Способ определения прочности горных пород в процессе проводки скважины Советский патент 1991 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к процессу углубления параметрических, поисковых и разведочных скважин, связано с определением прочности (твердости) горных пород в забойных условиях и может быть использовано в районах глубокого бурения на нефть и газ.

Цель изобретения - повышение достоверности оценки твердости непроницаемых горных пород в процессе проводки скважин.

Спосо б осу щест в л я ют ел е ду ю щим образом.

Определяют параметры режима бурения и промывки: осевую нагрузку на долото G, частоту вращения долота п, плотность бурового раствора р, диаметр долота D, диаметр насадок dHi, средневзвешенный диаметр насадок dH, расход бурового раствора.

Q, скорость истечения из насадок долота Vn,О4

гооное давление Pro. Замеряют механиче- 4j

скую скорость проходки VM. Далее опреде-Щ

ляют прочность горных пород 7о в условиях(J

забоя скважины по уравнениюЈд

f0 (Ј ) (i°l )««да « (-doi )07S (|+01Др)

(D

.-1.

А - постоянный безразмерный коэффициент (А 2,5), где п - частота вращения долота, с

D - диаметр долота, м;

G - осевая нагрузка на долото, Н;

р- плотность бурового раствора, кг/м ;

Q - расход бурового раствора, м3/с;

dH - средневзвешенный диаметр насадки, м;

N - количество насадок в долоте, шт;

S - суммарная площадь промывочных отверстий в долоте, м

2.

S N

7TdH

Vn

Vn - скорость истечения из насадок долота, м/с,

Q . S

Pro - горное давление, МПа на глубине h;

Рг - гидродинамическое давление столба бурового раствора, МПа, плотностью р на глубине h;

Рп - поровое давление, МПа, на глубине h;

Гп - градиент перового давления МПа/м;

АР - дифференциальное давление, МПа,

ДР Рг-Рл;

VM - механическая скорость проходки, м/с.

Формула (1) получена путем преобразования исходного уравнения

G ч2ГрУп Р2 N0.43

U (2)

nD

D2(Tn

02(J

0,65

0,2 ( (Pro Рг)Р2л0.72 0,

(537) ( & 1 CD )

относительно величины твердости горных пород Сто.

Уравнение (2) отображает зависимость механической скорости проходки от параметров режима бурения (осевая нагрузка на долото G, частота вращения долота п), интенсивности промывки забоя (скорости истечения Vn из насадок долота диаметра насадок dH, расхода бурового раствора Q), плотности бурового раствора р, твердости горных пород в забойных условиях стп, горного давления Pro и диаметра долота D.

К основным размерным комплексам, влияющим на среднюю механическую скорость бурения, относят: удельные механиче/™ч

скую мощность (рг п) и гидравлическую мощность в насадках долота

.Vn2 D2

Q). Поскольку одинаковую

гидравлическую мощность можно реализовать при множестве сочетаний скорости истечения (Vn) и подачи насосов (Q), то величины Vn и Q в общем случае должны быть включены в раздельные критерии подобия.

0

5

0

5

Предполагаемая неодинаковая степень влияния этих критериев на механическую скорость бурения и зависимость интенсивности разрушения горных пород от контактной поверхности прямого действия гидромониторной струи обуславливают необходимость изолированного учета среднего диаметра насадок долота (dH) в соответствующем критерии подобия.

Кроме того, на буримость горных пород оказывает влияние разность между горным (Pro) и гидродинамическим (Рг) давлениями, что также должно быть учтено отдельным критерием подобия.

Установленные параметры составляют следующую функциональную зависимость:

, n, 0,-%,стп,р- Vn2, Q,(Pro-Pr), (3)

В соответствии с л-теоремой Букинге- ма выражение (3) преобразуют в критериальную зависимость, содержащую пять безразмерных определяющих критериев подобия

fi(wi .л&Л5),(4)

где

30

лз

Q

D3n

5

0

5

Зависимость прочности глинистых пород (стп) от дифференциального давления АР (Рг - Рп) отображают уравнением

оь ст0 (1 + КДР),(5)

где Сто - прочность пород в забойных условиях при АР 0, МПа;

К- размерный коэффициент, МПа (К к 0,1);

Рп - поровое давление, МПа.

