UA154507U - Спосiб керування процесом бурiння свердловин в гiрському масивi - Google Patents

Abstract

Спосіб керування процесом буріння свердловин в гірському масиві включає зміну осьового навантаження на робочий буровий інструмент залежно від характеристик гірської породи. Осьове навантаження на робочий буровий інструмент послідовно змінюють на певну величину, вимірюють зміну від механічної швидкості буріння амплітуди та частоти осьових, крутильних та бічних вібрацій бурової колони. Порівнюють отримані значення з еталонними, визначеними для відповідних фізико-механічних характеристик гірських порід та стану бурового устаткування. Визначають величини витраченої енергії та зносу бурового устаткування, за результатами яких корегують величину наступної зміни осьового навантаження на робочий буровий інструмент.

Description

Корисна модель належить до техніки буріння свердловин в гірському масиві і може бути використана для оптимального керування процесом.

Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним як аналог, є спосіб керування процесом буріння свердловин в гірському масиві (Патент на корисну модель Мо 132689 опубл. в Бюл. Мо 5 від 11.03.2019). Спосіб керування процесом буріння свердловин в гірському масиві включає зміну осьового навантаження на робочий буровий інструмент залежно від характеристик гірської породи.

Недоліком відомого способу є те, що простою зміною осьового навантаження на робочий буровий інструмент залежно тільки від характеристик гірської породи неможливо досягти основної задачі буріння: максимальної механічної швидкості проходки з урахуванням величини витраченої енергії та вартості зносу бурового устаткування. Залежність механічної швидкості проходки від осьового навантаження на робочий буровий інструмент є нелінійною, в певних межах носить екстремальний характер, що потребує на кожному кроці формування оптимального керування визначення як характеристик гірських порід, так і стану бурового устаткування. Крім цього, при збільшенні механічної швидкості проходки непропорційно зростають енерговитрати та механічне навантаження на кожен елемент бурового устаткування, що призводить до зростання реального зносу та потенційних втрат від можливих аварійних ситуацій. Це також потребує врахування при формуванні оптимального керування процесом буріння.

В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення способу керування процесом буріння свердловин в гірському масиві шляхом підвищення точності управління за рахунок оперативної корекції осьового навантаження на робочий буровий інструмент в залежності від фізико-механічних характеристик гірських порід та стану бурового устаткування.

Поставлена задача вирішується тим, що спосіб керування процесом буріння свердловин в гірському масиві включає зміну осьового навантаження на робочий буровий інструмент залежно від характеристик гірської породи. Осьове навантаження на робочий буровий інструмент послідовно змінюють на певну величину, вимірюють зміну від механічної швидкості буріння амплітуди та частоти осьових, крутильних та бічних вібрацій бурової колони. Порівнюють отримані значення з еталонними, визначеними для відповідних фізико-механічних характеристик гірських порід та стану бурового устаткування. Визначають величини витраченої енергії та зносу бурового устаткування, за результатами яких корегують величину наступної зміни осьового навантаження на робочий буровий інструмент.

Технічний результат від використання корисної моделі полягає у підвищенні ефективності буріння гірських порід у широкому діапазоні їх фізико-механічних властивостей, зниженні енерговитрат при бурінні свердловин, підвищенні експлуатаційного ресурсу бурового обладнання

Спосіб реалізується таким чином.

Задачею керування процесом буріння є встановлення такої механічної швидкості проходки, яка б відповідала економічно обгрунтованій вартості цього процесу з урахуванням реального зносу бурового устаткування та потенційних втрат від можливих аварійних ситуацій.

Відповідно до запропонованого способу, осьове навантаження на робочий буровий інструмент змінюють на певну величину(крок) послідовно. Тобто формують величину кожного кроку, на якій змінюється осьове навантаження на робочий буровий інструмент та вимірюють зміну механічної швидкості проходки. Залежність механічної швидкості проходки від осьового навантаження на робочий буровий інструмент в певних межах носить екстремальний характер.

Таким чином, кожен крок збільшення, у певних межах, осьового навантаження має наближувати робочу точку бурового устаткування до екстремуму. Разом з тим, при збільшенні цього параметра зростають енерговитрати. Крім цього, при збільшенні механічної швидкості проходки непропорційно зростає механічне навантаження на кожен елемент бурового устаткування, що призводить до зростання реального зносу та потенційних втрат від можливих аварійних ситуацій.

Однією з основних перешкод для досягнення максимальних механічної швидкості проходки та міжремонтного періоду роботи забійного обладнання є вібрації бурильної колони.

Розрізняють осьові, крутильні та бічні вібрації.

Крутильна (торсіонна) вібрація виникає в результаті короткочасної зупинки або зниження обертів бурового інструменту. Нерівномірне обертання часто спостерігається в процесі буріння і це крайня форма крутильної вібрації, при якій долото зупиняється на час. Збільшення довжини бурильної колони призводить до зростання ступеня прослизання, тривалість періоду завмирання долота збільшується, а потім долото звільняється з великим прискоренням.

Крутильні коливання призводять до втомного пошкодження з'єднань бурильної колони та озброєння долота.

Осьова вібрація виникає в результаті руху долота вздовж осі бурильної колони. Дане явище є підстрибуванням долота на вибої. Цей процес призводить до циклічного збільшення та зменшення навантаження на долото. Осьові коливання найчастіше виникають при бурінні свердловин у твердих породах з використанням шарошечного долота.

