RU2183266C1

RU2183266C1 - Method of determining rock-cutting tool serviceability

Info

Publication number: RU2183266C1
Application number: RU2000124651/03A
Authority: RU
Inventors: В.У. Ямалиев (RU); В.У. Ямалиев; Азат Халилович Мирзаджанзаде (AZ); Азат Халилович Мирзаджанзаде; М.М. Хасанов (RU); М.М. Хасанов; Е.И. Ишемгужин (RU); Е.И. Ишемгужин; И.Е. Ишемгужин (RU); И.Е. Ишемгужин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ЮганскНИПИнефть"; Уфимский государственный нефтяной технический университет
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2002-06-10

Abstract

FIELD: control and measurement of parameters of well drilling process; applicable in diagnostication of serviceability of rock-cutting tools with the aim of their efficient use and in development of automated control system of drilling process. SUBSTANCE: method includes measurement of drilling mud pressure fluctuations and variation of axial weight on drilling bit; determination of entropy of drilling mud pressure fluctuations S_1P and entropy of variation of axial weight on drilling bit S_1Q at initial moment of drilling process with new drilling bit, and entropy of drilling mud pressure fluctuations S_2P and entropy of variation of axial weight on drilling bit S_2Q of drilling bit actual scale. Criteria of serviceability are taken in the form of values F_P=S_2P/S_1P and F_Q=S_2Q/S_1Q. Their reference are set, and degree or serviceability of rock-cutting tool is determined by moment of attaining of these reference values by criteria. EFFECT: higher accuracy of evaluation of technical conditions of rock-cutting tool in process of its operation simultaneously by two measured parameters. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области контроля и измерения параметров в процессе бурения нефтяных и газовых скважин и преимущественно может быть использовано при диагностировании работоспособности породоразрущающего инструмента с целью его эффективной отработки, а также при разработке автоматизированных систем управления процессом бурения. The invention relates to the field of monitoring and measuring parameters during the drilling of oil and gas wells and can mainly be used in diagnosing the health of rock cutting tools with a view to its effective development, as well as in the development of automated drilling process control systems.

Известен способ определения степени износа породоразрушающего инструмента, заключающийся в измерении пульсации давления промывочной жидкости с его последующим преобразованием в спектр колебаний давления, причем за критерий износа породоразрушающего инструмента принимается ширина полосы нормированной спектральной плотности, а предельный износ характеризуется полным отсутствием преобладающей частоты (авторское свидетельство 1427059, СССР, Е 21 В 45/00, БИ 36, 1988). A known method for determining the degree of wear of a rock cutting tool, which consists in measuring the pulsation of the pressure of the flushing fluid with its subsequent conversion into a pressure fluctuation spectrum, moreover, the criterion for wear of the rock cutting tool is the bandwidth of the normalized spectral density, and the maximum wear is characterized by the complete absence of the prevailing frequency (copyright certificate 1427059, USSR, E 21 B 45/00, BI 36, 1988).

Наряду с неоспоримыми достоинствами, спектральный анализ обладает и определенными недостатками. Во-первых, исходный сигнал заменяется на периодический. При Фурье-преобразовании изменяющихся параметров процесса со временем для всего исследуемого сигнала получаются усредненные коэффициенты. Поэтому методы, основанные на спектральном анализе, не позволяют на настоящий момент производить всесторонний анализ вибросигнала, что приводит к общим характерным погрешностям при проведении вибродиагностических исследований. Along with the indisputable advantages, spectral analysis has certain disadvantages. Firstly, the original signal is replaced with a periodic one. When the Fourier transform of the changing process parameters with time for the entire signal under study, the average coefficients are obtained. Therefore, methods based on spectral analysis do not currently allow a comprehensive analysis of the vibration signal, which leads to common characteristic errors during vibration diagnostics.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ определения работоспособности породоразрушающего инструмента путем регистрации колебаний давления промывочной жидкости в нагнетательной линии и вычисления величины критерия его работоспособности (авторское свидетельство 1800011, СССР, Е 21В 45/00, БИ 9, 1993). The closest in technical essence and the achieved result to the proposed invention is a method for determining the operability of a rock cutting tool by recording fluctuations in the pressure of the washing fluid in the discharge line and calculating the value of the criterion for its operability (copyright certificate 1800011, USSR, Е 21В 45/00, BI 9, 1993) .

