Способ регулирования условий бурения, влияющих на режим эксплуатации бура

 

Изобретение относится к бурению скважин и может найти применение при регулировании условий бурения. Способ включает проведение анализа прочности на сжатие горной породы геологической формации для промежутка скважины, на котором планируется производить бурение с помощью бура. Также проводят совместный анализ степени износа критической структуры бура, имеющей те же самые размер и конструкцию, что и структура заданного бура, при этом критическая структура бура использована для бурения материала, имеющего приблизительно ту же величину прочности на сжатие, что и проанализированная горная порода, и соответствующих данных бурения для изношенной структуры. По результатам анализа определяется для соответствующего показателя прочности на сжатие предельный уровень производительности, превышение которого приводит к избыточному износу бура. Кроме того, предусматривается регулирование условий бурения, которые могут включать такие параметры, как нагрузка на бур и скорость его вращения, и при которых эксплуатируется заданный бур, с целью поддержания необходимого уровня рабочей производительности меньшим или равным предельному уровню производительности. После определения нескольких приемлемых комбинаций скорости вращения и нагрузки на бур, т.е. условий эксплуатации, при которых может быть обеспечен необходимый уровень рабочей производительности, предусматривается осуществление оптимизации этих условий эксплуатации. Применение способа позволит исключить катастрофические отказы буров и обеспечить соответствие между продолжительностью использования бура и его эксплуатационными параметрами, в числе которых нагрузка на бур и скорость его вращения. 19 з.п. ф-лы, 7 ил.

Настоящее изобретение относится к способу регулирования и предпочтительно к способу оптимизации условий бурения скважин и, в частности, к способу регулирования скорости вращения и нагрузки, прикладываемой к буру в процессе бурения. В настоящем описании термин "бур" распространяется на все типовые буры, использующиеся для бурения скважин, а также на колонковые буры.

В прошлом регулирование условий бурения в большей степени основывалось на интуиции и на опыте оператора (или же просто осуществлялось по случайному принципу), чем на научных выводах.

Насколько известно авторам настоящего изобретения, в прошлом делалось по крайней мере несколько попыток подвести научную основу под подобный процесс регулирования. Так, например, в патенте США N 5449047 описан способ "автоматизированного" контроля и управления буровой системой. Основной принцип в рамках этого способа сводится к поддержанию эмпирическим путем неизменной глубины резания бура (в расчете на один его оборот) для заданного диапазона значений показателей прочности на сжатие горной породы.

В статье "Оптимизация нагрузки и скорости вращения для буров вращательного типа, предназначенных для бурения горных пород", авторов И.М. Голля и Г. Б. Вудса, опубликованной в журнале API Drilling and Production Practice, 1963 год, стр. 48-73, описан способ, который основывается на предположении о том, что в условиях реализации любой заданной операции бурения при изменении нагрузки на бур скорость его вращения будет изменяться автоматически соответствующим образом (и/или наоборот), так, чтобы величина произведения нагрузки на бур и скорости его вращения оставалась величиной постоянной на протяжении всей этой операции бурения. (Следует отметить, что авторы настоящего изобретения обнаружили, что, хотя изменение одной из упомянутых переменных будет вызывать соответствующие изменения другой переменной, предположение о том, что величина произведения этих двух переменных остается постоянной, оказывается неверным. ) Продолжая опираться на это предположение, известный способ предусматривает также использование результатов лабораторных исследований для определения комбинаций упомянутых переменных, т.е. значений нагрузки на бур и скорости его вращения, для которых наблюдается отказ бура, и исключение подобных комбинаций из числа используемых при практической деятельности. В другом докладе на аналогичную техническую тему, озаглавленном "Параметры процесса бурения и использование бура на основе подшипника скольжения", авторов Г. Уорда и М. Фисбека, и представленном на 34-й ежегодной конференции инженеров-механиков нефтяной промышленности, Тулса, штат Оклахома, 1979, предлагается более совершенный вариант упомянутого способа регулирования, однако в рамках этого усовершенствованного способа сохраняются как упомянутое базовое предположение, так и общий методологический подход к решению проблемы.

Следует отметить, что ни один из вышеупомянутых способов не обеспечивает в должной мере оптимизации процесса бурения в целом.

Сущность изобретения Техническим результатом настоящего изобретения является оптимизация процесса бурения в целом за счет способа регулирования условий бурения, влияющих на режим эксплуатации заданного бура, обеспечивающего использование более универсального и корректного критерия, позволяющего по меньшей мере исключить катастрофические отказы буров и исключить ситуации с неприемлемым, с точки зрения эксплуатации, быстрым износом буров, так, чтобы обеспечивалось своего рода соответствие между продолжительностью использования бура и другими его эксплуатационными параметрами, например, скоростью его проникновения. Несмотря на то, что основными переменными, используемыми для регулирования процесса бурения, являются предпочтительным образом нагрузка на бур и скорость его вращения, вышеупомянутый критерий не ориентирован ни на первую, ни на вторую, ни на обе упомянутые переменные, но исключительно на показатели бура.

Указанный технический результат достигается способом регулирования условий бурения, влияющих на режим эксплуатации заданного бура, содержащим следующие операции: проведение анализа прочности на сжатие геологической формации в промежутке скважины, предназначенном для бурения буром, проведение совместным образом анализа степени износа критической структуры бура, имеющей размер и конструкцию, аналогичные размеру и конструкции структуры заданного бура, причем критическая структура ранее использована для бурения материала, имеющего приблизительно тот же показатель прочности на сжатие, что и показатель прочности на сжатие, определенный при проведении анализа прочности на сжатие геологической формации, и соответствующих данных бурения для изношенной критической структуры бура, определение по результатам анализа степени износа критической структуры бура и соответствующих данных бурения для изношенной критической структуры бура соответствующего показателя прочности на сжатие предельного уровня производительности, превышение которого приводит весьма вероятным образом к нежелательному износу бура, и регулирование условий бурения, при которых эксплуатируется заданный бур для поддержания необходимого уровня рабочей производительности, не превышающего предельный уровень производительности.

Анализируемая "критическая структура" бура представляет собой структуру, которая в условиях заданной конструкции бура будет наиболее вероятным образом изнашиваться более интенсивно и/или скорее продемонстрирует отказ, так что эта структура может использоваться в качестве своего рода "ограничительного фактора" при оценке продолжительности периода использования бура. Так, например, в случае использования лопастных буров с поликристаллическими алмазными вставками режущие кромки или поликристаллические алмазные вставки обычно выполняют роль подобной "критической структуры". В то же самое время для буров на основе шарошечного долота роль критической структуры обычно выполняет подшипник или механизм, обеспечивающий скользящее перемещение.

Посредством использования показателя производительности в качестве основного критерия оказывается возможным, в соответствии с нижеописанными предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения обеспечивать выбор таких комбинаций нагрузки на бур и скорости его вращения, при которых будет достигаться заданный уровень производительности, а затем уже использовать другой критерий для оптимизации процесса бурения в диапазоне выбранных комбинаций.

В способе может быть предусмотрено проведение анализа степени износа множества указанных критических структур бура и соответствующих данных бурения для соответствующих изношенных критических структур бура, по результатам которого осуществляют формирование последовательности первого типа коррелированных пар электрических сигналов, причем два электрических сигнала в каждой паре соответствуют интенсивности износа и рабочей производительности соответственно для соответствующей одной из критических структур бура, а предельный уровень производительности определяют по электрическим сигналам последовательности первого типа.

Преимущество, связанное с проведением анализа одновременно для множества критических структур и формированием подобной последовательности коррелированных пар электрических сигналов, состоит в том, что подобный подход позволяет с гораздо большей степенью вероятности определить предельный уровень производительности, превышение которого приводит к избыточному ускоренному износу (в противоположность эффекту полного отказа). Таким образом, настоящее изобретение позволяет достичь несколько большего, чем просто исключить катастрофический износ бура - оно позволят добиться сбалансированности интенсивности износа (а, следовательно, и сбалансированности продолжительности использования бура) и других эксплуатационных параметров и факторов, например подобных скорости проникновения бура.

Термин "соответствующий", использующийся в настоящем описании в части электрических сигналов или числовых значений, будет означать "функционально связанный", при этом будет подразумеваться, что упомянутая функциональная зависимость могла бы, в чем, однако, нет необходимости, быть реализована в виде простого эквивалентного соотношения. Термин "соответствующий точным образом" при использовании его в части электрических сигналов будет означать, что электрический сигнал точно преобразуется в величину соответствующего параметра. При этом величина "интенсивности износа" компонента бура может определяться либо в единицах длины (посредством измерения расстояния от внешней периферийной части для новой детали бура) в расчете на единицу времени, либо единицах объема материала (детали бура) также в расчете на единицу времени.

По меньшей мере одна из критических структур бура может быть представлена отдельной деталью бура, имеющей размер и конструкцию, аналогичные размеру и конструкции детали, используемой в заданном буре, и подвергается анализу степени износа в лабораторных условиях.

По меньшей мере одна из критических структур бура может быть представлена целым буром, имеющим размер и конструкцию, аналогичные размеру и конструкции заданного бура, и подвергается износу указанным выше образом в процессе эксплуатации бура при использовании его для бурения.

Условия бурения могут регулироваться указанным выше образом для поддержания необходимого уровня рабочей производительности меньшим, но в первом приближении, настолько близким, насколько это целесообразно, к предельному уровню производительности.

Условия бурения могут включать условия воздействия на режим эксплуатации заданного бура, вибрации бура приводят к появлению усилий, передаваемых буром к геологической формации и изменяющихся по величине на небольших интервалах промежутка скважины, а условия воздействия регулируются указанным выше образом с учетом максимальных величин передаваемых усилий.

Регулируемыми указанным выше образом условиями могут являться скорость вращения и нагрузка на бур.

В способе может быть предусмотрено формирование последовательности второго типа коррелированных пар электрических сигналов, при этом соответствующие электрические сигналы в каждой паре соответствуют величине скорости вращения и величине нагрузки на бур соответственно, а величины скорости вращения и нагрузки на бур для каждой пары теоретически приводят в результате преобразования к величине производительности, соответствующей предельному уровню производительности, а бур эксплуатируется при скорости вращения и нагрузке на бур, соответствующих одной из пар электрических сигналов последовательности второго типа.

Другими словами, даже в условиях неизменного показателя прочности на сжатие горной породы и неизменных условий износа бура существует множество различных комбинаций значений нагрузки на бур и скорости его вращения, которые могут опять-таки теоретически приводить к результирующей величине производительности, соответствующей вышеупомянутому предельному уровню производительности. При этом бур эксплуатируется преимущественным образом при величинах нагрузки на него и скорости вращения, соответствующих каждая одному из электрических сигналов в паре электрических сигналов, относящихся к этой второй последовательности электрических сигналов. Следует еще раз напомнить, что термин "соответствующий" означает функционально связанный, из чего следует сделать вывод о том, что бур мог бы использоваться в условиях величин нагрузки на него и скорости вращения меньших, чем те величины, которые соответствуют точным образом одной из пар электрических сигналов, что собственно и предполагает ввод в рассмотрение фактора безопасности, который оказывается необходим, в частности, по причине того, что некоторые типы вибраций бура на практике, как правило, встречаются при любых обстоятельствах.

