Система контроля процесса бурения скважин

 

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин и позволяет повысить точность контроля процесса бурения за счет получения информации о забойных параметрах. Система содержит блоки: 1 измерения механической скорости, 2 крутящего момента роторного стола, 3,5 и 6,12 давления и расхода промывочной жидкости на входе и выходе циркуляционной системы соответственно, 4 частоты вращения долота, 7 осевой нагрузки, 9 плотности промывочной жидкости, 16 глубины скважины, 29 преобладающей частоты, а также блок 22 газового каротажа, датчики 10,11 продольных и поперечных упругих колебаний соответственно, два коррелятора 18 и 19, блок 20 дифференцирования, блоки 25, 28 измерения максимума корреляционной функции и анализаторы 26 и 27 спектра. Для обработки информации система содержит блоки 13 и 14 вычитания, блоки 8,15 и 17 умножения (БУ), блоки 21,23,34,37 деления (БД), блок 24 суммирования, блок 30 памяти и блок 31 совпадения (БС). РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ БУРЕНИЯ ОПРЕДЕЛЯЮТСЯ В БЛОКАХ 32,33,36 ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ, ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ И ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ДОЛОТА СООТВЕТСТВЕННО. РЕЖИМНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ ФИКСИРУЮТСЯ В БЛОКЕ 38 РЕГИСТРАЦИИ И ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ. СИГНАЛЫ С ВЫХОДОВ БД 21 и 23, пропорциональные коэффициенту проницаемости горных пород и энергоемкости их разрушения, и с выхода БУ 8 поступают на соответствующие входы БС 31. Одновременное превышение сигналами заданных пороговых значений распознается в БС 31 как признак вскрытия пласта - коллектора. Сигнал с выхода БУ 17 поступает на один из входов блока 24 суммирования, на выходе которого величина сигнала пропорциональна пластовому давлению, а на выходе БД 34,35 и 37 - удельному моменту на долоте, буримости проходимых пород и износу вооружения долота. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (191 (И1

- В 2

Е;.,,(1 !," М >;

Л;! ..:.!. (> ...1 itNEPi

t,.-1Е.. - -" (:.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К А BTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2 1 ) 43501 59/2 3-03 (22) 28.12.87 (46) 07.07.89. Бил. У 25 (71) Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт геологических, геофизических и геохимических информационных систем и Специальное конструкторское бюро геофизического приборостроения (7 2 ) В. Н . Рук авицын, Л. И. Орлов, Б. Н. Славнитский и В. 111 ° Дубинский (53) 622.24(088.8) (56) Лукьянов Э. И. Исследование скважин в процессе бурения. — М.:

Недра, 1979, с. 195-196.

Миракян В. И., Рукавицын В. Н.

Системы контроля геофизических и технологических параметров при бурении скважин. — РНТС "Автоматизация и телемеханизация нефтяной промышленности". — М.: ВНИИОЭНГ, 1986, Р 6, с. 33-35.

2 (54) СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ СКВАЖИН (57) Изобретение относится к бурении нефтяных и газовых скважин и позволяет повысить точность контроля процес-, са бурения за счет получения информации о забойных параметрах. Система ° содержит блоки 1 измерения механической скорости.2 крутящего момента роторного стола, 3, 5 и 6, 12 давления и расхода промывочной жидкости на входе и выходе циркуляционной системы соответственно, 4 частоты вращения долота, 7 осевой нагрузки, 9 плотности промывочной жидкости, 16 глубины cKBcwHHbl 29 преобладающей частоты, а также блок 22 газового каротажа, датчики 10, 11 продольных и поперечных упругих колебаний соответственно, два коррелятора 18 и )9, блок 20 дифференцирования, блоки 25, 28 измерения максимума корреляционной функции и анализаторы 26 и 27

1492033

1О

15 спектра. Для обработки информации система содержит блоки 13 и 14 вычитания, блоки 8, 15 и 17 умножения (БУ), блоки 21, 23, 34, 37 деления (БД), блок 24 суммирования, блок 30 памяти и блок 31 совпадения (БС). Рациональные параметры бурения определяются в блоках 32, 33, 36 определения оптимальных осевой нагрузки, продолжительности процесса бурения и частоты вращения долота соответственно. Режимные и технологические параметры процесса бурения Фиксируются в блоке 38 регистрации и отображения информации. Сигналы с выходов БД 21 и 23, пропорциональные коэФФициенту

Изобретение относится к области контроля режимов бурения нефтяных и газовых скважин и может быть исполь, зовано при бурении глубоких разведоч- 25 ных и эксплуатационных скважин.

