RU2642699C1 - Method for well drilling process conditions regulation - Google Patents

Method for well drilling process conditions regulation Download PDF

Info

Publication number
RU2642699C1
RU2642699C1 RU2017106425A RU2017106425A RU2642699C1 RU 2642699 C1 RU2642699 C1 RU 2642699C1 RU 2017106425 A RU2017106425 A RU 2017106425A RU 2017106425 A RU2017106425 A RU 2017106425A RU 2642699 C1 RU2642699 C1 RU 2642699C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
bit
drilling
face
load
speed
Prior art date
Application number
RU2017106425A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Станислав Сергеевич Александров
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего 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 образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет"
Priority to RU2017106425A priority Critical patent/RU2642699C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2642699C1 publication Critical patent/RU2642699C1/en

Links

Images

Classifications

    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B44/00Automatic control systems specially adapted for drilling operations, i.e. self-operating systems which function to carry out or modify a drilling operation without intervention of a human operator, e.g. computer-controlled drilling systems; Systems specially adapted for monitoring a plurality of drilling variables or conditions
    • E21B44/005Below-ground automatic control systems
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B44/00Automatic control systems specially adapted for drilling operations, i.e. self-operating systems which function to carry out or modify a drilling operation without intervention of a human operator, e.g. computer-controlled drilling systems; Systems specially adapted for monitoring a plurality of drilling variables or conditions
    • E21B44/02Automatic control of the tool feed
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10Complex mathematical operations
    • G06F17/11Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Earth Drilling (AREA)

Abstract

FIELD: mining.
SUBSTANCE: method is based on bit delivery into a recess by a three-channel mechanical and hydraulic capacity converter, according to the proposed solution, mechanical energy is represented by a load on the "bit-face" system defined by the dead weight of the compressed part of the string, and is supplied to the system with a speed defined by the tool feed transition factor and the associated condition ensuring the optimisation of the drilling process, defined by a mathematical expression.
EFFECT: determination of the parameters of the conditions ensuring mechanical energy supply to the bit-face system, taking into account the rate of rock fracture on the face.
4 dwg

Description

Изобретение относится к бурению скважин и может найти применение при регулировании условий бурения.The invention relates to drilling wells and may find application in regulating drilling conditions.

Известны способ регулирования условий процесса бурения скважин и компоновка 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 канала нагрузки на долото совместно реализуют первый этап процесса углубления - 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.A known method of regulating the conditions of the drilling process and the layout of the bottom of the drill string for its implementation (US Pat. RF №2550117, ЕВВ 44/00, publ. 05/10/2015. Bull. №13), in which the bit is a three-channel converter of mechanical and hydraulic capacities in deepening, and the channel of the number of revolutions of the bit and the channel of load on the bit jointly implement the first stage of the deepening process - the destruction of the rock face by the consumption of mechanical power, and the flow channel of the flushing fluid implements the second stage of the deepening - och the source of the face from the destroyed rock by the flow of hydraulic energy.

Средства, реализующие процесс бурения, можно условно разделить на две части:Means that implement the drilling process can be divided into two parts:

- исполнительная часть - система «долото-забой», непосредственно осуществляющая разрушение породы забоя и его углубление;- the executive part - the system "bit-face", directly implementing the destruction of the rock face and its deepening;

- задающая режим работы исполнительной части, путем подачи на нее мощностей механической и гидравлической. - specifying the operating mode of the executive part, by supplying mechanical and hydraulic capacities to it.

Оба вида энергии транспортируются на систему «долото-забой» с помощью колонны бурильных труб, представляющую собой весьма неустойчивую с распределенными параметрами систему. При этом скорость транспортировки или подачи, в частности механической энергии, является определяющей при формировании режима разрушения породы забоя, т.е. в реализации первого этапа процесса бурения.Both types of energy are transported to the bit-bottom system using a drill pipe string, which is a very unstable system with distributed parameters. In this case, the speed of transportation or supply, in particular mechanical energy, is decisive in the formation of the mode of destruction of the face rock, i.e. in the implementation of the first stage of the drilling process.

В прототипе рассматривается работа исполнительной части системы «долото-забой», причем с точки зрения расходования мощностей. Подачи же энергии на систему «долото-забой», а тем более динамика подачи, в частности механической, в прототипе не учитываются, что и является его недостатком.The prototype examines the work of the Executive part of the system "bit-face", and from the point of view of power consumption. The supply of energy to the "bit-face" system, and even more so the supply dynamics, in particular mechanical, are not taken into account in the prototype, which is its drawback.

Задача предлагаемого изобретения - определение параметров условий, обеспечивающих подачу механической энергии на систему «долото-забой» с учетом скорости разрушения породы на забое, причем условий в виде коэффициентов передачи элементов системы «долото - забой - колонна бурильных труб - спускоподъемный механизм».The objective of the invention is to determine the parameters of the conditions that provide the supply of mechanical energy to the "bit-face" system, taking into account the rate of rock destruction at the bottom, and the conditions in the form of transmission coefficients of the elements of the "bit - face - drill pipe string - hoisting mechanism".

