Система контроля процесса бурения нефтяных и газовых скважин Советский патент 1979 года по МПК E21B45/00 

(54) СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН Ж I ;ii -v s 6 0 (i i)3, tJ 1 I I , табло, первый и второйвходы которого соединены соответственнб с ыходоя анализатора баланса гидравлическйх даЁлений в скваЖИне и выходом анализатора скорости „„ч,„„„ „. „„л„ „„ „г„„„„-„ „„VrA спуска инструмента, вхбд которого подключен через блок контроля максимальной скорости спуска и подъема инструмента с выходом датчика длинь хода инструмента при спуско гГ10дъемных операциях, первь1Й, второй , Т1)ётйй и четвертый входы устройства контроля износа промежуточной колонны соединены соответственно с БЙбдами датчика числа оборотов ротора, датчика веса инструмента, датчика длины хода инструмента при спуско-подъемных операдщх, датчика .глубины скважины, а первый, ;второй, третий входы анализатора баланса,тидравлических давлений..в скважине соединены соответственно с выходами устройства для определения пластового давления, устройства для определения гидростатического давления, устройства для определенйя гйД|й)ДЙнамиЧескб16давления,. при этом даёрвыйвхбд устройствадл olipe- деления гиДрЪДйВЙмй еёкогодавлёнигя сое-. динен с вьтХбДОУ- д&тчи анесаMttpykeHTa, . второй вХОД-- ;йBbikoji oM ДатчиЕа длййьп хода инструмента , при ,спуск 0;по дъе 1нь1х операциях, а третий ход-с вь ход о1уГ блока контроля максимальной йкорос тй спуе-ка инструмента, при этом первый вход З строиства для определения гидростатического давления соединен с выходом датчика плотности раствдра., вторай;и,ретий.-тг с выходом датчика расхода, четвертьтй пятый-с выходом датчика глуойньГсква- жины., Устройство для определения пластового давл йИЯ вьтполнеНО ;в виде д;атЧика пла-, стОвого дабл ения, установки для определения пластового, давления, блока контроля соотношения пластовьтх давлении и блока КбйТ-рОДя И ёгрстрацттистинного пластобоГОдавления, первый и второй входы которого, соединенн соответственно с вь1ходом датчика пластового давления и. выходом блокаконтролясоотношения пластовых давлений, первый вход которого подключен, к выходу датчика пластовых давлений, а второй -г- к выходу установки Для определенияпластового давления.ои .;;.:,,., N iOvHiv|v(iv,KOu ii.:Ui,-icj V ijij ist. ivlii::;, Устройство: ДЯЯ определения гидростатического давления выполнено в виде блока квантования, блока интегрирования пачек раствора, блока вычисления времени, блога ьтчйслшия тидростатичесХих давлений. пачек раствора и блока контроля суммарного гидростатического давления, вход которого подключен к выходам .блока вычисления времени через блок вычисления гидростатических давлений пачек раствора, а первый И второй вьтходы блока квантованияподключены соответственно к первому входу блока вычисления времени не посред2XH OT3enU- uiOi -- ственно, а к третьему- | ез бя6ййнтегрирования пачек раствора, ямно:;,-;:-, Устройство для определения гидродина мидеского давления выполнено,,в виде блока контр6 ля изменения ве: аиЙЬтру1«ента, блока измерения длины Спуш;ённо;го инструмента, датчика , эффейтивнрй. ййЖ&Гстн раствора, блока вьтчиЬленйя йдрЬдинамического давления в процессеёурёния, бло ка вы числен11я гйдрбдинаМич скрго давления при спуско-подъемных .4 перациях и cxfeivibr сбШййёнйя, первый которой соединен с выходом бл ок контродя изменения веса инструмента через блок ЁёЙй81йения гидродинамического давлёййя при бурении, а второй вход схемь совпадения через блок вычисления гидродинамического давления при спуско-подъемЙЙХЪпёрациях с6ёдйнен с выходом блока измерения длины спущенного инструмента, и выходом датчика эффективной вязкости раствора, мсотаЛ ,) ..- На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемой системй конт{)оля процесса бурения нефтяных и .Разовых скважин; на фиг. 2 - ,блок-схема устройства для опре:дёления пластового давления; на фиг. 3 - блрк- с х ем а ycTpp.H.cjiBa для определения гид р 6ста йчес1тог д1 4 блок;-схема устройства для определения гидродинамического давления. „,.,,, Система контроля процесса бурения нефтяных и газовых скважин (см. фиг. 1) ,включ.ает датчики 1.6 параметров бурения: плотн,ости раствора на входе в скважину Г,paVx6Дa pacтвopa на входе в скважину 2, глубины скважины 3, веса бурового инструмента 4, длины хода инструмента при спуско-подъемных,операциях (СПО) 5, числа оборотов ротора 6, устройство,7 для определения пластового давления, устрой.-, ство 8 для определения гидростатического, давления, устройство 9 для,, определения гидродинамического:i.. давления, блок,,..Ш контрол,я ,максима,льной CKOpo,cra спуска и подъема и,н.ст румента, устройство ,1,1,ко,н.т.,роля износа промежуточной кодонньС.ан.а,-, лизатор 12 баланса; гидравлически,х дав.ле-. НИИ в скважине, .анализатор. 