Способ определения энергоемкости процесса разрушения горных пород при бурении скважины Советский патент 1992 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано в разведочном бурении для изучения напряженного состояния (горного давления) геологических структур путем механического (энергетического) каротажа скважины по энергоемкости процесса разрушения горных пород.

В известных способах определения энергоемкости процесса разрушения горных пород при бурении скважин контролируют технологические параметры режима бурения: подводимую к долоту механическую мощность N и скорость V углубления ствола заданного диаметра D 1}. Энергоемкость Эрасч. при этом рассчитывают по следующей формуле:

Эрасч . ПЭ(1)

яО V

Однако определяемая таким образом энергоемкость Эрасч процесса бурения представляет собой сумму энергоемкостей процессов породоразрушения и износа долота, весовые доли которых варьируют в зависимости от литологии геологического разреза и режима бурения, что снижа ет точность каротажа скважины.

При турбинном бурении энергоемкость процесса разрушения горной породы оценивается по гидродинамическому перепаду давления А Р, возникающему в бурильной колонне после нагружения забойного турбобура 2.

, Па,(2)

где К - коэффициент, учитывающий гидравлическую характеристику турбобура и режим промывки;

Т - буримость горной породы.

К недостаткам указанного способа следует отнести низкую точность измерения разности давлений А Р, особенно в глубоких скважинах, и нестабипьность коэффициента К при изменении режима промывки. Для вычисления коэффициента К необходима информация о плотности и расходе промы Ч

4 ГО

Јь

х| vj

вочной жидкости, а значит, возникают дополнительные источники погрешностей.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ, при котором в процессе каротажа бурящейся скважины измеряют нагрузку G на долото, частоту ш его вращения и механическую скорость V углубления скважины, а энергоемкость Эрасч. оценивают по формуле

ЯСущественный недостаток указанного способа заключается в зависимости определяемой величины энергоемкости процесса Эп породоразрушения от состояния вооружения долота. Известно, что по мере износа вооружения долота механическая скорость падает, а следовательно, происходит неконтролируемое завышение определяемой величины энергоемкости, не связанное со свойствами горной породы. Ошибки каротируемой функции (энергоемкости) в течение одного рейса бурильного инструмента могут достигать ста и более процентов.

Цель изобретения состоит в повышении точности каротажа путем исключения зависимости определяемой величины энергоемкости процесса разрушения горной породы от состояния вооружения долота.

Достигается это способом определения энергоемкости процесса разрушения горной породы при бурении скважины, заключающимся в регистрации глубины проходки, осевой нагрузки на долото, угловой скорости его вращения, механической скорости бурения и расчете энергоемкости процесса разрушения горной породы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности каротажа, определяют динамику износа вооружения долота, определяют коэффициент полезного действия бурения, а величину энергоемкости процесса разрушения горной породы определяют из выражения

Эп 3расч.1 - (1- /) ехр (п I). Па. (4)

4 G а)

где Эрасч. - . - расчетная энергоемod 3t D V

кость процесса бурения, Па;

rj- коэффициент полезного действия; п

1 2 Эрасч| Ati/M- динамика износа

долота;

Ati - интервал времени бурения однородного пласта горной породы, с.

На чертеже представлена структурная схема устройства автоматического контроля технологических параметров бурения, вычисления и регистрации энергоемкости

процесса разрушения горных пород с привязкой к глубине скважины, осуществляющая в качестве примера предлагаемый способ; экспериментальные результаты каротажа скважины Ns 25 Абазовской площади по энергоемкости процесса разрушения горных пород в сравнении с данными стандартного каротажа приведены на фиг. 2. В данном способе использован тот

0 факт, что вытекающая из закона сохранения энергии полная подведенная к долоту механическая возможность N тратится на разрушение горной породы Мп и на износ долота NI

5N - Nn + NI. Вт.(5)

Так как не вся мощность может быть использована на процесс породоразрушения, вводится понятие коэффициента полезного действия бурения rj, который по мере

0 износа I вооружения изменяет свое значение от единицы до нуля. Это положение формализуется следующим образом

Nn-NJ/ (1-0, Вт.(6)

Скорость износа вооружения dl/dt за5 висит от энергоресурса М долота и определяется потерями части механической мощности N1 на нагрев « различного рода деформации, зависящие от скорости V перемещения долота в горной породе.

0

0

5

N1

4

, Вт,

(7)

где тг02/4 - интенсивность породоразрушения, м/с.

Энергоресурс М физически обуславливает собой динамическую вязкость (в Па.с) материала режущих элементов долота. Износ этих элементов прямо зависит от вязко- стного трения. С целью приведения энергоресурсов различных типоразмеров долот к единому порядку величины в соотношении (7) введена площадь поперечного сечения забоя скважины п D /4.

