Способ определения коэффициента преобразования системы "долото-забой"



Способ определения коэффициента преобразования системы долото-забой
Способ определения коэффициента преобразования системы долото-забой
E21B44/00 - Системы автоматического управления или регулирования процессом бурения, т.е. самоуправляемые системы, осуществляющие или изменяющие процесс бурения без участия оператора, например буровые системы, управляемые ЭВМ (неавтоматическое регулирование процесса бурения см. по виду процесса; автоматическая подача труб со стеллажа и соединение бурильных труб E21B 19/20; регулирование давления или потока бурового раствора E21B 21/08); системы, специально предназначенные для регулирования различных параметров или условий бурового процесса (средства передачи сигналов измерения из буровой скважины на поверхность E21B 47/12)

Владельцы патента RU 2624472:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" (RU)

Изобретение относится к бурению скважин и может найти применение при регулировании условий бурения. Техническим результатом является возможность определения наилучшего сочетания технических параметров, обеспечивающих наибольшую механическую скорость бурения в конкретных геологических условиях, определяемых твердостью горной породы. Способ определения коэффициента преобразования системы «долото-забой», основанный на представлении долота трехканальным преобразователем механической и гидравлической мощностей в углубление, причем первый этап процесса бурения - разрушение горной породы забоя путем расходования механической мощности, и второй этап углубления - очистка забоя от разрушенной породы путем расходования гидравлической мощности. При этом этапы разрушения горной породы и очистки забоя от разрушенной породы рассматривают как систему «долото-забой», формируемую из двух последовательно включенных преобразователей: преобразователя разрушения горной породы забоя и преобразователя очистки забоя от разрушенной породы, при этом функционирование системы «долото-забой» определяется коэффициентом преобразования, определяемым из математического выражения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к бурению скважин и может найти применение при регулировании условий бурения.

Известен способ регулирования условий бурения скважин и компановка низа буровой колонны для его осуществления (пат. РФ №2550117, Е21В 44/00, опубл. 10.05.2015. Бюл. №13), в котором долото представляют трехканальным преобразователем механической и гидравлической мощностей в углубление, причем канал числа оборотов долота и канал нагрузки на долото реализуют первый этап процесса бурения - разрушение горной породы забоя путем расхода механической мощности, а канал расхода промывочной жидкости реализует второй этап углубления - очистку забоя от разрушенной породы путем расхода гидравлической энергии, при этом оба этапа осуществляются в единовременном взаимодействии, являющимся, в свою очередь источником канальных обратных связей и межканальных связей, определяющих основу регулирования условий процесса бурения.

Недостатком прототипа является, во-первых, отсутствие геологического (петрофизического) параметра, характеризующего горную породу забоя - твердость горной породы в забойных условиях Рш.з., с которым разрушительно взаимодействует вооружение долота и который определяет механическую скорость бурения. Поэтому долото в прототипе рассматривается как таковое, преобразующее механическую и гидравлическую энергию в механическую скорость параметра горной породы забоя.

Процесс бурения реализуется в два единовременных этапа:

- этапа разрушения горной породы забоя;

- этапа очистки забоя от разрушенной породы.

Указанный недостаток не позволяет увязать в единое целое этапы процесса бурения и технологические параметры, их реализующие, в систему «долото-забой», без забойного геологического (петрофизического) параметра.

Задачей изобретения является формирование системы «долото-забой» и определение коэффициента преобразования системы «долото-забой» или коэффициента бурения, учитывающего, с одной стороны, параметр, характеризующий геологические (петрофизические) свойства породы забоя, а с другой - комплекс параметров, характеризующих энергетические затраты на процесс бурения.

Поставленная задача достигается тем, что способ определения коэффициента преобразования системы «долото-забой», основанный на представлении долота трехканальным преобразователем механической и гидравлической мощностей в углубление, причем первый этап процесса бурения - разрушение горной породы забоя путем расходования механической мощности, и второй этап углубления - очистка забоя от разрушенной породы путем расходования гидравлической мощности, согласно предлагаемому изобретению этапы разрушения горной породы и очистки забоя от разрушенной породы рассматривают как систему «долото-забой», формируемую из двух последовательно включенных преобразователей: преобразователя разрушения горной породы забоя и преобразователя очистки забоя от разрушенной породы, при этом функционирование системы «долото-забой» определяется коэффициентом преобразования вида

где Рш.з. - твердость горной породы в забойных условиях;

Q - расход промывочной жидкости;

n - число оборотов долота в единицу времени;

G - нагрузка на долото.