13 ,скорости спуска инструмента, и блок,,.14 ,ов.их, ТабдО. ,,.. .;ьСг,0 Л;п;.1.,о1 К . Устройство ДЛЯ определ;ен.ия,.пл.ас.товог;о. давления (см. фиг. 2) вклю,ч,ает датчик, iS пластового давления, установку „,1 (5: Для .определения пластового давления, .блок. I/ контроля соотношения пласто,вь1хда,влевдй и блок 18 контроля ;и ре.гистрациц.и.стин:. ,ного пластового давлениями -м М:«н1ч)и-;1:)ОА Устройство для определения..гидрост.ат.Чг ческого давления, .(см. фиг. ,3) вкл.юча,е.т блоки 19-23: квантовани,я19, ,ин,тегриро-. вания пачек, раствора ,20, ,вь1Ч„исления времени 21, вычисления ,гидроста.Тическйх давлений пачек раствора ,22 ,и.,,ко,нтрол,я. суммарного гидростатического давления 23,.;;.. УстрЬйство для определенйгя-гидродинамического давления (см. фиг. 4) включает блок 24 контроля измеиения веса инструмента, блок 25 измерения длины спущенногоинструмента, датчик 26 эффективной вязкости раствора, блок 27 вычисления гидродинамического давления впроцессе бурения, блок 28 вычисления гидродинамического даЗдения при СПО и схему совиаДеНИЯ 29..- : :- Ш .-:/ ,, Основным назначением системы является детальный технический анализ процесса бурения, своевременное выявление ситуаций, способных привести к осложнениям, и предупреждение их. Такому анализу прежде всего подвергается величина и тенденция изменения пластового давления, величина гидростатического давления, создаваемого в скважине столбом раствора, величины гидродинамических давлений, возникающих в скважине в процессе, промывки при бурении к Е процессе спуско-подъемных Онераций, баланс гидравлических Давлений вСкважине и динамика изнОса промежуточной обсадной колонны. Нарушение перечисленных параметров влечет за собой возникновение основной массы осложнений. Система работает следующим образом. Устройство для определенйя пластовых давленийв:системе является одним из основных. В устройстве применены два способа измерения пластового давления-наземной зстановкой 16 по анализу деформативности; керна и глубинным датчиком 15, например на принципе испытателя пластов, замером пластовых давлений через определенную величину проходки в пределах от 0,5 до 5 м. Функцию измененияпластового давления от глубины, полученную по замерам глубинным датчиком п.ластового давления, уточняют введением поправочного коэффициента, равного отношению пластового давления, замеренного по поднятому керну РПЛ к пластовому давлению Р , замеренному на этой же отметке глубинным датчиком. Операцию деления этих величин выполняет блок 17 контроля соотношения пластовых давлений. Полученный коэффициент учитывает неточности глубинного измерения, вызванные как особенностями нрибора, так и особенностями условий бзфения на данной глубине. В связи с этим полученный коэффициент действует в системе до получения следующей возможности извлечения керна и вводится в блок 18, куда подают также информацию о результатах измерения глубинным датчиком. Таким образом, в блоке 18 производят умножение дискретно получаемых результатов измерения на постоянный для данного отрезка времени коэффициент и полученный результат регистрируется как истинное пластовое давление для дальнейшего использования и ввода в анализатор 12. Гидростатическое давление в кольцевом пространстве скважины в наетрящее время определяют как давление столба жидкостии рассчитывают по заданному значению плотности и глубине. Однако плотность раствора в течение времени, меняется. в,значительных пределах и в действитель.ности в скважине движутся отдельные п.ачки, раствора разной . платности. В связи , сэтим точный анализ .баланса гйдравличёбких давлений в скважинах, особенно глубоких, требует более точно.го определения величины гидростатического давления в кольцевом пространстве. В системе эту задачу решают датчйками плотйоЬти раствор й ka входе в 1, расхода раствора на входей скважй у 2, глубины скважины 3 И устройством 8 для опреДеленйягиДростатичёскЬ бдавлеНйя; ....;- .:-.;. БлОк 19 осу1Г :есТвляёт сглаЖивание и квантЬваНИе йёпр6рывЙой функции pi(f), получаёгюй от Датчика 1, установленного в приемной емкости буровых насосов. Одновременно от датчика 2 в блок 20 поступа.ет текущее значение расхода раствора, закачиваемого в скважину. В блоке 20 производится интегрирование расхода и запоминание обохей его величины- T/,(Orf V, - до тех пор, пока из блока 19 не поступит сигнал об изменении плотности раствора па величину щага квантования. По, этому сигналу информация о на-копленном объеме и о соответствующей этому объему плотности раствора -поступает в блок 21, выполняющий роль линии задерлски информации на рассчитываемый этим же блоком интервал времени уH-Ff Q ,,.,., Величина Я поступает в блок как сигнал от датчика 3 глубины скважины; величи.