Система контроля процесса бурения скважин Советский патент 1989 года по МПК E21B45/00 

Изобретение относится к области контроля режимов бурения нефтяных и газовых скважин и может быть исполь- зовано при бурении глубоких разведоч- 25 ньк и эксплуатационных скважин.

Целью изобретения является повышение точности контроля за счет получения забойной информации.

На чертеже представлена функцио- 30 нальная схема системы контроля процесса бурения скважин.

Система содержит блок 1 измерения механической скорости бурения V, блок 2 измерения крутящего момента 35 роторного стола MKO, блок 3 измерения давления промывочной жидкости на входе циркуляционной системы Р , блок 4 измерения частоты вращения долота п, блок 5 измерения расхода промьшоч- 40 ной жидкости на входе циркуляционной системы Qg , блок 6 измерения расхода промывочной жидкости на выходе циркуляционной системы Qgbix блок 7 измерения ссевой нагрузки РОС , первый 45 блок 8 умножения (Ум К ), блок 9 измерения плотности промывочной жидкости р , датчик 10 продольных упругих колебаний Лр, установленньй в верхней части бурильной колонны с предвари- Q тельным усилителем, датчик 11 поперечных колебаний Ад, совмещенньй в одной точке измерения с датчиком продольных колебаний с предварительным усилителем, блок 12 измерения давле- ния промьшочной жидкости на выходе циркуляционной системы приемным акустическим преобразователем сигналов давления РВЫХ установленным в

затрубном пространстве циркуляционной системы и предварительным усилителем первый блок 13 вычитания О ц, - ,, второй блок 14 вычитания &Р Pg - второй блок 15 умножения, осуществляющий операцию умножения Мкр П блок 16 измерения глубины скважины Н третий блок 17 умножения, осуществляющий операцию умножения сигналов Н х X g (g const), первьш коррелятор 18, осуществляющий измерение R , второй коррелятор 19, осуществляющий измерение R, блок 20 дифференцирования dR , первый блок 21 деления, осуществляющий измерение параметра К„ i; , блок 22 газо

вого каротажа, второй блок 23 деления М р П/Vjrt Ч , блок 24 суммирования H pjK g ±ЛР РПЛ г Де РПЛ величина, пропорциональная пластовому давлению, первый блок 25 измерения максимума корреляционной функции RMOKC

первый анализатор 26 спектра (S ), второй анализатор 27 спектра (S ), второй блок 28 измерения максимума

...S

корреляционной функции лок

29 измерения преобладающей частоты fQg, блок 30 памяти, блок 31 совпадения, блок 32 определения оптимальной осевой нагрузки РОГ блок 33 определения оптимальной продолжительности бурения tonr третий блок 34 деления ,, четвертый блок 35

fРЭ

деления Ндлакс/ лок 36 определения оптимальной частоты вращения долота Попт , пятый блок 37 деления S(H,)/S (H) К „ , блок 38 регистрации и отображения информации.

В системе контроля процесса бурения скважины выходы блока 1 измерения механической скорости бурения, блока 7 измерения осевой нагрузки, блока 2 измерения крутящего момента роторного стола, блока 4 измерения частоты вращения долота, блока 5 измерения расхода промывочной жидкости на входе циркуляционной системы, блока 6 измерения расхода промьшочной жидкости на выходе циркуляционной системы, блока 3 измерения давления промывочной жидкости на входе циркуляционной системы,, блока 22 газового каротажа, блока 9 измерения плотности промьшочподсоединены последовательно через первый блок 8 умножения на третш вход блока 31 совпадения, на второй вход которого подключен выход второго блока 23 деления. Выходы блока 9 измерения плотности промьшочной жидкости и блока 16 измерения глубины скважины через третий блок 17 умножения подключены на второй вход блока 2А суммирования, на первый вход которого подсоединен выход второго блока 14 вьгчитан)1я. Выход первого коррелятора 18 гтодсоединен к блоку

20 дифференцирования и через первый блок 25 измерения максимума корреляционной функции на первый вход четвертого блока 35 деления, на второй вход которого подключен выход второ-

