Способ регулирования оптимальной осевой нагрузки на долото при бурении скважин Советский патент 1992 года по МПК E21B44/00 E21B45/00 

Изобретение относится к бурению скважин и может быть использовано при поддержании режимов рационального турбинного бурения и создании автоматических систем управления процессом такого бурения.

Цель изобретения - повышение точности определения оптимальной осевой нагрузки на долото и постоянного поддержания эффективности режима турбинного бурения путем контроля момента сил трения долота о забой по изменениям частоты гармонических составляющих сигнала колебаний.

На чертеже представлено устройство для реализации предлагаемого способа.

Устройство содержит преобразователь 1 давления, акустический вибропреобразователь 2, первый 3 и второй 4 аналого-цифровые преобразователи, блок 5 измерения частоты вращения долота, первый 6 и второй 7 блоки памяти, программируемый вычислительный блок 8, блок 9 индикации и исполнительный механизм 10.

Предлагаемый способ определения и регулирования оптимальной осевой нагрузки на долото с помощью устройства работает следующим образом.

Сигнал давления промывочной жидкости воспринимается преобразователем 1 давления, с выхода последнего информация в виде электрического сигнала поступает на вход первого аналого-цифрового преобразователя 3 и после него в цифровой форме записывается последовательно по адресам во времени в первом блоке 6 памяти.

При движении долота по забою и взаимодействии его с неоднородностями породы забоя возникают вибрации долота, которые передаются по колонне бурильных труб и воспринимаются на дневной поверхности скважины акустическим вибропреоб- разователем 2. С выхода последнего информация в виде электрического сигнала поступает на вход второго аналого-цифрового преобразователя А и на вход блока 5 измерения частоты вращения долота (тд), а после аналого-цифрового преобразования в цифровой форме записываются последовательно по адресам во времени во втором блоке 7 памяти.

Сигнал с выходов первого 6 и второго 7 блоков памяти, а также блока 5 измерения частоты вращения долота подают на вход программируемого вычислительного блока 8. Последний, управляя адресом считывания первого 6 и второго 7 блоков памяти, определяет значение характеристик t К, а по ним и веаичине тд, определенной также в блоке 5 измерения частоты вращения долота, вычисляют для двух последовательных интервалов At значение «-характеристику оптимальной осевой нагрузки на долото.

С выхода программируемого вычислительного блока 8 сигнал, соответствующий а, поступает в блок 9 индикации, по которому контролируется, и на исполнительный механизм 10, управляющий осевой

нагрузкой.

При движении долота по забою и взаимодействии его с неоднородностями породы забоя возникают вибрации долота, которые передаются по колонне бурильных

труб и воспринимаются на дневной поверхности скважины как упругие колебания бурильной колонны. При этом наибольшую амплитуду в сигнале колебаний имеют частотные составляющие с частотами, кратными частоте вращения долота . В общем свлучае частота 1д имеет переменное во времени значение, обусловленное как пульсирующим характером промывочной жидкости (быстрые изменения), так и непостоянством режима бурения (медленные изменения). При этом быстрые изменения тем больше, чем больше переменная составляющая давления промывочной жидкости и чем меньше момент сил трения на

долото.

Таким образом, уровень быстрых изменений может характеризовать момент сил трения на долото. Медленные изменения частоты 1д определяются переменным характером среднего давления промывочной жидкости, перемежающейся по свойствам породой забоя, изменениями осевой нагрузки на долото - наиболее динамичного параметра из перечисленных. Выбрав интервал времени At определения оптимальной осевой нагрузки на долото меньше интервала времени, за который осевая нагрузка на долото изменяется на 10-20%, можно считать малыми на интервале At

медленные изменения частоты вращения долота..

Значение давления P(t) промывочной жидкости как функция времени может быть записана в виде

P(t)Po(1+g(t)),(1)

где Ро - среднее в интервале At давление промывочной жидкости;

55

Р(О-Ро Ро

(2)

где g - функция, характеризующая отклонение зо времени величины давления промывойной жидкости от среднего на интервале At давления и отражающая пульсации давления.