Поставленная задача достигается тем, что по способу регулирования условий процесса бурения скважин, основанном 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 выражением:The problem is achieved by the fact that according to the method of regulating the conditions of the drilling process based on the representation of the bit by a three-channel converter of mechanical and hydraulic capacities into a recess, according to the proposed solution, mechanical energy is represented as a load on the "bit-bottom" system, determined by the dead weight of the compressed part of the column and fed to the system at a speed determined by the transmission coefficient of the feed of the tool and the condition ensuing from the coefficient providing ju drilling process, defined by the expression:

Figure 00000001
Figure 00000001

при этом должны быть соблюдены условия: f1(t)=f2(t)=0 - условие оптимального бурения и ϑбп - условие оптимального регулирования процессом бурения,while the conditions must be met: f 1 (t) = f 2 (t) = 0 - the condition for optimal drilling and бур b = ϑ p - the condition for optimal regulation of the drilling process,

где kп - коэффициент передачи подачи инструмента;where k p - transmission coefficient of the feed tool;

ϑп - скорость подачи инструмента;ϑ p - tool feed speed;

ϑб - механическая скорость бурения;ϑ b - mechanical drilling speed;

f1(t) - отрицательная динамическая составляющая нагрузки G(t), порождаемая в процессе бурения;f 1 (t) is the negative dynamic component of the load G (t) generated during drilling;

f2(t) - положительная динамическая составляющая нагрузки G(t), порождаемая в процессе бурения.f 2 (t) is the positive dynamic component of the load G (t) generated during drilling.

Нагрузка на систему «долото-забой» осуществляется собственным весом сжатой части колонны бурильных труб. Это единственный параметр при бурении, поддающийся оперативному регулированию. Параметр, под действием которого осуществляется непрерывность процесса бурения (углубления) путем постоянного восстановления убывающего по мере углубления системы «долото-забой» значения нагрузки. При этом компенсация убывающего собственного веса сжатой части осуществляется за счет веса растянутой части колонны, двигающейся вслед за сжатой частью. Другими словами, для осуществления непрерывности процесса бурения должны двигаться вся колонна бурильных труб и талевый блок со скоростью углубления (механической скорости бурения), под управлением тормозной системы буровой лебедки. Нагрузку на систему «долото-забой» можно осуществлять двумя способами. Первый способ - способ заторможенной лебедки или импульсный, который осуществляется следующим образом [Е.Т. Струговец, М.Г. Лугуманов. О поиске оптимальных нагрузок на долото при бурении забойными двигателями. НТВ Каротажник. Вып. 5-6 (132-133, Тверь, 2005]. Лебедка растормаживается и на систему создается нагрузка колонной бурильных труб, значение которой Gmax определяется бурильщиком путем управления тормозной системой лебедки и контроля по индикатору веса. Под действием этой нагрузки осуществляется процесс бурения. По мере углубления нагрузка убывает до некоторого значения Gmin, значение которой контролирует бурильщик по индикатору веса. При этом время бурения от изменения нагрузки от Gmax до Gmin, субъективно, поскольку субъективны значения максимальной и минимальной нагрузок. Очевидно, что за это время процесс бурения реализуется всеми мыслимыми и немыслимыми режимами его работы. Второй способ - способ автоматического поддержания постоянной скорости подачи инструмента в зависимости от забойных условий, который до сих пор не реализован. Таким образом, для обеспечения непрерывности процесса бурения необходимо осуществлять процесс подачи инструмента: долота и колонны бурильных труб на забой.The load on the "chisel-face" system is carried out by the own weight of the compressed part of the drill pipe string. This is the only parameter in drilling that can be controlled in an operational manner. The parameter under the influence of which the drilling (deepening) process is carried out by continuously restoring the load value decreasing as the bit-bottom-hole system deepens. At the same time, the decrease in the dead weight of the compressed part is compensated for by the weight of the stretched part of the column moving after the compressed part. In other words, to ensure the continuity of the drilling process, the entire drill pipe string and tackle block must move at a recess speed (mechanical drilling speed), under the control of the winch brake system. The load on the chisel-face system can be carried out in two ways. The first method is a braked winch method or a pulsed one, which is carried out as follows [E.T. Strugovets, M.G. Lugumanov. On the search for optimal loads on the bit when drilling with downhole motors. NTV Logger. Vol. 5-6 (132-133, Tver, 2005]. The winch is braked and the system is loaded with a drill pipe string, the value of which G max is determined by the driller by controlling the winch brake system and monitoring by the weight indicator. Under this load, the drilling process is carried out. as deepening, the load decreases to a certain value of G min , the value of which is controlled by the driller according to the weight indicator, while the drilling time from changing the load from G max to G min is subjective, since the values of maximum and minimum load are subjective Obviously, during this time, the drilling process is implemented by all imaginable and inconceivable modes of its operation.The second method is a method of automatically maintaining a constant feed rate of the tool depending on the bottomhole conditions, which has not yet been implemented. Thus, to ensure the continuity of the drilling process it is necessary to carry out the process of supplying the tool: drill bits and drill pipe string to the bottom.

На фиг. 1-4 приведены схемы и механические цепи, поясняющие формирование динамической составляющей на систему «долото-забой» и подачу со скоростью подачи бурового инструмента.In FIG. 1-4 are diagrams and mechanical circuits explaining the formation of a dynamic component to the "chisel-face" system and feed at a feed rate of the drilling tool.