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин и позволяет повысить точность контроля процесса бурения за счет получения информации о забойных параметрах. Система содержит блоки: 1 измерения механической скорости, 2 крутящего момента роторного стола, 3,5 и 6,12 давления и расхода промывочной жидкости на входе и выходе циркуляционной системы соответственно, 4 частоты вращения долота, 7 осевой нагрузки, 9 плотности промывочной жидкости, 16 глубины скважины, 29 преобладающей частоты, а также блок 22 газового каротажа, датчики 10,11 продольных и поперечных упругих колебаний соответственно, два коррелятора 18 и 19, блок 20 дифференцирования, блоки 25, 28 измерения максимума корреляционной функции и анализаторы 26 и 27 спектра. Для обработки информации система содержит блоки 13 и 14 вычитания, блоки 8,15 и 17 умножения (БУ), блоки 21,23,34,37 деления (БД), блок 24 суммирования, блок 30 памяти и блок 31 совпадения (БС). РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ БУРЕНИЯ ОПРЕДЕЛЯЮТСЯ В БЛОКАХ 32,33,36 ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ, ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ И ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ДОЛОТА СООТВЕТСТВЕННО. РЕЖИМНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ ФИКСИРУЮТСЯ В БЛОКЕ 38 РЕГИСТРАЦИИ И ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ. СИГНАЛЫ С ВЫХОДОВ БД 21 и 23, пропорциональные коэффициенту проницаемости горных пород и энергоемкости их разрушения, и с выхода БУ 8 поступают на соответствующие входы БС 31. Одновременное превышение сигналами заданных пороговых значений распознается в БС 31 как признак вскрытия пласта - коллектора. Сигнал с выхода БУ 17 поступает на один из входов блока 24 суммирования, на выходе которого величина сигнала пропорциональна пластовому давлению, а на выходе БД 34,35 и 37 - удельному моменту на долоте, буримости проходимых пород и износу вооружения долота. 1 ил.

ной жидкости, блока 16 измерения глу- 20 го блока 28 измерения максимума кор- бины скважины, блока 12 измерения реляционной функции. Выход второго

давления промывочной жидкости на выходе циркуляционной системы, блока 20 дифференцирования, блока 24 суммирования, блока 31 совпадения, третьего блока 34 деления, а также блоков определения оптимальных осевой нагрузки 32, продолжительности бурения 33 и частоты вращения долота 36 соединены с входами блока 38 регистрации и отображения информации. Выходы датчиков продольных 10 и поперечных 11 упругих колебаний последовательно через соответствующие корреляторы 18 и 19 и анализаторы 26 и 27 спектра подключены на входы третьего блока 34 деления. Выходы блоков 5 и 6 измерения расхода на входе и выходе циркуляционной системы подключены на соответствующие входы первого блока 13 вычитания, выходы блоков 3 и 12 измерения давления промывочной жидкости на входе и выходе циркуляционной системы подключены на соответствующие входы второго блока 14 вычитания. Выходы первого -g

коррелятора 19 через блок 29 измерения преобладающей частоты подключен на вход блока 36 определения опти25 мальной частоты вращения долота, а выход первого анализатора 26 спектра через блок 30 памяти и пятьй блок 37 деления подключен на четвертый вход блока 33 определения оптимальной про30 должительности бурения, на второй и первый входы которого подключены соответственно выход блока 4 измерения частоты вращения долота и выход блок 32 измерения оптимальной осевой на35 грузки, на второй и первый входы ко- торого подсоединены выходьт четвертого блока 35 деления и блока 2 измере ния крутящего момента. Выход блока 36 определения оптимальной частоты вращения долота соединен с третьим входом блока 33 определения оптималь ной продолжительности буре1шя.

Устройство функционирует следующим образом.

Упругие колебания, возникающие в результате взаимодействия долота с разбуриваемой горной породой, после передачи по бурильной колонне принимаются датчиком 10 продольных и дат40

и второго блоков 13 и 14 вычитания

последовательно через первый блок 21

деления подключены на первьм вход

блока 31 совпадения. Выходы блока 2

измерения крутящего момента роторного чиком 11 поперечных упругих колебаний, установленными в верхней части бурильной колонны (на вертлюге или ведущей трубе) и совмещенных в одной точке измерения.