Способ может дополнительно предусмотреть определение для предельного уровня производительности предельного уровня скорости вращения, превышение которого приводит очевидным образом к весьма неблагоприятным характеристикам смещения бура, например, в виде сильных вибраций в боковом и осевом направлениях и хаотических перемещений бура, а также эксплуатацию бура указанным выше образом при скорости вращения, меньшей предельного уровня скорости вращения.

Таким образом, несмотря на то, что использование рабочих скоростей вращения, превышающих упомянутый предельный уровень, и позволяет достигать заданных показателей производительности, оказывается более предпочтительным эксплуатировать бур при скоростях вращения, этого предельного уровня не превышающих.

В способе можно дополнительно предусмотреть определение для предельного уровня производительности предельного уровня нагрузки на бур, превышение которого приводит, весьма вероятным образом, к весьма неблагоприятным характеристикам смещения бура, например, в виде весьма интенсивных вибраций бура в направлении касательной и так называемых "проскальзываний", а также эксплуатацию бура указанным выше образом при нагрузке на бур, меньшей предельного уровня нагрузки на бур.

Способ может дополнительно содержать следующие операции: определение для предельного уровня производительности граничного значения скорости вращения, по величине не превышающего предельный уровень скорости вращения, причем превышение этого граничного значения скорости вращения приводит весьма вероятным образом к нежелательным характеристикам смещения бура, определение для предельного уровня производительности граничного значения нагрузки на бур, по величине не превышающего предельный уровень нагрузки на бур, причем превышение этого граничного значения нагрузки на бур приводит весьма вероятным образом к нежелательным характеристикам смещения бура, и эксплуатацию указанным выше образом бура при скорости вращения, по величине, не превышающей граничное значение скорости вращения, и нагрузке на бур, по величине, не превышающей граничное значение нагрузки на бур.

Способ дополнительно предусматривает эксплуатацию указанным выше образом бура при такой скорости вращения и нагрузке на бур, которая по величине соответствует в первом приближении настолько близко, насколько это целесообразно, граничному значению нагрузки на бур.

При осуществлении способа можно проводить определение комбинации скорости вращения и нагрузки на бур, при которой достигается максимальная глубина резания, и эксплуатацию бура при нагрузке на бур, по величине близкой или равной меньшему из двух значений нагрузки на бур, соответствующему максимальной глубине резания или граничному значению нагрузки на бур.

Способ может дополнительно содержать следующие операции: определение для предельного уровня производительности граничного значения скорости вращения, по величине не превышающего предельный уровень скорости вращения, при этом превышение этого граничного значения скорости вращения приводит весьма вероятным образом к появлению нежелательных характеристик смещения бура, определение для предельного уровня производительности граничного значения нагрузки на бур, по величине не превышающего предельный уровень нагрузки на бур, при этом превышение этого граничного значения нагрузки на бур приводит весьма вероятным образом к появлению нежелательных характеристик смещения бура,
определение для предельного уровня производительности такой нагрузки на бур, при которой обеспечивается максимальная глубина резания бура,
и эксплуатацию указанным выше образом бура при скорости вращения по величине, не превышающей граничное значение скорости вращения, и при нагрузке на бур по величине, близкой или равной меньшему из двух значений нагрузки на бур, соответствующему граничному значению нагрузки на бур или значению нагрузки на бур, при которой обеспечивается максимальная глубина резания.

В способе дополнительно предусматривают определение для предельного уровня производительности предельного уровня нагрузки на бур, превышение которого приводит очевидным образом к весьма неблагоприятным характеристикам смещения бура, а также эксплуатацию указанным выше образом бура в условиях нагрузки на бур, по величине не превышающей предельного уровня нагрузки на бур.

В способе дополнительно предусматривают формирование указанным выше образом множества последовательностей второго типа электрических сигналов, каждая из которых соответствует различной степени износа, и периодическое увеличение нагрузки на бур по мере износа бура с учетом соответствующей последовательности второго типа.

В способе можно дополнительно осуществить изменение скорости вращения бура при увеличении указанным выше образом нагрузки на бур и, кроме того, измерение или моделирование износа бура в реальном масштабе времени.

Способ, в котором проведение анализа прочности на сжатие предусматривает проведение анализа для множества слоев геологической формации, имеющих различные показатели прочности на сжатие, может дополнительно содержать следующие операции:
формирование указанным выше образом соответствующих последовательностей электрических сигналов первого и второго типа для каждого подобного показателя прочности на сжатие,
контроль процесса прохождения посредством бурения бура через геологическую формацию
и периодическое изменение режима эксплуатации бура с учетом соответствующей последовательности электрических сигналов, соответствующей показателю прочности на сжатие слоя геологической формации, который на текущий момент проходится посредством бурения буром.

Упомянутая прочность на сжатие может анализироваться указанным выше образом посредством моделирования в реальном масштабе времени в процессе бурения промежутка скважины с помощью бура.

Другие аспекты настоящего изобретения и варианты его реализации, равно, как и его различные признаки, свойства и преимущества, станут более очевидными из приведенного ниже подробного описания изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи и формулу изобретения.

Фиг. 1 изображает диаграмму, иллюстрирующую операции процесса бурения, по результатам которых могут быть определены входные данные и с помощью которых, в условиях использования компьютера, может быть реализовано настоящее изобретение.

Фиг. 2 графически изображает предельные уровни производительности.

Фиг. 3 графически изображает последовательность электрических сигналов второго типа для случая относительно мягкой горной породы.

Фиг. 4 графически изображает последовательность электрических сигналов второго типа, аналогичную показанной на фиг. 3, для случая относительно твердой горной породы.

Фиг. 5 схематично изображает способ моделирования износа, который может быть использован в настоящем изобретении.

Фиг. 6 графически изображает зависимость расчетного объема работ.

Фиг. 7 графически изображает потери объема работ вследствие наличия истирающих свойств у слоев геологической формации.

На фиг. 1 показана геологическая формация 10. При этом предполагается, что заданный бур 18 используется для бурения промежутка 14 скважины геологической формации 10, в общем случае аналогичного промежуткам 20 и 22 скважин, которые ранее были пробурены с использованием буров 24 и 26, имеющих те же самые размер и конструкцию, что и бур 18.

Еще до того момента, когда бур 18 начинает использоваться для бурения в соответствующей скважине (как это показано на фиг. 1), предусматривается проведение анализа показателей прочности на сжатие горной породы, в которой планируется производить бурение с помощью бура 18. Последнее может быть весьма достоверным образом осуществлено с использованием приемов и методов, хорошо известных в данной области техники, например, посредством анализа данных бурения, полученных, скажем, в ходе исследований срезов скважин, анализа выбуренной породы и анализа кернов, что схематично проиллюстрировано блоками 28 и 30, для расположенных поблизости промежутков 20 и 22 скважины. Для этого раздела описания будем предполагать, что в соответствии с наиболее простым встречающимся на практике случаем результаты подобного анализа указывают на неизменность показателя прочности на сжатие для всего промежутка 14 скважины.

Далее предусматривается определение предельного уровня производительности. Обратимся для этого к фиг. 2. Проведенные в рамках настоящего изобретения исследования показали, что по мере увеличения показателя производительности интенсивность износа для любого заданного бура имеет тенденцию изменяться в соответствии с вполне определенной зависимостью. Кривая c₁ призвана в данном случае проиллюстрировать характер подобной зависимости для случая относительно мягкой горной породы, т.е. горной породы с относительно небольшими показателями прочности на сжатие. Из фиг. 2 видно, что интенсивность износа изменяется практически линейным образом с ростом производительности вплоть до точки p_L. При последующем увеличении производительности интенсивность износа начинает возрастать более быстрыми темпами, в частности, в соответствии с экспоненциальной зависимостью. Подобные резкие изменения интенсивности износа являются следствием возрастания сил трения, температуры, а также увеличения интенсивности вибраций (импульсной нагрузки). И наконец, интенсивность износа достигает конечной точки e_L, которая соответствует катастрофическому отказу бура. Подобный катастрофический износ мог бы возникать при уровне производительности, соответствующем этой конечной точке, и прочих стабильных условиях реального процесса бурения, но мог бы возникать также и при меньшем уровне производительности, т.е. при уровне производительности, соответствующем интервалу между точками p_L и e_L, в условиях больших ударных нагрузок, связанных с присутствием интенсивных вибраций. Кривая c₂ является аналогичной кривой c₁ и относится к случаю горной породы с относительно большими показателями прочности на сжатие. И снова, как и прежде, интенсивность износа возрастает практически линейным образом с ростом производительности (хотя и в условиях более интенсивного износа, как это следует из наклона кривой c₂), вплоть до точки p_H, после которой интенсивность износа начинает увеличиваться более быстрыми темпами, вплоть до момента катастрофического отказа, соответствующего точке e_H.

Для определения соответствующего предельного уровня производительности предусматривается проведение анализа для критической структуры того же самого типа, что и используемая в буре 18. В соответствии с менее предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения подобный анализ мог бы, например, состоять в воздействии в лабораторных условиях поликристаллической алмазной вставкой, установленной на соответствующей опоре, на материал, имеющий приблизительно тот же самый показатель прочности на сжатие, что и определенный в ходе проведенного анализа для горной породы в промежутке 14 скважины, и постепенном увеличении рабочей производительности вплоть до момента возникновения отказа. Тем не менее подобный отказ мог бы являться следствием аномальных эффектов, например следствием определенных особенностей анализируемой подобным образом конкретной режущей кромки, и во всяком случае мог бы позволить лишь определить значение уровня производительности для катастрофического отказа, например, подобного уровню производительности для точки e_H или e_L. В соответствии с настоящим изобретением оказывается предпочтительным избегать не только подобных катастрофических отказов, но и режимов работы с уровнями производительности, которые вызывают экспоненциальный рост интенсивности износа, т.е. соответствующими интервалам кривых между точками p_H и e_H, а также между точками p_L и e_L.