Энергоемкость процесса породоразрушения Эп рассматривается как реакция горной породы на механическое воздействие долота и отождествляется с энергоемкостью горной породы - горным давлением.

Эг а , Па.(8)

0я:02У

После несложных преобразований системы четырех представленных уравнений (5)-(8) разрешаем их относительно скорости dl/dt и выражаем динамику износа через пара5 метры физико-математической модели работы долота на забое скважины:

(9

По определению расчетная величина энер- гремкости Эр.асч. процесса бурения оценивается по динамическим показателям технологического режима

Эрасч- -Ш-.Па(10)

ttD2V

После подстановки в уравнение (9) выражения (10) и разделения переменных I, t проинтегрируем полученный результат

dl

1-J/+17I

± м

J Эрасч О

dt.

(11)

Интегрирование выражения (11) при заданных начальных условиях (, ) и соответствующее математическое преобразование дают решение для степени износа долота в нижеследующем виде

( / Эрасч dt) (12)

Для энергоемкости Эп процесса разрушения горной породы справедливо соотношение

Эп Эрасч 1-()еХрЙ /Эрасч dt) (13)

VI о

С достаточной для практики точностью, при условии малости КПД бурения (// « 1), степень износа I долота может быть выражена без экспоненциального члена

, 1 М

Это позволяет трансформировать соотношение (13) в соотношение (4). В случае дискретности контроля динамики износа I по интервалам времени A t бурения однородных пропластков вместо интегрирования (14) используется более простая операция - суммирование.

t

о

рэсч

dt

(14)

раеч|

Д ti/M

(15)

Предполагается, что потенциальный энергоресурс (М Ю14 Па с) долота известен для каждого типа породоразрушающего инструмента. По мере разбуривания отдельных пластов горных пород производят накопление в счетчике произведения Эрасч| A tj и полученную сумму вводят в качестве корректирующей функции в расчет (4) с одновременной привязкой полученного результата к глубине скважины

Сущность предлагаемого способа определения энергоемкости процесса разрушения горных пород заключается в измерении технологических параметров режима бурения: нагрузки на долото G, угловой скорости wбурильного инструмента, глубины проходки Ah и времени At бурения литологически однородного интервала A h Для каждого интервала бурения вычисляют механическую скорость проходки h/Д t, затем вдоль исследуемого ствола скважины рассчитывают энергоемкость Эрасч, процесса бурения и оценивают степень износа I воо- П

ружения долота (1 2, Эрасч| Ati), которая

зависит от предыстории его работы на забое времени и энергоемкости бурения). Учитывая коэффициент полезного действия rj, определяют энергоемкость процесса разрушения горных пород по всему разрезу каротируемой скважины.

На фиг. 1 представлено автоматическое

устройство для каротажа скважины в процессе геологоразведочного бурения, содержащее технологические датчик-и: 1 проходки, 2 осевой нагрузки, 3 угловой скорости вращения, 4 механической скорости;

операционные множительно-делительные блоки 5, 6 7 8, 10, 13, интегрирующее звена 9 (счетчик), сумматоры 12, 14 (блоки сравнения) и выходной блок 15 регистрации определяемой величины энергоемкости

процесса разрушения горной породы в функции глубины скважины.

Устройство работает в автоматическом режиме при одновременном появлении сигналов от датчиков осевой нагрузки 2 и

угловой скорости вращения 3, что свидетельствует о начале бурения. На выходе множительного блока 5 реализуется гради ент механической мощности (G СУ), подведенной к долоту В следующем множи

тельном блоке 6 величина механической

скорости проходки масштабируется вводимой оператором значением диаметра О долота Деление выходных сигналов блоков 5 и 6 формирует на выходе операционного делителя 7 сигнал, соответствующий аналитическому выражению для энергоемкости процесса бурения

о -

Зрасч- 777-г U°J

После интегрирования звеном 9 энергоемкости Эрасч по времени бурения ta-ti и деления в блоке 10 на константу M/tj на вход потенцирующего блока-11 подается сигнал динамического состояния вооружения долота на момент времени t2

12

/ Эрасч dt 7 I.

(17)

П

Образующаяся на выходе потенцирующего блока 11 экспонента ехр(/1) после перемножения в блоке 13с сигналом сумматора 12 заполняет один из входов второго сумматора 14, где осуществляется операция сравнения с единичным сигналом, Таким образом

в сумматоре 12 реализуется разность (1- }, а в сумматоре 14 - 1- {1- у) ехр (ц I),

Двухвходовое множительное устройство 8 формирует в итоге значение энергоемкости процесса разрушения горной породы Эп с поправкой на степень износа I вооружения долота и коэффициент полезного действия бурения .