На фиг. 1 приведена подробная схема последовательного взаимодействия бурового инструмента, т.е. долота, колонны бурильных труб, а также наземного оборудования, осуществляющих подачу со скоростью подачи ϑп нагрузку на систему «долото-забой».In FIG. 1 shows a detailed diagram of the serial interaction of the drilling tool, i.e. drill bits, drill pipe strings, as well as ground equipment that feed at the feed rate ϑ p the load on the bit-bottom system.

На фиг. 2 приведена схема взаимодействия элементов системы «долото-забой - колонна бурильных труб» с сосредоточенными параметрами.In FIG. Figure 2 shows a diagram of the interaction of the elements of the "chisel-face - drill pipe string" with lumped parameters.

На фиг. 3 приведена механическая цепь взаимодействия элементов системы «долото-забой - колонна бурильных труб» с сосредоточенными параметрами.In FIG. Figure 3 shows the mechanical chain of interaction of the elements of the "chisel-face - drill pipe string" with lumped parameters.

На основе фиг. 2, 3 составлены дифференциальные уравнения, определяющие формирование динамической составляющей нагрузки на систему «долото-забой» действующей как внутренняя обратная связь.Based on FIG. 2, 3, differential equations are compiled that determine the formation of the dynamic component of the load on the "bit-face" system acting as internal feedback.

На фиг. 4 приведена механическая цепь системы «долото-забой» с динамической составляющей нагрузки на систему как внутренняя обратная связь.In FIG. Figure 4 shows the mechanical chain of the “chisel-face” system with the dynamic component of the load on the system as internal feedback.

На схеме позициями указано:In the diagram, the positions indicate:

1. Скважина;1. The well;

2. Система «долото-забой»;2. The system "chisel-face";

3. Забойный гидродвигатель;3. Downhole hydraulic motor;

4. Возвратный - стоковый поток промывочной жидкости;4. Return - stock flow of flushing fluid;

5. Сжатая часть колонны бурильных труб;5. The compressed part of the drill pipe string;

6. Истоковый поток промывочной жидкости;6. The source stream of flushing fluid;

7. Растянутая часть колонны бурильных труб;7. The stretched part of the drill pipe string;

8. Роторный стол;8. Rotary table;

9. Ведущая бурильная труба («квадрат»);9. Kelly (“square");

10. Шланг;10. Hose;

11. Бурильный насос;11. The boring pump;

12. Вертлюг;12. Swivel;

13. Талевый блок с кронблоком;13. Fur block with crown block;

14. Приемная емкость промывочной жидкости;14. The receiving capacity of the washing fluid;

15. Желоб;15. Gutter;

16. Совокупность шламовых сит фракций Ф1-Ф4;16. The set of sludge sieve fractions F1-F4;

17. Приемник шлам;17. Receiver sludge;

18. Емкость готовой промывочной жидкости;18. The capacity of the finished flushing fluid;

19. Двигатель электро- или внутреннего сгорания бурового насоса;19. The engine of electric or internal combustion of the mud pump;

20. Датчик натяжения силового троса;20. Power cable tension sensor;

21. Силовой трос;21. Power cable;

22. Индикатор веса;22. Weight indicator;

23. Буровая лебедка;23. Drill winch;

24. Двигатель буровой лебедки;24. Hoist engine;

25. Тормозная система буровой лебедки;25. Brake system of a drawworks;

26. Измерительный тросик;26. Measuring cable;

27. Измеритель скорости бурения;27. Drilling speed meter;

28. Двигатель ротора.28. The rotor engine.

Необходимо отметить, что в качестве измерителя механической скорости бурения 27 используется серийно выпускаемая ООО НПФ «АМК Горизонт» аппаратура перемещения талевого блока АРП-Н, на основе поворота дополнительного мерного барабана, связанного измерительным тросиком 26 с талевым блоком 13.It should be noted that as a measuring instrument of mechanical drilling speed 27, the equipment used to move the towing block ARP-N, commercially available by NPK AMK Horizont LLC, is based on the rotation of the additional measuring drum connected by the measuring cable 26 to the traveling block 13.

В общем случае вооружение долота, формирующее обновляемую ухабообразную поверхность забоя, движется со скоростьюIn general, the armament of the bit, forming the updated bump-like surface of the face, moves with speed

Figure 00000002
Figure 00000002

где

Figure 00000003
- усредненная мгновенная механическая скорость углубления поверхности забоя;Where
Figure 00000003
- averaged instantaneous mechanical speed of the deepening of the surface of the face;

ϑi - мгновенная скорость внедрения в породу i-ro зуба;ϑ i is the instantaneous penetration rate into the i-ro breed of the tooth;

N - число взаимодействующих (внедряющихся) зубьев.N is the number of interacting (embedded) teeth.

Углубление же забоя при соответствующей подаче долота за определенной отрезок времени можно определить выражениемThe deepening of the face with the appropriate feed bit for a certain period of time can be determined by the expression

Figure 00000004
Figure 00000004

где

Figure 00000005
- углубление забоя;Where
Figure 00000005
- deepening of the face;

Δt - определенный отрезок времени (время уединения), например, время одного или нескольких оборотов долота.Δt - a certain period of time (solitude), for example, the time of one or more revolutions of the bit.

