RU2539089C1 - Method and system of automated determination and recording of hardness of mine rock of working face during well drilling - Google Patents

Method and system of automated determination and recording of hardness of mine rock of working face during well drilling Download PDF

Info

Publication number
RU2539089C1
RU2539089C1 RU2013145655/03A RU2013145655A RU2539089C1 RU 2539089 C1 RU2539089 C1 RU 2539089C1 RU 2013145655/03 A RU2013145655/03 A RU 2013145655/03A RU 2013145655 A RU2013145655 A RU 2013145655A RU 2539089 C1 RU2539089 C1 RU 2539089C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
hardness
rock
load
drilling
bit
Prior art date
Application number
RU2013145655/03A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Станислав Сергеевич Александров
Светлана Михайловна Александрова
Любовь Станиславовна Дистанова
Арсений Олегович Петров
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет"
Priority to RU2013145655/03A priority Critical patent/RU2539089C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2539089C1 publication Critical patent/RU2539089C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: mining.
SUBSTANCE: method involves action on a mine rock and its destruction with a rotating indenter under load, determination of hardness parameters using the value of applied load and area of contact surface of the indenter. Measurements are made immediately during drilling in a differential form: mechanical drilling speed or time of duration of a certain depth interval, a value of speeds or time is adjusted by variation of load on a bit; the bit load value is measured at moment of equality of speeds or times and hardness of mine rock is determined as per an algorithm.
EFFECT: optimisation of a well drilling process.
4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к способам определения прочности и твердости горных пород путем приложения к ним механических усилий и может быть использовано в горном деле, бурении.The invention relates to methods for determining the strength and hardness of rocks by applying mechanical forces to them and can be used in mining, drilling.

Известен способ определения упругих характеристик горной породы по данным измерений в скважине (пат. РФ №2449122, МПК E21B 49/00, оп. 27.04.2012. Бюл. №12), техническим результатом которого является определение упругих характеристик горной породы по данным замера в скважине радиального смещения стенок наклонной или горизонтальной скважины после вскрытия скважиной заданного интервала пласта. В заданном интервале определяют радиальные смещения боковой и верхней стенок наклонной скважины по результатам измерения радиусов в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Далее по результатам измерения рассчитывают среднее квадративное отклонение и доверительные интервалы смещения стенок скважины. Затем составляют две системы уравнений для боковой и верхней стенок, скважины связывающие соответствующие смещения стенок скважины с упругими характеристиками горной породы, с геостатическим давлением и с гидростатическим давлением бурового раствора и углом искривления скважины. Системы решают методом последовательного приближения относительно модуля деформации и фактического коэффициента бокового распора горных пород.A known method of determining the elastic characteristics of the rock according to measurements in the well (US Pat. RF No. 2449122, IPC E21B 49/00, op. 27.04.2012. Bull. No. 12), the technical result of which is to determine the elastic characteristics of the rock according to the measurement in a well of radial displacement of the walls of an inclined or horizontal well after opening a given interval of a formation by a well. In a given interval, the radial displacements of the lateral and upper walls of the deviated well are determined by measuring the radii in two mutually perpendicular directions. Next, the mean square deviation and confidence intervals for the displacement of the walls of the well are calculated from the measurement results. Then, two systems of equations for the side and upper walls are compiled, the wells connecting the corresponding displacements of the walls of the well with the elastic characteristics of the rock, with the geostatic pressure and with the hydrostatic pressure of the drilling fluid and the angle of curvature of the well. The systems are solved by the method of successive approximation with respect to the deformation modulus and the actual coefficient of lateral thrust of rocks.

Недостатком способа является невозможность определения твердости горной породы непосредственно в процессе бурения, поскольку бурение и измерения, на основе которых осуществляется определение упругих свойств горной породы в прототипе, разнесены во времени.The disadvantage of this method is the inability to determine the hardness of the rock directly during the drilling process, since drilling and measurements, based on which the elastic properties of the rock in the prototype are determined, are spaced in time.

Известны способ определения прочности горных пород и устройство для его реализации (пат. РФ №2204121, МПК G01N 3/40, оп. 27.12.2001 г.), включающий воздействие на горную породу и разрушение ее вращающимся под нагрузкой индентором, в процессе разрушения одновременно измеряют мощность акустических колебаний в призабойной зоне и скорость относительного перемещения индентора и горной породы и определяют показатель прочности горной породы. Недостатком как способа, так и устройства его реализующего является то, что они относятся к лабораторным средствам и применять их в процессе бурения невозможно. Кроме того, к недостатку способа и устройства следует отнести и то, что с их помощью определяется только показатель прочности, а не ее значение.A known method for determining the strength of rocks and a device for its implementation (US Pat. RF No. 2204121, IPC G01N 3/40, op. December 27, 2001), including the impact on the rock and its destruction by the indenter rotating under load, in the process of destruction simultaneously measure the power of acoustic vibrations in the bottom-hole zone and the speed of the relative movement of the indenter and the rock and determine the strength of the rock. The disadvantage of both the method and the device implementing it is that they relate to laboratory facilities and it is impossible to use them in the drilling process. In addition, the disadvantage of the method and device should be attributed to the fact that with their help is determined only an indicator of strength, and not its value.

