диаграмма колебаний удельной подачи при бурении вдоль границы пород разной крепости; на фиг 9 - то же, при бурении под углом к этой границе; на фиг. 10 - то же, при значительном смещении, калибрующей кромки резца в породу с меньшей крепостью.

Контроль траектории скважины по предлагаемому способу (фиг. 1) заключается в том, что при бурении асимметричным инструментом с посто- янным усилием подачи задают опорную плоскость Q векторами М и G геомагнитного и гравитационного полей, относительно которой измеряют углы наклона и азимута бурового инструмен- та в начальной точке 0 бурения. Плоскость Q поворачивают на величину измеренных углов перпендикулярно требуемому направлению 00 бурения и задают в ней полярную систему координат полюс которой совпадает с начальной точкой 0 бурения. При бурении осуществляют постоянное измерение скорости подачи, причем из возможных колебаний удельной подачи выделяют те, у которых частота равна частоте вращения инструмента, на каждом обороте которого измеряют и фиксируют амплитуду колебаний удельной подачи. По величине амплитуды определяют прира- щенйе эксцентриситета 1 оси вращения бурового инструмента за каждый оборот Величину отклонения действительной точки А траектории скважины от требу-

18 2

емого направления 00 определяют в полярной системе координат по величине модуля радиуса-вектора рл, равного сумме приращений эксцентриситет При устойчивых колебаниях удельной подачи S происходит набор кривизны

траектории как сумма приращений экср

центриситета Т 41;, где Р - число

колебаний. Если на участке бурения АО инструмент создал п оборотов и пр

этом было Р колебаний, то

р

Д1

р/, ОА- --1-ЈЬд---- - . (1)

V1 пТ

При экстремальном значении амплитуды колебаний удельной подачи измеряют и фиксируют относительно чальной точки (нулевой фазовой точки) на полярной оси ON сдвиг фазы WA этих колебаний, по величине; которого определяют полярный угол направления траектории скважины.

Измерение фазы колебаний осуществляют на каждом обороте, поэтому величина может быть представлена формулой

Ч;

- .

(2)

где ч.- фаза на j-м обороте.

На участке АВ отклонение траектории от требуемого направления 00 будет продолжаться, так как буровой инструмент установился в точке А под некоторым углом к направлению 00 Пусть при этом на участке АВ колебаний удельной подачи не происходило, тогда направление отклонения останется прежним ( 1/л ) , а радиус- вектор увеличится на длину ре , которую определяют как

и-о f

- М РА

АВ sino.

(3)

При дальнейшем бурении по траектории ВС возможно изменение отклоняющих факторов и направления отклонения. Колебание удельной подачи с фазой, равной wc, дает новое значение радиуса-вектора рс, а положение бурового инструмента в проекции на опорную плоскость Q определится точкой С или суммарным радиусом-вектором р2 , который определяют векторным сложением рл, рв и Рс .

Для эффективного контроля траек- тррии скважины необходимо выдержать

два условия: осуществлять бурение скважины асимметричным инструментом, сконструированным по дифференциальному принципу, и поддерживать усилие подачи постоянным.

Условие равновесия резца в забое можно рассматривать в плоскости, перпендикулярной оси вращения, как равенство нулю геометрической суммы проекций всех сил, действующих на резец со стороны породы, на указанную плоскость.

Условие равновесия по схеме на фиг. 3 в плоскости, перпендикулярной оси вращения, определяется системой уравнений:

х х, F F cosct;

z,- cosct-- F sind;

где F - сила, действующая на корпус резца в,месте его контакта со стенками скважины; р F - сила трения корпуса рез-

ца о стенки скважины; d - угол между диаметральной осью скважины и местом контакта корпуса с породой. Решение системы уравнений (4) производится для общего случая, когда полагают, что инструмент вращается вокруг ос-и, отстоящей от конструктивной на некоторую величину е, называемую эксцентриситетом (фиг. 2) и определяемую в результате решения (4) в виде зависимости

ЫЧЛ8

е

q f+tS

(5)

где L, Д , q, t - коэффициенты, определяемые конструкцией конкретного резца;

с/1 - площадка затупления режущих крой9к; S - удельная подача (подача на один оборот).

Из уравнения (5) следует, что дифференциальный инструмент обладает свойством - вращаясь с некоторым эксцентриситетом, изменять диаметр буримой скважины при изменении удельной подачи. Это свойство положено в основу предлагаемого способа.

Точка Q калибрующей кромки резца (фиг. 3) повернута по отношению

5

5

ч

JQ j$

20

25

зо

35

40

оJ5

;

50

55

к полярной оси ON на угол if 90°. В процессе бурения равновесие устанавливается при вращении инструмента вокруг геометрической оси скважины с некоторым эксцентриситетом 1, величина которого зависит от удельной подачи S. В свою очередь, удельная подача S при неизменном осевом усилии подачи определяется крепостью Pfc буримой породы

5 (6)

где А - конструктивный коэффициент.