Вслед за углубляющимся забоем, при соответствующей очистке его от разрушенной породы, осуществляют углубление долота, величину которого можно определить выражениемFollowing the deepening face, with appropriate cleaning from the destroyed rock, a bit is deepened, the value of which can be determined by the expression

Figure 00000006
Figure 00000006

где ϑд - скорость углубления корпуса долота.where ϑ d is the speed of the deepening of the body of the bit.

Причем в общем случае углубление корпуса долота

Figure 00000007
меньше углубления своего собственного вооружения
Figure 00000008
что обусловлено неровностями поверхности забоя, некачественной очисткой от разрушенной породы, неравномерностью осевой нагрузки, обусловленной трением и т.д. Перечисленное представляют собой помехи на забое, наличие которых позволяют рассматривать корпус долота и его вооружения условно автономно. Так как
Figure 00000009
при условии равенства времени Δt.Moreover, in the General case, the deepening of the body of the bit
Figure 00000007
less deepening their own weapons
Figure 00000008
due to roughness of the surface of the face, poor cleaning of the destroyed rock, uneven axial load due to friction, etc. The above are interference on the face, the presence of which allows us to consider the body of the bit and its weapons conditionally autonomously. As
Figure 00000009
subject to equal time Δt.

На основании сказанного и выражений (2) и (3) запишем коэффициент передачи разрушенных пород системой «долото-забой» в видеBased on the foregoing and expressions (2) and (3), we write down the transmission coefficient of the destroyed rocks by the “chisel-face” system in the form

Figure 00000010
Figure 00000010

Для осуществления непрерывного разрушения породы вооружением долота и углубления забоя необходимы: во-первых, очистка (промывка) забоя от разрушенной породы, что осуществляется промывочной жидкостью; во-вторых, осуществлять подачу - линейное перемещение (углубление) долота путем воздействия внешней силы - нагрузки; поскольку само долото таким возможностями не обладает. Нагрузку на долото может создать только собственный вес сжатой части колонны бурильных труб, которая одновременно транспортирует на забой промывочную жидкость. Величину подачи долота можно определить выражениемFor the implementation of continuous destruction of the rock by armament, chisels and deepening of the face are necessary: firstly, cleaning (washing) the face from the destroyed rock, which is carried out by washing liquid; secondly, to feed - linear movement (deepening) of the bit by external force - load; since the bit itself does not have such capabilities. The load on the bit can create only the own weight of the compressed part of the drill pipe string, which at the same time transports the flushing fluid to the bottom. The bit feed rate can be determined by the expression

Figure 00000011
Figure 00000011

где ϑп - скорость подачи инструмента.where ϑ p is the feed rate of the tool.

Тогда коэффициент передачи подачи «долото-колонна» можно записать в видеThen the transmission coefficient of the feed "bit-column" can be written as

Figure 00000012
Figure 00000012

где kд-к - коэффициент передачи скорости подачи системы «долото-колонна».where k dk - the transmission coefficient of the feed rate of the system "bit-column".

Коэффициенты передачи «долото-забой» kд-з и «долото-колонна» kд-к являются коэффициентами передачи преобразователя разрушения породы и преобразователь подачи инструмента и которые включены последовательно. Тогда можно записатьThe transmission coefficients "bit-bottom" k dz and "bit-column" k d-k are the transmission coefficients of the rock fracture transducer and the tool feed transducer and which are connected in series. Then you can write

Figure 00000013
Figure 00000013

Мгновенная механическая скорость является быстроменяющейся величиной с большой дисперсией, что не позволяет использовать ее для оценки качества управления процессами. Для этого применяют усредненные значения механической скорости [В.А. Бражников, В.А. Кузнецов. Информационные устройства для определения эффективности управления процессом бурения. М.: Недра, 1978]. Поэтому из (2) имеемInstantaneous mechanical speed is a rapidly changing quantity with a large dispersion, which does not allow using it to assess the quality of process control. To do this, use the averaged values of the mechanical speed [V.A. Brazhnikov, V.A. Kuznetsov. Information devices for determining the effectiveness of drilling process control. M .: Nedra, 1978]. Therefore, from (2) we have

Figure 00000014
Figure 00000014

С учетом выражения (8) формула (7) примет видGiven expression (8), formula (7) takes the form

Figure 00000015
Figure 00000015

где

Figure 00000016
- коэффициент передачи, определяющий условия подачи инструмента, обеспечивая непрерывность процесса бурения, причем условие, формируемое непосредственно при взаимодействие вооружения долота с забоем скважины;Where
Figure 00000016
- transmission coefficient that determines the conditions for the supply of the tool, ensuring the continuity of the drilling process, and the condition is formed directly during the interaction of the armament of the bit with the bottom of the well;

ϑп - скорость подачи бурового инструмента;ϑ p - feed rate of the drilling tool;

ϑб - механическая скорость бурения.ϑ b - mechanical drilling speed.

Колонна бурильных труб состоит из двух частей: сжатой 5 и растянутой 7. Кроме того, подачу инструмента осуществляют наземные спуско-подъемные механизмы: талевый блок 13, буровая лебедка 23, тормозная система лебедки 25. Поэтому рассмотрим условия подачи инструмента с учетом сказанного. Непосредственно нагрузку на систему «долото-забой» осуществляет сжатая часть 5 колонны бурильных труб. Тогда можно записатьThe drill pipe string consists of two parts: compressed 5 and stretched 7. In addition, the tool is supplied by ground triggers: tackle block 13, drill winch 23, brake system of winch 25. Therefore, we consider the conditions for feeding the tool with this in mind. Directly the load on the "bit-face" system is carried out by the compressed part 5 of the drill pipe string. Then you can write

Figure 00000017
Figure 00000017

Figure 00000018
- коэффициент передачи скорости подачи сжатой частью колонны;
Figure 00000018
- transmission coefficient of the feed rate by the compressed part of the column;

ϑпс - скорость подачи сжатой части.ϑ ps - feed rate of the compressed part.