В результате, в соответствии с предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения, предусматривается проведение совместным образом анализа для множества критических структур, имеющих размеры и конструкцию, аналогичные размеру и конструкции структуры бура 18, и использовавшихся для бурения материала, имеющего показатель прочности на сжатие, приблизительно соответствующий показателю прочности на сжатие, определенному в результате проведенного указанным выше образом анализа, и для соответствующих данных процесса бурения. Некоторые из упомянутых структур могут соответствовать отдельным деталям бура или его узлам, особенно в том случае, если бур 18 представлен буром лопастного типа с поликристаллической алмазной вставкой (PDC), где роль критических структур выполняют режущие кромки, которые могут анализироваться и испытываться на износ в лабораторных условиях. Тем не менее оказывается весьма полезным устанавливать по крайней мере некоторые из подобных предварительно проанализированных и испытанных структур в реальные буры, которые изнашиваются в условиях реальной эксплуатации при осуществлении бурения. Так, например, для этих целей могли бы использоваться буры 4 и 26, применяющиеся в промежутках 20, 22 скважины, для которых анализ мог бы проводиться с учетом соответствующих им данных бурения 32 и 34. Эти упомянутые буры и соответствующие им данные бурения могут также использоваться для подготовки данных, требующихся для реализации других признаков настоящего изобретения, как это будет показано ниже.

В любом случае на основе данных, полученных в результате проведения указанным выше образом анализа критических структур, предусматривается формирование соответствующих электрических сигналов, которые впоследствии совместно обрабатываются компьютером 36 для формирования последовательности первого типа коррелированных пар электрических сигналов.

Перед пояснением приемов формирования этой последовательности первого типа коррелированных пар электрических сигналов следует отметить, что в целях упрощения и большей наглядности на фиг. 1 проиллюстрированы только два изношенных бура с соответствующими скважинами и данными процесса бурения. Тем не менее, в соответствии с предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения, последовательность первого типа электрических сигналов могла бы формироваться на основе использования большего числа изношенных буров и соответствующих им данных процесса бурения. Подобные данные могли бы быть получены для той же самой геологической формации 10 или из других областей, имеющих геологические формации с теми же самыми показателями прочности на сжатие горной породы, и/или могли бы быть получены в результате проведения многочисленных лабораторных исследований.

В последовательности первого типа коррелированных пар электрических сигналов два электрических сигнала каждой подобной пары соответствуют интенсивности износа и рабочей производительности соответственно для конкретного изношенного бура.

На фиг. 2 математическим, в частности графическим, образом проиллюстрированы зависимости для этих электрических сигналов. При этом кривая c₁ соответствует вышеупомянутой последовательности первого типа для случая горной породы с относительно небольшими показателями прочности на сжатие. Посредством обработки с помощью компьютера 36 ряда электрических сигналов, соответствующих кривой c₁, оказывается возможным сформировать, для случая горной породы с упомянутыми относительно небольшими показателями прочности на сжатие, электрический сигнал предельного уровня производительности, соответствующий предельному уровню производительности, соответствующему, например, уровню производительности для точки p_L, при превышении которого происходит весьма вероятным образом быстрый износ бура.

Далее предусматривается формирование аналогичным образом второй последовательности коррелированных пар электрических сигналов первого типа для случая с относительно большими показателями прочности на сжатие, при этом графическая интерпретация зависимости для соответствующих электрических сигналов дается кривой c₂. И снова, как и прежде, по результатам анализа этих электрических сигналов может быть сформирован электрический сигнал предельного уровня производительности, который соответствует предельному уровню производительности для критической точки p_H, в которой прекращается линейный рост интенсивности износа с увеличением производительности, а соответствующая зависимость приобретает экспоненциальный характер.

В соответствии с предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения для промежуточных показателей прочности на сжатие горной породы могло бы предусматриваться формирование дополнительных последовательностей первого типа, включающих коррелированные пары электрических сигналов. На основе электрических сигналов каждой подобной последовательности мог бы формироваться электрический сигнал предельного уровня производительности для соответствующего показателя прочности на сжатие горной породы. Подобные другие последовательности в целях упрощения и большей наглядности не показаны на фиг. 2. Но если бы они все же были показаны, то нетрудно было бы определить для них соответствующие точки, например, подобные точкам p_H и p_L и задаваемые в соответствии с предельными уровнями производительности, причем эти точки предельных уровней производительности для всех кривых, будучи соединенными между собой, образовали бы кривую c₃, которая позволила бы определять предельные уровни производительности для практически любых показателей прочности на сжатие горной породы в заданном диапазоне. Из последующего изложения станет ясно, что компьютер 36 может подготавливаться таким образом, чтобы обеспечить обработку электрических сигналов подобных различных последовательностей для формирования последовательностей электрических сигналов другого типа, соответствующих кривой ₃. Предположим, что кривая c₁ соответствует случаю минимального показателя прочности на сжатие горной породы для заданного диапазона, а кривая c₂ соответствует случаю максимального показателя прочности на сжатие для этого заданного диапазона; тогда величины для точек p_lim-min и p_lim-max будут соответствовать предельным уровням производительности соответствующего диапазона уровней производительности для конкретного бура заданной конструкции. Следует отметить, что кривая c₃ могла бы с теоретической точки зрения анализироваться и в функциональной зависимости от металлургических свойств режущей кромки (или зубьев) и качества алмазного материала бура, однако эти факторы на практике оказывают пренебрежимо малое влияние.

В соответствии с основными существенными признаками настоящего изобретения предусматривается обеспечение возможности по регулированию условий бурения в процессе эксплуатации бура 18 с целью поддержания необходимой рабочей производительности на уровне, меньшем или равном предельному уровню производительности для каждого конкретного, определяемого посредством проведения соответствующего анализа показателя прочности на сжатие горной породы, в которой на текущий момент производится бурение с использованием упомянутого бура. При этом оказывается предпочтительным, если задаваемый предельный уровень производительности соответствует точке, например подобной точке P_L, для которой интенсивность износа еще только начинает увеличиваться в соответствии с экспоненциальной зависимостью. Тем не менее, в соответствии с менее предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения, этот предельный уровень производительности мог бы задаваться соответствующим и большему значению. Таким образом, при бурении в условиях наиболее мягкой горной породы, в соответствии с заданным диапазоном показателей прочности, предусматривается регулирование условий бурения с целью сохранения уровня производительности меньшим или равным величине, соответствующей точке p_lim-max. При этом оказывается предпочтительным, если уровень производительности сохраняется меньшим этого предельного уровня производительности, что позволяет реализовать принцип использования фактора безопасности. Тем не менее оказывается желательным, чтобы уровень производительности поддерживался в первом приближении настолько близким, насколько это целесообразно, к предельному уровню производительности. При этом понятие "настолько близким, насколько это целесообразно" указывает не только на необходимость учета упомянутого выше фактора безопасности, но и на необходимость учета существующих на практике ограничений, например, ограничений, имеющих место для буровых установок и связанных, скажем, с ограничениями для создаваемого крутящего момента, для скорости потока и т.д. В данном случае это понятие несколько модифицировано за счет использования фразы "в первом приближении", поскольку суть данного признака, в соответствии с предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения, состоит в том, чтобы предусмотреть различные варианты эксплуатации, когда соответствующие максимальные значения параметров могут изменяться, скажем, с изменением стоимости рабочего времени или с изменением характера участия оператора при определении соответствующего фактора безопасности.

Эксплуатация бура в условиях задания соответствующего параметра настолько близких, насколько это целесообразно, к предельному уровню производительности позволяет обеспечить максимальную скорость проникновения, которая, как известно, прямо пропорциональна по величине показателю производительности. В общем случае оказывается желательным обеспечивать скорость проникновения как можно большую, за исключением экстремальных случаев, когда интенсивность бурения может возрасти до такой степени, что количество образующегося при бурении материала приведет к увеличению эффективной массы бурового раствора до такого уровня, когда создаваемое им давление может превысить градиент давления гидроразрыва пласта в конкретной геологической формации.

Регулируемые указанным выше образом условия бурения включают условия, непосредственно влияющие на режим эксплуатации бура, и, в частности, такие параметры, как нагрузка на бур и скорость его вращения. Вибрации бура, которые могут регистрироваться хорошо известным образом в процессе бурения, могут вызывать появление усилий, передающихся буром и воздействующих на геологическую формацию, при этом величины этих усилий могут изменяться на небольших интервалах формируемого промежутка скважины, проходимого или только планирующегося для прохождения буром. В подобных ситуациях оказывается предпочтительным, чтобы обеспечивалась возможность регулирования воздействующих на бур усилий, последнее с учетом максимальных величин передаваемых усилий, возникающих в процессе подобных флуктуаций и изменений, а не в соответствии со средними величинами этих передаваемых усилий.

В соответствии с другим существенным признаком, в рамках предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения, предусматривается определение множества комбинаций величин нагрузки на бур и скорости его вращения, любая из которых приводит к уровню производительности, соответствующему предельному уровню производительности. Следует также отметить, что настоящее изобретение предусматривает создание способа оптимального выбора конкретной подобной комбинации.

На фиг. 3 показана кривая c₄, соответствующая величинам, которые в свою очередь отвечают парам электрических сигналов в последовательности второго типа, сформированной для нового бура заданной конструкции. При этом формирование последовательности электрических сигналов, соответствующей кривой с₄, производится по принципу, который более подробно поясняется ниже, на основе использования накопленной информации относительно множества других буров, которые имеют те же размер и конструкцию, что и бур 18, и которые были ранее использованы для бурения горной породы с показателем прочности на сжатие, приблизительно соответствующим показателю прочности на сжатие, определенному посредством проведения соответствующего анализа для горной породы на промежутке 14 скважины. Кривая, например, подобная кривой c₄, может являться результатом определения вида графической зависимости между величинами скорости вращения и величинами нагрузки на бур, присутствующими в рамках накопленной информации, и последующего определения посредством экстраполяции кривой непрерывного типа. Из дальнейшего изложения станет понятно, особенно для специалистов в данной области техники, что имеется возможность запрограммировать компьютер 36 таким образом, чтобы он выполнял эквивалентные операции с коррелированными парами электрических сигналов, соответствующих величинам скорости вращения и нагрузки на бур соответственно из числа присутствующих в рамках накопленной информации, и чтобы этот компьютер даже обеспечивал определение графической интерпретации для кривой, подобной кривой c₄. При этом накопленная информация могла бы также использоваться для формирования соответствующих электрических сигналов, вводимых в компьютер 36, который в дальнейшем мог бы формировать необходимое число дополнительных подобных пар электрических сигналов, соответствующих зависимости, образованной по результатам первоначального ввода, с целью определения последовательности второго типа коррелированных пар электрических сигналов нагрузки на бур и электрических сигналов скорости вращения. На основе этой второй последовательности в дальнейшем может быть определена посредством экстраполяции ее графическая интерпретация в виде кривой c₄, что также может быть выполнено с помощью компьютера 36.