на Q - как сигнал от датчика 2 расхода раствора; а величина FTP--как известная ве-.. личина, равная площади поперечного ce feния отверстия в бурильных трубах. Таким образом, время t является временем, в течение -которого данная пачка раствора движется по трубам до забоя сквяж ины и еще не оказывает влияния на величину гидростатического давления в кольцевом пространстве. Через время t информация Уг и и р,; поступает в блок 22, предназначенный ля определения величины гидростатического давления, coздaвae }oгo в кольцевом пространстве пачкой раст.вора с объемом Vi и плотностью pi. Вычисление произвоится по формуле Ут IOF« где Р - гидростатическое давление, создаваемое пачкой раствора; FK-площадь поперечного сечения кольцевого пространства скважины. Блок 23 осуществляет суммирование значений Р по всей высоте столба жидкости и определяет тем самым полное гидростатическое давление, действующее в кольцевом пространстве скважины, т. е. . .-(2) При поступлении в кольцевое пространство новой пачки раствора с новым значением плотности давление, создаваемое ею, нрибавляется, а давление, которое создавалось верхней пачкой раствора, выходящего в этот момент из скважины, вычитается из общей суммы. Таким образом, на выходе блока 23 формируется непрерывная функция Pr(t. Одной из важных составляющих баланса гидравлических давлений в бурящейся скважине является величина гидродинамического давления, возникающего в скважине в процессе бурения и в процессе спускоподъемных операций. Величина гидродинамического давления при бурении определяется по формуле 4ДО(3 где ЛРк - гидродинамическое давление (или при потере напора в кольцевом пространстве скважины); AG - уменьшение веса инструмента нод действием восходящего потока раствора; D - диаметр ствола скважины; d - диаметр инструмента (труб). Эта зависимость проверена многочисленными экспериментами и показала высокую сходимость результатов. В соответствии с ее реализацией устройство 9 для определения гидродинамического давления работает следующим образом. После полного спуска инструмента включают блок 24 контроля изменения веса инструмента при промывке, в который в этот момент поступает информация о весе свободно подвешенного инструмента от датчика 4 и запоминается. Вслед за этим включают в работу буровые насосы, и вес колонны под воздействием потока раствора уменьшается. В блоке 24 производят вычитание величины второго сигнала из величины -сигнала, хранящегося в памяти. Разностный :СИгнал, выражающий уменьшение веса инструмента AG под действием потока раствора, подают в счетно-решающий блок 27, который производит вычитание величины гидродинамического давления по формуле (3). На выходе блока 27 формируется сигнал о величине давления ДРк и через схему совпадения 29 подается в анализатор 12. Гидродинамическое давление, возникающее в скважине при спуске инструмента, также определяется системой на поверхности, а в основу определения положена известная зависимость этого давления от размеров инструмента, скорости его движения, размеров скважины и величины эффективной вязкости раствора др QQ сп 1эф д/-,, где t/cn - скорость спуска инструмента; L - длина инструмента; ЛэФ - эффективная вязкость раствора; D - диаметр скважины; d - диаметр инструмента. Вычисление величины КРк производится в блоке 28, куда величина f/cn подается от блока 10 контроля скорости спуска илструмента, величина L поступает от блока 25 измерения длины инструмента, а величина 11эф поступает от датчика 26 эффективной вязкости раствора. Сигнал о величине АРк - гидродинамическом давлении при спуско-подъемных операциях - из блока 28 через схему совпадения 29 поступает в анализатор 12. Таким образом, в анализатор 12 непрерывно поступает информация о всех трех составляющих баланса гидравлических давлений в скважине - о пластовом давлении в виде непрерывной стуненчатой функции от устройства 7, о гидростатическом давлении в виде непрерывной ступенчатой (квантованной) функции от устройства 8, о гидродинамическом давлении при бурении скважины или при сиускоподъемных операциях от устройства 9. Анализатор баланса гидравлических давлений в скважине осуществляет циклический, с регулируемым шагом цикла от 1 до 5 мин, контроль алгебраической суммы всех трех составляющих баланса и сравнение полученного результата с заданными величинами. В зависимости от удонлетворения проверяемых неравенств выход анализатора подключается к блоку 14 световых табло, причем при удовлет:эргнии неравенства, + АР,-Я„,(5) выход анализатора подключается к световому табло «Бурение на равновесии, при удовлетворении неравенства 35 Я, -f ЛР, - Р„ выход анализатора нодключастся к световому табло «Бурение с превышением давления, при удовлетворении неравенства P,-f АР,-Рп,35(7) выход анализатора подключается к световым табло «Превышение давления выше