Кроме того, систему «долото-забой» характеризуют выходным параметром - механическая скорость бурения, определяемая комплексными коэффициентами преобразования, представляющими собой математические зависимости, определяемые комплексом параметров системы «долото-забой» вида

где - соответственно, коэффициенты преобразования расхода промывочной жидкости, нагрузки на долото, числа оборотов долота, твердости горной породы в механическую скорость долота;

Q - расход промывочной жидкости;

G - нагрузка на долото;

n - число оборотов долота;

Рш.з. - твердость горной породы в забойных условиях;

- размерный коэффициент;

V13 - объем разрушенной породы за единичный акт воздействия зуба долота на породу забоя;

- коэффициент седиментации;

- скорость оседания частиц шлама в потоке промывочной жидкости;

- скорость промывочной жидкости;

Sko - площадь контактной рабочей поверхности зуба;

γп - удельный вес разрушаемой породы;

γзп _ удельный вес промывочной жидкости в затрубном пространстве;

γж - удельный вес промывочной жидкости закачиваемой в скважину.

В известном способе долото представляется трехканальным преобразователем механической и гидравлической мощностей, расходуемых на забое в углубление. Согласно предлагаемому изобретению формируемая система «долото-забой» представляется двумя преобразователями, каждый из которых соответствует определенному этапу процесса бурения: преобразователь разрушения горной породы забоя и преобразователь очистки забоя от разрушенной породы. Поскольку процесс разрушения породы предшествует процессу очистки разрушенной породы то преобразователи должны быть включены последовательно, тем самым формируя систему «долото-забой».

Внешние силовые параметры: число оборотов системы n и нагрузка на не G, а также расход промывочной жидкости Q, являются входными параметрами преобразователя разрушения породы забоя. Геологический параметр Рш.з. является выходным параметром преобразователя разрушения.

Для доказательства этого рассмотрим взаимодействие индентора с горной породой. Процесс взаимодействия будем рассматривать, как два преобразователя осуществляют внедрение индентора в породу на глубину l' (выход) под действием силы G (вход). Тогда коэффициент преобразования запишем

Второй преобразователь осуществляет преобразования внедренного индентора на длину l'' (вход) в силу сопротивления (реакцию) породы Р (выход). Тогда

где k'' - коэффициент преобразования углубленного индентора в силу сопротивления породы.

На основании (а) и (б) запишем

где k - коэффициент преобразования внедрения индентора в силу породы.

В общем l'>l'' из-за помех, например некачественная очистка забоя. Однако можно считать, что l'=l''. Тогда

где γ - коэффициент пропорциональности;

Рш.з. - твердость горной породы в забойных условиях.

Из полученного выражения видно, что Рш.з. является выходным параметром по определению. Поэтому параметр Рш.з. можно считать выходным параметром преобразователя разрушения. Параметр расхода промывочной жидкости Q в разрушении породы не участвует, а только способствует ему путем проникновения жидкости в поры породы, облегчая разрушение. Поэтому на выходе преобразователя разрушения два параметра Рш.з. и Q, поскольку функции параметров n и G на этом заканчиваются. Функции же расхода промывочной жидкости Q реализуются непосредственно во втором преобразователе - преобразователе очистки, определяемые коэффициентом преобразования расхода в зависимости от твердости горной породы. При этом на выходе преобразователя очистки два выходных параметра Q и При этом скорость бурения в зарождается именно в процессе очистки забоя от разрушенной породы.

Все сказанное поясняется эквивалентной схемой рассматриваемой модели системы «долото-забой», приведенной на фигуре, на которой: 1 - система «долото-забой»; 2 - преобразователь разрушения породы забоя; 3 - преобразователь очистки забоя от разрушенной породы.

