Способ контроля траектории шахтных технических скважин

 

Изобретение относится к технике вращательного бурения и позволяет повысить точность контроля траектории скважин в процессе бурения. Для этого задают опорную плоскость Q векторами G и M гравитационного и геомагнитного полей, относительно которой измеряют углы наклона и азимута бурового инструмента /И/. Осуществляют постоянное измерение скорости подачи /П/ при бурении асимметричным И с постоянным усилием П. Плоскость Q поворачивают перпендикулярно требуемому направлению ОО<SP POS="POST">1</SP> бурения и задают в ней полярную систему координат, полюс которой совпадает с начальной точкой О бурения. Из возможных колебаний /К/ удельной П выделяют те, у которых частота равна частоте вращения И. На каждом обороте И измеряют и фиксируют амплитуду К, по величине которой определяют приращение эксцентриситета оси вращения бурового И за каждый оборот. Величину отклонения точки А траектории скважины определяют в полярной системе координат по величине модуля радиус-вектора ρ<SB POS="POST">A</SB>, равного сумме приращений эксцентриситета. При экстремальном значении амплитуды К удельной П измеряют и фиксируют относительно начальной точки на полярной оси ON сдвиг фазы φ<SB POS="POST">A</SB> этих К. По величине фазы φ<SB POS="POST">A</SB> определяют полярный угол направления отклонения траектории скважины. 10 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU 1476118 А1 (5И 4 Е 21 В 47/022

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ (21) 4228711/23-03 (22) 23.01.87 (46) 30. 04. 89. Бюл. Р 16 (71) Новочеркасский политехнический институт им. Серго Орджоникидзе (72) А.А. Алейников, В.Т. Загороднюк, Д.М. Крапивин и В.А. Яцкевич (53) 622.242(088;8) (56) Авторское свидетельство СССР

К 448280, кл . F. 21 В 47/20, 1973.

Патент Франции Ф 2207240, кл. Е 21 В 47/022, 1974. (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТРАЕКТОРИИ ШАХТ-.

НЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СКВАЖИН (57) Изобретение относится к технике вращательнэго бурения и позволяет повысить точность контроля траектории скважин в процессе бурения. Для этого задают опорную плоскость () векторами

G и И гравитационного и геомагнитного полей, относительно которой измеряют углы наклона и азимута бурового инструмента (И). Осуществляют постоянное измерение скорости подачи (П)

i t

1 /

1 / ! 4/

1,/ ф при бурении асимметричным И с постоянным усилием П. Плоскость Q поворачивают перпендикулярно требуемому направлению ОО бурения и задают в ней полярную систему координат, полюс которой совпадает с начальной точкой

О бурения. Из возможных колебаний (К) удельной П выделяют те, у которьгх частота равна частоте вращения И. На каждом обороте И измеряют и фиксируют амплитуду К, по величине которой определяют приращение эксцентриситета оси вращения бурового И за каждый оборот. Величину отклонения точки A траектории скважины определяют в полярной системе координат по величине а модуля радиуса-вектора р„, равного сумме приращений эксцентриситета. При экстремальном значении амплитуды К удельной П измеряют и фиксируют от- С носительно начальной точки на полярной оси ON сдвиг фазы /„ этих К. По вели- 2 чине фазы д„ определяют полярный угол фаий направления отклонения траектории 4h скважины. 10ил.

1 14761

Изобретение относится к технике вращательного бурения и предназначено для определения направления проходки геологоразведочных и других скважин.

Цель изобретения — повышение точ- 5 ности контроля траектории скважины в процессе бурения.

На фиг. 1 приведена схема определения направления траектории по предлагаемому способу; на фиг. 2 — распо- 10 ложение дифференциального бурового резца на забое скважины; на фиг. 3— . схема сил, действующих на резец со стороны породы при вращательном бурении; на фиг. 4 — схема измерения угла поворота шпинделя и калибрующей кромки резца; на фиг ° 5 - схема забоя скважины при бурении вдоль границы пород разной крепости; на фиг. б — то же, при бурении под углом к этой границе; на фиг. 7 — то же, при значительном смещении калибрующей кромки резца в породу с меньшей крепостью; на фиг. 8 — диаграмма колебаний удельной подачи при бурении вдоль границы пород разной крепости; на. фиг. 9 — то же, при бурении под углом к этой границе; на фиг. 10то же, при значительном смещении, калибрующей кромки резца в породу с меньшей крепостью.