нормы и «Снизить плотность раствора, при удовлетворении неравенства

Р, + ДР,АР,р.Я(8)

выход анализатора подключается к световому табло «Возможен гидроразрыв и к световому табло «Снизить скорость сн ска при спуско-подъемных операциях или к табло «Снизить расход, снизить плотность при бурении; нри удовлетворении неравенства

Р, + ДЯ«-РПЛ О(9)

выход анализатора подключается к световому табло «Возможно проявление и световому табло «Повысить расход, повысить плотность при бурении, или к табло «Ускорить спуск, промывать с повышением плотности и к табло «Прекратить подъем, спустить инструмент, промывать с повышением плотности при снуско-подъемных операциях, причем эти указания на табло касаются момента спуска инструмента или его подъема соответственно.

Одним из важных моментов в предотвращенни осложнений при бурении глубоких скважин является выбор правильного режима восстановления циркуляции в процессе спуска инструмента. Перед подъемом инструмента после износа долота раствор в скважине несколько утяжеляют для компенсации величины гидродинамического давления, которое не будет действовать на пласты во время смены долота и для компенсации отрицательных гидродинамических давлений, вызванных подъемом инструмента (эффект поршне-вания). Неподвижный раствор в скважине набирает структуру и при спуске инструмента развиваются повышенные гидродинамические давления, определяемые устройством 9 и постоянно учитываемые анализатором 12. Поэтому с увеличением длины спущенного в скважину инструмента скорость его спуска непрерывно снижается при условии недопущения осложнений. Практика показывает, что уменьшение скорости спуска еще не главный недостаток, вытекающий из этого положения. Значительно затрудняется также последующее восстановление циркуляции, так как необходимы высокие давления для того, чтобы сдвинуть столб раствора. Предлагаемая система предупреждает возможность возникновения такой ситуации путем анализа величины допустимой скорости спуска. Анализатор 13 скорости спуска инструмента получает непрерывную информацию о ее текущей величине и производит сравнение с заданной минимальной величиной скорости f/эк. мин.

