Способ регулирования режима Советский патент 1991 года по МПК E21B44/08 

Изобретение относится к геологоразведочным работам и предназначено для управления процессом бурения скважин, которое осуществляется на основании измерения энергии упругих колебаний, вызванных породоразрушающим инструментом.

Целью изобретения является повышение точности управления за счет выбора оптимальных режимных параметров.

На фиг.1 представлены спектрограммы акустического поля в процессе бурения; на фиг.2 - графики зависимости величины энергии (усл.ед.) упругих колебаний в диапазонах 0,5-5 кГц и 5-20 кГц от глубины скважины для тидроударно-алмазного (а) и шарошечного (б) бурения.

На фиг.1 спектрограмма 1 отображает зарегистрированные датчиком сигналы упругих колебаний при протекании промывочной жидкости, спектрограмма 2 - те же сигналы при холостом вращении снаряда; спектрограмма 3 - сигналы упругих колебаний в процессе разрушения горной породы.

При экспериментальных работах изучается спектральный состав акустических колебаний, возникающих в процессе бурения в горных породах и породоразрушающем инструменте. Установлено, что спектральные составляющие акустических колебаний, возникающих при разрушении горных пород, имеют значительные амплитуды в диапазоне частот 5-20 кГц, тогда как спектральный состав колебаний, возникающих при трении колонны бурильных труб и колонковой трубы о стенки скважины, трении керна о колонковую трубу, протекании промывочной жидкости, т.е. колебаний, несвязанных с разрушением горной породы, заключен в диапазоне 0,5-5 кГц.

Из спектрограмм на фиг.1 видно, что в диапазоне частот 0,5-5,0 кГц спектрограммы в режиме холостого хода и режиме разрушения горных пород практически совпадают и подтверждают вывод, что в диапазоне 0,5-5,0 кГц сигналы упругих колебаний вызваны лишь вибрациями бурового оборудования.

сл

с

о о

со

00

о

На фиг.2а и б показаны зависимости энергии W1 низкочастотной части спектра 0,5-5,0 кГц, энергии W высокочастотной чаW

сти 5-20 кГц и их отношения В

W1

от

глубины скважины для рейса гидроударно- алмазного и шарошечного бурения соответственно, а также графики изменения частоты вращения снаряда п и осевой нагрузки Р. Расход промывочной жидкости, определяющей параметры работы гидроударной машины, в течение рейса не изменяется.

Значение энергии на графиках (фиг.2а, б) дано в условных единицах, равных площади ограниченной графиком спектральной плотности в пределах диапазона.

Применение предлагаемого способа возможно при двух вариантах расположения датчика упругих колебаний в ближней зоне забоя скважины, В первом варианте датчик располагается в составе бурового снаряда над породоразрушающим инструментом. Передача информации на поверхность в процессе бурения осуществляется по специально организованному каналу связи. Во втором варианте датчик располагается в соседней, ранее пробуренной скважине, глубина которой не меньше проектной глубины бурящейся скважины. Передача информации на поверхность осуществляется по кабельной линии.

В обоих вариантах датчик размещается как можно ближе к забою бурящейся скважины с тем, чтобы уменьшить потери информации, связанные с искажением полезного сигнала в процессе его распространения от зоны контакта породоразрушающего инструмента с горной породой до датчика упругих колебаний. В первом варианте это достигается конструктивным решением, во втором варианте - методикой измерений: спуск датчика осуществляется синхронно с углубкой инструмента.

На поверхности располагается измерительный комплекс,который производит обработку поступающей с датчика информации м либо вырабатывает управляющие воздействия на регуляторы режимных параметров, либо осуществляет вывод результатов обработки информации в виде, удобном для принятия решения оператором.

Способ осуществляется следующим образом.

8 начале бурения производится поиск оптимального сочетания режимных параметров, при котором отношение В энергии

упругих колебаний в диапазонах частот 5- 20 кГц и энергии колебаний в диапазоне частот 0,5-5,0 кГц достигает максимального значения. В дальнейшем процессе бурения

для компенсации снижения эффективности разрушения горных пород, вызванных процессами ухудшения режущих свойств (износом) породоразрушающего инструмента, подклинивания керна в колонковой трубе,

сменой свойств разбуриваемых горных пород, значение отношения поддерживается на максимально высоком уровне регулированием режимных параметров,

П р и м е р. На фиг.2а и б приводятся

результаты обработки спектрограмм в процессе бурения на двух скважинах. Наблюдение осуществляют из одной скважины. Расстояние между устьями скважин составляет 15 м. В состав наземного обрабатывающего комплекса входят анализатор спектра СК4-56 и двухкоординатный самописец Н-307, Спектральный анализ поступающих с датчика сигналов производится

через интервал 1-2 м по разрезу. Разрез скважины представлен гнейсами, большей частью монолитными, плотностью 2,75 г/см3. До глубины 130,6 м бурение осуществляют бескерновым способом, а с глубины 130,7 м и до проектной глубины 210,5 м - гидроударно-алмазным способом, При бес- керновом бурении используются трехшаро- шечное долото типа К диаметром 76 мм с твердосплавными зубцами и колонна бурильных труб муфтозамкового соединения, диаметром 54 мм, при гидроударно-алмазном бурении - алмазная коронка типа 01АЗСВ диаметром 76 мм, твердосплавный расширитель, колонковая труба, гидроударник Г76В и аналогичная колонна бурильных труб.