Наиболее близким способом является способ определения прочности горной породы, включающий различные виды механического воздействия на горную породу, разрушение горной породы, определение показателей прочности с использованием величины прикладываемой нагрузки, площади контактной поверхности индентора или площади лунки разрушения в горной породе (Любимов Н.И., Носенко Л.И. Справочник по физико-механическим параметрам горных пород рудных районов. М.: Недра, 1978 г.).The closest method is to determine the strength of the rock, including various types of mechanical impact on the rock, the destruction of the rock, the determination of strength using the value of the applied load, the area of the contact surface of the indenter or the area of the hole of destruction in the rock (Lyubimov N.I., Nosenko L.I. Handbook of physicomechanical parameters of rocks in ore regions (Moscow: Nedra, 1978).

Недостатком известного способа определения прочности горной породы является отличие формы применяемых инденторов и скорости приложения нагрузки на горную породу от формы породоразрушающего инструмента и скорости приложения усилий при воздействии инструмента на горную породу. Это обуславливает резкое отличие механизма разрушения горных пород при испытаниях от реализуемого в производственных условиях. Как следствие, прочность горной породы, определенная по данным способам, не отражает реальной прочности горной породы.A disadvantage of the known method for determining rock strength is the difference in the shape of the indenters used and the rate of application of the load on the rock from the shape of the rock cutting tool and the rate of application of force when the tool is exposed to the rock. This leads to a sharp difference between the mechanism of destruction of rocks during testing from that implemented in production conditions. As a result, the strength of the rock, determined by these methods, does not reflect the real strength of the rock.

Известна система: буровая - совокупность датчиков (первичных измерительных преобразователей (ПИП) технологических параметров бурения - станция геолого-технологических исследований (ГТИ), осуществляющая сбор, обработку, регистрацию и хранение информации. При этом в функции станции ГТИ входит выдача рекомендаций по совершенствованию бурового процесса на основании полученных данных (Э.Е. Лукьянов. Геолого-технологические и геофизические исследования в процессе бурения. - Новосибирск: Издательство Дом «Историческое наследие Сибири», 2009, 752 с.).The well-known system: drilling - a set of sensors (primary measuring transducers (PIP) of technological parameters of drilling - a station for geological and technological research (GTI), collecting, processing, recording and storing information. At the same time, the GTI station includes the issuance of recommendations for improving the drilling process based on the data obtained (EE Lukyanov. Geological, technological and geophysical research in the process of drilling. - Novosibirsk: Publishing House House “Historical Heritage of Siberia”, 2009, 752 from.).

Недостатком системы является то, что в ней отсутствует модуль (блок), с помощью которого можно осуществить измерения в дифференциальной форме: нагрузку на долото G, механической скорости бурения или времени продолжительности бурения определенного интервала глубины T.The disadvantage of the system is that it does not have a module (unit) with which it is possible to carry out measurements in a differential form: the load on the bit G, the mechanical drilling speed or the duration of drilling for a certain depth interval T.

Задача изобретения - определение и регистрация твердости горной породы забоя и на основании полученной геологической информации оптимизировать дальнейший процесс бурения скважины.The objective of the invention is the determination and registration of the hardness of the rock bottom and based on the obtained geological information to optimize the further process of drilling the well.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения твердости горной породы забоя в процессе бурения скважины, включающем воздействие на горную породу и ее разрушение вращающимся и находящимся под нагрузкой индентором, определение показателей твердости с использованием величины прикладываемой нагрузки и площади контактной поверхности индентора, согласно предлагаемому изобретению измерения осуществляют непосредственно в процессе бурения в дифференциальной форме: механическую скорость бурения ϑ или время продолжительности бурения определенного интервала глубины T, изменением нагрузки на долото, выравнивают значения скоростей или времен, измеряют в момент равенства скоростей или времен значение нагрузки на долото и определяют твердость горной породы забоя по алгоритмуThis object is achieved by the fact that in the method for determining the hardness of the rock bottom while drilling, including the impact on the rock and its destruction by the rotating and under load indenter, the determination of hardness using the value of the applied load and the contact surface area of the indenter, according to the invention measurements are carried out directly in the process of drilling in differential form: mechanical drilling speed ϑ or time continuously drilling a certain interval of depth T, by changing the load on the bit, equalize the values of speeds or times, measure the value of the load on the bit at the moment of equal speeds or times and determine the hardness of the rock face using the algorithm

Figure 00000001
,
Figure 00000001
,

где

Figure 00000002
- твердость горной породы неизвестная (определяемая), соответствующая последующей точке измерения по глубине скважины или времени;Where
Figure 00000002
- rock hardness unknown (determined), corresponding to the subsequent measurement point by the depth of the well or time;

Figure 00000003
- твердость горной породы известная (уставка), соответствующая предыдущей точке измерения по глубине скважины или времени или выбранная, например, по результатам эксперимента;
Figure 00000003
- known rock hardness (set point), corresponding to the previous measurement point by the depth of the well or time, or selected, for example, according to the results of the experiment;

Gi - нагрузка на долото, соответствующая твердости горной породы и измеренная на последующей точке измерения;G i - the load on the bit corresponding to the hardness of the rock and measured at the next measurement point;

Gi-1 - нагрузка на долото, соответствующая твердости горной породы измеренная на предыдущей точке измерения, т.е. соответствующая уставке.G i-1 - the load on the bit corresponding to the hardness of the rock measured at the previous measurement point, i.e. appropriate setting.