Посредством определения вида корреляционной связи между кривой c₄ (и/или соответствующей последовательностью электрических сигналов) и накопленной информацией в части процессов бурения оказывается возможным отыскать точку p_N-mar, для которой величина скорости вращения N соответствует заданной граничной величине, т. е. величине, превышение которой приводит весьма вероятным образом к появлению нежелательных характеристик смещения бура, в частности, к неизбежному увеличению интенсивности вибраций в боковом и осевом направлениях, что связано с использованием слишком высокой скорости вращения и/или с созданием слишком малой нагрузки на бур. Для другой точки p_N-lim, для которой величина скорости вращения оказывается даже еще большей, эти нежелательные характеристики смещения бура, в частности вибрации в боковом и осевом направлениях, достигают максимума, что проявляется, например, в хаотических перемещениях бура; таким образом, оказывается еще менее желательным эксплуатировать бур в непосредственной близости или с превышением уровня скорости вращения, заданного точкой p_N-lim. При этом величина нагрузки на бур для точки p_N-lim соответствует минимальной величине нагрузки на бур, необходимой, с точки зрения адекватного демпфирования подобных вибраций, и ниже иногда будет называться "пороговым уровнем" нагрузки на бур.

Аналогичным образом имеется возможность определить точку p_w-mar, для которой величина нагрузки на бур w соответствует заданной граничной величине, превышение которой приводит весьма вероятным образом к появлению других нежелательных характеристик смещения бура, в частности, к возрастанию интенсивности вибраций в направлении касательной. Для точки _w-lim эти нежелательные смещения бура будут достигать максимального уровня и могут возникать так называемые эффекты "проскальзывания" (резкие перемещения вместо плавного вращения бура), в результате чего оказывается еще менее желательным эксплуатировать бур в условиях, когда величина нагрузки оказывается близкой или превышающей величину нагрузки на бур для точки p_w-lim.

В общем случае, хотя любая точка на кривой c₄ и соответствует величинам нагрузки на бур и его скорости вращения, отвечающим предельному уровню производительности в условиях заданной величины показателя прочности на сжатие и используемого нового бура, совершенно ясно, что весьма желательным представляется эксплуатировать бур в условиях, отвечающих диапазону между точками p_N-mar и p_w-mar. Как было показано выше, кривая с₄ соответствует точным образом предельному уровню производительности. Следовательно, для привнесения в рассмотрение вышеупомянутого фактора безопасности оказалось бы более предпочтительным обеспечивать эксплуатацию даже в более узком диапазоне, образующемся в результате некоторого отступления от точки p_N-mar или p_w-mar. И еще более предпочтительной оказывается такая ситуация, когда имеется возможность в ходе эксплуатации реализовывать величины параметров, соответствующие точке на кривой c₄, для которой величина нагрузки на бур W является меньшей, но одновременно настолько близкой, насколько это целесообразно, к величине нагрузки на бур, соответствующей точке p_w-mar. Последнее является следствием того, что, чем больше скорость вращения, тем больше энергии высвобождается для возникновения потенциальных вибраций колонны бурильных труб (в отличие от уже упоминавшихся вибраций бура).

Принимая во внимание, что фиг. 3 соответствует случаю с относительно мягкой горной породой, нетрудно видеть, что величина настолько близкая, насколько это целесообразно, к величине для точки p_w-mar в данном случае будет на самом деле располагаться достаточно далеко от величины, соответствующей точке p_w-mar. Последнее имеет место вследствие того, что в случае достаточно мягких горных пород бур будет достигать максимальной глубины резания, когда режущие структуры бура будут полностью погружены в горную породу, при величине нагрузки на бур, которая соответствует точке р_dс и которая оказывается заметно меньшей величины нагрузки на бур, соответствующей точке p_w-mar. Для случая буров на основе шарошечного долота и буров с поликристаллическими алмазными вставками (PDC) оказывается неоправданным и практически бесполезным прикладывать к буру дополнительную нагрузку, т.е. нагрузку, избыточную по отношению к той, при которой обеспечивается полное погружение режущих зубьев бура в горную породу. Для случая буров с алмазным наполнением может оказаться желательным эксплуатировать бур при величине нагрузки на него, несколько большей, чем величина, соответствующая точке p_dc. В этом случае наблюдается частичное погружение в горную породу конструкции бура с алмазным наполнением. В результате износ конструкции бура происходит одновременно с износом самих алмазов, при этом алмазы, как правило, начинают выступать из этой конструкции (этот эффект еще иногда называют эффектом "самозаточки"). Следовательно, оптимальные величины нагрузки на бур и скорости его вращения будут соответствовать величинам, отвечающим точке _dc или ее ближайшей окрестности.

На основе дополнительной накопленной информации относительно процессов бурения может быть сформирована другая последовательность коррелированных пар электрических сигналов второго типа для случая практически полностью изношенного бура заданного типа, которая графически может быть интерпретирована с помощью кривой c₅. Следует отметить, что при необходимости могли бы быть сформированы и другие промежуточные последовательности этого второго типа (эти последовательности в целях упрощения и большей наглядности не показаны в виде кривых на фиг. 3), которые соответствовали бы меньшим показателям износа. В любом случае, компьютер 36 может быть подготовлен для целей обработки электрических сигналов этих различных последовательностей на основе использования приемов, хорошо известных в данной области техники, и таким образом, чтобы сформировать последовательность электрических сигналов третьего типа, соответствующую кривым c₆, c₇, c₈, c₉ и c₁₀. При этом кривая c₆ соответствует величинам, задаваемым точкой p_N-lim и изменяющимся с изменением показателей износа. Кривая c₇ соответствует величинам, задаваемым точкой p_N-mar и изменяющимся с изменением показателей износа бура. Кривая c₈ соответствует величинам, задаваемым точкой p_dc и изменяющимся с изменением показателей износа бура. Кривая c₈ соответствует величинам, задаваемым точкой p_w-mar и изменяющимся с изменением показателей износа бура. И наконец, кривая c₁₀ соответствует величинам, задаваемым точкой p_w-lim и изменяющимся с изменением показателей износа бура. Таким образом, в процессе бурения оказывается желательным измерять
и/или моделировать показатели износа для бура 18 и периодически увеличивать нагрузку на бур с соответствующим изменением скорости его вращения, при этом предпочтительным образом, оставаясь в рамках диапазона, образуемого кривыми ₆ и c₁₀, и более предпочтительно в рамках диапазона, образуемого кривыми c₇ и c₉, а еще более предпочтительно на кривой c₈ или в ее ближайшей окрестности.

Фиг. 4 является аналогичной фиг. 3, но использована для графического представления последовательностей электрических сигналов для случая относительно твердой (с большими показателями прочности на сжатие) горной породы. При этом снова, как и прежде, приводятся две кривые c₁₁ и c₁₂, соответствующие последовательностям электрических сигналов второго типа для нового и уже сильно изношенного бура соответственно. Для случая твердой горной породы точка _w-mar, для которой дальнейшее увеличение нагрузки на бур приводит к нежелательным вибрациям в направлении касательной, характеризуется величиной нагрузки на бур, меньшей той, которая реализуется для точки p_dc, а следовательно, аналогичная ситуация реализуется и для точки p_w-lim. Таким образом, для случая твердой горной породы, даже в условиях реализации фактора безопасности, оказывается возможным осуществлять эксплуатацию бура в условиях использования оптимальной пары величин, отвечающих точке p_opt, расположенной заметно ближе к точке p_w-mar, чем в случае мягкой горной породы. При этом для различных значений показателя износа бура могут быть определены и другие пары величин, аналогичные реализующимся для точки p_opt. В результате обработки электрических сигналов, соответствующих этим парам величин, компьютером 36 может быть сформирована последовательность пар электрических сигналов, а также определена посредством экстраполяции соответствующая кривая c₁₃.

В данном случае, как и прежде, выражение "настолько близко, насколько это целесообразно" позволяет учесть не только фактор безопасности, но также и существующие на практике ограничения. Так, например, с теоретической точки зрения оптимальная пара величин для нагрузки на бур и его скорости вращения могла бы в условиях конкретной геометрии буровой колонны труб или геометрии самой скважины приводить к возникновению резонансных явлений в этой колонне буровых труб, чего следует избегать на практике.

В соответствии с другим весьма нетипичным примером горная порода может оказаться настолько твердой, а возможности по созданию крутящего момента соответствующим двигателем настолько ограниченными, что буровая установка не будет иметь возможности прикладывать к буру достаточную нагрузку, скажем, не сможет даже обеспечить величину нагрузки, соответствующей пороговому значению для точки p_N-lim. При этом окажется невозможным даже попадание в диапазон между точками p_N-lim и p_w-lim. В этом случае оператору пришлось бы обеспечивать эксплуатацию в условиях настолько близких, насколько это целесообразно, к этому диапазону, например, в условиях величины нагрузки на бур меньшей, чем величина для точки p_N-lim, и соответствующей достаточно высокой скорости вращения.

Следует всегда помнить о том, что в то время как величины, подобные показанным для различных кривых фиг. 3 и 4, в общем случае остаются вполне корректными, влияющие факторы, сказывающиеся в ходе конкретного процесса бурения, могут вызывать нежелательные смещения бура и/или колонны труб, причем именно для тех величин нагрузки на бур и скорости его вращения, для которых с теоретической точки зрения этого происходить не должно. В результате оказывается желательным использовать средства, известные в данной области техники, для регистрации подобных смещений в реальном масштабе времени (т.е. в процессе бурения) и при обнаружении подобных смещений предпринимать соответствующие корректирующие действия, оставаясь в ходе проведения подобной коррекции как можно ближе к оптимальным величинам.

Опираясь на изложенную выше общую концепцию, ниже будет проведено подробное описание одного из примеров реализации способа по обработке электрических сигналов для формирования последовательности электрических сигналов упомянутого типа, соответствующей кривым фиг. 3 и 4.

Для случая конкретного показателя прочности на сжатие горной породы σ предусматривается использование накопленной эмпирической информации в отношении показателей износа и производительности бура для формирования соответствующих электрических сигналов, которые в дальнейшем обрабатываются компьютером 36 с целью формирования последовательности пар электрических сигналов первого типа, соответствующей кривой предельной производительности, подобной кривым c₁ и c₂.

Далее, на основе накопленной эмпирической информации, например, полученной по результатам обследования срезов промежутков 20 и 22 скважины и представленной результатами измерений крутящего момента и интенсивности вибраций, может определяться величина, соответствующая предельному уровню крутящего момента. Так, в частности, предусматривается определение величины крутящего момента T_N-lim, при которой интенсивности вибраций в осевом и боковом направлениях достигают максимума, т.е. величины, соответствующей точке p_N-lim для случая заданного значения показателя прочности σ и заданных условий износа, а также величины крутящего момента T_w-lim, при которой достигают своего максимума вибрации в направлении касательной (и наблюдаются эффекты "проскальзывания"), т. е. величины, соответствующей точке p_w-lim для случая заданного значения показателя прочности σ и заданных условий износа. Предусматривается также предпочтительным образом определение по аналогии величин крутящего момента, T_N-lim и T_w-lim для точек p_N-lim и p_w-lim соответственно для случая заданного значения показателя прочности σ и заданных условий износа.