В данном решении вычисляют корреляционную размерность в начале и в процессе бурения, определяют критерий работоспособности и его эталонное значение для каждой конкретной режимной пачки бурения, а границу времени работоспособности отождествляют со временем достижения критерием его эталонной величины. In this solution, the correlation dimension is calculated at the beginning and during the drilling process, the performance criterion and its reference value for each specific operating pack of drilling are determined, and the working time boundary is identified with the time the criterion reaches its reference value.

Недостатками этого метода являются довольно сложная процедура определения критерия работоспособности и соответственно низкая точность оценки технического состояния долота в процессе эксплуатации. The disadvantages of this method are the rather complicated procedure for determining the performance criterion and, accordingly, the low accuracy of assessing the technical condition of the bit during operation.

Изобретение решает техническую задачу повышения точности оценки технического состояния породоразрушающего инструмента в процессе эксплуатации одновременно по двум измеряемым параметрам, а именно: по давлению промывочной жидкости и по осевой нагрузке на долото за счет определения энтропии измеряемых параметров и критерия работоспособности долота. The invention solves the technical problem of increasing the accuracy of assessing the technical condition of a rock cutting tool during operation simultaneously by two measured parameters, namely: by the pressure of the flushing fluid and by the axial load on the bit by determining the entropy of the measured parameters and the criterion for the performance of the bit.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе определения работоспособности породоразрущающего инструмента, включающем измерение колебаний давления промывочной жидкости и вычисление величины критерия работоспособности, дополнительно измеряют колебания осевой нагрузки на долото и определяют энтропию колебаний давления промывочной жидкости S_1Р и энтропию колебаний осевой нагрузки на долото S_1Q в начальный момент бурения при новом долоте, и энтропию колебаний давления промывочной жидкости S_2Р и энтропию колебаний осевой нагрузки на долото S_2Q текущего состояния долота, а в качестве критериев работоспособности принимают величины Ф_Р=S_2Р/S_1Р и Ф_Q=S_2Q/S_1Q, задают их эталонные значения и определяют степень работоспособности породоразрушающего инструмента по моменту достижения критериями этих эталонных значений.The problem is solved in that in the known method for determining the operability of a rock cutting tool, including measuring fluctuations in the pressure of the washing liquid and calculating the value of the working criterion, the axial load fluctuations on the bit are additionally measured and the entropy of the pressure fluctuations of the washing liquid S _1P and the entropy of the axial load fluctuations on the bit S are determined _1Q at the initial moment of drilling with a new bit, and the entropy of the fluctuations in the pressure of the flushing fluid S _2P and the entropy of the oscillations of the axial load on the bit S _{2Q of the} current state of the bit, and as the performance criteria take the values Ф _Р = S _2Р / S _1Р and Ф _Q = S _2Q / S _1Q , set their reference values and determine the degree of operability of the rock cutting tool at the moment when the criteria reach these reference values.

На чертеже изображено устройство для осуществления предлагаемого способа определения работоспособности породоразрушающего инструмента при бурении скважин. Устройство содержит приемник сигналов - датчики 1, 2, блок нормирования 3, аналого-цифровой преобразователь 4, блок обработки и управления 5, блок индикации 6, пульт управления 7. The drawing shows a device for implementing the proposed method for determining the health of the rock cutting tool when drilling wells. The device contains a signal receiver - sensors 1, 2, a standardization unit 3, an analog-to-digital converter 4, a processing and control unit 5, an indication unit 6, a control panel 7.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. На устье скважины устанавливаются два датчика давления, как приемники сигналов. Датчик 1 устанавливается на неподвижном конце талевого каната или гидравлическом индикаторе веса для измерения колебаний осевой нагрузки на долото, а датчик 2 - на манифольдной линии для измерения колебаний давления промывочной жидкости. The proposed method is implemented as follows. At the wellhead, two pressure sensors are installed as signal receivers. Sensor 1 is installed on the fixed end of the hoist rope or a hydraulic weight indicator for measuring the axial load fluctuations on the bit, and sensor 2 is installed on the manifold line for measuring the pressure fluctuations of the flushing fluid.