Кроме того, для контроля твердости горной породы, нарушаемого по причине изменяющихся забойных условий, равенства алгоритма, в него вводится индикаторный член в

Figure 00000004
или
Figure 00000005
а сам алгоритм примет видIn addition, to control the hardness of the rock, violated due to changing downhole conditions, the equality of the algorithm, an indicator term is introduced into it
Figure 00000004
or
Figure 00000005
and the algorithm itself will take the form

Figure 00000006
или
Figure 00000007
Figure 00000006
or
Figure 00000007

где ϑi - механическая скорость бурения в последующей точке измерения по глубине;where ϑ i is the mechanical drilling speed at the subsequent measurement point in depth;

ϑi-1 - механическая скорость бурения в предыдущей точке измерения по глубине;ϑ i-1 - mechanical drilling speed at the previous measurement point in depth;

Ti - время продолжительности последующего интервала бурения;T i is the duration of the subsequent drilling interval;

Ti-1 - время продолжительности предыдущего интервала бурения.T i-1 - the duration of the previous drilling interval.

Кроме того, восстановление нарушаемого равенства алгоритма осуществляют путем изменения нагрузки на долото - числителя алгоритма до момента равенства единице отношения скоростей или времен, т.е. индикаторного члена алгоритма, причем в момент равенства отношения единице измеряют значение нагрузки на долото - числителя алгоритма.In addition, the restoration of violated equality of the algorithm is carried out by changing the load on the bit - numerator of the algorithm until the ratio of speeds or times is equal to unity, i.e. indicator member of the algorithm, moreover, at the moment of equal relations to one, the value of the load on the bit - the numerator of the algorithm is measured.

Система автоматизированного определения и регистрации твердости горной породы забоя в процессе бурения скважины, включающая датчики нагрузки на долото, перемещения талевого блока, лебедку и станцию ГТИ с программным обеспечением, осуществляющая сбор, обработку и регистрацию информации, отличается тем, что в систему вводят модуль-диспетчер, осуществляющий консолидацию в точках измерения через шаг дискретизации по глубине или времени, указанных устройств на решение задачи по определению и регистрации твердости горной породы забоя, причем в остальное время эти устройства работают в штатном режиме.The system for the automated determination and registration of hardness of bottom rock during well drilling, including the load sensors for the bit, the movement of the tackle block, the winch and the GTI station with software that collects, processes and records information, differs in that a dispatch module is introduced into the system performing consolidation at measurement points through a step of sampling in depth or time of the indicated devices to solve the problem of determining and recording the hardness of a face rock, when it during the rest of the devices are operating normally.

Алгоритм взаимосвязи расхода промывочной жидкости Q, твердости горной породы забоя Pш.з., технологических параметров, разрушающих эту породу, - нагрузку на долото G и число его оборотов n, имеет видAlgorithm for the relationship of the flow rate of the washing fluid Q, the hardness of the rock bottom P n , technological parameters that destroy this rock, - the load on the bit G and the number of revolutions n, has the form

Figure 00000008
Figure 00000008

где

Figure 00000009
;Where
Figure 00000009
;

V - объем разрушенной породы за единичный акт взаимодействия зубка долота с горной породой забоя;V Iz - the volume of the destroyed rock for a single act of interaction of the tooth of the bit with the rock of the face;

Sk0 - площадь поверхности зубка долота, контактирующего с породой забоя;Sk 0 - surface area of the tooth of the bit in contact with the rock bottom;

γп - удельный вес разрушаемой породы;γ p - specific gravity of the rock being destroyed;

γз.п. - удельный вес промывочной жидкости в затрубном пространстве;γ s.p. - the specific gravity of the flushing fluid in the annulus;

γж - удельный вес промывочной жидкости, закачиваемой в скважину.γ W - the specific gravity of the flushing fluid pumped into the well.

Будем считать, что A, G, n постоянны по крайней мере на протяжении одного рейса. Тогда (1) можно записать для соседних точек измерения:We assume that A, G, n are constant for at least one trip. Then (1) can be written for neighboring measurement points:

Figure 00000010
Figure 00000011
Figure 00000010
Figure 00000011

Возьмем отношение формул (2а) и (2б) и получимWe take the ratio of formulas (2a) and (2b) and get

Figure 00000012
Figure 00000012

где

Figure 00000002
- твердость горной породы на глубине Hi, т.е. на последующей точке измерения;Where
Figure 00000002
- rock hardness at a depth of H i , i.e. at the next measuring point;

Figure 00000003
- твердость горной породы на глубине Hi-1, т.е на предыдущей точке измерения.
Figure 00000003
- rock hardness at a depth of H i-1 , i.e. at the previous measurement point.