На основании вышеизложенного и фиг. можно записать

где k' - коэффициент преобразования, определяющий зависимость скорости вращения долота системы «долото-забой» от твердости горной породы.

Аналогично запишем

где k'' - коэффициент преобразования, определяющий зависимость нагрузки на долота системы «долото-забой» от твердости горной породы.

Тогда коэффициент преобразования преобразователем разрушения системы «долото-забой» будет

Коэффициент преобразования преобразователя очистки системы будет

На основании выражений (3) и (4) коэффициент преобразования системы «долото-забой» можно записать

Из полученного выражения (5) коэффициента преобразования системы «долото-забой» видно:

1. произведение в знаменателе силовых параметров числа оборотов долота n и нагрузки на долото G определяет этап разрушения горной породы забоя;

2. произведение силового параметра расхода промывочной жидкости Q на геологический параметр твердости горной породы Рш.з. в числителе определяет этап очистки забоя от разрушенной породы.

На выходе системы «долото-забой» (Фиг.) формируется обобщенный параметр процесса бурения - механическая скорость. Кроме того, известно выражение, связывающее четыре рассматриваемых параметра системы «долото-забой» (Пат. РФ №2499887 от 27.11.2013. Бюл. №33) и имеющее вид

где Q - расход промывочной жидкости;

G - нагрузка на долото;

n - число оборотов долота;

Рш.з. - твердость горной породы в забойных условиях;

- размерный коэффициент;

V13 - объем разрушенной породы за единичный акт воздействия зуба долота на породу забоя;

- коэффициент седиментации;

- скорость оседания частиц шлама в потоке промывочной

жидкости;

- скорость промывочной жидкости;

Sko - площадь контактной рабочей поверхности зуба;

γп - удельный вес разрушаемой породы;

γзп - удельный вес промывочной жидкости в затрубном пространстве;

γж - удельный вес промывочной жидкости закачиваемой в скважину.

Из выражения (6, а) имеем

Из приведенных выражений (6, а-г) и выходного параметра системы «долото-забой» - механической скорости бурения имеем:

где kQ - комплексный коэффициент преобразования гидравлической энергии - расхода промывочной жидкости в механическую скорость бурения;

где kG - комплексный коэффициент преобразования механической энергии - нагрузки на систему «долото-забой» в механическую скорость бурения;

где kn - комплексный коэффициент преобразования механической энергии числа оборотов системы долото-забой и в механическую скорость бурения;

где Рш.з. - комплексный коэффициент преобразования геологического параметра - твердости породы забоя в механическую скорость бурения.

Таким образом, функционирование сформированной из двух преобразователей системы «долото-забой» определяется коэффициентом преобразования

в котором параметры системы распределены по выполняемым при бурении функциям и согласуются с гармонично увязывающими эти параметры выражением

на основе которого выходной параметр системы - механическая скорость бурения определяется коэффициентами преобразования, представляющими собой комплексы параметров системы.

Техническим результатом полученных коэффициентов преобразования (5), (7а-г) является возможность определения наилучшего сочетания технических параметров, обеспечивающих сочетания технических параметров, обеспечивающих наибольшую механическую скорость бурения в конкретных геологических условиях, определяемых твердостью горной породы.

1. Способ определения коэффициента преобразования системы «долото-забой», основанный на представлении долота трехканальным преобразователем механической и гидравлической мощностей в углубление, причем первый этап процесса бурения - разрушение горной породы забоя путем расходования механической мощности, и второй этап углубления - очистка забоя от разрушенной породы путем расходования гидравлической мощности, отличающийся тем, что этапы разрушения горной породы и очистки забоя от разрушенной породы рассматривают как систему «долото-забой», формируемую из двух последовательно включенных преобразователей: преобразователя разрушения горной породы забоя и преобразователя - очистки забоя от разрушенной породы, при этом функционирование системы «долото-забой» определяется коэффициентом преобразования вида

где Рш.з. - твердость горной породы в забойных условиях;

Q - расход промывочной жидкости;

n - число оборотов долота в единицу времени;

G - нагрузка на долото.