Вслед за сжатой частью 5 колонны движется растянутая часть 7 со скоростью ϑпр, компенсируя убывающий вес сжатой части 5. ТогдаFollowing the compressed part 5 of the column, the extended part 7 moves with a speed ϑ pr , compensating for the decreasing weight of the compressed part 5. Then

Figure 00000019
Figure 00000019

Figure 00000020
- коэффициент передачи скорости подачи растянутой части 7. Тогда общий коэффициент подачи колонны бурильных труб
Figure 00000020
- the transmission coefficient of the feed rate of the stretched part 7. Then the total feed coefficient of the drill pipe string

Figure 00000021
Figure 00000021

где kпк - коэффициент передачи скорости подачи колонны бурильных труб.where k pc is the transmission coefficient of the feed rate of the drill pipe string.

Растянутая часть 7 колонны бурильных труб подвешивается на крюк талевого блока 13, создавая на него нагрузку, частью колонны бурильных труб не участвующей в создании нагрузки на систему «долото-забой». Поэтому по мере продвижения колонны должен спускаться и талевый блок 13. ТогдаThe stretched part 7 of the drill pipe string is suspended on the hook of the tackle block 13, creating a load on it, with a part of the drill pipe string not participating in the creation of a load on the "chisel-bottom" system. Therefore, as the column moves, the tackle block 13 should descend. Then

Figure 00000022
Figure 00000022

где

Figure 00000023
- коэффициент передачи скорости подачи талевого блока 13;Where
Figure 00000023
- transmission coefficient of the feed rate of the traveling block 13;

ϑтал - скорость подачи талевого блока 13.ϑ tal - feed rate of the tackle block 13.

Талевый блок 13 спускается за счет разматывания троса с барабана лебедки 23. ТогдаThe tackle block 13 descends due to the unwinding of the cable from the winch drum 23. Then

Figure 00000024
Figure 00000024

где

Figure 00000025
- коэффициент передачи скорости подачи буровой лебедки;Where
Figure 00000025
- transmission coefficient of the winch feed rate;

ϑлеб=πDnл - окружная скорость барабана лебедки;ϑ forehead = πDn l - peripheral speed of the winch drum;

D - диаметр барабана лебедки;D is the diameter of the winch drum;

nл - число оборотов барабана лебедки 13 в единицу времени. Тогда коэффициент передачи скорости подачи наземным спуско-подъемным механизмом n l - the number of revolutions of the winch drum 13 per unit time. Then the gear ratio of the feed rate by the surface trigger

Figure 00000026
Figure 00000026

Общий коэффициент передачи скорости подачи колонны бурильных труб и наземного спуско-подъемного механизма The overall transmission coefficient of the feed rate of the drill pipe string and the surface tripping mechanism

Figure 00000027
Figure 00000027

Из приведенного анализа видно, что как участки колонны бурильных труб, сжатая 5 и растянутая 7, так и элементы наземного спуско-подъемного механизма, равнозначны в формировании коэффициента передачи системы долото - забой - колонна - наземное оборудование, что обусловлено их последовательным действием. Поэтому в общем случае можно записатьIt can be seen from the analysis that both sections of the drill pipe string, compressed 5 and extended 7, and elements of the surface tripping mechanism are equivalent in the formation of the transmission coefficient of the bit - bottomhole - column - ground equipment system, due to their sequential action. Therefore, in the general case, we can write

Figure 00000028
Figure 00000028

где kп - коэффициент передачи подачи инструмента;where k p - transmission coefficient of the feed tool;

ϑп - скорость подачи инструмента;ϑ p - tool feed speed;

ϑб - механическая скорость бурения.ϑ b - mechanical drilling speed.

Очевидно, что условие (12), обеспечивающее оптимизацию процесса бурения, должно равняться единице, т.е.Obviously, condition (12), which ensures the optimization of the drilling process, must be equal to unity, i.e.

Figure 00000029
Figure 00000029

Из предыдущего ясно, что нарушить условие (13) может любой из внешних по отношению к системе «долото-забой» рассматриваемых элементов системы, поскольку каждый из них обладает своими механическими упругими свойствами. Для определения допустимых отклонений параметров рассматриваемых элементов от требуемых, необходим отдельный анализ. При этом в самой системе «долото-забой» при разрушении породы забоя и очистке его от разрушенной породы осуществляется внутренняя взаимосвязь скорости бурения ϑб и скорости подачи инструмента ϑп. В общем случае коэффициент передачи подачи инструмента может быть больше и меньше единицы, т.е.It is clear from the previous one that condition (13) can be violated by any of the elements of the system under consideration that are external to the “chisel-face” system, since each of them has its own elastic mechanical properties. To determine the permissible deviations of the parameters of the considered elements from the required, a separate analysis is required. At the same time, in the "bit-face" system itself, when the face rock is destroyed and it is cleaned of the destroyed rock, an internal relationship is made between the drilling speed ϑ b and the feed rate of the tool ϑ p . In the general case, the transmission coefficient of the tool feed can be more or less than unity, i.e.