Многочисленные эксперименты ноказывают, что величина USK. мин является ограничением не только из экономических соображений, из-за нерационально больших затрат времени на спуск инструмента, но и

позволяет определить наиболее выгодный момент, когда необходимо произвести промежуточную промывку со снижением плотности раствора. В соответствии с этим при достижении момента, когда

-сп -эк.мин )

выход блока 13 .подключается к сигнальному табло «Прекратить спуск, промыть со снижением плотности.

Одним из трудноликвидирз емых осложнений при бурении глубоких скважин является смятие промежуточной обсадной колонны в результате недопустимо большого ее износа за счет истирания движущимся в ней инстоументом.

Предлагаемая система решает задачу автоматического контроля динамики износа обсадной колонны, анализ величины износа и выдачу предупреждающего сигнала, когда износ достигает предельной допустимой величины. Учет величины износа производится по сигналам датчиков числа оборотов ротора, веса инструмента, длины хода инструмента при СПО и глубины скважины.

Формула изОбретения

1. Система контроля процесса бурения нефтяных и газовых скважин, включающая датчики параметров бурения (веса бурового инструмента, длины хода инструмента при спуско-подъемных операциях, числа оборотов ротора, расхода раствора на входе в скважину) и блок контроля максимальной скорости спуска и подъема инструмента, отличающаяся тем, что, с целью предотвращения возможности осложнений в процессе бурения за счет увеличения достоверности и точности преобразования информации, система снабжена датчиком плотности раствора на входе в скважину, датчиком глубины скважины, устройством для определения пластового давления, устройством для определения гидростатического давления, устройством для определения гидродинамического давления, анализатором баланса гидравлических давлений в скважине, анализатором скорости спуска инструмента, устройством контроля износа промежуточной колонны и блоком световых табло, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом анализатора баланса гидравлических давлений в скважине и выходом анализатора скорости спуска инструмента, вход которого подключен через блок контроля максимальной скорости спуска и подъема инструмента с выходом датчика длины хода инструмента при спуско-подъемных операциях, при этом первый, второй, третий и четвертый входы устройства контроля износа промежуточной колонны соединены соответственно с выходами датчика числа

И

оборбтЬй р6Тора, датчика веса инструмента, да(Иикй: длийЫ хбДй йнструмента при спуско-подъемных операциях, датчика глубины tKEaSffi.i-fbi; а первый, второй, третий входы анализатора баланса гидравлических давлений в скважине .соединены соответственно с выходами устройствадл 1 определения пЛастойбРб давления, устройствадляопреЯ лёйЙя }йдр6с;Гатичёского Давления, устройства для определения гидродинамическ6 бдавлб«ия,п|)йэт6м перъъщ вход устр6ист1в а ,для Ьпредёйенйя гид; одинамическЬгб даййёния соединён с выходом датчиЙ ёёсаИнструйёнг&/ вт6рой вход-с выibj ditAaHritta дЛинь1 ;: 6да инструмента при спуско-подъемных операциях, а третий вхЬд--свь{)од6м -бМка контроля макси1Йй льн6й йкЬ|зос й cftycka йнс руйёнфа, при тбй перёыйвхЪД устройствйдля 6преде4ёййяVидj5pfc:tdtйчёckoгo давлёййя соединен d e6ttoXoM д йчийа йлотнбЙй раствбра, и трётйй - свых6Дом дйтчйкарасхЬйа; четвертый и питый-с в1ь1хо,11:омдатЧЙЙЙ ГЙубИНысКВЙШ ,: .