При этом ΔH=Hi-Hi-1 - шаг дискретизации по глубине, изменяющийся от 0,1 до 1 м и который задается, например, программно в зависимости от скважинных условий.Moreover, ΔH = H i -H i-1 is the sampling step in depth, varying from 0.1 to 1 m and which is set, for example, programmatically depending on the well conditions.

Из (3) имеемFrom (3) we have

Figure 00000013
Figure 00000013

Полученные выражения (3), (4) только подтверждают вывод, что нагрузка на долото зависит только от твердости разрушаемой горной породы забоя (А.А. Погарский. Автоматизация процесса бурения глубоких скважин. - М:. Недра, 1972, 216 с.). Поскольку твердость горной породы по мере углубления забоя постоянно изменяется, то выражение (4) лучше представить в виде неравенства, т.е.The obtained expressions (3), (4) only confirm the conclusion that the load on the bit depends only on the hardness of the rock being destroyed by the face (A.A. Pogarsky. Automation of the deep hole drilling process. - M :. Nedra, 1972, 216 pp.) . Since the hardness of the rock is constantly changing as the face deepens, expression (4) is better represented as inequality, i.e.

Figure 00000014
Figure 00000014

Полученное выражение (5) удобно для применения в лабораторных условиях. Применение же его в процессе бурения, когда изменяющаяся, но подлежащая определению твердость горной породы забоя находится на большом расстоянии от устья (месте определения и регистрации), практически невозможно, т.к. в неравенстве нет члена фиксирующего момент равенства левой и правой частей формулы (5).The resulting expression (5) is convenient for use in laboratory conditions. Its use in the drilling process, when the changing but hard to determine hardness of the face rock is at a great distance from the mouth (the place of determination and registration), is almost impossible, because in the inequality there is no member of the moment-fixing equality of the left and right sides of formula (5).

Механическая скорость бурения ϑ или время продолжительности бурения определенного интервала глубины T весьма чувствительны к изменениям условий на забое, особенно к изменениям твердости горной породы, причем их реакция практически мгновенна. Поэтому введем в формулу (5) индикатор равенства в виде отношения скоростей (времени) (отношение - это ничто иное как дифференциальность относительно единицы), т.е.

Figure 00000004
или
Figure 00000005
получимThe mechanical drilling speed ϑ or the duration of the drilling of a certain interval of depth T is very sensitive to changes in the conditions at the bottom, especially to changes in the hardness of the rock, and their reaction is almost instantaneous. Therefore, we introduce the equality indicator in formula (5) in the form of a ratio of speeds (time) (a relation is nothing more than differential with respect to unity), i.e.
Figure 00000004
or
Figure 00000005
we get

Figure 00000015
Figure 00000016
,
Figure 00000015
Figure 00000016
,

где ϑi и ϑi-1 - соответственно механическая скорость бурения на глубине Hi и Hi-1;where ϑ i and ϑ i-1 - respectively, the mechanical drilling speed at a depth of H i and H i-1 ;

Ti и Ti-1 - соответственно время бурения интервалов проходки на глубине Hi и Hi-1.T i and T i-1 - respectively, the drilling time of the drilling intervals at a depth of H i and H i-1 .

Действительно, при увеличении (уменьшении) твердости горной породы, при прочих равных условиях, скорость проходки ϑi (числитель) будет уменьшаться (увеличиваться) относительно фиксированного (предыдущего) значения скорости в знаменателе ϑi-1 (соответственно увеличиваться (уменьшаться) время Ti относительно Ti-1). Изменением нагрузки на долото Gi в числителе в сторону увеличения (уменьшения) скорости ϑi и уменьшения (увеличения) времени Ti добиваемся условия ϑii-1, Ti=Ti-1 или