55

стола и блока 4 измерения частоты вращения долота последовательно через второй блок 15 умножения подключены на первый вход второго блока 23 деления, на второй вход которого подсоединен выход блока I измерения ме- ханической скорости бурения. Выход первого коррелятора 18 и вькод блока 1 измерения механической скорости

В затрубном пространстве циркуляционной системы установлен приемный акустический преобразователь сигИало давления (например, пьезоэлектg

коррелятора 19 через блок 29 измерения преобладающей частоты подключен на вход блока 36 определения опти5 мальной частоты вращения долота, а выход первого анализатора 26 спектра через блок 30 памяти и пятьй блок 37 деления подключен на четвертый вход блока 33 определения оптимальной про0 должительности бурения, на второй и первый входы которого подключены соответственно выход блока 4 измерения частоты вращения долота и выход блока 32 измерения оптимальной осевой на5 грузки, на второй и первый входы ко- торого подсоединены выходьт четвертого блока 35 деления и блока 2 измерения крутящего момента. Выход блока 36 определения оптимальной частоты вращения долота соединен с третьим входом блока 33 определения оптимальной продолжительности буре1шя.

Устройство функционирует следующим образом.

Упругие колебания, возникающие в результате взаимодействия долота с разбуриваемой горной породой, после передачи по бурильной колонне принимаются датчиком 10 продольных и дат0

В затрубном пространстве циркуляционной системы установлен приемный акустический преобразователь сигИалов давления (например, пьезоэлектрического типа) с вмонтированным в корпус датчика предварительньм усилителем и измерителем интенсивности сигнала давления, составляющие блок

12измерения давления промьгоочной жидкости на выходе циркуляционной системы. Сигналы расхода промьшочной жидкости на входе и выходе, циркуляционной системы, снимаемые с помощью блоков 5 и 6 измерения, поступают на соответствующие входы первого блока

13вычитания, с выхода которого сигнал ДР - Q J, QewT поступает на пер вый вход первого блока 21 делениия. Соответствующие сигналы давления с выходов блоков 3 и 12 измерения поступают на соответствующие входы второго блока 14 вычитания, с выхода которого сигнал ЛР Р, - Pgbix ° ступает на второй вход первого блока

21 деления. В блоке 21 осуществляетV ЛП

ся измерение величины Кр,р -т-д- ,

пропорциональной коэффициенту прони- цаемости горных пород. С выхода первого блока 21 деления сигналы поступают на один из входов блока 31 совпадения, в котором осуществляется определение момента вскрытия коллек- тора непосредственно в процессе бурения. Сигналы с выходов блоков 2 и 4 измерения М. и п поступают на соответствующие входы второго блока 15 умножения, где осуществляется операция умножения сигналов п.- С выхода второго блока 15 умножения сигналы поступают на второй вход второго блока 23 деления, на первый вход которого поступают сигналы с выхода блока 1 измерения механической скорости бу- рения Во втором блоке 23 деления осуществляется измерение параметра

V

емкост.ч разрущения горных пород. С выхода второго блока 23 деления сигналы поступают на второй вход блока 31 совпадения. Сигналы с выходов датчиков 10 и 11 продольных и поперечных упругих колебаний поступают на входы первого и второго корреляторов 18 и 19 соответственно, где происходит измерение автокорреляционной функции продольных и поперечных колебаний R и R. Одновременно сигналы с выходов блока .1 измерения V и первого коррелятора 18 поступают на входы первого блока 8 умножения, где происходит

пропорционального энерго

5 0

5 0

5

0

5

0

V

столба жидкости Р 9,8 м/с) без учеоперация умножения величины R и V Сигналы, пропорциональные величине

р

УН, R поступают на третий вход бло ка 31 совпадения. На выходе блока 31 совпадения сигнал появляется только при наличии на входах трех сигналов, превышающих заданные пороговые значения, что позволяет определить момент вскрытия пласта-1 оллектора и фиксируется в блоке 38 регистрации и отображения информации в функции глубины как признак коллектора. Сигналы с выхода блока 9 измерения плотности промьюочиой жидкости р поступают на первый вход третьего блока 17 умножения, на второй вход которого поступают сигналы, пропорциональные величине глубины скважины И с блока 16. В третьем блоке 17 умножения определяется величина гидростатического забойного давления . g (где g та гидравлического сопротивления в кольцевом пространстве. С выхода третьего блока 17 умножения сигнал поступает на второй вход блока 24 суммирования, на первый вход которого поступают также сигналы с выхода второго блока 14 вычитания. В блоке 24 суммирования измеряется величина, пропорциональная пластовому давлению Рр, i Р t ftP. Одновременно сигналы автокорреляционной функции продольных колебаний R с выхода первого коррелятора 18 поступают на вход блоков 25 и 26, в которых происходит соответственно измерение максимума