2. Способ п. 1, отличающийся тем, что систему «долото-забой» характеризуют выходным параметром - механическая скорость бурения, определяемая комплексными коэффициентами преобразования, представляющими собой математические зависимости, определяемые комплексом параметров системы «долото-забой» вида

где kQ, kG, kn, - соответственно, коэффициенты преобразования расхода промывочной жидкости, нагрузки на долото, числа оборотов долота, твердости горной породы в механическую скорость долота;

Q - расход промывочной жидкости;

G - нагрузка на долото;

n - число оборотов долота;

Рш.з. _ твердость горной породы в забойных условиях;

- размерный коэффициент;

V13 - объем разрушенной породы за единичный акт воздействия зуба долота на породу забоя;

- коэффициент седиментации;

ϑосед. - скорость оседания частиц шлама в потоке промывочной жидкости;

ϑж - скорость промывочной жидкости;

Sko - площадь контактной рабочей поверхности зуба;

γп - удельный вес разрушаемой породы;

γзп - удельный вес промывочной жидкости в затрубном пространстве;

γж - удельный вес промывочной жидкости, закачиваемой в скважину.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к контролю и управлению операциями наклонно-направленного бурения. Техническим результатом является повышение производительности и эффективности процесса наклонно направленного бурения.
Изобретение относится к бурению, а именно к способам контроля бурения скважин. Способ включает в себя бурение ствола скважины компоновкой бурильной колонны, состоящей из бурильных труб, долота, забойного двигателя, переводника, в котором расположен скважинный прибор, включающий в себя трехосевой датчик ускорения, и телеметрической системы, передающей информацию от скважинного прибора по беспроводному каналу связи на поверхность, при этом датчиком ускорения измеряется ускорение прибора по трем взаимно ортогональным осям, определяется средний темп повышенных ударных нагрузок по каждой из осей акселерометра и общее число превышений пороговых значений ускорения в процессе бурения, полученные значения кодируются и передаются телеметрической системой на поверхность, на основании полученных данных принимается решение о необходимости изменения режимов процесса бурения.

Данное изобретение относится к способу управления операцией бурения или резания, выполняемой кабельным инструментом в скважине, содержащему этапы: запуска операции бурения или резания в скважинном объекте, например в обсадной колонне или клапане; детектирования вибраций в корпусе инструмента, создаваемых в ходе операции бурения или резания в скважинном объекте, с использованием датчика вибрации, выполненного с возможностью передачи детектируемых вибраций; обработки сигнала вибрации от датчика вибрации для получения частотного спектра в реальном времени; сравнения этого частотного спектра с эталонным частотным спектром и управления операцией на основании упомянутого сравнения частотного спектра и характеристик частотного спектра.

Изобретение относится к скважинному оборудованию для бурения скважины в толще земных пород. Техническим результатом является уменьшение осцилляций прерывистого скольжения в скважинном оборудовании для бурения буровой скважины в толще земных пород.

Изобретение относится к способу и системе уменьшения колебаний буровой колонны. Техническим результатом является устранение или значительное снижение скачкообразных колебаний в бурильной колонне.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано при разработке газовых и газоконденсатных месторождений для контроля технического состояния скважин и оперативного изменения технологического режима их эксплуатации.

Изобретение относится к симуляторам забоя скважины и, более конкретно, к системе для симуляции задержанного давления в кольцевом пространстве и движения устья скважины во время сценариев события бурения на забое скважины.

Изобретение относится к бурению скважин шарошечными долотами и может быть применено для совершенствования условий бурения. Техническим результатом является получение коэффициентов трения вращательного и поступательного движений долота при взаимодействии его вооружения с горной породой забоя, т.е.

Изобретение относится к системе и способу прогнозирования риска в реальном времени во время буровых работ. Техническим результатом является повышение точности прогнозирования риска в реальном времени во время буровых работ.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для прогнозирования операционных результатов операции бурения. По меньшей мере некоторыми из иллюстративных вариантов осуществления являются способы, включающие в себя сбор данных датчиков относительно соседних скважин и контекстных данных относительно соседних скважин и размещение данных датчиков и контекстных данных в хранилище данных, создание сокращенного набора данных посредством идентификации корреляции между данными в хранилище данных и операционным результатом в операции бурения, создание модели на основе сокращенного набора данных и прогнозирование операционного результата на основе модели.