Предпочтительно, следует располагать большим набором данных в части крутящих моментов и интенсивностей вибраций для заданного значения показателя прочности σ и конкретных условий износа. Эти данные обычно преобразуются в электрические сигналы, которые в свою очередь вводятся в компьютер 36. Эти электрические сигналы совместным образом обрабатываются компьютером 36 с целью формирования электрических сигналов, соответствующих величинам крутящего момента T_N-mar, T_N-lim, T_w-mar и T_w-lim.

Для по меньшей мере того случая, когда значение показателя прочности σ оказывается небольшим, т.е. когда горная порода оказывается мягкой, а предпочтительным образом для любого из рассматриваемых случаев предусматривается также определение величины крутящего момента T_dc, соответствующей крутящему моменту, при котором достигается максимальная глубина прохождения в расчете на один оборот бура (т.е. для случая, когда режущая кромка бура полностью погружена в горную породу). Из последующего изложения станет понятно, что эта величина крутящего момента и соответствующий ей электрический сигнал также отвечают точке p_dc.

Данные для расчета величины T_dc могут быть получены по результатам лабораторных исследований. В альтернативном случае при реальном осуществлении процесса бурения величина T_dc может определяться посредством задания в начале процесса бурения фиксированной скорости вращения бура и минимальной на него нагрузки и последующего постепенного увеличения нагрузки и одновременного контроля величины крутящего момента и скорости проникновения. Следует отметить, что скорость проникновения будет возрастать с увеличением нагрузки на бур вплоть до определенной точки, после которой она будет оставаться неизменной или даже демонстрировать определенное снижение. Величина крутящего момента для этой точки и соответствует величине T_dc.

Для каждого из вышеупомянутых значений крутящего момента имеется возможность провести обработку соответствующих электрических сигналов, отвечающих величинам скорости вращения бура и нагрузки на него соответственно, и посредством этого определить положение соответствующей точки на кривой, например подобной кривым фиг. 3 и 4.

При этом может быть определена величина w, т.е. величина нагрузки на бур, соответствующая величине конкретного крутящего момента Т, а соответствующие электрические сигналы могут быть сформированы и введены в компьютер 36.

В альтернативном случае, когда предусматривается формирование последовательности электрических сигналов или совокупности подобных последовательностей для подготовки полномасштабных предварительных рекомендаций для конкретного бура, может оказаться весьма полезным определять на основе анализа эксплуатационных данных величину μ, которая изменяется с изменением показателей износа и определяется в следующем виде:
μ = (T - T₀)/(w - w₀), (1)
где T₀ - крутящий момент для порогового уровня нагрузки на бур;
w₀ - пороговый уровень нагрузки на бур.

В дальнейшем компьютер 36 осуществляет обработку электрических сигналов, соответствующих значениям T, T₀, μ и w₀, для формирования электронной модели, позволяющий решать уравнение вида
w = (T-T₀)/μ + w₀ (2)
с целью формирования электрического сигнала, соответствующего нагрузке на бур, отвечающей, в свою очередь, конкретному крутящему моменту.

Далее компьютер 36 создает электронную модель для решения уравнения вида:
N = P_lim/(2 μπ + d_c) w60 (3)
или
N= P_lim/(2 π +d_c/ μ) T60, (3a)
где N - скорость вращения;
P_lim - предельный уровень производительности, предварительно определенный в соответствии с вышеописанным подходом;
d_c - глубина проникновения бура в расчете на один оборот или так называемая "глубина среза",
в которой оказывается предпочтительным использовать обе, осевую и крутящую, компоненты (при этом боковая компонента оказывается пренебрежимо малой по величине). В альтернативном случае, если оказывается желательным использовать только одну крутящую компоненту, уравнения (3) и (3a) преобразуются к следующему виду:
N = P_lim/(120 μπw) (4)
или
N = P_lim/(120 πT) (4a)
Компьютер обеспечивает решение указанных уравнений посредством совместной обработки электрических сигналов, соответствующих переменным и константам, входящим в уравнения (3), (За), (4) или (4a).

В результате удается определить электрические сигналы, соответствующие величинам нагрузки на бур w и скорости его вращения N, отвечающих конкретному крутящему моменту, т.е. определить первую пару электрических сигналов для последовательности второго типа, графически интерпретирующейся с помощью кривых c₄, c₅, c₁₁ и c₁₂. Так, например, если величина используемого крутящего момента соответствует T_N-lim, можно без труда отыскать соответствующую ему точку P_N-lim.

Посредством аналогичной обработки дополнительных электрических сигналов крутящего момента для тех же самых условий износа бура и того же самого значения показателя прочности σ можно сформировать всю последовательность второго типа пар электрических сигналов, графически интерпретируемую кривой, например, подобной кривой c₄, и учитывающую все контрольные точки p_N-lim, p_N-mar, p_dc, p_w-mar и p_w-lim.

В дальнейшем при реализации процесса бурения с помощью бура, демонстрирующего те же самые размер, конструкцию и конкретные условия износа, в горной породе, имеющей конкретный показатель прочности на сжатие σ, можно использовать комбинацию величин нагрузки на бур и скорости его вращения, соответствующую паре электрических сигналов из числа этой последовательности второго типа, из диапазона между точками p_N-lim и p_w-lim, если только, конечно, величина w для точки p_dc ≅ величины w для точки p_w-lim: при нарушении этого условия следует выбирать комбинацию величин из диапазона между точками p_N-lim и p_dc.

Можно также более предпочтительным образом выбирать комбинацию величин из диапазона между точками p_N-mar и p_w-mar или в диапазоне между точками p_N-mar и p_dc, т. е. воспользоваться меньшими по размерам диапазонами. Еще более предпочтительным считается задание режима эксплуатации бура в непосредственной близости, причем настолько близко, насколько это целесообразно, к точке p_dc или точке p_w-mar, последнее в зависимости от того, которая из них характеризуется меньшим значением нагрузки на бур. Если для точки p_dc величина нагрузки на бур оказывается меньшей, а в качестве бура применяется бур с поликристаллической алмазной вставкой (PDC) или бур на основе шарошечного долота, можно задавать для эксплуатации значения, равные или несколько меньшие значений для точки p_dc, последнее в зависимости от характера используемого фактора безопасности. Тем не менее, если в качестве бура используется бур с алмазным наполнением, следовало бы отдать предпочтение режиму эксплуатации с величинами, равными или несколько большими величин для точки p_dc.

Посредством аналогичной обработки электрических сигналов для того же самого значения показателя прочности горной породы σ, но для других условий износа можно сформировать совокупность последовательностей пар электрических сигналов второго типа, которая может быть графически представлена в виде семейства кривых или области, например, подобной области между кривыми c₁₁ и c₁₂.

После этого появляется возможность по формированию последовательности третьего типа, соответствующей, например, кривым c₈ и c₁₃. Далее, посредством контроля или моделирования износа бура можно обеспечить оптимизацию режима эксплуатации бура путем увеличения прикладываемой к буру нагрузки w, по мере его износа, и соответствующей коррекции скорости вращения бура N.

В соответствии с менее предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения, можно выбирать величину крутящего момента T_opt, скажем, настолько близкой, насколько это целесообразно, к величине T_dc или T_w-mar, последнее в зависимости от того, которая из этих величин окажется меньшей, после чего производить обработку в соответствии с вышеописанным подходом для определения соответствующих значений w и N. Повторяя эту процедуру для различных условий износа, можно весьма просто сформировать последовательность третьего типа, соответствующую, например, кривой c₁₃.

Следует отметить, однако, что на практике оказывается предпочтительным задавать диапазоны, как показано на фиг. 3 и 4, для подготовки рекомендаций в части модификации гипотетических оптимальных условий эксплуатации. Так, например, если при использовании величин, соответствующих точке P_opt, в условиях применения конкретной колонны труб и реализации конкретной геометрии скважины для колонны труб наблюдаются резонансные явления, оператор может перейти к использованию другой совокупности условий эксплуатации, отвечающей диапазону между точками p_N-mar и p_w-mar.

Для специалистов в данной области техники не представляет труда понять, что на практике можно использовать множество различных приемов для формирования и обработки данных с целью последующего формирования подобных последовательностей электрических сигналов и что приведенный выше пример носит исключительно иллюстративный характер.

Как уже отмечалось выше, до перехода к настоящему разделу описания предполагалось, что величина показателя прочности σ остается неизменной для всего проходимого буром промежутка 14 скважины. Тем не менее в условиях реального процесса бурения величина σ может изменяться на протяжении всего промежутка скважины, формируемой с помощью бура. В результате, вне зависимости от способа, используемого для целей формирования последовательностей электрических сигналов второго и третьего типа для заданного показателя прочности горной породы, оказывается желательным повторять вышеупомянутую процедуру для других показателей прочности горной породы, через которую планируется прохождение посредством бурения конкретного бура. Так, например, для случая конкретного бура можно было бы сформировать одну последовательность электрических сигналов, соответствующую кривым, подобным кривым на фиг. 3, для случая самой мягкой горной породы, с которой бур встречается в процессе бурения. Другую последовательность электрических сигналов, соответствующую кривым, подобным кривым на фиг. 4, для случая самой твердой горной породы, с которой буру приходится сталкиваться в процессе бурения, а также еще и дополнительные подобные последовательности электрических сигналов, соответствующие промежуточным значениям показателей прочности горной породы. Последнее позволяет предоставить оператору в области эксплуатации больший объем информации для оптимального использования конкретного бура.

Таким образом, если, к примеру, анализ планирующегося к бурению промежутка скважины выявляет наличие пластов отложений с различными показателями прочности горной породы, процесс эксплуатации бура при бурении каждого из подобных слоев может быть оптимизирован. Так, в соответствии с еще одним примером реализации, если анализ основывается на данных, полученных для соседних скважин, а текущие результаты измерений забойных параметров в процессе бурения (MWD) указывают на изменения показателей прочности для горной породы по отношению к показателям прочности, которые по той или иной причине были поставлены в соответствие конкретной скважине, условия эксплуатации могут быть соответствующим образом изменены.

В соответствии с еще более предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения имеется возможность смоделировать величину σ в реальном масштабе времени, т.е. учесть изменения этой величины на каждом сравнительно небольшом по длине интервале промежутка скважины, как это более подробно пояснено в материалах соответствующей патентной заявки, подготовленной теми же самыми авторами, на изобретение "Способ проведения анализа прочности на сжатие горной породы", поданной одновременно с настоящей патентной заявкой и упоминающейся в данном описании для ссылочных целей.