Figure 00000017
,
Figure 00000018
. Это равенство скоростей есть момент превращения неравенств (6а и 6б) в равенства, т.е. когда создается условие вычисления неизвестной величины твердости горной породы
Figure 00000002
по выражениям (4) или (6а) и (6б), преобразуемым в равенства. Последовательность процедур по определению твердости горной породы по полученным алгоритмам (6а) и (6б) подобна взвешиванию некоего продукта на стрелочных весах. В нашем случае роль стрелки играет отношение
Figure 00000019
или
Figure 00000020
, колеблющееся относительно единицы. Неизвестная и подлежащая определению твердость горной породы
Figure 00000002
находится на одной условной чаше весов (забой), на другой условной чаше (устье) находится известная величина твердости (мера или уставка)
Figure 00000003
и соответствующее ей известное усилие Gi-1 (знаменатель выражений), а также измеряемая величина разновесного усилия Gi (числитель). Изменением разновесного усилия Gi добиваемся равенства ϑii-1 или Ti=Ti-1, т.е. когда
Figure 00000021
,
Figure 00000022
. Момент равенства этих отношений единице соответствует превращению неравенств (6а) или (6б) в равенства, по которым теперь можно вычислять неизвестную твердость горной породы забоя. На этом процесс взвешивания заканчивается. Значение меры (уставка)
Figure 00000003
и соответствующее этой мере значение усилия Gi-1 выбирается из различных соображений. Во-первых, величину меры и соответствующее усилие можно получить экспериментально по методу Шрейнера и использовать ее для определения твердости породы забоя и непрерывной регистрации на всем протяжении как по глубине скважины, так и по времени, т.е. в виде градиентной кривой. Во-вторых, в качестве меры может использоваться каждое последующее определенное значение твердости породы и соответствующее ей усилие. Тогда каждое последующее вычисленное значение твердости породы и измеренное усилие (нагрузка на долото) становится предыдущей мерой (уставкой) для очередного процесса измерения и вычисления. Такая последовательность обновления меры (уставки) эквивалентна дифференциальному методу измерений. В этом случае должны четко выделяться границы раздела между слоями пород с незначительным отличием твердостей, а также реагировать на приближающуюся зону АВПД. Таким образом, регистрацию твердости горной породы можно осуществлять в двух форматах:Indeed, with an increase (decrease) in rock hardness, ceteris paribus, the penetration rate ϑ i (numerator) will decrease (increase) relative to a fixed (previous) speed in the denominator ϑ i-1 (increase (decrease) time T i relative to T i-1 ). By changing the load on the bit G i in the numerator in the direction of increasing (decreasing) the speed ϑ i and decreasing (increasing) the time T i, we obtain the condition ϑ i = ϑ i-1 , T i = T i-1 or
Figure 00000017
,
Figure 00000018
. This equality of speeds is the moment of transformation of inequalities (6a and 6b) into equalities, i.e. when a condition is created for calculating an unknown rock hardness value
Figure 00000002
by expressions (4) or (6a) and (6b), which are transformed into equalities. The sequence of procedures for determining rock hardness according to the obtained algorithms (6a) and (6b) is similar to weighing a certain product on an arrow scale. In our case, the role of the arrow is played by the relation
Figure 00000019
or
Figure 00000020
fluctuating relative to unity. Unknown and to be determined rock hardness
Figure 00000002
located on one conventional bowl (bottom), on another conventional bowl (mouth) is a known value of hardness (measure or setting)
Figure 00000003
and the corresponding known force G i-1 (denominator of expressions), as well as the measured value of the equilibrium stress G i (numerator). By changing the equilibrium force G i, we obtain the equality ϑ i = ϑ i-1 or T i = T i-1 , i.e. when
Figure 00000021
,
Figure 00000022
. The moment of equality of these relations to unity corresponds to the transformation of inequalities (6a) or (6b) into equalities, from which it is now possible to calculate the unknown hardness of the face rock. This completes the weighing process. Measure value (set point)
Figure 00000003
and the corresponding value of the force G i-1 is selected from various considerations. Firstly, the size of the measure and the corresponding effort can be obtained experimentally by the Schreiner method and used to determine the hardness of the face rock and to continuously record all along both the depth of the well and time, i.e. in the form of a gradient curve. Secondly, each subsequent determined value of the hardness of the rock and the corresponding force can be used as a measure. Then each subsequent calculated value of the hardness of the rock and the measured force (load on the bit) becomes the previous measure (setting) for the next process of measurement and calculation. Such a sequence of updating the measure (setting) is equivalent to the differential measurement method. In this case, the interface between the rock layers with a slight difference in hardness should be clearly distinguished, and also respond to the approaching zone of the airspace pressure drop. Thus, rock hardness can be recorded in two formats:

- непрерывном - относительно выбранной (заданной) меры;- continuous - relative to the selected (predetermined) measure;

- дифференциальном, когда каждое последущее вычисленное значение твердости становится предыдущей мерой для очередного процесса измерения и вычисления.- differential, when each subsequent calculated hardness value becomes the previous measure for the next measurement and calculation process.

Описанное выше по сути раскрывает последовательность процедур и необходимые средства по реализации этих процедур при определении твердости горной породы забоя. На фиг.1 приведена система вычисления и регистрации твердости горной породы, на которой:The above described essentially discloses the sequence of procedures and the necessary means to implement these procedures in determining the hardness of the rock face. Figure 1 shows a system for calculating and recording the hardness of a rock, on which:

1 - датчик нагрузки на долото;1 - bit load sensor;

2 - датчик перемещения талевого блока, позволяющий определять текущую глубину скважины, мгновенную скорость и механическую скорость за шаг дискретизации по глубине;2 - displacement sensor of the traveling block, which allows to determine the current depth of the well, instantaneous speed and mechanical speed for the sampling step in depth;

3 - лебедка;3 - winch;

4 - модуль-диспетчер;4 - dispatcher module;

5 - программное обеспечение сбора информации;5 - information collection software;

6 - ручной ввод информации;6 - manual input of information;

7 - программное обеспечение обработки информации;7 - information processing software;

8 - программа визуализации и регистрации информации;8 - program for visualization and registration of information;

9 - хронометр, осуществляющий измерение календарного времени и дискретизацию информации по времени, причем шаги дискретизации по глубине и времени должны синхронизироваться;9 - a chronometer that measures calendar time and discretizes information by time, and the sampling steps in depth and time must be synchronized;

10 - регистратор (принтер);10 - registrar (printer);

11 - станция геолого-технологических исследований (ГТИ).11 - station for geological and technological research (GTI).