Далее сигналы, каждый по своему каналу связи, поступают на блок нормирования 3, который обеспечивает согласование диапазона выходных сигналов датчиков с диапазоном входных сигналов аналого-цифрового преобразователя 4. Блок обработки и управления 5 формирует управляющие сигналы и вычисляет энтропию колебаний давления промывочной жидкости S_1Р и энтропию колебаний осевой нагрузки на долото S_1Q в начальный момент бурения при новом долоте, и энтропии S_2Р, S_2Q для текущего состояния долота в процессе бурения. Определяют величины критериев работоспособности Ф_Р=S_2Р/S_1Р и Ф_Q=S_2Q/S_1Q, задают эталонную величину критериев Ф_РЭ и Ф_QЭ, с которой в процессе бурения сравниваются текущие величины критериев работоспособности Ф_Р и Ф_Q. Блок индикации 6 предназначен для визуального контроля за изменением текущей величины критериев Ф_Р и Ф_Q работоспособности долота и сохранения работоспособного состояния породоразрушающего инструмента в процессе бурения путем поддержания текущих значений критериев Ф_Р и Ф_Q в пределах Ф_Р≤Ф_РЭ и Ф_Q≤Ф_QЭ. Пульт управления 7 служит для ввода оператором необходимых параметров, изменениями которых сопровождается процесс бурения скважины. А именно: изменения типа породы, долота, забойного двигателя, режима бурения, и соответственно при каждом изменении параметра регулируются эталонные значения критериев Ф_РЭ и Ф_QЭ, а процесс бурения осуществляется при соблюдении условий Ф_Р≤Ф_РЭ и Ф_Q≤Ф_QЭ.Next, the signals, each through its own communication channel, are fed to the standardization unit 3, which ensures the matching of the range of output signals of the sensors with the range of input signals of the analog-to-digital converter 4. The processing and control unit 5 generates control signals and calculates the entropy of the pressure fluctuations of the washing liquid S _1Р and the entropy of the axial load oscillations on the S _1Q bit at the initial moment of drilling with a new bit, and the entropy S _2P , S _2Q for the current state of the bit during drilling. Determine the performance criteria of magnitude F _P = S _2R / S _1P and _Q F _2Q = S / S _1Q, reference value set criteria F F _ER and _QE, which during drilling compared current values performance criteria F _P and F _Q. The display unit 6 is designed for visual inspection of the change in current magnitude criteria F _P and F _Q bit efficiency and saving operating condition cutter tool in the drilling process by maintaining the current criteria values P _P and F _Q F _R within ≤F _ER and F _Q ≤F _QE . The control panel 7 is used to enter the operator the necessary parameters, the changes of which are accompanied by the process of drilling the well. Namely, changing the type of rock, drill bit, a downhole motor, drilling mode and accordingly at each change of parameter criteria regulated reference values F and F _RE _QE, and the drilling process is performed under the conditions F _F F ≤F _RE and _Q ≤F _QE.

Конкретный пример реализации предлагаемого способа
При бурении двух скважин 15772 и 18061 на кусте 849 Самотлорской площади в ПО "Нижневартовскнефтегаз" получены следующие результаты, приведенные в таблицах 1 и 2. Анализ результатов показал, что минимальный износ вооружения (В) и опоры долота (П), по шифру износа В₁П₁ соответствует изменению критериев Ф_Р= 0,98-1,07 и Ф_Q=0,86-1,03. При увеличении износа долота увеличивается и критерий работоспособности. Максимальные значения при следующих износах долота составляют:
При В₂П₂ - Ф_Р=1,19 - Ф_Q=1,18
При В₃П₂ - Ф_P=1,21 - Ф_Q=1,34
При В₄П₂ - Ф_P=1,32 - Ф_Q=1,40
Поэтому значения критериев Ф_P=1,32 и Ф_Q=1,40 можно принять в качестве эталонных при бурении последующих скважин на этом кусте.A specific example of the implementation of the proposed method
When drilling two wells 15772 and 18061 on the 849 Samotlor area well in Nizhnevartovskneftegas Production Association, the following results are obtained, which are shown in Tables 1 and 2. Analysis of the results showed that the minimum wear of weapons (B) and bit support (P), according to wear code B ₁ P ₁ corresponds to a change in the criteria Ф _Р = 0.98-1.07 and Ф _Q = 0.86-1.03. With increasing bit wear, the performance criterion also increases. The maximum values for the following wear of the bit are:
When В ₂ П ₂ - Ф _Р = 1,19 - Ф _Q = 1,18
When B ₃ P ₂ - Ф _P = 1,21 - Ф _Q = 1,34
When B ₄ P ₂ - Ф _P = 1,32 - Ф _Q = 1,40
Therefore, the values of the criteria Ф _P = 1.32 and Ф _Q = 1.40 can be taken as reference when drilling subsequent wells on this cluster.