Несмотря на общее возрастание величин Wo.5-51 и Ws-20 с проходкой в рейсе отношение В энергий высокочастотного

W5-20 и низкочастотного Wo.5-51 спектров в целом падает (фиг.2а), т.е. из-за ухудшения режущих свойств алмазной коронки к концу рейса на забое происходит перераспределение энергии между различными процессами, все большая часть энергии расходуется непроизводительно (на трение инструмента о стенки скважины и т.д.),

Вместе с тем на фоне постепенного уменьшения указанного отношения на графиках присутствуют участки, где величина В отклоняется вверх или вниз от средней линии. Эти участки в большинстве своем совпадают с точками изменения режимных

параметров, что показывает их влияние на интенсивность разрушения горной породы. Осуществляя подбор сочетаний параметров, можно достичь оптимального распределения подводимой к породораз- рушающему инструменту энергии между производительными процессами с разрушением горной породы и непроизводитель- ным трением инструмента о стенки скважины, о столбик керна в колонковой трубе и т.д., оптимальному распределению энергии соответствует максимально возможное на данный момент значение величины В.

При бурении одним типом породораз- рушающего инструмента изменение свойств разбуриваемой породы требует изменения технологии бурения. Это подтверждают результаты измерений, выполненных на глубинах 225 и 226 м (фиг.2а). В этих точках осевая нагрузка Р и частота вращения п остаются неизменными, однако энергия значения В для них существенно отличается.

Анализ геологического разреза по керну скважины показал, что между указанными точками измерений происходит смена горной породы: до глубины 225,8 м расположены биотитовые гнейсы, ниже - кианит- гранато-биотитовые гнейсы. Аналогичные закономерности выявлены и для шарошечного бурения.

На фиг,2б показаны зависимости от глубины бурения тех же величин W , W,

W В -г и осевой нагрузки Р для рейса шаW1

рошечного бурения. Частота вращения снаряда в рейсе постоянная и равна 219 . Энергия низкочастотного диапазона спектра акустического поля Wo.s-s при увеличении проходки в рейсе в целом постепенно растет, а энергия высокочастотного диапазона Wg-20 падает (фиг.26). Отношение В этих величин, характеризующее эффективность использования подведенной к поро- доразрушающему инструменту энергии, постепенно уменьшается из-за износа вооружения шарошечного долота по мере увеличения глубины проходки. Начиная с

глубины 100 м, для того чтобы увеличить постепенно падающую скорость проходки, повышается осевая нагрузка сначала до 1200 даН (102 м), а затем - до 1400 даН (104 м}. Это

приводит к увеличению интенсивности разрушения горной породы (подьем на графике В), но вместе с тем увеличиваются вибрации колонны, что приводит к необходимости снизить осевую нагрузку до 1200 даН (106 м).

Возвращение к осевой нагрузке 1400 даН (108 м) не приводит к возрастанию интенсивности разрушения, в то же время возникшие напряжения в снаряде превышают предел прочности резьбового соединения

колонны и через 3 мин после снятия последней спектрограммы происходит обрыв нижней части снаряда.

Таким образом, определение в процессе бурения величины отношения энергий

высокочастотных акустических колебаний к энергии низкочастотных колебаний, а также характера ее изменения позволяет оперативно подбирать наиболее эффективный режим бурения.

На основании спектрального анализа акустического поля в ближней зоне забоя бурящейся скважины возможна оценка энергоемкости различных процессов, протекающих на забое, и определение опткмального сочетания режимных параметров, при котором наибольшая часть подведенной к породоразрушающему инструменту энергии расходуется производительно - на разрушение горной породы.

Формула изобретения Способ регулирования режима бурения, основанный на измерении энергии упругих колебаний, вызванных породоразрушающим инструментом, и определении оптимальных режимных параметров, отличающийся тем, что, с целью повышения точности управления, энергию упругих колебаний измеряют в ближней зоне забоя (

скважины в диапазоне частот 0,5-5 кГц - W и 5-20 кГц - W, определяют величину отношения В W/W , путем регулирования режимных параметров поддерживают максимальное значение величины В.

Л,мВ

Изобретение относится к бурению скважин и позволяет повысить точность управления процессом за счет выбора оптимальных режимных параметров. Для этого измеряют энергию упругих колебаний, вызванных работой долота, в диапазонах от 0,5 до 5 кГц - W¹, от 5 до 20 кГц - W. Затем определяют величину отношения B = W/W¹. В процессе бурения режимные параметры регулируют таким образом, чтобы обеспечивалось максимальное значение величины B. 2 ил.