Контроль траектории скважины по предлагаемому способу (фиг. 1) заключается в том, что при бурении асимметричным инструментом с посто- 35 янным усилием подачи задают опорную плоскость Ц векторами M u G геомагнитного и гравитационного полей, относительно которой измеряют углы наклона и азимута бурового инструмен- 40 та в начальной точке О бурения. Плоскость Ц поворачивают на величину измеренных углов перпендикулярно требуемому направлению 00 бурения и задают в ней полярную систему координат,45 полюс которой совпадает с начальной точкой 0 бурения. При бурении осуществляют постоянное измерение скорости подачи, причем из возможных колебаний удельной подачи выделяют те, 50 у которых частота равна частоте вращения инструмента, на каждом обороте которого измеряют и фиксируют амплитуду колебаний удельной подачи. По величине амплитуды определяют прира- 55 щение эксцентриситета 1 оси вращения бурового инструмента за каждый оборот.

Величину отклонения действительной точки А траектории скважины от требу18 2 емого направления 00) определяют в полярной системе координат по величине модуля радиуса-вектора рд, равного сумме приращений эксцентриситета.

При устойчивых колебаниях удельной подачи S происходит набор кривизны траектории как сумма приращений эксР центриситета Я1;, где P — - число

-> колебаний. Если на участке бурения

АО инструмент создал и оборотов и при этом было P колебаний, то

Р Р

2 Л1, Р„= OA а L ", (1)

nS

При экстремальном значении амплитуды колебаний удельной подачи измеряют и фиксируют относительно на чальной точки (нулевой фазовой точки) на полярной оси ОИ сдвиг фазы V4 этих колебаний, по величине. которого определяют полярный угол направления траектории скважины.

Измерение фазы колебаний осуществляют на каждом обороте, поэтому величина м„ может быть представлена формулой

7 4)

) =

I=( (2)

A y где . — фаза на j-м обороте.

На участке АВ отклонение траектории от требуемого направления 00 будет продолжаться, так как буровой инструмент установился в точке А под некоторым углом к направлению 00

Пусть при этом на участке АВ колебаний удельной подачи не происходило, тогда направление отклонения останется прежним (4д= М ) а радиусвектор увеличится) на длину рв которую определяют как р — А — — АВ зп) 4д

Уд (3) ()

При дальнейшем бурении по траекто) рии ВС возможно изменение отклоняющих факторов и направления отклонения. Колебание удельной подачи с фазой, равной Ч, дает новое значение радиуса-вектора р, а положение бурового инструмента в проекции на опорную плоскость Q определится точкой С или суммарным радиусом-вектором р

В который определяют векторным сложе- ниемрд, р и р

Для эффективного контроля траектории скважины необходимо выдержать

1476118 два условия: осуществлять бурение скважины асимметричным инструментом, сконструированным по дифференциальному принципу, и поддерживать усилие подачи постоянным.

Условие равновесия резца в забое можно рассматривать в плоскости, перпендикулярной оси вращения, как равенство нулю геометрической суммы проекций всех сил, действующих на резец со стороны породы, на указанную плоскость.

Условие равновесия по схеме на фиг. 3 в плоскости, перпендикулярной оси вращения, определяется системой уравнений:

x, — ) Р sin+ + F cos4; (4) z = PF сов д — F s ink;

И+лЯ е =

ql+tS (5) 4Р где Т., h, q, t - — коэффициенты, определяемые конструкцией конкретного резца; 15 сФ вЂ” площадка затупления режущих кромок;

S — удельная подача (подача на один оборот):.

Из уравнения (5) следует, что дифференциальный инструмент обладает свойством — вращаясь с некоторым эксцентриситетом, изменять диаметр буримой скважины при изменении удель55 ной подачи. Это свойство положено в основу предлагаемого способа.