Асимметричный инструмент - резец 1 (фиг. 4) - имеет отстающее перо в виде калибрующей кромки 2, которая калибрует скважину, смещая ось вращения в сторону более мягкой породы. Смещение сопровождается колебаниями (броском) удельной подачи, т.е. изменением скорости бурения за один оборот, приводящим к вознкновению импульса в буровом ставе 3. Буровой став 3 механически связывает шпиндель 4 бурового станка 5 и резец 1, находящийся в забое. Опорная плоскость Q, заданная отвесом, расположена вертикально и повернута относительно вектора магнитного поля перпендикулярно направлению бурения на угол, определенный направлением магнитного поля Земли. В центре вращения шпинделя 4 располагается полюс 0 полярной системы координат с полярной осью ON, на которой помещена начальная точка 6 (нулевая фазовая точка) вращения. Пока длина бурения мала, можно утверждать об однозначной неизменной связи между углом с/ поворота шпинделя 4 и углом поворота калибрующей кромки 2 резца 1 вокруг оси, т.е. можно указать на шпинделе 4 метку 7, соответствующую расположению отстающего пера. Полный угол поворота шпинделя 4 составляет 360°, а его текущее значение Ч, равное углу поворота калибрующей кромки 2 резца 1, измеряют относительно начальной точки 6, которая фиксирована на буровом станке 5.

В момент прохода метки 7 на шпинделе 4 через начальную точку 6 включается генератор линейно изменяющегося напряжения (не показан), сигнал которого пропорционален углу поворота шпинделя 4, а следовательно, и углу поворота калибрующей кромки 2.

Аналогично угол поворота отстающего пера измеряется на каждом обороте. Если бурить с постоянным осевым усилием (PV const) подачи, то из формул (5) и (6) очевидно, что бурение в породах с различной контактной прочностью будет происходить с разной удельной подачей S, а следоставлен в виде фазы колебаний удельной подачи, измеренной относительно начальной нулевой фазовой точки на полярной оси ON.

На фиг. 6 показано смещение диаметральной оси скважины на величину

е , которая определяет и фазовый сдвиг колебаний S относительно на

Изобретение относится к технике вращательного бурения и позволяет повысить точность контроля траектории скважин в процессе бурения. Для этого задают опорную плоскость Q векторами G и M гравитационного и геомагнитного полей, относительно которой измеряют углы наклона и азимута бурового инструмента /И/. Осуществляют постоянное измерение скорости подачи /П/ при бурении асимметричным И с постоянным усилием П. Плоскость Q поворачивают перпендикулярно требуемому направлению ОО¹ бурения и задают в ней полярную систему координат, полюс которой совпадает с начальной точкой О бурения. Из возможных колебаний /К/ удельной П выделяют те, у которых частота равна частоте вращения И. На каждом обороте И измеряют и фиксируют амплитуду К, по величине которой определяют приращение эксцентриситета оси вращения бурового И за каждый оборот. Величину отклонения точки А траектории скважины определяют в полярной системе координат по величине модуля радиус-вектора ρ_A, равного сумме приращений эксцентриситета. При экстремальном значении амплитуды К удельной П измеряют и фиксируют относительно начальной точки на полярной оси ON сдвиг фазы φ_A этих К. По величине фазы φ_A определяют полярный угол направления отклонения траектории скважины. 10 ил.

вательно, с различным эксцентрисите- ig чальной нулевой фазовой точки А1 и

v том е. При этом возможен случай, когда бурение осуществляется либо вдоль границы пород разной крепости Р„ , либо под некоторым углом к этой границе, либо в условиях постоянно действующей анизотропии - наиболее характерных факторах, вызывающих искривление скважины.

В первом случае (фиг. 5) диаметр АС скважины совпадает с границей раздела пород различной крепости PKi7PK/2 . В начальный момент бурения центр вращения бурового инструмента совмещен с полюсом 0 полярной системы координат, полярная ось ON которой совпадает с линией АС раздела двух пород различной крепости. При движении отстающего пера в поро-

20

приводит к изменениям на диаграмме удельной подачи (фиг. 9). Эти изменения выражаются в сокращении периодов АС и удлинении периодов СА - 15 картина, характерная для бурения по углом к линия раздела.