р измерение плоп(ади спектра

р продольных колебаний S

но. Аналогично сигналы

второго коррелятора 19 поступают на

вход блоков 27 и 28, в которых

ходит измерение Площади

(в блоке 27) и максимума автокорреля5 /Wave

выхода блоков

Р„5

А«акс макс

на входы четвертого блока 35

где осуществляется измерение величиционной функции R лёбаний. С налы значений R

соответствен- R с вькода

проис- спектра S

поперечных ко- 25 и 28 сиги подаются

деления.

осуществляется

рР К 4 ai. пропорциональной

ны

макс

удельному моменту на долоте. С

,р

выхо- S

дрв блоков 26 и 27 сигналы S поступают на входы третьего блока 34 деления, где осуществляется измерение

величины К.

S,

соответствующей ти S, пу разбуриваемых горных пород и величине их буримости.

Дополнительно выход первого коррелятора 18 соединен с входом блока 20 дифференцирования, где происходит дифференцирование огибамией автокорре

ляционной функции R

Кп

величина которой пропорциональна пористости горных пород. Выход второго коррелятора 19 дополнительно соединен с входом блока 29, где происходит измерение преобладающей частоты поперечных упругих колебаний f. При этом выход блока 29 соединен с входом блока 36 измерения оптимальной частоты вращения долота при турбинном буре-

НИИ, где определяются значения п пх „„„ „ 60 оБ -«

, где п, , f.

опт - зна

Z OS

чения преобладающей частоты попереч- ньсх упругих колебаний при холостом ходе турбобура, а Z - число рабочих элементов долота.

Одновременно сигналы с выхода первого анализатора 26 спектра поступают последовательно через блок 30 п памяти на вход пятого блока 37 деления, где измеряется величина, прюпор циональная износу вооружения долота

К„ - |р , где ,) и ,,) -

Площади спектров продольных колебаний на глубинах Н, и Н соответственно, сигналы которых хранятся в блоке 30 памяти.

Одновременно сигналы, пропорциональные величине крутящего момента с выхода блока 2 и сигналы, пропорциональные удельному моменту на долоте KU, с выхода блока 35 поступают на вход блока 32 измерения оптимальной осевой нагрузки на долото Р

1 лр3 Км

Сигналы с выходов блоков 32, 36 и 37 поступают на входы блока 33 измерения оптимальной продолжительност бурения tg, где определяется оптимальное время работы долота на забое

I

, т.е. момент

опт

п . РОПТ

опт

его подьема как при турбинном, так и при роторном способах бурения.

0

j 0

5

5

0

5

O

5

При роторном способе бурения величина Пд поступает на вход блока 33 с выхода блока А измерения п. Сигнсгпы оптимальных значений РОПТ ton т поступают в блок 38 индикации и отображения информации и в случае наличия на буровой автомата подачи долота могут служить сигналами обратной связи для автоматического поддержания оптимальных режимов бурения, Одновременно в блок 38 поступают также сигналы с выходов блока 1 - 7, 9, 12, 16, 20, 22, 24 и 34, где происходит их аналоговая и цифровая регистрация как в функции глубины скважины, так и времени бурения.

Система контроля процесса бурения скважин позволяет повысить точность контроля бурения за счет измерения забойных параметров, сократить сроки проводки глубоких скважин за счет оперативной оптимизации режимов бу- . рения в реальном времени и исключить из комплекса исследований разведоч- ных скважин каротажные работы.