Изобретение относится к строительству, а именно к определению механических свойств грунтов в полевых условиях. Установка для бурового зондирования содержит транспортное средство, на платформе которого размещены мачта с вращателем, гидравлическая система, обеспечивающая работу бурильно-кранового оборудования, и устройство для измерения параметров бурения, один конец которого соединен с валом вращателя транспортного средства, другой - с хвостовиком буровой колонны. С целью расширения функциональных возможностей и повышения точности измерений устройство для измерения параметров бурения снабжено датчиком силы двунаправленного действия, датчиком для измерения скорости вращения и датчиком для измерения угла наклона буровой колонны, при этом измерение глубины погружения буровой колонны и линейной скорости выполняется потенциометрическим дальномером. Технический результат состоит в повышении точности измерений, расширении функциональных возможностей устройства. 7 ил.

Изобретение относится к подземным операциям бурения, в частности к стабилизации бурового долота, бурильной колонны и/или скважинных приборов от боковой вибрации и скачкообразной подачи. Техническим результатом является уменьшение или устранение скачкообразной подачи и вибраций в скважине. Способ и система управления включают решение одной или большего количества оптимизационных задач, содержащих целевую функцию. Целевая функция может зависеть от условий, включающих физическую модель бурильной системы. Целевая функция может быть минимизирована без обращения к модели, а посредством обращения к вычисленной частоте скачкообразной подачи на основании профиля угловой скорости бурового долота. Дополнительно, фактические скважинные измерения для использования в способе и системе управления, такие как угловая скорость бурового долота, могут быть вычислены с использованием блока наблюдения. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к автоматизации бурения с использованием оптимального управления на основе стохастической теории. Техническим результатом является автоматизация бурения. Способ включает создание модели системы бурения по меньшей мере частично на основании первого набора скважинных измерений. Модель может принимать параметры бурения системы бурения в качестве входных сигналов. Скорость проходки для системы бурения может быть определена по меньшей мере частично на основании модели. Модель может быть моделирована с использованием первого набора значений для параметров бурения, а режим управления для системы бурения может быть вычислен по меньшей мере частично на основании скорости проходки и результатов моделирования. Сигнал управления, подаваемый к системе бурения, может быть создан по меньшей мере частично на основании режима управления. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к устранению скачкообразных колебаний. Техническим результатом является предотвращение возникновения скачкообразных колебаний. Способ включает прием команды, адресованной управляемому элементу бурового снаряда, формирование плавного профиля траектории по меньшей мере частично по указанной команде, определение значения момента сил трения для бурового долота бурового снаряда, формирование управляющего сигнала по меньшей мере частично на основании профиля траектории, значения момента сил трения и модели бурового снаряда и передачу управляющего сигнала управляемому элементу. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к средствам управления буровой компоновкой. Техническим результатом является исключение неравномерного вращения бурильной колонны при заклинивании или проскальзывании бурового долота. В частности, предложен способ управления буровой компоновкой, содержащий: получение данных измерений по меньшей мере от одного датчика, присоединенного к элементу буровой компоновки, расположенному в пласте; определение эксплуатационного ограничения по меньшей мере для участка буровой компоновки, основанного по меньшей мере частично на модели пласта и наборе данных отклонения, причем это определение включает определение верхнего и нижнего пределов количества скручиваний в колонне бурильных труб буровой компоновки; генерирование управляющего сигнала для изменения одного или более параметров бурения буровой компоновки, основанных по меньшей мере частично на данных измерения и эксплуатационном ограничении; и передачу управляющего сигнала к регулируемому элементу буровой компоновки. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к калибровке программ моделирования бурения и к оценке растяжения труб с целью выполнения коррекций в отношении измерений наклона и азимута и к оценке скручивания труб для выполнения коррекций в настройках передней поверхности режущего инструмента в режиме реального времени. Вдоль бурильной колонны размещен измерительный инструмент с множеством датчиков. В процессе бурения от каждого из датчиков непрерывно поступают показания измерений для определения данных о крутящем моменте, изгибающем моменте и осевой силе. Эта информация итерационно включается в механическую модель вращательно-режущего бурения (на основании стандартной механики деформируемых материалов и механики стволов скважин) для точной оценки растяжения и скручивания бурильной колонны в режиме реального времени или режиме квазиреального времени и, таким образом, содействия точному расположению ствола скважины. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин и может быть использовано для оптимального управления процессом. Техническим результатом является увеличение точности оптимального управления режимом бурения и увеличение механической скорости проводки скважины за счет оптимизации управления по математической модели с тремя регулируемыми параметрами и контролем достижения оптимума по минимуму вибрации бурильной колонны. Технический результат достигается способом оперативного оптимального управления процессом бурения скважин, при котором осуществляют адаптацию детерминированной модели дробно-степенного вида с тремя параметрами управления к условиям на забое изменением ее коэффициентов, вычислении оптимальных нагрузок на долото, скорости вращения долота, расхода бурового раствора и бурением скважины на оптимальных режимах, достижение которых определяется по минимуму частоты вибрации бурильной колонны. Способ предусматривает многократное обновление коэффициентов модели по результатам скважинных измерений скорости бурения, расчет оптимальных параметров управления по критерию "максимум механической скорости", выполнение бурения на рассчитанных параметрах с контролем достижения оптимума по минимуму вибрации бурильной колонны. 1 ил.