Фиксируемая каротажная энергограмма фазируется с датчиком проходки 1 в функциональном блоке регистрации 15 в виде (цифровом или аналоговом), удобном для дальнейшей обработки на ЭВМ.

Результаты полевых исследований способа определения энергоемкости разрушения горных пород приведены на фиг. 2 в виде каротажной диаграммы, где для сравнения изображены в едином масштабе глубин диаграммы стандартного каротажа и кавернометрии. Каротаж по энергоемкости породоразрушения был выполнен в процессе бурения скважины № 25 Абазовской площади на глубине 3400-350Q трехшаро- шечным долотом Д 269, 9-С-ГНУ № 10343. Использовались две методики определения энергоемкости процесса бурения Эрасч.: по крутящему моменту Мд на долоте Эрасч

2- ц нягпиякй ня йолото Э|

D2V

и нагрузке на долото сЭРасч:

ft f П

- о где П - частота вращения ротора.

Первый вариант включает в себя измерение крутящего момента МХх холостого вращения бурильного инструмента и частоты вращения Пхх без нагрузки на долото. После нагружения долота измеряют текущее значение крутящего момента MG и частоту вращения Пс- Предполагается, что крутящий момент MG инструмента возрастает на величину крутящего момента на долоте ДМд, т.е. справедливо равенство Mg MG - Мхх, Дж,(18)

Мощность Nn, передаваемая горной породе п процессе ее разрушения, прямо зависит от момента Мд и частоты вращения долота По

Nn- Мд 2 п П G, Вт(19)

Контролируя механическую скорость V углубления скважины, вычисляют энергоем- кость процесса разрушения горной породы по формуле

8МпПС

Э„

D2 V

Па

(20)

Достоинством энергокаротажа по крутящему моменту Мд на долоте состоит в том, что не требуется информация о КПД бурения. Существенным недостатком этого способа каротажа является недопустимо большая погрешность в измерении на. поверхности крутящего момента Мд. особенно в глубоких и искривленных скважинах В этом случае осевая нагрузка на долото может сопровождаться изменением знака разности MQ-MXX, что недопустимо Возникают трудности при оценке степени износа вооружения долота. Более точно осуществляется каротаж по нагрузке на долото (второй вариант). Однако при этом возникает необходимость в дополнительных сведениях о конструктивных особенностях породораз- рушающего инструмента. Значительным преимуществом второго варианта определение энергоемкости породоразрушения в

процессе бурения скважины является возможность использования для этой цели данных суточного рапорта бурового мастера, т.е. технологической базы вычислительных центров буровых предприятий. Предложенный в формуле изобретения алгоритм позволяет осуществить исследование ранее пробуренных скважин на основе современных представлений о развитии геологических структур.

Экспериментальныеданные исследований энергоемкости процесса разрушения вскрываемых скважиной горных пород по технологическим параметрам бурения представлены в таблице.

Сравнение полученных данных с геологическими показывает, что при одинаковой энергоемкости процесса бурения пористые, легко разрушаемые горные породы отличаются большим отношением механической

скорости проходки к частоте вращения долота.

Повышение точности определения энергоемкости процесса разрушения горных пород способствует более верной геофизической интерпретации результатов исследований геологического разреза и оценке напряженного состояния (горного давления) вскрываемых структур.

Форм.улаизобретения

Способ определения энергоемкости процесса разрушения горных пород при бурении скважины, включающий регистрацию

глубины проходки, осевой нагрузки на долото, угловой скорости его вращения, механической скорости бурения и расчет энергоемкости процесса разрушения горной породы, отличающийся тем, что,

с целью повышения-точности определения, определяют динамику износа долота, определяют коэффициент полезного действия бурения, а величину энергоемкости процесса разрушения горных пород определяют из выражения

Эп Эрасч 1- (1- /) ехр (ц I), Па,

где Эрасч - расчетная энергоемкость процесса бурения, Па;

г}- КПД бурения;5

П

Н 2 Эрасч| Д ti-динамика износа

лота;

Ati - интервал времени бурения, с.

Способ определения энергоемкости процесса разрушения горных пород при бурении скважины. Использование: разведочное бурение. Сущность изобретения: регистрируют глубину проходки, осевую нагрузку на долото, частоту вращения, механическую скорость, рассчитывают энергоемкость по стволу каротируемой скважины, определяют динамику износа долота, коэффициент полезного действия и судят об энергоемкости процесса разрушения горных пород по формуле Эп Эрасч 1-(1- $ ехр (т} ). Па, где Эрасч - энергоемкость процесса бурения, Па: г - КПД бурения; I - степень износа вооружения долота.

)

Фиг. 1

ПНЮ

Фиг. I