Целью изобретения является повышение точности контроля эа счет получения забойной информации.

На чертеже представлена функцио- 30 нальная схема системы контроля процесса бурения скважин.

Система содержит блок l измерения механической скорости бурения 1 „, блок 2 измерения крутящего момента е роторного стола М „р, блок 3 измерения давления промывочной жидкости на входе циркуляционной системы Р „, блок

4 измерения частоты вращения долота и, блок 5 измерения расхода промывоч- 40 ной жидкости на входе циркуляционной системы Q, блок 6 измерения расхода

ЬК х промывочной жидкости на выходе циркуляционной системы 8,„, блок 7 измерения осевой нагрузки РОс х первый 45 блок 8 умножения (Чц R ), блок 9 изР мерения плотности промывочной жидкости Р, датчик 10 продольных упругих колебаний А> установленный в верхней части бурильной колонны с предварительным усилителем, датчик 11 поперечных колебаний Аэ, совмещенный в одной точке измерения с датчиком продольных колебаний с предварительным усилителем, блок 12 измерения давления промывочной жидкости на выходе циркуляционной системы P с приемным акустическим преобразователем сигналов давления Р ы„, установленным в проницаемости горных пород и энерго1 емкости их разрушения, и с выхода

БУ 8 поступают на соответствующие входы БС 31. Одновременное превышение

° сигналами заданных пороговых значений распознается в БС 31 как признак вскрытия пласта-коллектора. Сигнал с выхода БУ 17 поступает на один из входов блока 24 суммирования, на выходе которого величина сигнала пропорциональна пластовому давлению, а на выходе БД 34, 35 и 37 — удельному моменту на долоте, буримости проходимых пород и износу вооружения долота.

1 ил. затрубном пространстве циркуляционной системы и пре,цварительным усилителем, первый блок 13 вычитания Г1 s — Я второй блок 14 вычитания АР Ps„

Psb второй блок 15 умножения, осуществляющий операцию умножения М„о п блок 16 измерения глубины скважины Н, третий блок 17 умножения, осуществляющий операцию умножения сигналов Н х х Р,х g (8 = const), пеРвый коРРелЯтор 18, осуществляющий измерение R второй коррелятор 19, осуществляющий измерение R, блок 20 дифференцировав ния dRP/di К„, первый блок 21 деления, осуществляющий измерение парач ых метра К„= Р, блок 22 гаэоРвых вого каротажа, второй блок 23 деления

М„п/V> = g, блок 24 суммирования

Н $+ g +dP = Р„„, где Рпл на, пропорциональная пластовому давлению, первьй блок 25 измерения мак1 Р симума корреляционной Функции К „,х», У первый анализатор 26 спектра (S ), P э второй анализатор 27 спектра (S ), второй блок 28 измерения максимума э корреляционной Функции R„„,,,блок

29 измерения преобладающей частоты блок 30 памяти, блок 31 совпа0Э х дения, блок 32 определения оптимальной осевой нагрузки Р о, блок 33 определения оптимальной продолжительности бурения t „, третий блок 34 деления S /S К, четвертьй блок 35 (P э деления R „c/R„ „,"- K, блок 36 определения оптимальной частоты вращеподсоединены последовательно через первый блок 8 умножения на третий вход блока 31 совпадения, на второй вход которого подключен выход второго блока 23 деления, Выходы блока 9 измерения плотности промывочной жидкости и блока 16 измерения глубины скважины через третий блок 17 умножения подключены на второй вход блока 24 суммирования, на первый вход которого подсоединен выход второго блока 14 вычитания. Выход первого коррелятора 18 подсоединен к блоку