Вновь вводимый модуль 4 по существу выполняет диспетчерские функции по консолидации устройств и средств в необходимое время на реализацию предлагаемого алгоритма определения и регистрации твердости горной породы забоя и существующих в современных системах контроля и управления процессами бурения (Э.Е. Лукьянов. Геолого-технологические и геофизические исследования в процессе бурения. - Новосибирск: Издательство Дом «Историческое наследие Сибири», 2009, 752 с.). Приведенная на фиг.1 система работает следующим образом. С помощью ручного ввода информации 6 на необходимой глубине или в необходимое время в программу 5 вводится величина твердости горной породы, например определенной предварительно, т.е. мера (уставка)

Figure 00000003
и соответствующая ей величина нагрузки на долото Gi-1, а также с датчика 2 значение текущей механической скорости ϑi-1 или время Ti-1 с хронометра 9. При этом процесс бурения осуществляется в штатном режиме. При приближении к точке измерения, определяемой шагом дискретизации по глубине или времени, задаваемым программой 5, эта же программа в этот момент фиксирует значения нагрузки Gi с датчика 1, механической скорости ϑi с датчика 2 или время Ti с хронометра 9. Полученные данные программа 5 передает в модуль 4, где определяется отношение
Figure 00000019
или
Figure 00000020
. Если эти отношения не равны единице, то модуль 4 вырабатывает сигнал на запуск в работу лебедки 3, которая начнет работать в сторону выравнивания скоростей или времени, устремляя отношения к единице. Как только это отношение будет равно единице, модуль 4 снимет сигнал, заставляющий работать лебедку. Одновременно сигнал поступит с модуля 4 в программу 5, по которому она примет значения нагрузки Gi с датчика. Теперь все необходимые данные для вычисления твердости горной породы, т.е.
Figure 00000003
, Gi, Gi-1, поступят с программы 5 в программу 7, которая вычислит значение твердости по алгоритмуThe newly introduced module 4 essentially performs dispatching functions to consolidate devices and means at the necessary time for the implementation of the proposed algorithm for determining and recording the hardness of the rock face and existing in modern systems for monitoring and control of drilling processes (E.E. Lukyanov. Geological, technological and geophysical research in the process of drilling. - Novosibirsk: Publishing House "Historical Heritage of Siberia", 2009, 752 pp.). Shown in figure 1, the system operates as follows. By manually entering information 6 at the required depth or at the right time, the hardness of the rock, for example, determined previously, i.e. measure (setting)
Figure 00000003
and the corresponding value of the load on the bit G i-1 , as well as from sensor 2, the value of the current mechanical speed ϑ i-1 or time T i-1 from the chronometer 9. In this case, the drilling process is carried out in normal mode. When approaching the measurement point, determined by the sampling step in depth or time specified by program 5, the same program at this moment fixes the load values G i from sensor 1, mechanical speed ϑ i from sensor 2 or time T i from chronometer 9. Received data program 5 transfers to module 4, where the relation is determined
Figure 00000019
or
Figure 00000020
. If these relations are not equal to unity, then module 4 generates a signal to start the winch 3, which will begin to work in the direction of equalizing speeds or time, directing the relationship to unity. As soon as this ratio is equal to unity, module 4 will remove the signal that makes the winch work. At the same time, the signal will come from module 4 to program 5, according to which it will receive the load values G i from the sensor. Now all the necessary data for calculating the hardness of the rock, i.e.
Figure 00000003
, G i , G i-1 , will come from program 5 to program 7, which will calculate the hardness value according to the algorithm

Figure 00000023
.
Figure 00000023
.

Далее полученное значение твердости из программы 7 поступает в программу 8, под управлением которой принтер 10 регистрирует полученный результат.Next, the obtained hardness value from program 7 enters program 8, under the control of which the printer 10 registers the result.

Последующие шаги измерения, вычисления и регистрации будут повторяться на протяжении необходимой глубины скважины или необходимого времени.The subsequent steps of measurement, calculation and registration will be repeated throughout the required depth of the well or the necessary time.

Необходимо отметить, что полученные на первом шаге дискретизации по глубине или времени значения твердости горной породы забоя и соответствующая ей нагрузка на долото необходимо использовать как меру (уставку) для последующих шагов измерения и вычисления твердости горной породы забоя. Первый шаг дискретизации по сути является адаптивным, поскольку полученные на этом шаге результаты твердости горной породы соответствуют забойным условиям конкретной скважины. Кроме того, поскольку определение твердости горной породы осуществляют в реальных скважинных условиях, в которых свойства пород определяются не только твердостью, но и ее фильтрационными (пористостью, проницаемостью) свойствами, то полученный результат больше соответствует буримости горной породы, а сам процесс определения этих свойств - научному эксперименту. Более того, полученный результат твердости горной породы используется для перехода процесса бурения в адаптивный режим, т.е. результат используется как элемент обратной связи в промежутках между процессами измерения и определения твердости горной породы.It should be noted that the hardness values of the bottom rock obtained at the first step of sampling in depth or time and the corresponding load on the bit must be used as a measure (setting) for the subsequent steps of measuring and calculating the hardness of the bottom rock. The first sampling step is essentially adaptive, since the results of rock hardness obtained at this step correspond to the bottomhole conditions of a particular well. In addition, since the determination of rock hardness is carried out in real well conditions, in which the rock properties are determined not only by hardness, but also by its filtration (porosity, permeability) properties, the result obtained is more consistent with rock drillability, and the process of determining these properties is scientific experiment. Moreover, the result of rock hardness is used to switch the drilling process to adaptive mode, i.e. the result is used as a feedback element in the intervals between the processes of measuring and determining the hardness of the rock.

