Способ определения энергоемкости процесса разрушения горных пород при бурении скважины

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИ Ч Е С К ИХ

РЕСПУБЛИК (sl)s Е 21 С 39/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОбРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4803111/03 (22) 16.03,90 (46) 23.06. 92. Бюл. N 23 (75) А.АЛ олев (53) 622.245(088.8) (56) Лукьянов Э.Е. Исследования скважин в процессе бурения. M,: Недра, 1979. с; 139, 159.

Спивак А.И.,:Попов А,Н..Механика горных пород. М.: Недра. 1975. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИНЫ (57) Способ определения энергоемкости процесса разрушения горных пород при буИзобретение 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 0 (11. Энергоемкость Эрасч. при этом рассчитывают по следующей формуле:

4N

Эрасч. =., Па . (1)

rc02 v

Однако определяемая таким образом энергоемкость Эрасч. процесса бурения представляет собой сумму энергоемкостей процессов породорразрушения и износа до Ж „, 1742477 А1 рении скважины. Использование: разведочное бурение. Сущность изобретения: регистрируют глубину проходки, осевую нагрузку на долото, частоту вращения, механическую скорость, рассчитывают энергоемкость Ilo стволу каротируемой скважины. определяют динамику износа долота, коэффициент полезного действия и судят об энергоемкости процесса разрушения горных пород по формуле

Эп= Эрасч. (1- (1 — r) exp (r I), Па, где Эрасч. — энергоемкость процесса бурения, Па: у- КПД бурения; — степень износа вооружения долота. лота, весовые доли которых варьируют в зависимости от литологии геологического разреза и режиула бурения, что снижает 2 точность каротажа скважины.

При турбинном бурении энергоемкость процесса разрушения горной породы оценивается по гидродинамическому перепаду р давления Л Р, возникайщему в бурильной + колонне после нагружения забойного турбобура(2). - Фь

Эя- ЛР КТ, Па, . (2) 3 где К вЂ” коэффициент, учитывающий гидравлическую характеристику турбсбура и режим промывки;

Т вЂ” буримость горной породы.

К недостаткам указанного способа следует отнести низкую точность измерения разности давлений ЬР, особенно в глубоких скважинах, и нестабичьность коэффициента

К при. изменении режима промывки. Для вычисления коэффициента К необходима информация о плотности и расходе промы1742477 вочной жидкости, а значит, возникают до полнительные источники погрешностей.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ, при котором в процессе каротажа бурящейся 5 скважины измеряют нагрузку 6 на долото, частоту в его вращения и механическую скорость V углубления скважины, а энергоемкость Эрасч. оценивают по формуле

4GN,: .- 10

Эр 3,,0,,/, Па! (3)

Существенный недостаток указанного способа заключается в зависимости определяемой величины энергоемкости процес-. са Эп породоразрушения от состояния 15 вооружения долота. Известно, что по мере износа вооружения долоте механическая скорость падает, а следовательно, происходит неконтролируемое завышение определяемой величины энергоемкости, не 20 связанное со свойствами горной породы.

Ошибки каротируемой функции (энергоемкости) в течение одного рейса бурильного инструмента могут достигать ста и более прОцентов. 25

Цель изобретения состоит в повышении точности каротажа путем исключения зависимости определяемой величины энергоемкости процесса разрушения горной породы от состояния вооружения долота. 30

Достигается это способом определения энергоемкости процесса разрушения горной породы при бурении скважины, заключающимся в регистрации глубины проходки, осевой нагрузки на долото, угло- 35 вой скорости его вращения, механической скорости бурения и расчете энергоемкости процесса разрушения горной породы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности каротажа, определяют динамику 40 износа вооружения долота, определяют коэффициент полезного действия бурения, а величину энергоемкости и роцесса разрушения горной породы определяют из выражения 45

Эп=Эрасч. (1 .— (1- 7j) exp (y !)). Па, (4)

46в где 3pacu.= расчетная внергоемЗажОЧ кость процесса бурения, Па; д — коэффициент полезного действия; 50

fl ! =, ). Эрасч! Ьт!/М вЂ” динамика износа

1=! долота;

h tr — интервал времени бурения одно- 55 родного 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 N. 25 Абазовской площади по энергоемкости процесса разрушения горных пород в сравнении с данными стандартного каротажа приведены на фиг. 2.