Изобретение относится к способу и системе управления рабочим процессом каротажа с использованием механизма адаптивного обучения, применяемого в забое и(или) на поверхности. Техническим результатом является повышение эффективности управления рабочим процессом каротажа. Способ включает измерение характеристик пласта с помощью каротажного прибора, размещенного в стволе скважины, сбор данных измерений, соответствующих измеренным характеристикам пласта, генерирование визуального представления пласта с помощью собранных данных измерений, настройку управляющего параметра каротажных работ каротажного прибора на основании по меньшей мере некоторых данных измерений и механизма адаптивного обучения внутри каротажного прибора, и отбор обновлений для механизма адаптивного обучения по меньшей мере частично на основании визуального представления. 3 н. и 25 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к бурению скважин и может найти применение при регулировании условий бурения. Техническим результатом является определение параметров условий, обеспечивающих подачу механической энергии на систему «долото-забой» с учетом скорости разрушения породы на забое. Способ основан на представлении долота трехканальным преобразователем механической и гидравлической мощностей в углубление, согласно предлагаемому решению механическую энергию представляют в виде нагрузки на систему «долото-забой», определяемой собственным весом сжатой части колонны, и подают на систему со скоростью, определяемой коэффициентом передачи подачи инструмента и вытекающего из коэффициента условия, обеспечивающего оптимизацию процесса бурения, определяемых математическим выражением. 4 ил.

Изобретение относится к бурению скважин, и более конкретно к автоматизации бурения скважин на основании профиля и энергии ствола скважины, бурение которого осуществляют. Техническим результатом является обеспечение плавного бурения ствола скважины. Способ содержит продвижение забойного оборудования (ВНА) в подземную формацию и образование, таким образом, ствола скважины вдоль действительного пути ствола скважины, причем забойное оборудование (ВНА) содержит модуль контроллера, один или большее количество датчиков и узел управления, проведение маркшейдерских измерений посредством одного или большего количества датчиков на двух или большем количестве точек замера вдоль действительного пути ствола скважины, сравнение маркшейдерских измерений с данными, соответствующими планируемому пути ствола скважины, посредством модуля контроллера, определение посредством модуля контроллера обратного пути на основании минимального расхода энергии действительного пути ствола скважины при отклонении действительного пути ствола скважины от планируемого пути ствола скважины, при этом определение обратного пути включает определение скорости изменения наклона между всеми точками замера, скорости изменения азимута между всеми точками замера и длин между всеми точками замера и уменьшение, таким образом, закругления и скручивания действительного пути ствола скважины при возвращении к планируемому пути ствола скважины, и передачу корректирующего командного сигнала к узлу управления посредством модуля контроллера с целью изменения направления траектории действительного пути ствола скважины таким образом, чтобы обеспечивать его возвращение к планируемому пути ствола скважины. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 6 ил.
Наверх