2. Систёма по п/1, о г л k ч а ю щ а я с я тем, что устройство для определения пластового давления выполнено в виде датчика пластового давления; ycraHofikH для определения пластового давления, блока KdHTfiotfk собтйбШёния плас овйз{дйвлений и блока к6йтроля йр егйстрации истйнйого пйаЬ сйЪгоДавЛён1Гя,первый и второй вхоДы МтЙрЬгЬ сйе;д-йнены собтвётсгёёйнЬ с выхбДомДаФЧйка плайтОвЬго давления и вйхЪдом бл6ка йЬйт13Ьля соЬтЙ6шёййя плаcTbBbtJif давлений, первый бхбД которого пбдййючёй к йыХойу датчики йластбвых давЛёйий; автйрбй - К Выхбду устанбвки дЛ;Я6ЯрёДелёнйй пластЬй01 б давления.

3.- Систем й й6 , бтлйчающаяся ,ч16устройствб для бйреДёлейия гидрбйтйти ёбкб Ь Давлёния выйЬлнёйЬв виде блбка КвантбйайИя, блока йнтёгрйрбванйя пйЧтёК pacfBopa, блоКа вычисленй;я времени, блбйа вЁтчйсЛёнйягидрбстатичёскйх давле,;i-.in -,-;;;:,; , г, ; :/,

12

НИИ пачек раствора и блокакойтроля(;Уммарного гидростатического давления, вход которого подключен к выходам блока вычисления времени через блок вычисления гидростатических давлений пачек раствора, а первый и второй выходы блока квантования поДк;йК)чейы сботвёт Стйёйно к йервому вхбду блбкавычисления врейёнй непбсредствепйб К третьему- чёрёз блок ййтёгрйрованйяйачёКрастворив -. 4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что устройство для определения гидродинамического давления выполнено в виде блоКЬ к6нтроляйдмейения весаинструмента, блоКа измерениядлины спущёйного инструмента, датчика эффективной вязкости раствора, блока вычислеййя гидродинамического Давления в процессе бзфения, блбка вычисления гидродинамического давленйя при спуско-подъемных операциях и схемы сбвпадения, первый вход которой соединен с; выходом блбка койтррля измейёния вёсаинструмента через блок вычисления гидродинамического давлейия при

бурении, а второй вход схёмы совпадения через бл()квь1чисЛейия гидроДийамическогр давления й :)й сйускЪ-пбдъёмных бперациях сбёДиненс выхрдбм блрка измерения длины спущёнйого; ийструмёнта и выходом

Датчика эффёктивной вяз.Костй раствора.

Йсточййки информации, ; принятыево вййманиё приэкспертизе

1.Куликовский Л. Ф., Ушмаёв В. И. Информационйо-измё;рителЬ)НЫе системы для

управленияйроцессбм бурения. М., «Недра, 1972,;с; / ; . ,.,

2.Автбрское свидетельство № 248591, кл. Е 21В 45/00,19б7:

3.ПатентСША № 3541852,кл. 73-151, опублик.1970. ; ,:, ...

4.Портер Л. Г, Басович В. С Приборы наземногр кбнтрблй процесса бурения.- Сёрия «Технйка итехнология гёолого-разведочных работ, брганизация производства, М., ВИЭМС, 1971, с ,107. ,.

г; f :;;. V - ;.::.:(.:;;.- . - -... - ij- . У :/;;. М .... : : . . ..- ;,-.. i:; ;. ;:-.:М /.-. -/ :- : : О I г ) jj i.. f. ,:.: ::if - I . / J : -.-

.:f i;. ..: .-:: . .

- ,, i; :;. ..;- :- .:,:,/:: :. . -....-: : .- , : ..

1 f.-,/ .;-., ,I- ,.-.,;:./(,.,.

-;.-l-:;-.f /IX-ii ;/;-,;; ,:: - : ii liK :-jV ,ir, .;:;,;;:,:: .

-. } f,.«.; : :- - /

hiV M ЯИО . :: i4 I ,. . i,r.n;i -.V.KV .}. ,.ti,f .Г-. ; i,Hl.

ii:;rt/iH;tvN; Л aMTiiSSijO) iii.o/iriiaiiic;:.::;/; .A yqxorii ;OHi:j;oX .{ cOi))4

i;..i|)