Как уже упоминалось выше, для наилучшего использования всех преимуществ настоящего изобретения оказывается весьма удобным моделировать износ бура по мере бурения промежутка скважины или с использованием соответствующей технологии контролировать в реальном масштабе времени показатели износа бура или определенные параметры, указывающие на величину износа, так, чтобы имелась возможность периодической коррекции нагрузки на бур и скорости его вращения с целью оптимизации режима его эксплуатации с учетом текущих показателей износа бура.

В материалах некоторых предшествующих патентов США, например патентов N 3058532, N 2560328, N 2580860, N 4785895, N 4655300, N 3853184, N 3363702 и N 2925251, описываются различные технологии, предназначенные для непосредственного контроля в реальном масштабе времени показателей износа бура.

Кроме того, в материалах предшествующего патента США N 5305836, выданного на имя Холброка, описывается способ для моделирования износа бура в реальном масштабе времени.

Другой способ моделирования износа бура состоит в следующем.

Как показано на фиг. 5, процесс моделирования износа начинается с проведения анализа для буров типа бура 24, предназначенных для бурения скважин и имеющих те же самые размеры и конструкцию, что и бур 18. Как следует из фиг. 1, скважина или промежуток 20 скважины формируется посредством бурения по крайней мере частично с использованием бура 24. Так, в частности, бур 24 будет использован для бурения промежутка 20 скважины между исходной точкой I и конечной точкой T. В рамках этого иллюстративного примера реализации исходная точка I соответствует точке, для которой бур 24 впервые был использован для целей бурения в промежутке 20 скважины, а конечная точка T соответствует точке, в которой бур 24 был изъят из скважины. Тем не менее для целей проведения анализа, точки I и T могут задаваться в виде любых двух точек, которые могут быть однозначным образом идентифицированы, в промежутке между которыми для целей бурения был использован бур 24 и для промежутка между которыми могут быть определены необходимые данные, которые будут более подробно описаны ниже.

На практике предпочтительно использовать при проведении анализа объема работ хорошо известное соотношение вида:
Ω_b - F_bD, (5)
где Ω_b - объем работ, выполненных буром;
F_b - величина полного усилия, воздействующего на бур;
D - расстояние, на котором производилось бурение.

Длина промежутка 20 скважины на участке между точками I и T легко может быть определена и зарегистрирована в качестве одного из параметров из совокупности данных для скважины, который может определяться в процессе бурения промежутка 20 скважины, как это схематично показано линией 50. Для преобразования этого параметра к приемлемому виду для ввода в компьютер 36 и последующей обработки упомянутая длина, т.е. расстояние между точками I и T предпочтительным образом подразделяется на большое число небольших, размером порядка полфута каждый, интервалов. При этом для каждого размера интервала предусматривается формирование соответствующего электрического сигнала интервала промежутка, который вводится в компьютер 36, как это показано линией 52 на фиг. 1.

Для определения объема работ предусматривается также формирование множества электрических сигналов реального усилия интервала, каждый из которых соответствует реальному усилию, создаваемому буром на конкретном интервале в промежутке скважины между точками 1 и Т. Тем не менее, вследствие тех трудностей, которые связаны с непосредственным определением полной величины усилия, создаваемого буром, предусматривается также ввод в компьютер 36, как это показано линией 52, электрических сигналов, соответствующих другим параметрам из числа данных для скважины 50. Подобный подход теоретически позволяет определить полное реальное усилие, создаваемое буром и состоящее из прикладываемого осевого усилия, прикладываемого крутящего усилия и представленного в том или ином виде прикладываемого бокового усилия. Следует отметить, однако, что, если только боковое усилие не прикладывается целевым образом (в этом случае его величина оказывается известной), т.е., если только в нижней части конструкции скважины не предусматривается использование бурильных стабилизаторов, величина бокового усилия оказывается пренебрежимо малой и ею при дальнейшем рассмотрении можно пренебречь.

В соответствии с одним из примеров реализации настоящего изобретения параметры из числа данных для скважины, используемые для формирования электрических сигналов реального усилия интервала, представлены следующими параметрами:
нагрузкой на бур (w), выраженной, например, в фунтах,
гидравлическим ударным усилием, создаваемым буровым раствором (F_j) и выраженным, например, в фунтах,
скоростью вращения (N), выраженной, например, в количестве оборотов в 1 мин,
крутящим моментом (T), выраженным, например, в футах на фунт,
скоростью проникновения бура (R), выраженной, например, в футах/ч, и
боковым усилием при наличии последнего (Fi), выраженным, например, в фунтах.

В условиях преобразования упомянутых параметров из числа данных для скважины для каждого интервала соответственно в электрические сигналы и ввода последних, как это показано линией 52, компьютер 36 может программироваться или конфигурироваться с целью обработки этих электрических сигналов для формирования электрических сигналов реального усилия интервала на основе использования электронной модели, позволяющей решать уравнение следующего вида:
Ω_b= [(W + F_i)+120πNT/R + F₁]D, (6)
где величина бокового усилия F₁ принята пренебрежимо малой, что позволяет исключить из рассмотрения соответствующий электрический сигнал.

Неожиданно было обнаружено, что крутящая компонента усилия является превалирующей и, по существу, наиболее важной, при этом в соответствии с менее предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения анализ объема работ может проводиться с использованием только этой компоненты усилия, а соответствующее уравнение (6) в этом случае принимает следующий вид:
Ω_b = [120 π NT/R] D(7)
В соответствии с альтернативным вариантом использования настоящего изобретения при формировании электрических сигналов реального усилия интервала компьютер 36 может использовать электронную модель уравнения вида:
Ω_b = 2 π DT/d_c, (8)
где d соответствует глубине прохождения в расчете на один оборот бура и, в свою очередь, определяется по соотношению вида:
d_c = R/60 N (9)
В дальнейшем компьютер 36 может программироваться или конфигурироваться для обработки электрических сигналов реального усилия интервала совместно с соответствующими электрическими сигналами интервала промежутка для формирования электрического сигнала, соответствующего полному объему работ, выполненному буром 24 в процессе бурения между точками I и T, как это проиллюстрировано блоком 54. Этот электрический сигнал может известным образом преобразовываться в удобное для человеческого восприятия числовое значение, которое выводится хорошо известным способом, компьютером 36, как это показано линией 56.

Совместная обработка электрических сигналов реального усилия интервала и электрических сигналов интервала промежутка с целью определения полного объема 54 работ может производиться с использованием нескольких различных подходов.

В соответствии с одним из подобных подходов компьютер совместно обрабатывает электрические сигналы реального усилия интервала и электрические сигналы интервала промежутка для формирования электрического сигнала среднего взвешенного усилия, соответствующего величине среднего взвешенного усилия, создаваемого буром при бурении между исходной и конечной точками промежутка скважины. Термин "средний взвешенный" в данном случае означает, что каждое значение усилия, соответствующее одному или большему числу электрических сигналов реального усилия интервала, преобразуется посредством "взвешивания", т.е. с учетом числа интервалов промежутка, для которых реализуется это значение усилия. После этого компьютер просто создает электронную модель, позволяющую умножать значение среднего взвешенного усилия на полную величину расстояния между точками I и T, с целью формирования электрического сигнала, соответствующего величине полного объема работ.

В соответствии с другим подходом соответствующие электрический сигнал реального усилия интервала и электрический сигнал интервала промежутка для каждого интервала совместным образом обрабатываются с целью формирования соответствующего электрического сигнала реального объема работ интервала, после чего подобные электрические сигналы реального объема работ интервала интегрируются для формирования электрического сигнала полного объема работ, соответствующего величине полного объема работ, выполненных буром.

В соответствии с еще одним подобным подходом компьютер может определять на основе совместной обработки электрических сигналов реального усилия интервала и электрических сигналов интервала промежутка функциональную зависимость усилия от расстояния и в дальнейшем создавать электронную модель, позволяющую производить операцию интегрирования в отношении уже этой функциональной зависимости.

Эти три описанных выше подхода позволяют производить обработку электрических сигналов с целью формирования электрического сигнала полного объема работ и являются не только эквивалентными, но и носят, по существу, иллюстративный характер, демонстрируя различные варианты обработки, которые будут полагаться эквивалентными при рассмотрении других подходов, представляющих собой различные составляющие настоящего изобретения и описываемых более подробным образом ниже.

Следует отметить, что в настоящее время уже существует технология, позволяющая регистрировать вибрации бура повышенной интенсивности в процессе бурения. Если в результате проводимого контроля обнаруживается, что подобные вибрации имеют место хотя бы для части промежутка скважины между точками I и T, то может оказаться предпочтительным соответствующим образом запрограммировать компьютер 36 и ввести в него соответствующие электрические сигналы с тем, чтобы он сформировал для упомянутых интервалов соответствующие электрические сигналы реального усилия интервала, каждый из которых соответствовал бы усредненному усилию, создаваемому буром на соответствующем интервале. Последнее может быть сделано посредством использования усредненного (среднего) значения для каждой переменной, которая используется при формировании электрического сигнала реального усилия интервала.

Следует отметить также, что степень износа бура функциональным образом связана с выполненным буром на текущий момент результирующим объемом работ. Поэтому в дополнение к определению объема работ, выполненного буром 24 при прохождении посредством бурения между точками I и T, предусматривается определение характера износа бура 24, явившегося результатом прохождения упомянутого промежутка скважины. При этом предусматриваются формирование соответствующего электрического сигнала и ввод его в компьютер 36 в виде параметров 58, 52 накопленной информации. (В результате точка 1 в подобном случае должна соответствовать той точке, где бур 24 впервые начинает использоваться для бурения промежутка 20 скважины, а точка Т должна соответствовать той точке, в которой бур 24 изымается из скважины). Те же самые действия могут быть проделаны в отношении промежутков 22, 60 скважины и в отношении соответствующих им буров 26 и 62.

Фиг. 6 представляет собой графическую интерпретацию тех операций, которые может выполнить электронным путем компьютер 36 в отношении электрических сигналов, соответствующих упомянутым данным. На фиг. 6 приведена графическая зависимость износа бура от объема выполненных им работ. На основе использования вышеупомянутых данных компьютер 36 может обрабатывать соответствующие электрические сигналы с целью определения вида корреляционной связи между соответствующими электрическими сигналами объема работ и электрическими сигналами износа, а также создавать электронную модель, позволяющую определять на этой графической зависимости точку для каждого из промежутков 20, 22 и 60 скважины (и для соответствующего им бура). Так, например, точка 24' может использоваться для интерпретации коррелированных значений объема работ и показателя износа для бура 24, точка 26' может использоваться для интерпретации коррелированных значений объема работ и показателя износа для случая бура 26, а точка 62' может использоваться для интерпретации коррелированных значений объема работ и показателя износа для случая бура 62. Другие точки p₁, p₂ и p₃ соответствуют значениям объема работ и показателя износа для прочих буров, имеющих те же самые размер и конструкцию и не показанных на фиг. 5.