Claims (4)

1. Способ автоматизированного определения и регистрации твердости горной породы забоя в процессе бурения скважины, включающий воздействие на горную породу и ее разрушение вращающимся и находящимся под нагрузкой индентором, определение показателей твердости с использованием величины прикладываемой нагрузки и площади контактной поверхности индентора, отличающийся тем, что измерения осуществляют непосредственно в процессе бурения в дифференциальной форме: механическую скорость или время продолжительности бурения определенного интервала глубины, измеряют нагрузку на долото, выравнивают значения скоростей или времен, измеряют в момент равенства скоростей или времен значение нагрузки на долото и определяют твердость горной породы по алгоритму
Figure 00000024
,
где P ш . з . H i
Figure 00000025
- твердость горной породы забоя (определяемая), соответствующая последующей точке измерения по глубине скважины или времени;
P ш . з . H i 1
Figure 00000026
- твердость горной породы известная (уставка), соответствующая предыдущей точке измерения по глубине скважины или времени или выбранная, например, по результатам эксперимента;
Gi - нагрузка на долото, соответствующая твердости горной породы и измеренная на последующей точке измерения;
Gi-1 - нагрузка на долото, соответствующая твердости горной породы измеренная на предыдущей точке измерения.
1. A method for automatically determining and recording the hardness of a face rock during a well drilling process, including impacting the rock and its destruction by a rotating and under load indenter, determining hardness indicators using the magnitude of the applied load and the indenter contact surface area, characterized in that the measurements they are carried out directly in the process of drilling in a differential form: mechanical speed or time of drilling duration of a certain inte shaft depth, measured WOB, aligned times or velocities are measured at the moment of equality of speeds or time load value on bit and determining rock hardness algorithm
Figure 00000024
,
Where P w . s . H i
Figure 00000025
- the hardness of the rock bottom (determined), corresponding to the subsequent measurement point for the depth of the well or time;
P w . s . H i - one
Figure 00000026
- known rock hardness (set point), corresponding to the previous measurement point by the depth of the well or time, or selected, for example, according to the results of the experiment;
G i - the load on the bit corresponding to the hardness of the rock and measured at the next measurement point;
G i-1 - the load on the bit corresponding to the hardness of the rock measured at the previous measurement point.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для контроля твердости горной породы, нарушаемого по причине изменяющихся забойных условий, равенства алгоритма, в него вводится индикаторный член в виде
в ϑ i ϑ i 1
Figure 00000027
или T i T i 1
Figure 00000028
, а сам алгоритм примет вид
Figure 00000029
или
Figure 00000030
,
где ϑi - механическая скорость бурения в последующей точке измерения по глубине;
ϑi-1 - механическая скорость бурения в предыдущей точке измерения по глубине;
Ti - время продолжительности последующего интервала бурения;
Ti-1- время продолжительности предыдущего интервала бурения.
2. The method according to claim 1, characterized in that to control the hardness of the rock, violated due to changing downhole conditions, the equality of the algorithm, an indicator term is introduced into it in the form
at ϑ i ϑ i - one
Figure 00000027
or T i T i - one
Figure 00000028
, and the algorithm itself will take the form
Figure 00000029
or
Figure 00000030
,
where ϑ i is the mechanical drilling speed at the subsequent measurement point in depth;
ϑ i-1 - mechanical drilling speed at the previous measurement point in depth;
T i is the duration of the subsequent drilling interval;
T i-1 - the duration of the previous drilling interval.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что восстановление нарушаемого равенства алгоритма п.2 осуществляют путем изменения нагрузки на долото - числителя алгоритма до момента равенства единице отношения скоростей или времен, т.е. индикаторного члена алгоритма, причем в момент равенства отношения единице измеряют значение нагрузки на долото - числителя алгоритма.3. The method according to claim 2, characterized in that the restoration of the violated equality of the algorithm of claim 2 is carried out by changing the load on the bit - numerator of the algorithm until the ratio of speeds or times is equal to unity, ie indicator member of the algorithm, moreover, at the moment of equal relations to one, the value of the load on the bit - the numerator of the algorithm is measured. 4. Система автоматизированного определения и регистрации твердости горной породы забоя в процессе бурения скважины, включающая датчики нагрузки на долото, перемещения талевого блока, лебедку и станцию ГТИ с программным обеспечением, осуществляющую сбор, обработку и регистрацию информации, отличающаяся тем, что в систему вводят модуль-диспетчер, осуществляющий консолидацию в точках измерения через шаг дискретизации по глубине или времени, указанных устройств на решение задачи по определению и регистрации твердости горной породы забоя, причем в остальное время эти устройства работают в штатном режиме. 4. A system for the automated determination and registration of hardness of a rock of a face while drilling a well, including sensors for load on the bit, movement of the tackle block, a winch and a GTI station with software that collects, processes, and records information, characterized in that a module is introduced into the system - a dispatcher performing consolidation at measurement points through a sampling step in depth or time of the indicated devices for solving the problem of determining and recording the hardness of a face rock, and the rest of the time, these devices operate as normal.
RU2013145655/03A 2013-10-11 2013-10-11 Method and system of automated determination and recording of hardness of mine rock of working face during well drilling RU2539089C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013145655/03A RU2539089C1 (en) 2013-10-11 2013-10-11 Method and system of automated determination and recording of hardness of mine rock of working face during well drilling