Дальнейший уход оси вращения инструмента от линии АС (фиг. 7) на величину суммарного эксцентриситета Ле пе ,, где е 1 ... е„, an- число оборотов при бурении, может создать положение, когда йё

г До тех пор, пока г15 на ди

25 аграмме (фиг. 10) удельной подачи и меняется форма импульсов ЛS - исчез ют горизонтальные участки, приближа форму импульса к синусоидальной и позволяя говорить о наличии выражен

де с крепостью Р

К)

устанавливается

удельная подача S,, а режущая кромка Q этого пера калибрует скважину радиусом R-e ,, где R - геометрический радиус инструмента. В породе с крепостью Р к-г, когда калибрующая точка повернется на угол скважина будет калиброваться радиусом R-.e, а в процессе перехода отстающего пера через плоскость раздела пород в точке С ось вращения инструмента сместится на величину йе ег- е, . Переход через точку С сопровождается скачком удельной подачи 4S S 7 - 8,70, а переход через точк А - скачком удельной подачи US St - By 0. На следующем обороте такая пульсация повторится и возникнут колебания удельной подачи с частотой вращения инструмента.

На фиг. 8 эти колебания показаны в виде диаграммы, где на оси ординат отложена величина удельной подачи S, а на оси абсцисс - угол to t ц поворота калибрующей точки Q (метки на шпинделе при условии жесткой связи шпинделя с забоем) относительно полярной оси ON. В точках А и С совершается переход отстающего пера через границу раздела пород. Здесь на оси абсцисс указанный угол поворота пред0

5

0

приводит к изменениям на диаграмме удельной подачи (фиг. 9). Эти изменения выражаются в сокращении периодов АС и удлинении периодов СА - 5 картина, характерная для бурения под углом к линия раздела.

Дальнейший уход оси вращения инструмента от линии АС (фиг. 7) на величину суммарного эксцентриситета Ле пе ,, где е 1 ... е„, an- число оборотов при бурении, может создать положение, когда

г До тех пор, пока г15 на ди5 аграмме (фиг. 10) удельной подачи изменяется форма импульсов ЛS - исчезают горизонтальные участки, приближая форму импульса к синусоидальной и позволяя говорить о наличии выражен-

о ного минимума в период пульсации. В том случае, когда г,, отстающее перо во время прохода зоны РЦ1 осуществляет резание породы с крепостью Р ki и породы с крепостью Р К1, что приводит к уменьшению амплитуды пульсаций, и при дальнейшем уходе от породы Р К1 пульсации исчезают.

Наличие, выраженного экстремума (минимума) облегчает нахождение полярного угла I/, определяющего направление отклонения. На фиг. 10 угол if , отсчитанный от начальной нулевой фазовой точки А, равен 90° и указывает на отклонение влево, так как

5 ДЗ 0 и имеет минимум при 4 90°. На фиг. 7 показан радиус-вектор р, определяющий положение оси скважины в полярных координатах ON.

Для случая, когда г,, выраженного экстремума может не быть и для определения Ч необходимо произвести дополнительные операции: определение ширины импульса удельной подачи и деление этой величины пополам.

Когда бурение осуществляется в . породах, имеющих анизотропные проявления, не столь явно выраженные как линия раздела двух пород, но искривляющие скважину в силу своего геометрического строения - кливаж, тре- щиноватость, эффективность способа контроля траектории обеспечивается за счет применения аппаратуры логического анализа, позволяющей выделить из ,спектра колебаний удельной подачи S те, у которых частота равна частоте вращения инструмента, изме- рить их амплитуду и фазу и определить величину последней в момент максимума или минимума колебаний S относительно начальной нулевой фазовой точки на полярной оси.

В качестве датчика, чувствительного к осевой вибрации бурильного инструмента, может быть использован датчик акселеметрического типа, выходной сигнал которого пропорционален амплитуде колебаний удельной подачи.

Формула изобретения

Способ контроля траектории шахтных технических скважин, заключающийся в том, что з адают опорную плоскость векторами геомагнитного и гравитационного полей, относительно которой измеряют углы наклона и азимута бурового инструмента в начальной точке бурения, и осуществляют постоянное измерение

Фиг. 2

скорости подачи при бурении асимметричным инструментом с постоянным усилием подачи, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля в процессе бурения, опорную плоскость поворачивают перпендикулярно требуемому направлению бурения и задают в ней полярную систему координат, полюс которой совпадает с начальной точкой бурения, а из возможных колебаний удельной подачи выделяют те, у которых частота равна частоте вращения инструмента, при этом на каждом обороте инструмента измеряют и фиксируют амплитуду этих колебаний, по величине которой определяют приращение эксцентриситета оси вращения бурового инструмента за каждый оборот, а величину отклонения действительной точки траектории скважины определяют в полярной системе координат по величине модуля радиуса-вектора, равного сумме приращений эксцентриситета, причем при экстремальном значении амплитуды колебаний удельной подачи измеряют и фиксируют относительно начальной точки на полярной оси сдвиг фазы этих колебаний, по величине которого определяют полярный угол направления отклонения траектории скважины.

Фиг.З

6

/

/

гт

i

-L

I

L d

Фиг. if

Фиг. 5

180

ери г. 8

фи&7