Посредством обработки электрических сигналов, соответствующих этим точкам, компьютер 36 может определить функциональную зависимость, образуемую определенными электрическими сигналами, при этом упомянутая функциональная зависимость, будучи интерпретирована в графическом виде, принимает форму гладкой кривой, в общем случае подобной кривой c₂₀; как станет более понятно из последующего изложения, при желании получить результирующую кривую в виде гладкой и непрерывной кривой не всегда удается обеспечить прохождение этой кривой через все конкретные точки, соответствующие конкретным эмпирическим данным. Подобная непрерывная кривая или так называемая "зависимость расчетного объема работ" может уже сама по себе играть роль выходных данных 64, но также может использоваться и при моделировании износа бура.

При этом оказывается весьма полезным также задавать оконечную точку p_max соответствующую максимальной степени износа бура, что соответствует такому состоянию, когда бур уже практически не может дальше эффективно использоваться для целей бурения, а затем, используя зависимость расчетного объема работ, определять соответствующий этой точке объем работ. В результате, точка p_max фактически соответствует точке максимального износа/максимального объема работ, который иногда ниже будет называться "расчетным объемом работ" применительно к конкретному типу бура. Может также оказаться весьма полезным определить вид зависимости, являющейся зеркальным отображением кривой C₂₀, например, в виде кривой c₂₂, которая характеризует в соответствии с видом вышеупомянутых электрических сигналов функциональную зависимость между оставшимся сроком эксплуатации бура и объемом проделанной им работы.

Электрические сигналы, соответствующие функциональным зависимостям, соответствующим кривым c₂₀ и c₂₂, при выводе их из компьютера в виде выходных данных 64 преобразуются последним предпочтительным образом к обеспечивающему регистрацию визуальным образом виду, например к виду кривых, показанных на фиг. 6.

Как уже упоминалось выше в другом контексте, вибрации бура могут приводить к значительным изменениям создаваемого буром усилия на индивидуальных интервалах промежутка скважины. Поэтому при определении зависимости расчетного объема работ в подобных ситуациях оказывается предпочтительным формировать соответствующие электрические сигналы максимального усилия интервала, соответствующие максимальной величине усилия, создаваемого буром на каждом подобном интервале. Одновременно может определяться, как это будет более подробно пояснено ниже, и предельный уровень, соответствующий максимальному допустимому усилию, требующемуся для прохождения горной породы, характеризующейся определенным показателем прочности на сжатие, на заданном интервале. Для любого из буров, который планируется использовать для определения вида кривой с₁, следует производить сравнение электрического сигнала максимального усилия с упомянутым предельным уровнем, и в случае, если эта величина оказывается большей или равной предельному уровню, соответствующий бур должен быть исключен из группы буров, использующихся для целей формирования электрических сигналов зависимости расчетного объема работ. Подобная операция сравнения, конечно же, может быть выполнена электронным путем самим компьютером 36 на основе использования электрического сигнала предельного уровня, соответствующего вышеупомянутому предельному уровню.

Весьма удобно при определении вышеупомянутого предельного уровня воспользоваться предельным уровнем производительности, упоминавшимся выше в связи с пояснениями к фиг. 2. После определения вышеописанным образом предельного уровня производительности для заданного показателя прочности горной породы соответствующий предельный уровень максимального усилия может быть определен посредством выполнения операции экстраполяции в результате выполнения простой операции деления этого предельного уровня производительности на величину скорости проникновения бура.

В альтернативном варианте величина реальной производительности бура могла бы сравниваться непосредственным образом с упомянутым предельным уровнем производительности.

В любом из рассмотренных случаев обработка может осуществляться электронным путем самим компьютером 36.

На практике на интенсивность вибраций могут также оказывать влияние и другие факторы, что также может быть учтено в соответствии с предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения. Подобные прочие факторы включают геометрию и жесткость колонны труб, геометрию самой скважины, а также массу нижней части конструкции скважины, расположенной ниже нейтральной точки буровой колонны труб.

При этом принцип формирования электрического сигнала максимального усилия может оставаться тем же самым, что и в рассмотренном выше случае, связанном с формированием электрических сигналов реального усилия интервала для интервалов, на которых отсутствуют проблемы, связанные с вибрациями, т.е. на основе использования электронных моделей для соотношений (5), (6) или (7) + (8), за тем лишь исключением, что для каждой из переменных, например, для переменной w будет использоваться максимальное или амплитудное значение этой переменной на конкретном интервале (за исключением переменной R, для которой должно использоваться минимальное значение).

Зависимость расчетного объема 66 работ может быть использована при определении данных, касающихся показателей истирания, как это показано линией 68. Показатели истирания, в свою очередь, могут использоваться для совершенствования модели износа и/или для коррекции предельного уровня производительности. Так, в частности, если обнаруживается присутствие заметных показателей истирания, предельный уровень производительности должен снижаться с учетом того участка промежутка скважины, который был пройден буром.

Что касается собственно самой процедуры определения показателей истирания, то оказывается необходимым располагать дополнительной накопленной информацией а более конкретно данными 70 показателей истирания, полученными для участка промежутка дополнительной скважины или скважины 72, который был пройден посредством бурения в пласте отложений с заметными показателями истирания, например, в так называемом "слое 74 твердой породы", а также данными относительно бура 76, использовавшегося для прохождения промежутка, включающего слой твердой породы 74.

Следует отметить, что в соответствии с используемой в данном описании терминологией утверждение о том, что часть геологической формации представлена горной породой с "истирающими" свойствами, означает, что конкретная горная порода характеризуется заметными показателями истирания, как, например, в случае с кварцами или песчаником в сравнении со сланцевой породой.

Показатели истирания горной породы обычно функциональным образом связаны с конфигурацией поверхности горной породы и ее показателями прочности. При этом фактор конфигурации совсем не обязательно определяется размером зерна или гранул, а скорее всего определяется показателями угловатости зерен или их "остротой граней".

Как показано на фиг. 5, данные 70 показателей истирания включают данные 78 для скважины 72 того же самого типа, что и данные 50, т.е. те же самые данные для скважины, которые необходимы для определения объема работ, а также результаты контроля показателей 80 износа для бура 76. В дополнение к этому данные показателей истирания включают данные 82 объема истирающей породы 74, выбуренной в результате использования бура 78. Этот объем может определяться известным образом посредством анализа срезов скважины 72, как это в общем случае проиллюстрировано блоком 84.

Что касается других существенных признаков настоящего изобретения, то предусматривается преобразование упомянутых данных в соответствующие электрические сигналы и ввод последних в компьютер 36, как это показано линией 86. Компьютер 36 обеспечивает оцифровывание показателей истирания посредством обработки электрических сигналов для создания электронной модели, позволяющей решать уравнение вида:
λ =(Ω_rated- Ω_b)/V_abr, (10)
где λ - показатель истирания;
Ω_b - реальный объем работ, выполненный буром (соответствующий определенному показателю износа для бура 56);
Ω_rated - расчетный объем работ (для того же самого показателя износа);
V_abr - объем истирающей среды, образовавшейся в процессе бурения.

Так, например, предположим, что бур выполнил объем работ в 1000 т/миль и был изъят из эксплуатации при показателе износа 50% после того, как выбурил 200 фут³ истирающей породы. Предположим также, что определенная ранее на основании накопленной информации зависимость расчетного объема работ для этого конкретного бура указывает на тот факт, что показатель износа должен был бы соответствовать только 40% при объеме работ в 1000 т/миль и 50% при объеме работ 1200 т/миль, как это также следует из фиг. 7. Другими словами, дополнительные 10% показателя абразивного износа соответствуют дополнительному объему работ в 200 т/миль. При этом показатель истирания определяется в виде уменьшения срока использования бура: 200 т/миль в расчете на 200 фут³ выбуренной истирающей породы или 1 (т/миль/фут³). Эта величина представлена в тех же самых единицах измерения, которые использовались и при проведении лабораторных исследований показателей истирания. Объем (в процентном отношении) истирающей породы может определяться по результатам обследования срезов скважины, которые позволяют установить процентное содержание различных литологических структур в горной породе. Окончательный объем выбуренной истирающей породы может определяться посредством умножения полного объема выбуренной горной породы на процентный показатель (объема) содержания истирающего компонента.

В альтернативном случае литологические данные могут определяться по результатам обследования срезов скважины 72, последнее посредством реализации методов измерений в процессе бурения, как это проиллюстрировано блоком 84.

Зависимость расчетного объема 66 работ и при необходимости показатели 68 истирания в дальнейшем могут использоваться для целей математического моделирования износа для бура 18 в процессе бурения им промежутка 14 скважины. В соответствии с вариантом реализации, проиллюстрированным на фиг. 5, промежуток 14 скважины, формируемой посредством бурения буром 18, проходит от поверхности земли через слой твердой породы 74 и распространяется ниже этого слоя твердой породы 74.

Используя известные методы измерения в процессе бурения и другую известную технологию, могут быть определены текущие данные типа данных 50 для промежутка 14 скважины, как это показано линией 68. Поскольку эти данные носят текущий характер, в дальнейшем они будут называться "данными в реальном масштабе времени". Эти данные в реальном масштабе времени преобразуются в соответствующие электрические сигналы, вводящиеся в компьютер 36, как это показано линией 90. На основе использования той же самой процедуры, что и для случая накопленной информации, т. е. процедуры, проиллюстрированной блоком 54, компьютер может формировать электрические сигналы реального усилия интервала и соответствующие электрические сигналы интервала промежутка для каждого интервала, проходимого буром 18. Более того компьютер может совместным образом обрабатывать электрические сигналы реального усилия интервала и электрические сигналы интервала промежутка для бура 18 с целью формирования соответствующего электрического сигнала реального объема работ интервала для каждого интервала, пройденного буром 18, и периодического выполнения операции интегрирования для этих электрических сигналов реального объема работ интервала. Последнее, в свою очередь, позволяет сформировать электрический сигнал реального объема работ, соответствующий тому объему работ, который был выполнен на текущий момент буром 68. После этого, используя электрические сигналы, соответствующие зависимости расчетного объема 66 работ, компьютер может периодически преобразовывать электрический сигнал текущего объема работ в электрический сигнал текущего износа, указывающий на показатель износа используемого бура, т.е. бура 18.

Подобные основные действия следовало бы выполнять даже в том случае, если бы имелась полная уверенность в том, что бур 68 на самом деле не проходит слой твердой породы 54 или другие истирающие слои породы. Когда электрический сигнал текущего износа достигает предварительно оговоренного предельного уровня, соответствующего или меньшего величины, соответствующей расчетному объему работ для конкретного бура с заданными размером и конструкцией, предусматривается предпочтительным образом вывод бура 68 из эксплуатации.