Момент сил турбобура может быть записан в том случае в виде

вращения долота Тд, а колебания долота, распространяясь по колонне бурильных труб, достигают дневном поверхности с временной задержкой t32 уравнение (8) пре образуется к

Изобретение относится к турбинному бурению скважин и позволяет повысить точность определения и поддержания оптимальной осевой нагрузки на долото. Изменения давления промывочной жидкости воспринимаются преобразователем 1 давления. Сигнал с преобразователя 1 в первом АЦП 3 преобразуется в цифровой код и записывается в первый блок 6 памяти. Вибрации долота, передающиеся по колонне бурильных труб, воспринимаются акустическим вибропреобразователем 2. Сигнал с него поступает в блок 5 измерения частоты вращения долота, а также оцифровывается блок 7 памяти, Информация из блоков 5, 6 и 7 поступает в программируемый вычислительный блок 8. В блоке 8 для каждого временного интервала A t определяют среднюю частоту тд вращения долота и среднюю частоту Гмакс наибольшей по амплитуде частотной составляющей сигнала упругих колебаний бурильной колонны. Вычисляют отношение I . Определяют во времени скорость изменения мгновенного значения тмакс. Определяют время задержки между пульсациями давления промывочной жидкости и вызванными ими изменениями тмакс. Определяют с учетом времени задержки коэффициент К. пропорциональности между сигналом переменной составляющей давления и зависимостью во времени скорости изменения мгновенного значения тмакс. Вычисляют по значениям , К, Тд для каждых двух последовательных интервалов Д t значение а- характеристики оптимальной осевой нагрузки на долото. В зависимости от величины и знака «изменяют осевую нагрузку, стремясь поддерживать с помощью исполнительного механизма 10 а 0. При этом интервал At выбирают меньше интервала времени, за который осевая нагрузка на долото изменится меньше чем по 10 - 20%. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. Ё ю о го о

M(t) М0(1 + Sg (t - t3i)),

где Мо - среднее на интервале At значение момента сил на турбобуре;

131 - время распространения акустической волны пульсаций давления с поверхности до турбобура;

S - малоизменяющийся на интервале определения коэффициент , характери- зующий затухание акустической волны при ее движении с поверхности до турбобура.

На основании (3) уравнение движения долота, связанного с турбобуром может быть записано как

I

. d( 2JTffl)

dt25

Mo (1 + Sg (t - t3l)) - MTp ,(4)

где I - момент инерции системы турбобур - долото;30

Мтр - момент сил трения долота о поверхность забоя.

В установившемся равновесном режиме движения долота долота выполняется Мтр Мо и выражение (4) преобразуется к 35

2 л

df« dt

Мтр Sg {t - t3i)

Учитывая (2) на основании (5) MTpS

2 л I Ро

(P(t - t3l) - Ро) (6)

Определив переменную составляющую давления

P(t)P(t)-P0,

получаем

MrpS 2лП Ро

P(t - tai)

Величина Тд определяется по упругим колебаниям бурильной колонны. Принимая во внимание, что наибольшую амплитуду в сигнале упругих колебаний бурильной колонны имеют частотные гармоники с частотами, кратными частоте

(3)

.X

2 л I Ро

Р (t - t31 - t32)

(9)

где Тмакс - среднее на интервале At значение частоты максимальной по амплитуде гармоники сигнала колебаний бурильной колонны;

О Тмакс

- производная по времени

мгновенного значения частоты сигнала максимальной по амплитуде гармоники сигнала;

Тд - среднее на интервале At значение частоты вращения долота.

Обозначив отношение средней на интервале At частоты вращения долота к сред- ней на том же интервале частоте наибольшей по амплитуде гармоники

(Ю)

а суммарное время задержки

t3 t31 + t32

получим

(11)

dfn,

dt

1

2л PC

P(t-t3). (12)

(6)

ую

40

45

7)

50

Таким образом, скорость изменения мгновенного значения частоты наибольшей по амплитуде гармоники сигнала упругих колебаний пропорциональна сигналу переменной составляющей давления, задержанному на суммарное время распространения акустической волны давления с поверхности до турбобура и волны механических колебаний долота о забой до дневной поверхности скважины с коэффициентом пропорциональности

/ -.