Figure 00000030
Figure 00000030

или, как следствие выражения (14)or, as a consequence of expression (14)

Figure 00000031
Figure 00000031

Поэтому проведем анализ последствия неравенстваTherefore, we analyze the consequences of inequality

k ≠ 1 или ϑпб = 0.k ≠ 1, or θ nb = 0.

Для этого рассмотрим механическую систему, осуществляющую процесс бурения, которая приведена на фиг. 1, и ее механическую цепь - на фиг. 2.For this, we consider a mechanical system that carries out the drilling process, which is shown in FIG. 1, and its mechanical chain, in FIG. 2.

На фиг. 2:In FIG. 2:

ϑ(t) - источник скорости система «долото-забой»;ϑ (t) is the source of speed of the system "bit-face";

М - масса компоновки низа колонны бурильных труб и нижней, сжатой части колонны;M is the mass of the layout of the bottom of the drill pipe string and the lower, compressed part of the string;

В - эквивалентное сопротивление (трение) движению массы М;B is the equivalent resistance (friction) to the motion of the mass M;

К - жесткость пружины, определяющая упругие свойства сопряжения массы М с системой «долото-забой» и сжатой части колонны бурильных труб;K is the stiffness of the spring, which determines the elastic properties of the interface between the mass M and the "chisel-bottom" system and the compressed part of the drill pipe string;

X1 - перемещение (подача) тела массы М;X 1 - movement (supply) of a body of mass M;

Х2 - перемещение (углубление) источника скорости, при этом углубление можно определить выражениемX 2 - movement (deepening) of the speed source, while the deepening can be determined by the expression

Figure 00000032
Figure 00000032

где h - высота зуба вооружения долота;where h is the height of the tooth armament bits;

z - число зубьев внешнего венца шарошки;z is the number of teeth of the outer crown of the cone;

i=D/d - передаточное число долота;i = D / d is the gear ratio of the bit;

D и d - соответственно диаметр долота параметр шарошки;D and d - respectively, the diameter of the bit is the parameter of the cone;

G(t) - нагрузка на систему, определяемая силой веса сжатой части колонны бурильных труб;G (t) is the load on the system, determined by the force of the weight of the compressed part of the drill pipe string;

n - число оборотов долота. n is the number of revolutions of the bit.

Рассмотрим два случая.We consider two cases.

Случай возможен при переходе процесса с твердых пород в мягкие или встрече долота с трещинами, пустотами и т.п.A case is possible during the transition of a process from hard to soft rocks or when bits meet with cracks, voids, etc.

Случай А, когда x2>x1. Поскольку

Figure 00000033
- скорость бурения, а
Figure 00000034
- скорость подачи инструмента, то можно записать ϑбп. В этом случае ведущую роль процесса бурения играет система «долото-забой», непосредственно осуществляющая бурение, а ведомую роль играет колонна бурильных труб, обеспечивающая систему нагрузкой. Обращаясь теперь к схемам фиг. 2 и фиг. 3 и применяя второй закон Ньютона, запишем уравнение движения в виде [М.Ф. Гарднер, Дж. Л. Бернс. Переходные процессы в линейных системах с сосредоченными постоянными. Физматиз, 1961]Case A, when x 2 > x 1 . Insofar as
Figure 00000033
- drilling speed, and
Figure 00000034
- the feed rate of the tool, then you can write ϑ b > ϑ p . In this case, the leading role of the drilling process is played by the “chisel-face” system, which directly carries out drilling, and the guided role is played by the drill pipe string, which provides the system with a load. Turning now to the diagrams of FIG. 2 and FIG. 3 and applying Newton’s second law, we write the equation of motion in the form [M.F. Gardner, J.L. Burns. Transients in linear systems with concentrated constants. Fizmatiz, 1961]

Figure 00000035
Figure 00000035

где

Figure 00000036
- сила, определяющая относительное перемещение концов пружины, обладающей жесткостью К;Where
Figure 00000036
- the force that determines the relative movement of the ends of the spring, with rigidity K;

Figure 00000037
- сила, определяющая создание разности скоростей концов элемента сопротивления трения В.
Figure 00000037
- the force that determines the creation of the difference in speed of the ends of the element of friction resistance B.

Подставим в уравнение (16) выражение для упругой силы пружины и для силы трения получим:We substitute in equation (16) the expression for the elastic force of the spring and for the friction force we obtain:

Figure 00000038
Figure 00000038

Уравнение (17) может быть записано в видеEquation (17) can be written as

Figure 00000039
Figure 00000039

Поскольку x2(t) и

Figure 00000040
- известные функции, тоSince x 2 (t) and
Figure 00000040
are known functions then

Figure 00000041
- определяет известную динамическую внешнюю силу - отрицательную динамическую составляющую нагрузки G(t), порождаемую в процессе бурения.
Figure 00000041
- determines the known dynamic external force - the negative dynamic component of the load G (t) generated during the drilling process.