Точка Ц калибрующей кромки резца (фиг. 3) повернута по отношению где F — сила, действующая на корпус резца в. месте его контакта со стенками скважины; сила трения корпуса рез- 25 ца о стенки скважины; с(— угол между диаметральной осью скважины и местом контакта корпуса с породой. 30

Решение системы уравнений (4) производится для общего случая, когда полагают, что инструмент вращается вокруг оси, отстоящей от конструктивной на некоторую величину е, называемую эксцентриситетом (фиг. 2) и оп 35 ределяемую в результате решения (4) в виде зависимости к полярной оси ON на угол = 90 .

В процессе бурения равновесие устанавливается при вращении инструмента вокруг геометрической оси скважины с некоторым эксцентриситетом 1, величина которого зависит от удельной подачи S, В свою очередь, удельная подача S при неизменном осевом усилии

Р подачи определяется крепостью P „ буримой породы

Р

S (6)

А P

К где A — - конструктивный коэффициент.

Асимметричный инструмент — резец 1 (фиг. 4) — имеет отстающее перо в виде калибрующей кромки 2, которая калибрует скважину, смещая ось вращения в сторону более мягкой породы.

Смещение сопровождается колебаниями (броском) удельной подачи, т.е. изменением скорости бурения за один оборот, приводящим к вознкновению импульса в буровом ставе 3. Буровой став 3 механически связывает шпиндель

4 бурового станка 5 и резец 1, находящийся в забое. Опорная плоскость заданная отвесом, расположена вертикально и повернута относительно вектора магнитного поля перпендикулярно направлению бурения на угол, определенный направлением магнитного поля Земли. В центре вращения шпинделя 4 располагается полюс 0 полярной системы координат с полярной осью

ON, на которой помещена начальная точка б (н щевая фазовая точка) вращения. Пока длина бурения мала, можно утверждать об однозначной неизменной связи между углом поворота шпинделя 4 и углом поворота калибрующей кромки 2 резца 1 вокруг оси, т.е. можно указать на шпинделе 4 метку 7, соответствующую расположению отстающего пера. Полный угол поворота шпинделя 4 составляет 360, а

его .текущее значение Ч, равное углу поворота калибрующей кромки ? резца

1, измеряют относительно начальной точки 6, которая фиксирована на буровом станке 5.

В момент прохода метки 7 на шпинl деле 4 через начальную точку 6 включается генератор линейно изменяющегося напряжения (не показан), сигнал которого пропорционален углу поворота шпинделя 4, а следовательно, и углу поворота калибрующей кромки 2.

5 147

Аналогично угол поворота отстающего пера измеряется на каждом обороте.

Если бурить с постоянным осевым усилием (Р„= const) подачи, то из формул (5) и (6) очевидно, что бурение в породах с различной контактной прочностью будет происходить с разной удельной подачей S, а следовательно, с различным эксцентрисите, том е. При этом возможен случай, когда бурение осуществляется либо вдоль границы пород разной крепости P либо под некоторым углом к этой границе, либо в условиях постоянно действующей анизотропии — наиболее характерных факторах, вызывающих искривление скважины.

В первом случае (фиг. 5) диаметр

АС скважины совпадает с границей раздела пород различной крепости

P > P . В начальный момент буреК1 ния центр вращения бурового инструмента совмещен с полюсом 0 полярной системы координат, полярная ось ON которой совпадает с линией АС раздела двух пород различной крепости.

При движении отстающего пера в породе с крепостью P „, устанавливается удельная подача 8,, а режущая кромка этого пера калибрует скважину радиусом R-e,, где R — геометрический радиус инструмента. В породе с крепостью Р, когда калибрующая точка повернется на угол 180, скважина будет калиброваться радиусом R-,å, а в процессе перехода отстающего пера через плоскость раздела пород в точке С ось вращения инструмента сместится на величину Ье

= е — е, . Переход через точку С сопровождается скачком удельной подачи

AS = S — S ) О, а переход через точку

А — скачком удельной подачи AS — S — S2 (О. На следующем обороте такая пульсация повторится и возникнут колебания удельной подачи с частотой вращения инструмента.