М.1Р„

1

Т 2 я I Ро

(13)

Учитывая, что величины S, , Ро не меняются с изменением осевой нагрузки, мало меняются от времени, считая их постоянными на интервале 2А t, можно для двух последовательных интервалов At записать

AjMrE

м

Ф

(14)

где Д-fK - вызванное изменениями осевой нагрузки на долото приращение произведения Ј К для двух последовательных интервалов At;

Д МТр - вызванное изменением осевой нагрузки на долото приращение момента сил трения для двух последовательных интервалов At;

-fK - среднее на двух последовательных интервалах значение произведения Ј К;

Мтр - среднее на двух последовательных интервалах значение момента сил трения.

Мощность, затрачиваемая долотом на разрушение забоя, определяется выражением

N Мтр2 лгтд ,

(15)

а осевая нагрузка на долото, при которой N имеет максимальное значение, является оптимальной с точки зрения эффективности бурения, Относительное приращение мощности при изменении осевой нагрузки на долото для двух последовательных интервалов At становится

N

(16)

где AN, АМТр, Дтд - приращения мощности, момента сил трения и частоты вращения долота соответственно, вызванные изменением осевой нагрузки на долото для двух последовательных интервалов At;

N, МТр, Тд-средние значения мощности, момента сил трения и частоты вращения долота соответственно для двух последовательных интервалов времени At.

Принимая во внимание (14), получим

дек

ЕК

+

Alfl(17)

Рассматривая

AN N

как функцию двух

независимых переменных, можно получить характеристику/ отклонения от максимального значения мощности

AiK

( AiK Vz+f

(w +(

4k-)2

тд

(18)

0

5

величина которой показывает, насколько далек режим бурения с данной средней осевой нагрузкой на долото от оптимального режима. При этом величина Д близкая к нулю, означает режим, близкий к оптимальному. означает, что изменение осевой нагрузки на долото, вызвавшее приращение АЖ и Лтд, приближает к оптимальному значению осевой нагрузки на долото. ft 0 означает, что изменение осевой нагрузки на долото, вызвавшее приращение AfK и , удаляет от оптимального значения осевой нагрузки на долото.

При увеличении осевой нагрузки на долото выполняется условие

/ АЈк ч (Тк- f7)0

(19)

20 а при уменьшении осевой нагрузки на долото выполняется условие

/ А-ЕК

(

(7

(20)

Учитывая (19) и (20), получают критерий эффективности бурения

30

A-tK . Affl

-ж-+- га

5

0

5

0

5

х sign (АЈ-ДЬ(21)

Тд /

Величина ос показывает, насколько режим бурения удален от оптимального и в каком направлении следует изменять осевую нагрузку на долото, чтобы достигнуть оптимальной осевой нагрузки на долото и поддерживать ее. Для поиска и поддержания оптимального режима бурения при «4 0 осевую нагрузку на долото следует увеличить тем больше, чем больше значение а, так как большему значению соответствует большее отклонение от оптимальной осевой нагрузки на долото. ПрискО осевую нагрузку следует уменьшить тем больше, чем больше абсолютное значение а. Значение а, близкое к 0, соответствует режиму оптимальной осевой нагрузки на долото.

Таким образом, для определения и поддержания оптимальной осевой нагрузки на долото для каждого временного интервала At измеряют упругие колебания бурильной колонны. Определяют среднюю терш пе At частоту вращения долота тд и

определяют среднюю частоту тмакс наибольшей по амплитуде частотной составляющей сигнала упругих колебаний бурильной колонны. Вычисляют отношение Ј .

Измеряют переменную составляющую пульсации давления. Определяют во времени скорость изменения мгновенного значения частоты fMaxc. Определяют время задержки между пульсациями давления промывочной жидкости и вызванными ими изменениями мгновенного значения частоты Тмакс, например корреляционными методами, как аргумент, соответствующий максимуму взаимокорреляционной функции. Определяют с учетом времени задержки коэффициент К пропорциональности между сигналом переменной составляющей и зависимостью во времени скорости изменения мгновенного.значения частоты finaicc, например методом наименьших квадратов. Вычисляют согласно (21) по найденным значениям Ј К, тд для каждых двух последовательных интервалов At значение а, по которому находят и поддерживают режим оптимальной осевой нагрузки на долото.