Случай Б, когда х21 или скорость подачи инструмента ϑп больше скорости бурения, ϑб ϑпб. В этом случае инициатива процесса бурения принадлежит колонне бурильных труб, обеспечивающая нагрузкой G(t) систему «долото-забой» и заставляя работать систему в форсированном режиме. Аналогично предыдущему уравнение движенияCase B, when x 2 <x 1 or the feed rate of the tool ϑ n is greater than the drilling speed, ϑ b ϑ n > ϑ b . In this case, the initiative of the drilling process belongs to the drill pipe string, providing the “bit-bottom” system with the load G (t) and forcing the system to work in forced mode. Similar to the previous equation of motion

Figure 00000042
Figure 00000042

Уравнение (19) может быть записано в виде

Figure 00000043
Equation (19) can be written as
Figure 00000043

где

Figure 00000044
- положительная динамическая составляющая нагрузка G(t), порождаемая в процессе бурения.Where
Figure 00000044
- positive dynamic component load G (t) generated during drilling.

Из выражений (8) и (20) видно, что динамическая составляющая ведет себя неоднозначно:From the expressions (8) and (20) it can be seen that the dynamic component behaves ambiguously:

- при ϑбп динамическая составляющая f1(t) стремится уменьшить нагрузку на систему G(t) и тем самым уменьшить скорость бурения ϑб;- when ϑ b > ϑ n, the dynamic component f 1 (t) tends to reduce the load on the system G (t) and thereby reduce the drilling speed ϑ b ;

- при ϑбп динамическая составляющая f2(t) стремится увеличить нагрузку на систему G(t) и тем самым увеличить скорость бурения ϑб.- when ϑ bp, the dynamic component f 2 (t) tends to increase the load on the system G (t) and thereby increase the drilling speed ϑ b .

Из сказанного следует, что динамическая составляющая нагрузки f1(t) и f2(t) стремится стабилизовать механическую скорость бурения, т.е. процесс бурения. Стабилизующим свойством процессов обычно обладает обратная связь. Следовательно, динамическая составляющая является внутренней обратной связью и порождается она системой «долото-забой-колонна бурильных труб» при условии ϑб≠ϑп.From the foregoing it follows that the dynamic component of the load f 1 (t) and f 2 (t) tends to stabilize the mechanical drilling speed, i.e. drilling process. A stabilizing property of processes is usually feedback. Therefore, the dynamic component is internal feedback and it is generated by the system “chisel-bottom-drill pipe string” under the condition ϑ b ϑ ϑ p .

Тогда схему фиг. 3 представим в виде фиг. 4, на которой показано, как к системе «долото-забой», находящейся под нагрузкой G(t), создаваемой собственным весом сжатой части колонны бурильных труб, добавляется(вычитается) динамическая составляющая f(t), порождаемая системой «долото-забой-колонна бурильных труб» в процессе бурения скважины, при условии неравенства скоростей подачи инструмента и бурения скважины, т.е. ϑп≠ϑб, при этом динамическая составляющая является внутренней обратной связью системы, способствующих повышению устойчивости системы «долото-забой» и особенно в переходных режимах, величина же этой обратной связи (динамическая составляющая) определяется не только скоростью бурения (отличной от скорости подачи), но и упругими свойствами системы «долото - забой - колонна бурильных труб» и трением ее о стенки скважины.Then the circuit of FIG. 3 we present in the form of FIG. 4, which shows how the dynamic component f (t) generated by the bit-bottom-hole system is added (subtracted) to the bit-to-face system under load G (t) created by the dead weight of the compressed part of the drill pipe string. drill pipe string "in the process of drilling a well, subject to inequality in the feed rates of the tool and the drilling of the well, i.e. ϑ p ≠ ϑ b , while the dynamic component is the internal feedback of the system, contributing to an increase in the stability of the “chisel-face” system and especially in transient conditions, the magnitude of this feedback (dynamic component) is determined not only by the drilling speed (different from the feed rate ), but also by the elastic properties of the “chisel – bottomhole – drill pipe string” system and its friction against the borehole walls.

При условии ϑбп выражения (3) и (6) примут видUnder the condition ϑ b = ϑ n, expressions (3) and (6) take the form

Figure 00000045
Figure 00000045

При этом f1(t)=f2(t)=0. Это условие является условием оптимального бурения, а условие ϑбп - условием оптимального регулирования процессом бурения.Moreover, f 1 (t) = f 2 (t) = 0. This condition is the condition for optimal drilling, and the condition ϑ b = ϑ p is the condition for optimal regulation of the drilling process.

Claims (8)