Известен способ регулирования оптимальной осевой нагрузки на долото при бурении скважин (патент 2124125, РФ, Е 21В 45/00, БИ 36, 1998), включающий измерение колебаний осевой нагрузки на долото, но без привлечения понятия энтропии. A known method of controlling the optimal axial load on the bit when drilling wells (patent 2124125, RF, Е 21В 45/00, BI 36, 1998), including measuring the fluctuations of the axial load on the bit, but without involving the concept of entropy.

В теории информации энтропия S рассматривается как мера неопределенности случайной величины. Если задано конечное множество {х₁, х₂,..., х_n} значений случайной величины с распределением вероятностей (p₁, р₂,... р_n), то энтропией распределения р_i называется
S = -∑ p_ilogp_i (1)
Как вытекает из выражения (1), рост энтропии функционально связан с ростом вероятности состояния. Причем возрастание энтропии в необратимом процессе означает возрастание вероятности состояния, т.е. неупорядоченное состояние более вероятно, чем упорядоченное.In information theory, the entropy S is considered as a measure of the uncertainty of a random variable. If a finite set {x ₁ , x ₂ , ..., x _n } of values of a random variable with a probability distribution (p ₁ , p ₂ , ... p _n ) is given, then the entropy of the distribution p _i is called
S = -∑ p _i logp _i (1)
As follows from expression (1), an increase in entropy is functionally related to an increase in the probability of a state. Moreover, an increase in entropy in an irreversible process means an increase in the probability of a state, i.e. an disordered state is more likely than an ordered state.

Можно предположить, что до начала бурения долото находится в равновесно-упорядоченном состоянии. Процесс бурения скважины и соответственно изменение технического состояния долота приводит к нарушению равновесия системы и возрастанию энтропии. Поэтому при бурении скважины техническое состояние долота должно удовлетворять тому состоянию системы, при котором не наблюдается рост энтропии (а именно критерия работоспособности Ф) и поддерживается ее значение на определенном уровне, что позволит не допускать аварии с долотом. Таким образом, энтропийный подход позволяет с определенной степенью точности интерпретировать техническое состояние долота и диагностировать процессы перехода одного технического состояния долота, например, почти нового B₁П₁ до максимально изношенного В₄П₃.It can be assumed that before the start of drilling, the bit is in an equilibrium-ordered state. The process of drilling a well and, accordingly, changing the technical condition of the bit leads to a disturbance in the equilibrium of the system and an increase in entropy. Therefore, when drilling a well, the technical condition of the bit must satisfy the state of the system in which there is no increase in entropy (namely, the working capacity criterion F) and its value is maintained at a certain level, which will prevent an accident with a bit. Thus, the entropy approach allows interpreting the technical condition of the bit with a certain degree of accuracy and diagnosing the transition processes of one technical condition of the bit, for example, the almost new B ₁ P ₁ to the most worn out B ₄ P ₃ .

Предлагаемый способ может найти применение при разработке автоматизированных систем процесса бурения и при разработке нефтяных месторождений, где анализ динамических изменений технологических параметров позволяет производить оперативное диагностирование состояния залежи, для выбора момента времени проведения различного воздействия на пласт. The proposed method can find application in the development of automated systems for the drilling process and in the development of oil fields, where the analysis of dynamic changes in technological parameters allows for the rapid diagnosis of the state of the reservoir, to select the point in time for various impacts on the formation.

В таблице 3 приведен пример расчета значений энтропии. Table 3 shows an example of calculating the values of entropy.

Claims

A method for determining the operability of a rock cutting tool, including measuring fluctuations in the pressure of the flushing fluid and calculating the value of the working criterion, characterized in that they additionally measure the fluctuations in the axial load on the bit and determine the entropy of the fluctuations in the pressure of the flushing fluid S _1P and the entropy of the fluctuations in the axial load on the bit S _1Q at the initial moment drilling with a new bit and the entropy of fluctuations in the pressure of the flushing fluid S _2P and the entropy of the oscillations of the axial load on the bit S _{2Q of the} current the state of the bit, and as the performance criteria take the values Ф _Р = S _2Р / S _1Р and Ф _Q = S _2Q / S _1Q , set their reference values and determine the degree of operability of the rock cutting tool at the moment the criteria reach these reference values.