В данном способе использован тот факт, что вытекающая из закона сохранения энергии полная подведенная к долоту механическая возможность N тратится на разрушение горной породы йп и на износ долота

Nl

N = Nn + йь Вт, (5)

Так как не вся мощность может быть использована на процесс породоразрушения, вводится понятие коэффициента полезного действия бурения, который.по мере износа вооружения изменяет свое значение от единицы до нуля. Это положение формализуется следующим образом

Nn= N f (1-I), BT, (6)

Скорость износа вооружения dl/dt зависит от энергоресурса М долота и впределяется потерями части механической мощности Nl на нагрев и различного рода деформации, зависящие от скорости V перемещения долота в горной породе, Nl= M — V, Вт, (7)

dl xD

dt 4 где тт)9 4 — интенсивность породораарушения, м /с, Энергоресурс М физически обуславливает собой динамическую вязкость (B fla.ñ) материала режущих элементов долота. Износ этих элементов прямо зависит от вязкостного трения. С целью приведения энергоресурсов различных типоразмеров долот к единому порядку величины в соотношении (7) введена площадь поперечного сечения забоя скважины л 0 /4.

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

Э,=, Па. (8)

4Кп л02V

После несложных преобразований системы четырех представленных уравнений (5)-(8) разрешаем их относительно скорости с!!/Ф и выражаем динамику износа через параметры физико-математической модели работы долота на-забое скважины.

dl 4N — т г - г) ч 9 l), с Г9)

По определению расчетная величина энергоемкости Эрасч. процесса бурения оценива1742477 ется по динамическим показателям технологического режима

Эрасч.=- ., Па (10)

4N ,т, После подстановки в уравнение (9) выражения (10) и разделения переменных I, t проинтегрируем полученный результат б! 1

1 + — М f3ð « о" 7+7! 1 о (11) 10

Интегрирование выражения (11) при задан-. ных начальных условиях (I=O, t=-О) и соответствующее математическое преобразование дают решение для степени износа долота в нижеследующем виде

1 — q !

= — (ехр (— j Э рас dt)) (12) . 7 "/! о

Для энергоемкости Эп процесса разрушения горной породы справедливо соотношение с

Эп= Эрасч.(1 — (1 t7) eXP (<,! Эрасч. dt)) (13). о

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

l= — f Эрасч «. (14)

30 ! /! о

Это позволяет трансформировать соотношение (13) в соотношение (4). B случае дискретности контроля динамики износа по интервалам времени /ъ бурения однород- 35 .ных пропластков вместо интегрирования (14) используется более простая операция— суммирование. ! = Эрюч Л ti/М. (151 40

1=1

Предполагается, что потенциальный энергоресурс (M 10. Па с) долота известен для каждого типа породоразрушающего инструмента. По мере разбуривания отдель- 45 ных пластов горных пород производят накоплейие в счетчике произведения

Эраст! A ti и полученную сумму вводят в качестве корректирующей функции в расчет (4) с одновременной привязкой полученного 50 результата к глубине скважины.

Сущность предлагаемого способа определения энергоемкости процесса разрушения горных пород заключается в измерении технологических параметров режима буре- 55 ния: нагрузки на долото G, угловой скорости шбурильного инструмента, глубины проход.ки Лh и времени A t бурения литологически однородного интервала Л h. Для каждого интервала бурения вычисляют механическую скорость проходки V--Л h/A t, затем вдоль исследуемого ствола скважины рассчитывают энергоемкость. Эрасч, процесса бурения и оценивают степень износа вооП ружения долота (!= >, Эраст! . At)), которая

1=! зависит от предыстории его работы на забое времени и энергоемкости бурения), Учитывая коэффициент полезного действия y, 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 датчики: 1 проходки, 2 осевой нагрузки. 3 угловой скорости вращения, 4 механической скорости; о пера цион н ые множител ьно-делитель ные блоки 5, б, 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 фун- кции 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 градиент механической мощности (G в), подведенной к долоту, В следующем множительном блоке б величина механической скорости проходки. масштабируется вводимой оператором значением диаметра О долота. Деление выходных сигналов блоков 5 и б формирует на выходе операционного делителя 7 сигнал, соответствующий аналитическому выражению для энергоемкости процесса бурения .

GN

Э расч.= . (1 6)

После интегрирования звеном 9 энергоемкости Эрас . по времени бурения t2 l1и деления в блоке 10 на койстанту M/у на вход потенцирующего блока. 11 подается сигнал динамического состояния вооруже-. ния долота на момент времени тг гг

- - j Эрасч dt= y I.- (17)

M t1

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

1742477 в сумматоре 12 реализуется разность (1- y), а в сумматоре 14 — (1- (1- g) ехр (у I), Двухвходовое множительное устройство 8 формирует в итоге значение энергоемкости процесса разрушения горной породы

3> с поправкой на степень износа I вооружения долота и коэффициент полезного действия бурения ц.