На фиг. 8 эти колебания показаны в виде диаграммы, где на оси ординат отложена величина удельной подачи S, а на оси абсцисс — угол e t = ц поворота калибрующей точки Q (метки на шпинделе при условии жесткой связи шпинделя с забоем) относительно полярной оси ON. В точках А и С совершается переход отстающего пера через границу, раздела пород. Здесь на оси абсцисс указанный угол поворота пред6118 е ставлен в виде фазы колебаний удельной подачи, измеренной относительно начальной нулевой фазовой точки на полярной оси ON.

На фиг. 6 показано смещение диаметральной оси скважины на величину е, которая определяет и фазовый сдвиг колебаний S относительно на10 чальной нулевой фазовой точки А и приводит к изменениям на диаграмме удельной подачи (фиг. 9). Эти изменения выражаются в сокращении периодов АС и удлинении периодов CA— картина, характерная для бурения под углом к линия раздела.

Дальнейший уход оси вращения инструмента от линии AC (фиг. 7) на величину суммарного эксцентриситета

gp Ae>=ne rye e<= = ° ° ° = e„, а и — число оборотов при бурении, может создать положение, когда Ak

Ф, До тех пор, пока Ae а r на ди25 аграмме (фиг. 10) удельной подачи изменяется форма импульсов A S — исчезают горизонтальные участки, приближая форму импульса к синусоидальной и позволяя говорить о наличии выраженного минимума в период пульсации. В том случае, когда de ) r,, отстающее перо во время прохода зоны P „,осуществляет резание породы с крепостью

P, и породы с крепостью P

35 приводит к уменьшению амплитуды пульсаций, и при дальнейшем уходе от породы P „ пульсации исчезают.

Наличие выраженного экстремума (минимуМа) облегчает нахождение IIO»

4О лярного угла u, определяющего направление отклонения. На фиг. 10 угол отсчитанный от начальной нулевой фазовой точки А", равен 90 и указывает на отклонение влево, так как

45 $ 0 и имеет минимум при = 90

На фиг. 7 показан радиус-вектор р, определяющий положение оси скважины в полярных координатах ON.

Дпя случая, когда he с r,, выраженного экстремума может не быть и для определения необходимо произвести дополнительные операции: определение ширины импульса удельной подачи и деление этой величины пополам.

Когда бурение осуществляется в породах, имеющих анизотропные проявления, не столь явно выраженные как линия раздела двух пород, но искрив1476118 ляющие скважину в силу своего геометрического строения — кливаж, трещиноватость, эффективность способа контроля траектории обеспечивается за счет применения аппаратуры логи5 ческого анализа, позволяющей выделить из,спектра колебаний удельной подачи S те, у которых частота равна частоте вращения инструмента, измерить их амплитуду и фазу и определить величину последней в момент максимума или минимума колебаний S относительно начальной нулевой фазовой точки на полярной оси. 15

В качестве датчика, чувствительного к осевой вибрации бурильного инструмента, может быть использован датчик акселеметрического типа, выходной сигнал которого пропорционален щ амплитуде колебаний удельной подачи.

Формула изобретения

Способ контроля траектории шахтных 25 технических скважин, заключающийся в том, что задают опорную плоскость векторами геомагнитного и гравитационного полей, относительно которой измеряют углы наклона и азимута бурового щ инструмента в начальной точке бурения, и осуществляют постоянное измерение скорости подачи при бурении асимметричным инструментом с постоянным усилием подачи, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля в процессе бурения, опорную плоскость поворачивают перпендикулярно требуемому направлению бурения и задают в ней полярную систему координат, полюс которой совпадает с начальной точкой бурения, а из возможных колебаний удельной подачи выделяют те, у которых частота равна частоте вращения инструмента, при этом на каждом обороте инструмента . измеряют и фиксируют амплитуду этих колебаний, по величине которой определяют приращение эксцентриситета оси вращения бурового инструмента за каждый оборот, а величину отклонения действительной точки траектории скважины определяют в полярной системе координат по величине модуля радиуса-вектора, равного сумме приращений эксцентриситета, причем при экстремальном значении амплитуды колебаний удельной подачи измеряют и фиксируют относительно начальной точки на полярной оси сдвиг фазы этих колебаний, по величине которого определяют полярный угол направления отклонения траектории скважины.

1476118

1476118