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013145655/03A RU2539089C1 (en) 2013-10-11 2013-10-11 Method and system of automated determination and recording of hardness of mine rock of working face during well drilling

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2539089C1 true RU2539089C1 (en) 2015-01-10

Family

ID=53288281

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013145655/03A RU2539089C1 (en) 2013-10-11 2013-10-11 Method and system of automated determination and recording of hardness of mine rock of working face during well drilling

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2539089C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2716631C1 (en) * 2019-10-02 2020-03-13 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" Method for determination of rock strength and device for its implementation

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1330306A1 (en) * 1985-03-11 1987-08-15 Чечено-Ингушский государственный педагогический институт Method of controlling differential pressure while drilling
US5704436A (en) * 1996-03-25 1998-01-06 Dresser Industries, Inc. Method of regulating drilling conditions applied to a well bit
US20020112888A1 (en) * 2000-12-18 2002-08-22 Christian Leuchtenberg Drilling system and method
RU2465452C1 (en) * 2011-04-01 2012-10-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" Method of control over well boring parameters and configuration of drilling string bottom for implementation of proposed method

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1330306A1 (en) * 1985-03-11 1987-08-15 Чечено-Ингушский государственный педагогический институт Method of controlling differential pressure while drilling
US5704436A (en) * 1996-03-25 1998-01-06 Dresser Industries, Inc. Method of regulating drilling conditions applied to a well bit
US20020112888A1 (en) * 2000-12-18 2002-08-22 Christian Leuchtenberg Drilling system and method
RU2465452C1 (en) * 2011-04-01 2012-10-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" Method of control over well boring parameters and configuration of drilling string bottom for implementation of proposed method

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ЛЮБИМОВ Н.И. и др., Справочник по физико-механическим параметрам горных пород рудных районов, Москва, Недра, 1978. ЛУКЬЯНОВ Э.Е., Геолого-технологические и геофизические исследования в процессе бурения, Новосибирск, Издательство Дом "Историческое наследие Сибири", 2009. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2716631C1 (en) * 2019-10-02 2020-03-13 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" Method for determination of rock strength and device for its implementation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10519769B2 (en) Apparatus and method using measurements taken while drilling to generate and map mechanical boundaries and mechanical rock properties along a borehole
US10408054B2 (en) Method for estimating stress magnitude
Kahraman et al. Review of ground characterization by using instrumented drills for underground mining and construction
CN103649781A (en) Azimuthal brittleness logging systems and methods
CN105004662B (en) A kind of method and device for testing rock mass discontinuity contact stiffness
US20200256187A1 (en) Systems and methods for classifying mechanical quality of a subterranean formation using measurements obtained during drilling
CN102220865A (en) Method for detecting limestone formation pore pressure
Baryshnikov et al. Practical experience of geomechanical monitoring in underground mineral mining
RU2539089C1 (en) Method and system of automated determination and recording of hardness of mine rock of working face during well drilling
CN107728208B (en) Method based on formation velocity predicting abnormality pore pressure
CN102644457A (en) Method for calculating distance between adjacent wells whiling drilling
He et al. Development of non-smooth fracture surface by cracks propagating in heterogeneous and particulate materials
Koulidis et al. Experimental investigation of the rock cutting process and derivation of the 3D spatial distribution of the formation strength using in-cutter sensing
CN107060747B (en) Early warning method and system for crack development zone during drilling
EP3341562B1 (en) Method for estimating stress magnitude
CN112651113A (en) Safe mud density window judgment method suitable for east China sea pressure failure stratum
RU2673093C2 (en) Method for express determination of the characteristics of the bottomhole formation zone applied when developing the well
EP3359775B1 (en) A method and a system for optimising energy usage at a drilling arrangement
RU2305298C1 (en) Method for controlling position of drilling bit during drilling
US20230305182A1 (en) Quantum gravimeters for hydrocarbon reservoir analysis
Rabensteiner et al. Tunnel monitoring in urban environments
Hrubesova et al. Geotechnical monitoring and mathematical modelling in medieval Mine Jeronym (Czech Republic)
Smith et al. Listening for landslides: method, measurements and the Peace River case study
CN107169192B (en) Method and device for identifying size of karst cave while drilling
CN108775259B (en) Detection method and system for ground vibration force response influence subarea of three-dimensional crossing tunnel

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20151012