Проверка способа проведена на Само- тлорском месторождении, куст № 1253, для пяти скважин. С этой целью в процессе бурения измеряют и записывают с помощью геотехнологической станции Тюмень скорость бурения. В зависимости от скорости бурения выбирают значение интервала усреднения At. При скоростях бурения, больших 0,05 м/с(значение At выбирают равным 4 с, а при меньших - 16 с, так как выявлено, что при данных скоростях бурения осевая нагрузка мало изменяется за указанный интервал времени при данных условиях бурения. Одновременно с помощью датчика вибраций типа MB 04-2 измеряют колебания бурильной колонны и по измеренным колебаниям прибором ИРД (индикатор работы долота) определяют и записывают во времени значение частоты вращения долота, усредненное на каждый интервал времени At. Преобразователем давления ПДМТ измеряют и записывают во времени значение давления промывочной жидкости Р. Измеряют каждый период колебаний П бурильной колонны в полосе частот д, т.е. принимают -6 1. В качестве мгновенного значения частоты сигнала принимают

fM3Kc -j- , a (т) на интервале At.

В этом случае скорость-изменения мгновенного значения частоты сигнала упругих колебаний определяется как

2

1 Т i -+ 1

I ч

ТГ

dt

Ti-M +Т,

5В соответствии с полученными записями указанных величин вычисляют взаимокорреляционную функцию dfMai c/dt и сигнал переменной составляющей давления P(t), откуда определяют Ю значение t3 (формула 12). Затем методом наименьших квадратов вычисляют коэффициент К для каждого интервала Ate учетом т.3. Для каждых двух последовательных интервалов At вычислялось значе- 15 ниеа(21).

Так как процесс бурения управляется оператором независимо, осевая нагрузка приобретает как оптимальное, так и неоптимальное значения. По величине определи0 ют, насколько режим бурения, выбранный оператором, отличается от режима с оптимальной осевой нагрузкой, для чего сравнивают средние скорости бурения при сА 0,1 и при сА 0,1. При этом выявлено, что ско5 рость бурения при lol 0,1 больше на 10- 20% средней скорости бурения при иных значениях а, а знак а однозначно указывает на направление изменения осевой нагрузки на долото для.достижения оптимальнолго

0 режима бурения.

Все вычисления проводят на миниЭВМ СМ-1800. Бурение ведут для различных скважин до глубины 2200-3100 м долотом 215,9 МЗГВ и 215,9 СГН-3 с турбобуром

5 ЗТСШ.

Предлагаемый способ определения и регулирования оптимальной осевой нагрузки на долото в процессе турбинного бурения позволяет определить отклонение текущего

0 значения осевой нагрузки на долото от оптимального и, регулируя оптимальную осевую нагрузку, в зависимости от породы забоя поддерживать эффективный режим бурения.

5

Формула изобретения

1, Способ регулирования оптимальной осевой нагрузки на долото при бурении

0 скважин, включающий измерение упругих колебаний бурильной колонны, отличающийся тем. что, с целью повышения точности определения оптимальной осевой нагрузки на долото и постоянного поддер5 жания эффективного режима турбинного бурения путем контроля момента сил трения долота о забой по изменениям частоты гармонических составляют, сигнала колебаний, измеряют во времени давление промывочной жидкости и задают интервал

времени определения оптимальной осевой нагрузки на долото, на заданном интервале времени определяют среднее значение частоты вращения д долота, среднее Тмакс и мгновенное значения частоты сигнала упругих колебаний бурильной колонны наибольшей по амплитуде частотной составляющей и скорость изменения мгновенного значения частоты, вызванную пульсациями давления промывочной жидкости, определяют коэффициент пропорциональности К между сопоставленными во времени сигналами переменной составляющей давления и скоростью изменения мгновенного значения частоты и по выражению

вг

+ Ak

д

if/ Afr }: ( (К )

0

5

0

(--Ъгде-С -т-а- макс

А (К - приращение произведения & для двух последовательных интервалов времени;

Л fд - приращение частоты вращения долота,

вычисляют характеристику оптимальности осевой нагрузки на долото и при а больше нуля увеличивают осевую нагрузку, а при а меньше нуля уменьшают, причем величина изменения осевой нагрузки пропорциональна абсолютному значению величины а.

2. Способ по п. 1, от л ича ю щийся тем, что интервал времени определения оптимальности осевой нагрузки выбирают меньше интервала времени, за который осевая нагрузка на долото изменится меньше чем на 10-20%.