Критериальное уравнение (4) с учетом выражения (5) представляют в степенном виде

VM -Ь-(G а

.-.ЗА Г.2 //, I л « Л Г

nD ООА D2(1 + 0,1 АР)

XjTf2 -7Г|3

(6)

Показатели степени ai, 32as и постоянный безразмерный коэффициент А в уравнении (6) определяют методом наименьших квадратов при обработке промысловых данных.

Коэффициенты выражения (6) вычисляют методом скользящего допуска на ЭВМ.

В результате идентификации коэффициентов уравнения (6) получают критериальную обобщенную модель буримости вида

Ум -А. nD -2v

О2,4 D(1 +0,1ЛР)

2,0

(7)

гдеА (2,5)2.

Скорость истечения Vn вначале определяют теоретически, как частное от деления величины расхода бурового раствора Q на суммарную площадь промывочных отверстий гидромониторного долота S. Величина Q - действительная подача бурового (буровых) насоса, известна. Величину S определяют экспериментально путем замера диаметра dHi 1-й насадки долота, вычисление

ее площади по формуле Si

л:с1н1

и суммированием этих величин

N

s 2 si,

i 1

где N - количество насадок долота, Таким образом

V - Q

Vn- -5.

После этого расчетную величину Vn уточняют по результатам гидравлического испытания долота перед спуском его в скважину. Для этого наворачивают долото на квадратную штангу и прокачивают через долото буровой раствор с теми же расходами, на которых планируется бурение. При этом с помощью манометра в нагнетательной линии замеряют давление Р и далее получают уточненное значение Vn из выражения

, Р

где ц 0,9.

После остановки насосов долото отворачивают от квадратной штанги, наворачивают на компоновку низа бурильной колонны и спускают в скважину на бурение.

Определение прочности горных пород в забойных условиях основывается на математической модели, в критериальной форме адекватно отображающей зависимость механической скорости проходки от параметров режима бурения и промывки; частота вращения долота П входит в эту модель в степени меньше единицы (0,8).

Формула изобретения

Способ определения прочности горных пород в процессе проводки скважины, gg включающий измерение механической ско

10

15

рости проходки, осевой нагрузки на долото, частоты вращения долота, диаметра долота, перепада горного давления над забойным давлением, плотности бурового раствора с последующим расчетом прочности разбуриваемых пород, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности оценки твердости непроницаемых горных пород, перед спуском долота на забой по количеству насадок в долоте на устье скважины определяют средневзвешенный диаметр насадок и их суммарную площадь, а после спуска долота на забой измеряют скорость истечения бурового раствора из этих насадок, при этом твердость непроницаемых горных пород определяют из выражения

20

HX( )«( -fv-o Ј)

,;

(i +oiApl m6/Vl

где А 2,5 - постоянный безразмерный коэффициент;

п - частота вращения долота, ,

D - диаметр долота, м;

G - осевая нагрузка на долото, Н;

р- плотность бурового раствора, кг/м ;

Q - расход бурового раствора, м /с;

- средневзвешенный диаметр насадок, м;

S - суммарная площадь промывочных отверстий в долоте;

S N

N - количество насадок в долоте, шт.; Vn - скорость истечения из насадок долота, м/с:

-§:

Pro - горное давление на глубине h. Па;

Рг - гидродинамическое давление столба бурового раствора на забое, плотностью р на глубине h, МПа;

Рп - поровое давление на глубине h, МПа:

Рп - Гп h;

Гп - градиент перового давления, МПа/м;

ДР - дифференциальное давление, МПа; дР Рг-Рг ;

VM - механическая скорость проходки, м/с.

Изобретение относится к разведочному бурению и м.б. использовано в районах глубокого бурения на нефть и газ. Цель - повышение достоверности оценки твердости непроницаемых горных пород Для этого перед спуском долота на забой по кол-ву насадок в долоте на устье скважины определяют средневзвешенный диаметр насадок и их суммарную площадь. После спуска долота на забой измеряют скорость истечения бурового раствора из этих насадок. Твердость непроницаемых горных пород определяют по математической ф-ле. Определение прочности горных пород в забойных условиях основывается на математической модели, в критериальной форме адекватно отображающей зависимость механической скорости проходки от параметров режима бурения и промывки