Способ предотвращения аварий бурильного инструмента в процессе бурения скважин

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) А (51) 4 E 21 В 45/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Во ..О}щ щ

13

МВЛК Т 1(,, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3652971/22-03 (22) 16.08.83 (46) 15.11.85. Бюл. ¹ 42 (71) Центральная научно-исследовательская:лаборатория Производственного ордена Трудового Красного Знамени объединения "Оренбургнефть" (72) Г.В.Рогоцкий и В.Ф.Ковалев (53) 622.233.6 (088.8 ) (56) Авторское свидетельство СССР

¹- 563930, кл. E 21 В 45/00,1970.

Авторское свидетельство СССР

- 713978, кл. Е 21 В 23/00, Е 21 В 45/00,1974.

Авторское свидетельство СССР № 876971, кл. Е 21 В 44/00,1980.

Авторское свидетельство СССР № 564407, кл.Е 21 В 23/00,!974.

Авторское свидетельство СССР

¹ 448270, кл. Е 21 В 23/00,1972. (54)(57) СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ

АВАРИЙ БУРИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА В

ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ СКВАЖИН, основанный на регистрации упругих колебаний, возникающих от вибрации бурильной колонны в процессе бурения, преобразовании этих колебаний в электрический сигнал, .отфильтрованный от помех, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью повьппения надежности прогнозирования аварийных ситуаций и предупреждения аварий бурильного инструмента в процессе бурения скважин, определяют преобладающую частоту спектра упругих колебаний, на этой частоте определяют одновременно среднее значение а е дисперсии процесса вибрации за время с начала измерения и текущие значения дисперсии процесса вибрации за равные промежутки времени и по уменьше- С нию текущего значения дисперсии процесса вибрации по сравнению со средним значением дисперсии в 3-5 раз определяют наступление предаварийной ситуации.

1 11915

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, а именно к предотвращению аварий бурильного инструмента в процессе бурения скважин. 5

Цель изобретения — повышение надежности прогнозирования аварийных ситуаций и предупреждение аварий бурильного инструмента в процессе бурения. 10

На фиг.1 представлена блок-схема устройства, поясняющая способ; на фиг.2 — графики спектральной плотности вибрационного процесса по способу. 15

Реализация способа основана.на характерном развитии усталостного разрушения длинных стержней с большим числом степеней свободы, к которым относится бурильная колонна.

Причиной аварий бурового инструмента чаще всего является усталостное разрушение металла в результате совокупности напряжений, действующих в буровой колонне. Концентрация напряжений в определенных местах буровой колонны (изгибах, сечениях максимального скручивания и т.д. ), а также при местных дефектах материала (каверны )приводит к тому, что уровень сконцентрировавшихся и наведенных напряжений превосходит предел прочности материала. Начинается развитие микротрещин, которые постепенно сливаются и развивают-35 ся в более крупные магистрали, что приводит к слому бурильной колонны.

Упругие свойства колонны бурильных труб изменяются. Это приводит к изменению условий распространения 40 упругих колебаний в бурильной колонне, которые образуются при динамическом взаимодействии долота с забоем и всегда сопровождают процесс бурения. В частности, вырастает диссипация энергии колебаний бурильной колонны за счет поглощения, рассеивания других диссипативных процессов, что выражается в снижении интенсивности распространяющихся в ней упру- 5б гих волн, Поскольку колебательные процессы в бурильной колонне описываются как случайные в силу одновременного действия целого ряда вызывающих их факторов (перекатывание шарошек долота, удары долота по выступам забоя и др. ), то энергетической ха65 рактеристикой этих явлений может служить диспе1 сия процесса вибрации.

Таким образом, изменение дисперсии вибраций, развивающихся в колонне бурильных труб, может служить достаточно надежной характеристикой упругих свОйств напряженного состояния и целостности бурового инструмента.

В данном техническом решении с целью предотвращения аварий с бурилвной колонной определяют отношение текущего и среднего значений дисперсии процесса на преобладающей частоте спектра.

Применение этого технического решения основано на том, что реальные физические процессы исследуются в течение конечного времени и интегрирование ведется в пределах от момента начала наблюдений до данного текущего момента. Вследствие этого спектр является функцией не только частоты, но и времени. Следовательно, изменение свойств процесса во времени будет отражаться на значении спектра. Это свойство используется при реализации способа.

Текущее и среднее значения дисперсии определяются длительностью

Тц „ . Среднее значение дисперсии характеризует общий ход процесса, текущее значение дисперсии — частные изменения его характера (например, при нарушении целостности колонны ). Отношение среднего и текущего значений дисперсии позволяет определить начало разрушения бурильной колонны.

Пример .Пусть среднее значение дисперсии определено за время с начала измерений Т„ = 20 м, а текущее значение дисперсии определяется через каждые 15-20 с в ходе долбления.

Для стационарного эргодического процесса эти оценки должны сохраняться постоянными (по определению стационарного процесса), так как случайный волновой процесс при нормальном бурении стационарен по дисперсии. Следовательно, отношение среднего значения дисперсии к текущему будет равно 1 с точностью до ошибки измерений.