Формула изобретения

Система контроля процесса бурения скважин, содержащая блоки измерения механической скорости бурения, крутящего момента роторного стола, давления расхода и плотности промьшоч- ной жидкости на входе циркуляционной системы, частоты вращения долота, осевой нагрузки и глубины скважины, а также блок газового каротажа, выходы которых соединены с соответствующими входами блока регистрации и отображения информации, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности контроля за счет получения забойной информации, система снабжена датчиками продольных и поперечных упругих колебаний бурильной колонны, совмещенных в одной точке измерения, блоками измерения давления и расхода промьшочной жидкости на выходе циркуляционной системы, двумя блоками вычитания, тремя блоками умножения, пятью блоками деления, двумя корреляторами, двумя блоками измерения максимумов корреляционных функшЛ двумя анализаторами спектра, блоком суммирования, блоком измерения преобладающей частоты, блоком памяти, блоком дифференцирования, блоком сояпя1114

дения, блоком определения оптимальной осевой нагрузки, блоком определения оптимальной частоты вращения долота, при этом выходы блоков измерения расхода промьшочной жидкости на входе и вьгходе циркуляционной системы соединены с соответствующими входами первого блока вычитания, выход кото

рого подключен к первому входу перво- fg которого подключен к первому входу

го делителя, выходы блоков измерения давления промьшочной жидкости на входе и выходе циркулйционной системы -соединены с соответствующими входами второго блока вычитания, выход которого подключен к первому входу блока суммирования и второму входу первого делителя, выход первого делителя соединен с первым входом блока совпадетретьего блока деления и входу блок памяти, выход датчика поперечных уп ругих колебаний через второй коррелятор соединен с входами блока изме 15 рения преобладающей частоты второг блока измерения максимума корреляци онной функции и второго анализатора выход которого подключен к второму входу третьего блока деления, выход

ния, выход блока измерения механичес- 20 первого и второго блоков измерения

кой скорости бурения подключен к пер- вьм входам второго блока деления и первого блока умножения, выходы которых соединены соответственно с вторым и третьим входами блока совпадения, выход блока измерения крутящего момента роторного стола соединен с первыми входами второго блока умножения и блока определения оптимальной осе25

максимума корреляционной функции соединены с соответствующими входами четвертого делителя, выход которого подключен к второму входу блока определения оптимальной осевой нагрузки, выход блока измерения преобладающей частоты через блок определения оптимальной частоты вращения долота, а выход блока памяти через пятый блок

вой нагрузки, выход которого подклю- 30 деления соединены соответственно с чен к первому входу блока определения третьим и четвертым входами блока оп- оптимальной продолжительности бурения, выход блока измерения частоты вращения долота соединен с вторыми входа- (МИ блока определения оптимальной про- 35 ной жидкости на выходе циркуляционной должительности бурения и второго бло- системы, блока Дифференцирования, блока умножения, выход которого подклюределения оптимальной продолжительности бурения, причем выхода блоков измерения давления и расхода промьшочка совпадения, блока суммирования, третьего блока деления, а также блоков определения оптимальной осевой 40 нагрузки, продолжительности и частоты вращения долота соединены с остальными входами блока регистрации и отображения информации.

чен к второму входу второго делителя, выходы блоков измерения плотности промывочной жидкости и глубины сква- жины соединены соответственно с пер- вьи и вторым входами третьего блока умножения, выход которого подключен

12

к второму входу блока суммирования, выход датчика продольных упругих колебаний через первьй коррелятор соединен с вторым входом первого блока умножения и входами блока дифференцирования, первого блока измерения максимума корреляционной функции и первого анализатора спектра, выход

третьего блока деления и входу блока памяти, выход датчика поперечных упругих колебаний через второй коррелятор соединен с входами блока изме- рения преобладающей частоты второго блока измерения максимума корреляционной функции и второго анализатора, выход которого подключен к второму входу третьего блока деления, выходы

максимума корреляционной функции соединены с соответствующими входами четвертого делителя, выход которого подключен к второму входу блока определения оптимальной осевой нагрузки, выход блока измерения преобладающей частоты через блок определения оптимальной частоты вращения долота, а выход блока памяти через пятый блок

деления соединены соответственно с третьим и четвертым входами блока оп- ной жидкости на выходе циркуляционной системы, блока Дифференцирования, блоделения соединены соответственно с третьим и четвертым входами блока оп- ной жидкости на выходе циркуляционной системы, блока Дифференцирования, блоределения оптимальной продолжительности бурения, причем выхода блоков измерения давления и расхода промьшочделения соединены соответственно с третьим и четвертым входами блока оп- ной жидкости на выходе циркуляционной системы, блока Дифференцирования, блока совпадения, блока суммирования, третьего блока деления, а также блоков определения оптимальной осевой нагрузки, продолжительности и частоты вращения долота соединены с остальными входами блока регистрации и отображения информации.