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 иследований 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 N 25 Абазовской площади на глубине 3400-3500 трехшарошечным долотом Д 269, 9- С-ГНУ N. 10343, Использовались две методики определения энергоемкости процесса. бурения Эрасч.. по крутящему моменту Mg на долоте Эраcu.=

8M,П и нагрузке на долото Эрасч.=

Г> 2

86П

3 () > где П вЂ” частота вращения ротора.

Первый вариант включает в себя измерение крутящего момента Мхх холостого вращения бурильного инструмента и часто-. ты вращения Пхх без нагрузки на долото.

После нагружения долота измеряют текущее значение крутящего момента Мг; и частоту вращения Па. Предполагается, что крутящий момент MG инструмента возрастает на величину крутящего момента на долоте AMg, т,е. справедливо равенство

Mg= MG — Мхх, Дж, (18)

Мощность Nn, передаваемая горной породе в процессе ее разрушения, прямо зависит

ol момента М и частоты вращения долота

Пг;

Nn=Mg2K П G, Вт (19)

Контролируя механическую скорость V " углубления скважины, вычисляют энергоемкость процесса разрушения горной породы по формуле

3. — — —, na.

О 2 У

Достоинством энергокаротажа по крутящему моменту Mg на долоте состоит в том, что не требуетдя информация о КПД бурения, Существенным недостатком этого способа каротажа является недопустимо большая погрешность в измерении íà поФормула изобретения

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

50 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, опре55 деляют коэффициент полезного действия бурения, а величину энергоемкости процесса разрушения горных пород определяют из выражения верхности крутящего момента Mg особенно в глубоких и искривленных скважинах. В этом случае осевая нагрузка на долота может сопровождаться изменением знака раз5 ности Ма — M», что недопустимо, Возникают трудности при оценке степени износа вооружения долота, более точно осуществляется каротаж по нагрузке на долото (второй вариант). Однако при этом возникает необ10 ходимость в дополнительных сведениях о конструктивных особенностях породоразрушающего инструмента. Значительным преимуществом второго варианта определение энергоемкости породоразрушения в

15 процессе бурения скважины является возможность использования для этой цели данных суточного рапорта бурового мастера, т.е, технологической базы вычислительных, центров буровых предприятий. Предложен20 ный в формуле изобретения алгоритм позволяет осуществить исследование ранее пробуренных скважин на основе современ.ных представлений о развитии геологических структур.

25 Экспериментальные данные исследований энергоемкости процесса разрушения вскрываемых скважиной горных пород Ilo технологическим параметрам бурения представлены в таблице.

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

35 скорости проходки к частоте вращения долота.

Повышение точности определения энергоемкости процесса разрушения горных пород способствует более верной гео40. физической интерпретации результатов исследований геологического разреза и оценке напряженного состояния (горного давления) вскрываемых структур.

1742477

t-, Эрбсч Ь tt — динамика износа до1=1

Эп=Эрасч. (1 — (1 — 7II) exp (y I), Па, где Эрббч. — расчетная энергоемкость процесса бурения, Па;

g КПД бурения; лота;

Л ti — интервал времени бурения, с, Летология

Интервал бурения, Иеханичес- Энерг, Энерг. кая ско- изнар. fop.nop рость, Ла 10з и/ч

Орели бурения, ч

Полравка не износ

-Ф

Нзизс долота

Нагрузка

Иощност ь лоролораз руления,к8т

Частота Ионент враления долота и

0 Р и и е ч а и и е. Долото 1Г 10343 Д-2о9, 9 C"Illa И "3,3 -10 Аа-с 0,08

27 61

27 76

27 60

27 70

27 а8

27 62

27 30

27 34

1,5

3

3,2

3,5

2,8

Оэ4

18,9

36

51

42

6,3

2,72

2,3

5,8

7,5

6.7

6,5

2,5

2,4

2ь2

3.31,8

1,5

2,0:

1,6

1>9

2,2

2,2

4,3

2,О5

1,96

3,04

1,71

1, 58

1,89

0,732

0,85

0.517

О ° 86

0,447

6

2,5

О, 018

0,053

О, 089

0,11

О,! 24

0,16

0,26

0,315

1,7.

5.3

-9,8

«11

-I4

"23

-27

3460 йесчаная

3462 То ле

3464

«1 °

3470 н

3473

В! .3500 Аргиллит.

3506 . Дргиллит

1T42477

Составитель Ю.Лупичева

Редактор Е.Полионова Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор:Q,Ципле

Заказ 2269 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по.изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101