При нарушении стационарности процесса, вызванном изменением физики волновых явлений при усталостном

1191565

30 разрушении колонны, текущее значение дисперсий 6 изменится (уменьшится ), а отношение среднего значения дисперсии Й к текущему увелиср чится. Это изменение явится командой для выработки аварийного сигнала.

Устройство, посняющее способ, содержит датчик продольных колебаний 1 (см.фиг.! ), блок полосовых фильтров 1О

2, блок усилителя сигналов 3, анализатор спектра случайных процессов 4, логический блок, включающий долговременное запоминающее устройство (ДЗУ) 5, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ ) 6 и блок сравнения сигналов 7, блок выработки аварийного сигнала с интегрирующей схе1 мой 8, а также блок сигнализации, состоящий .из звукового 9 и светового 10 табло.

Устройство работает следующим образом..

В процессе бурения скважины в результате взаимодействия долота с по- д родой возникают упругие колебания, передающиеся по бурильной колонне от забоя к устью скважины и регистрирующиеся датчиком упругих колебаний 1, например СВ-IO, который крепится в верхней части бурильной колонны под одним из болтов флянца вертлюга з.положении, обеспечивающем вертикальную ориентацию датчика, и который преобразует упругие коле35 бания в электрический сигнал. Электрический сигнал, отфильтрованный от помех промьппленной частоты и от помех, возникающих при работе наземного, оборудования полосовым фильтром 2, поступает на вход усилителя сигналов 3 (например, усилителя сейс. мостанции типа CNOB-24 или любой другой серийной сейсмической станции ).

Усиленный сигнал с выхода усилителя поступает на вход блока анализатора.спектра случайных процессов (например, АСХЧ-2 ), в котором измеряется и осредняется дисперсия процесса вибрации бурильной колонны на преобладающей частоте спектра.

Выход анализатора спектра связан с двумя входами логического блока. .55

Логический блок включает блок ДЗУ 5, блок ОЗУ 6 и блок сравнения сигналов 7.

На один из входов логического блока, а именно ДЗУ 5, с блока анализатора спектра случайнйх процессов 4 поступает осредненное значение дисперсии процесса вибрации бурильной колонны на преобладающей частоте спектра и запоминается. На второй вход, связанный с ОЗУ 6, поступает текущее значение дисперсии процесса вибрации бурильной колонны на преобладающей частоте спектра сигнала.

В процессе работы бурового инструмента непрерывно в блоке сравнения

7 происходит сравнение дисперсии процесса вибрации бурильной колонны на преобладающей частоте спектра, зафиксированной в блоке ДЗУ, и текущее значение дисперсии процесса вибрации бурильной колонны на преобладающей частоте спектра, зафиксированной в блоке ОЗУ. Как только значение дисперсии процесса вибрации бурильной колонны на преобладающей частоте спектра текущего сигнала достигнет уровня в 3-5 раз меньше уровня дисперсии сигнала, хранящегося в блоке памяти ДЗУ, вырабатывается сигнал рассогласования, по которому срабатывает система блока выработки аварийного сигнала 8, которая звуковым

9 и световым 10 сигналом предупреждает обслуживающий персонал буровой о возникшей аварийной ситуации.

С целью предотвращения появлений сигналов ложной тревоги, которые могут возникнуть при кратковременных случайных изменениях дисперсии преобладающих частот (например, за счет, флуктуаций, случайных выбросов и т.д.), блок выработки аварийного сигнала снабжен схемой интегрирования, осредняющей текущее значение дисперсии частот в заданном временном интервале длительностью 10 — 12 с.

Цифрами 11,12,14,15,17,19,20 (см.фиг.2 ) обозначены графики спектральной плотности сигнала на различных частотах, полученные при работе с нормальным ненарушенным инструментом. Цифрами 13,16,18 обозначены графики спектральной плотности сигнала, полученные за 4 ч до аварий (13 ), за 15 мин до аварии (16), за 10 мин до аварии (18 ), т.е. уже от работы аварийным инструментом. Характер аварий во всех трех случаях одинаков, а именно.13 лопнул корпус бурильной трубы, 1191565 0ЛЗИОЮ

m2OS04050 вгадали

/0ЯЮФ0 50

Составитель Ю. Гавинский

Редактор О.Колесникова Техред Л.Мартяшова Корректор Л.Пилипенко

Заказ 7130/29 Тираж 539

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35» раушская наб., д.4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðoä» ул. Проектная, 4

16 — обрыв инструмента, 18 — поломка УБТ в муфте.

,Цифрой 21:обозначен график спектральной плотности сигнала, полученный за 3,5 мин до аварии (лопнул корпус верхней секции турбобура ).

На представленных графиках отмечается изменение дисперсии на преобладающей частоте спектра вибрационного процесса, предшествующее слому бурильного инструмента.

Таким образом, преимуществом предлагаемого способа по сравнению с известными является повышение надежности предупреждения аварийных ситуаций и своевременное их устранение, что позволит сократить число ава10 рий бурильного инструмента и улучшит технико-экономические показатели буровых работ.