Способ регулирования условий процесса бурения скважин, основанный на представлении долота трехканальным преобразователем механической и гидравлической мощностей в углубление, отличающийся тем, что 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 выражением:A method for regulating the conditions of a drilling process based on the representation of a bit by a three-channel converter of mechanical and hydraulic capacities into a depression, characterized in that mechanical energy is represented as a load on the "bit-bottom" system, determined by its own weight of the compressed part of the column, and fed to the system with the speed determined by the transmission coefficient of the tool feed and the conditions arising from the coefficient providing the optimization of the drilling process, defined by the expression:
Figure 00000046
Figure 00000046
при этом должны быть соблюдены условия: f1(t)=f2(t)=0 - условие оптимального бурения и ϑбп - условие оптимального регулирования процессом бурения,while the conditions must be met: f 1 (t) = f 2 (t) = 0 - the condition for optimal drilling and бур b = ϑ p - the condition for optimal regulation of the drilling process, где kп - коэффициент передачи подачи инструмента;where k p - transmission coefficient of the feed tool; ϑп - скорость подачи инструмента;ϑ p - tool feed speed; ϑб - механическая скорость бурения;ϑ b - mechanical drilling speed; f1(t) - отрицательная динамическая составляющая нагрузки G(t), порождаемая в процессе бурения;f 1 (t) is the negative dynamic component of the load G (t) generated during drilling; f2(t) - положительная динамическая составляющая нагрузки G(t), порождаемая в процессе бурения.f 2 (t) is the positive dynamic component of the load G (t) generated during drilling.
RU2017106425A 2017-02-27 2017-02-27 Method for well drilling process conditions regulation RU2642699C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017106425A RU2642699C1 (en) 2017-02-27 2017-02-27 Method for well drilling process conditions regulation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017106425A RU2642699C1 (en) 2017-02-27 2017-02-27 Method for well drilling process conditions regulation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2642699C1 true RU2642699C1 (en) 2018-01-25

Family

ID=61023715

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017106425A RU2642699C1 (en) 2017-02-27 2017-02-27 Method for well drilling process conditions regulation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2642699C1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1134704A1 (en) * 1983-04-01 1985-01-15 Андижанское Специальное Проектно-Конструкторское Бюро Всесоюзного Объединения "Союзнефтеавтоматика" Apparatus for controlling and directing the process of turbine earth-drilling
SU1675546A1 (en) * 1989-05-24 1991-09-07 М.Г.Эскин Drilling mode control method
WO2011016928A1 (en) * 2009-08-07 2011-02-10 Exxonmobil Upstream Research Company Drilling advisory systems and method based on at least two controllable drilling parameters
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
RU2499887C1 (en) * 2012-03-26 2013-11-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" Adaptive control method of well drilling conditions, and bit for its implementation
RU2550117C1 (en) * 2013-12-24 2015-05-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" Method of regulation of well drilling process conditions and bottom-hole assembly for its implementation
US9175557B2 (en) * 2009-03-02 2015-11-03 Drilltronics Rig System As Drilling control method and system

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1134704A1 (en) * 1983-04-01 1985-01-15 Андижанское Специальное Проектно-Конструкторское Бюро Всесоюзного Объединения "Союзнефтеавтоматика" Apparatus for controlling and directing the process of turbine earth-drilling
SU1675546A1 (en) * 1989-05-24 1991-09-07 М.Г.Эскин Drilling mode control method
US9175557B2 (en) * 2009-03-02 2015-11-03 Drilltronics Rig System As Drilling control method and system
WO2011016928A1 (en) * 2009-08-07 2011-02-10 Exxonmobil Upstream Research Company Drilling advisory systems and method based on at least two controllable drilling parameters
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
RU2499887C1 (en) * 2012-03-26 2013-11-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" Adaptive control method of well drilling conditions, and bit for its implementation
RU2550117C1 (en) * 2013-12-24 2015-05-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" Method of regulation of well drilling process conditions and bottom-hole assembly for its implementation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8939234B2 (en) Systems and methods for improving drilling efficiency
RU2690240C2 (en) Drilling bit with sliding elements with hydraulic link to control load acting on them
US7980326B2 (en) Method and system for controlling force in a down-hole drilling operation
US20170044896A1 (en) Real-Time Calculation of Maximum Safe Rate of Penetration While Drilling
CN109891031B (en) Method and construction device for soil working
AU2013286986B2 (en) Method for reducing stick-slip during wellbore drilling
RU2635701C1 (en) Reduction of friction and wear of well pipes with use of graphene
ATE442510T1 (en) METHOD AND APPARATUS FOR DRILLING A BOREHOLE USING A BOREHOLE LINER
AU2004265457A1 (en) Drilling system and method
Van Puymbroeck et al. Increasing drilling performance in ERD wells with new generation drill pipe
RU2642699C1 (en) Method for well drilling process conditions regulation
GB2593376A (en) Real-time monitor and control of active clay in water-based drilling fluids
US20180073348A1 (en) Weight On Bit Calculations With Automatic Calibration
CN106030022B (en) Dual cycle fluid hammer drilling system
RU138113U1 (en) CHISEL WITH ADVANCED BLADES
RU2313667C2 (en) Method to create and control necessary load to ba applied to drilling bit during horizontal and directional well drilling with the use of downhole drilling motor with large distance between well bottom and head
Spasibov et al. Method and device increasing efficiency of drilling directional wells
Zoghlami et al. Bottomhole pressure stabilizing observer-based controller in tunnel drilling system
CA3093017A1 (en) Data stream controller with configurable barrier for join and aggregation
RU2569659C1 (en) Method of drilling control and system for its implementation
RU2569656C1 (en) Method of drilling control, and system for its implementation
Zakir Surge and Swab Pressure in Oil Drilling
CN106930682A (en) A kind of direct circulation rotary digging enters rock technique
RU2007147527A (en) METHOD FOR DRILLING STRONG BREEDS WITH CORE HYDRAULIC TRANSPORT AND DRILLING APPARATUS FOR ITS IMPLEMENTATION
Ru-Gang et al. Study and Application of Permitted Yield Point Control Boundary of Drilling Fluid

Legal Events

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

Effective date: 20190228