Поскольку скважина 70 располагается в непосредственной близости от скважины 52 и, следовательно, вполне логично предположить, что бур 68 на текущий момент проходит в процессе бурения слой твердой породы 54, предусматривается обработка электрического сигнала истирания, формируемого блоком 48, с целью коррекции электрического сигнала текущего износа, формируемого блоком 74, как это было подробно пояснено в приводившемся выше примере, связанном с учетом показателей истирания.

И снова, как и прежде, может оказаться весьма полезным осуществлять для используемого бура 18 контроль за появлением избыточных вибраций. При регистрации подобных избыточных вибраций должен формироваться, как уже отмечалось выше, соответствующий электрический сигнал максимального усилия для каждого конкретного интервала, на котором наблюдаются подобные избыточные вибрации. И снова, как и прежде, оказывается необходимым определять предельный уровень, соответствующий максимальному допустимому усилию, требующемуся для прохождения горной породы, имеющей определенный показатель прочности, на каждом интервале, а также формировать соответствующий электрический сигнал. При этом компьютер 36 сравнивает электронным путем каждый подобный электрический сигнал максимального усилия с соответствующим электрическим сигналом предельного уровня с целью проведения анализа возможного износа, превышающего по величине показатель, соответствующий электрическому сигналу текущего износа. По результатам подобного сравнения могут предприниматься соответствующие меры по исправлению ситуации. Так, например, может быть снижен уровень рабочей производительности, т.е. нагрузки на бур и/или скорости его вращения.

В любом случае электрический сигнал 92 текущего износа 92 выводится предпочтительным образом в удобной для его визуальной регистрации форме, как это показано позицией 94.

Приведенный выше пример позволяет проиллюстрировать способ моделирования износа в реальном масштабе времени. При этом следует помнить о том, что модель для прогнозирования износа могла бы использоваться и на предварительном этапе, последнее на основе использования аналогичной методологии по электронной обработке электрических сигналов, но в условиях предположения о том, что литологическая структура, в которой планируется бурение с помощью бура 18, является идентичной той литологической структуре, которая бурилась с использованием бура 76. В дальнейшем вышеупомянутые коррекции значений нагрузки на бур и его скорости вращения, призванные учесть степень износа бура, могли бы осуществляться на основе использования подобной модели прогнозирования. Так, в соответствии с наиболее предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения предусматривалось бы создание модели предварительного прогнозирования, однако, одновременно предусматривалось бы и осуществление моделирования износа в реальном масштабе времени с тем, чтобы обеспечить изменение и/или коррекцию для модели предварительного прогнозирования, а также проведение соответствующей коррекции для значений нагрузки на бур и скорости его вращения.

Для специалистов в данной области техники совершенно очевидно, что в описанные примеры реализации настоящего изобретения могут быть внесены многочисленные изменения и модификации. В связи с этим следует считать, что объем настоящего изобретения ограничивается только нижеприведенной его формулой изобретения.

Формула изобретения

1. Способ регулирования условий бурения, влияющих на режим эксплуатации заданного бура, содержащий следующие операции: проведение анализа прочности на сжатие геологической формации в промежутке скважины, предназначенном для бурения буром, проведение, совместным образом, анализа степени износа критической структуры бура, имеющей размер и конструкцию, аналогичные размеру и конструкции структуры заданного бура, причем критическая структура ранее использована для бурения материала, имеющего приблизительно тот же показатель прочности на сжатие, что и показатель прочности на сжатие, определенный при проведении анализа прочности на сжатие геологической формации, и соответствующих данных бурения для изношенной критической структуры бура, определение по результатам анализа степени износа критической структуры бура и соответствующих данных бурения для изношенной критической структуры бура соответствующего показателя прочности на сжатие предельного уровня производительности, превышение которого приводит, весьма вероятным образом, к нежелательному износу бура, и регулирование условий бурения, при которых эксплуатируется заданный бур, для поддержания необходимого уровня рабочей производительности, не превышающим предельный уровень производительности.

2. Способ по п.1, в котором предусматривается проведение анализа степени износа множества указанных критических структур бура и соответствующих данных бурения для соответствующих изношенных критических структур бура, по результатам которого осуществляют формирование последовательности первого типа коррелированных пар электрических сигналов, причем два электрических сигнала в каждой паре соответствуют интенсивности износа и рабочей производительности, соответственно, для соответствующей одной из критических структур бура, а предельный уровень производительности определяют по электрическим сигналам последовательности первого типа.

3. Способ по п.2, в котором, по меньшей мере, одна из критических структур бура представлена отдельной деталью бура, имеющей размер и конструкцию, аналогичные размеру и конструкции детали, используемой в заданном буре, и подвергается анализу степени износа в лабораторных условиях.

4. Способ по п.2, в котором, по меньшей мере, одна из критических структур бура представлена целым буром, имеющим размер и конструкцию, аналогичные размеру и конструкции заданного бура, и подвергается износу указанным выше образом в процессе эксплуатации бура при использовании его для бурения.

5. Способ по п.2, в котором условия бурения регулируются указанным выше образом для поддержания необходимого уровня рабочей производительности меньшим, но, в первом приближении, настолько близким, насколько это целесообразно, к предельному уровню производительности.

6. Способ по п.2, в котором условия бурения включают условия воздействия на режим эксплуатации заданного бура, вибрации бура приводят к появлению усилий, передаваемых буром к геологической формации и изменяющихся по величине на небольших интервалах промежутка скважины, а условия воздействия регулируются указанным выше образом с учетом максимальных величин передаваемых усилий.

7. Способ по п.2, в котором регулируемыми указанным выше образом условиями являются скорость вращения и нагрузка на бур.

8. Способ по п.7, дополнительно предусматривающий формирование последовательности второго типа коррелированных пар электрических сигналов, при этом соответствующие электрические сигналы в каждой паре соответствуют величине скорости вращения и величине нагрузки на бур, соответственно, а величины скорости вращения и нагрузки на бур для каждой пары теоретически приводят, в результате преобразования, к величине производительности, соответствующей предельному уровню производительности, а бур эксплуатируется при скорости вращения и нагрузке на бур, соответствующих одной из пар электрических сигналов последовательности второго типа.

9. Способ по п.8, дополнительно предусматривающий определение для предельного уровня производительности предельного уровня скорости вращения, превышение которого приводит, весьма вероятным образом, к весьма неблагоприятным характеристикам смещения бура, а также эксплуатацию бура указанным выше образом при скорости вращения меньшей предельного уровня скорости вращения.

10. Способ по п.9, дополнительно предусматривающий определение для предельного уровня производительности предельного уровня нагрузки на бур, превышение которого приводит, весьма вероятным образом, к весьма неблагоприятным характеристикам смещения бура, а также эксплуатацию бура указанным выше образом при нагрузке на бур, меньшей предельного уровня нагрузки на бур.

11. Способ по п.10, дополнительно содержащий следующие операции: определение для предельного уровня производительности граничного значения скорости вращения, по величине не превышающего предельный уровень скорости вращения, причем превышение этого граничного значения скорости вращения приводит, весьма вероятным образом, к нежелательным характеристикам смещения бура, определение для предельного уровня производительности граничного значения нагрузки на бур, по величине не превышающего предельный уровень нагрузки на бур, причем превышение этого граничного значения нагрузки на бур приводит, весьма вероятным образом, к нежелательным характеристикам смещения бура, и эксплуатацию указанным выше образом бура при скорости вращения, по величине, не превышающей граничное значение скорости вращения, и нагрузке на бур, по величине, не превышающей граничное значение нагрузки на бур.

12. Способ по п.11, дополнительно предусматривающий эксплуатацию указанным выше образом бура при такой скорости вращения и нагрузке на бур, которая по величине соответствует, в первом приближении, настолько близко, насколько это целесообразно, граничному значению нагрузки на бур.

13. Способ по п.12, дополнительно предусматривающий определение комбинации скорости вращения и нагрузки на бур, при которой достигается максимальная глубина резания, и эксплуатацию бура при нагрузке на бур, по величине близкой или равной меньшему из двух значений нагрузки на бур, соответствующему максимальной глубине резания или граничному значению нагрузки на бур.

14. Способ по п.10, дополнительно содержащий следующие операции: определение для предельного уровня производительности граничного значения скорости вращения, по величине не превышающего предельный уровень скорости вращения, при этом превышение этого граничного значения скорости вращения приводит, весьма вероятным образом, к появлению нежелательных характеристик смещения бура, определение для предельного уровня производительности граничного значения нагрузки на бур, по величине не превышающего предельный уровень нагрузки на бур, при этом превышение этого граничного значения нагрузки на бур приводит, весьма вероятным образом, к появлению нежелательных характеристик смещения бура, определение для предельного уровня производительности такой нагрузки на бур, при которой обеспечивается максимальная глубина резания бура, и эксплуатацию указанным выше образом бура при скорости вращения, по величине, не превышающей граничное значение скорости вращения, и при нагрузке на бур, по величине, близкой или равной меньшему из двух значений нагрузки на бур, соответствующему граничному значению нагрузки на бур или значению нагрузки на бур, при которой обеспечивается максимальная глубина резания.

15. Способ по п.8, дополнительно предусматривающий определение для предельного уровня производительности предельного уровня нагрузки на бур, превышение которого приводит, весьма вероятным образом, к весьма неблагоприятным характеристикам смещения бура, а также эксплуатацию указанным выше образом бура в условиях нагрузки на бур, по величине не превышающей предельного уровня нагрузки на бур.

16. Способ по п. 8, дополнительно предусматривающий формирование указанным выше образом множества последовательностей второго типа электрических сигналов, каждая из которых соответствует различной степени износа, и периодическое увеличение нагрузки на бур по мере износа бура с учетом соответствующей последовательности второго типа.

17. Способ по п.16, дополнительно предусматривающий изменение скорости вращения бура при увеличении указанным выше образом нагрузки на бур.

18. Способ по п.17, дополнительно предусматривающий измерение или моделирование износа бура в реальном масштабе времени.

19. Способ по п. 8, в котором проведение анализа прочности на сжатие предусматривает проведение анализа для множества слоев геологической формации, имеющих различные показатели прочности на сжатие, при этом способ дополнительно содержит следующие операции: формирование указанным выше образом соответствующих последовательностей электрических сигналов первого и второго типа для каждого подобного показателя прочности на сжатие, контроль процесса прохождения посредством бурения бура через геологическую формацию, и периодическое изменение режима эксплуатации бура с учетом соответствующей последовательности электрических сигналов, соответствующей показателю прочности на сжатие слоя геологической формации, который на текущий момент проходится посредством бурения буром.

20. Способ по п.1, в котором упомянутая прочность на сжатие анализируется указанным выше образом посредством моделирования в реальном масштабе времени в процессе бурения промежутка скважины с помощью бура.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7