Бічна (згинальна) вібрація викликана великими згинальними напругами, виникає в результаті бічного руху бурової колони від одного боку стінки свердловини до іншої, супроводжується ударами об стінки свердловини. Бічна вібрація - це найбільш руйнівний тип вібрації, який створює амплітуди коливань (шоки) високих значень, особливо при ударах бурової колони об стінки свердловини.

Сильні вібрації в процесі роботи інструменту можуть призвести до руйнування бурильних труб елементів вежі, пошкодженню забійної апаратури, необгрунтованому збільшенню діаметра свердловини, передчасному зносу долота та відповідному зниженню механічної швидкості буріння. При посиленні вібрацій і за відсутності контролю над їх рівнем, може виникнути явище "резонансу", що у більшості випадків призводить до катастрофічних руйнувань елементів бурильних труб і долота. Усі види вібрацій між собою взаємопов'язані. Комбіновані вібрації виникають тоді, коли первинні досягають максимальних значень. Наприклад, крутильні вібрації можуть призводити до бічних та/або осьових вібрацій; бічні вібрації можуть породжувати осьові вібрації; осьові вібрації призводити до бічних вібрацій. Основними причинами виникнення коливань є: стрибкоподібний характер руйнування гірських порід; вибоїстість вибою свердловини, яка в свою чергу залежить від впливу бурильної колони на вибій при її бічні і крутильних коливаннях, різких і частих змін параметрів режиму буріння, неоднорідності, тріщинуватості і різкої мінливості по твердості порід, що розбурюються, дискретна подача інструменту, його спрацювання та ін.

Експериментально встановлено характеристики коливань: частота бічних коливань (високочастотні коливання - 110-170 Гу; низькочастотні коливання - 3-20 Гц); частота крутильних коливань (низькочастотні - 6-16 Гц; високочастотні - 120-220 Гц; проміжні - 20-110

Гц). Амплітуда бічних коливань становить 0,1-14 мм. Хоча абсолютні значення частоти для

Зо різних видів коливань різні та причини їх виникнення різні, однак порядок числових значень приблизно однаковий. При цьому осьові значення шоків мінімальні. Амплітуда значень крутильних та бічних шоків може сягати декілька десятків Сі і перевищує осьові шоки у 10-15 разів. Основну небезпеку для свердловинного бурового обладнання становлять саме бічні та крутильні шоки.

Таким чином, амплітуда та частота осьових, крутильних та бічних вібрацій бурової колони є комплексною механічною характеристикою поведінки та стану бурового обладнання у певній технологічній ситуації, визначає і характеризує реальний знос бурового устаткування при відповідних характеристиках гірських порід, які буряться, що дозволяє спрогнозувати стан бурового обладнання на майбутнє та потенційні втрати від можливих аварійних ситуацій.

Величина витраченої енергії на кожному зробленому кроці проходки свердловини є енергетичною характеристикою процесу буріння, тобто знов ж такі фізико-механічних властивостей гірських порід і стану бурового обладнання. Сукупність механічних і енергетичних характеристик кожного кроку процесу буріння дозволяє визначити його оптимальні параметри.

Відповідно до запропонованого способу, вимірюють амплітуду і частоту осьових, крутильних та бічних вібрацій, а також величину витраченої енергії на кожному зробленому кроці проходки свердловини. Отримані дані є спостереженнями фізичного процесу буріння, поведінки бурового устаткування в процесі його робочої експлуатації та, відповідно, інтегральною (механічною та енергетичною) характеристикою. Кожне спостереження складається з п виміряних змінних, згрупованих у відповідні набори даних. Ці набори являють собою характеристику реального навантаження бурового обладнання та дозволяють спрогнозувати відпрацювання існуючого його ресурсу у відповідності до характеристик гірських порід, що буряться. Для того, щоб на підставі отриманих результатів вимірювань ідентифікувати наслідки певної технологічної ситуації, яка характеризується відповідним механічним навантаженням бурового обладнання, попередньо проводять аналогічні вимірювання на еталонних зразках. Для оброблення отриманих наборів даних можуть бути застосовані чіткі або нечіткі методи кластеризації, зокрема кількісні (числові), якісні (категоріальні) або їх суміші.

Відповідно до фізико-механічних характеристик гірських порід, визначеного стану бурового обладнання і енергетичної характеристики процесу буріння, послідовно, по кроках змінюють осьове навантаження на робочий буровий інструмент. Це дозволяє досягти робочої точки з бо відповідними параметрами процесу буріння, які забезпечують оптимальне співвідношення між механічною швидкістю проходки, енерговитратами, технічним станом та зносом бурового обладнання.

Таким чином запропонований спосіб дозволяє підвищити точність керування процесом буріння та зменшити питомі витрати на проходку погонного метру свердловини за рахунок обгрунтованого вибору осьового навантаження на робочий буровий інструмент залежно від комплексної характеристики гірської породи та стану бурового обладнання. Для його використання не треба додатково проводити каротаж свердловин, що сприяє розширенню сфери його застосування.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб керування процесом буріння свердловин в гірському масиві, що включає зміну осьового навантаження на робочий буровий інструмент залежно від характеристик гірської породи, який відрізняється тим, що осьове навантаження на робочий буровий інструмент послідовно змінюють на певну величину, вимірюють зміну від механічної швидкості буріння амплітуди та частоти осьових, крутильних та бічних вібрацій бурової колони, порівнюють отримані значення з еталонними, визначеними для відповідних фізико-механічних характеристик гірських порід та стану бурового устаткування, визначають величини витраченої енергії та зносу бурового устаткування, за результатами яких корегують величину наступної зміни осьового навантаження на робочий буровий інструмент.