20 дифференцирования и через первый блок 25 измерения максимума корреляционной функции на первый вход четвертого блока 35 деления, на второй вход которого подключен выход второго блока 28 измерения максимума корреляционной функции. Выход второго коррелятора 19 через блок 29 измерения преобладающей частоты подключен на вход блока 36 определения оптимальной частоты вращения долота, а выход первого анализатора 26 спектра через блок 30 памяти и пятый блок 37 деления подключен на четвертый вход блока 33 определения оптимальной продолжительности бурения, на второй и первый входы которого подключены соответственно выход блока 4 измерения частоты вращения долота и выход блока

32 измерения оптимальной осевой нагрузки, на второй и первый входы которого подсоединены выходы четвертого блока 35 деления и блока 2 измерения крутящего момента. Выход блока

36 определения оптимальной частоты вращения долота соединен с третьим входом блока 33 определения оптимальной продолжительности бурения. устройство функционирует следующим образом.

Упругие колебания, возникающие в результате взаимодействия долота с разбуриваемой горной породой, после передачи по бурильной колонне принимаются датчиком 10 продольных и датчиком 11 поперечных упругих колебаний, установленными в верхней части бурильной колонны (на вертлюге или

"ведущей трубе") и совмещенных в одной точке измерения.

В затрубном пространстве циркуляционной системы установлен приемный акустический преобразователь сигналов давления Р ьп (например, пьезоэлект"

5 1492033 ния долота и,„,, пятый блок 37 деления S (Н<)/Ы (Н ) = К „, блок 38 регистрации и отображения информации.

В системе контроля процесса буре5 ния скважины выходы блока 1 измерения механической скорости бурения, блока

7 измерения осевой нагрузки, блока 2 измерения крутящего момента роторно— го стола, блока 4 измерения частоты 1р вращения долота, блока 5 измерения расхода промывочной жидкости на входе циркуляционной системы, блока 6 измерения расхода промывочной жидкости на выходе циркуляционной системы, 15 блока 3 измерения давления промывочной жидкости на входе циркуляционной системы,. блокя 22 газового каротажа, блока 9 измерения плотности промывочной жидкости, блока 16 измерения глу- 2О бины скважины, блока 12 измерения давления промывочной жидкости на выходе циркуляционной системы, блока 20 дифференцирования, блока 24 суммирования, блока 31 совпадения, третьего 25 блока 34 деления, а также блоков определения оптимальных осевой нагрузки

32, продолжительно=ти бурения 33 и частоты вращения долота 36 соединены с входами блока 38 регистрации и отображения информации. Выходы датчиков продольных 10 и поперечных 11 упругих колебаний последовательно через соответствующие корреляторы 18 и 19 и анализаторы 26 и 27 спектра подключены на входы третьего блока 34 деления. Выходы блоков 5 и 6 измерения. расхода на входе и выходе циркуляционной системы подключены на соответствующие входы первого блока 13 вычи- 40 тания, выходы блоков 3 и 12 измерения давления промывочной жидкости на входе и выходе циркуляционной системы подключены на соответствующие входы второго блока 14 вычитания. Выходы первого 45 и второго блоков 13 и 14 вычитания последовательно через первый блок 21 деления подключены на первый вход блока 31 совпадения. Выходы блока 2 измерения крутящего момента роторного стола и блока 4 измерения частоты вращения долота последовательно через второй блок 15 умножения подключены иа первый вход второго блока 23 деления, на второй вход которого подсоединен выход блока 1 измерения механической скорости бурения. Выход первого коррелятора 18 и выход блока

1 измерения механической скорости

1492033 рического типа) с вмонтированным в корпус датчика предварительным усилителем и измерителем интенсивности сигнала давления, составляющие блок

12 измерения давления промывочной жидкости на выходе циркуляционной системы. Сигналы расхода промывочной жидкости на входе и выходе. циркуляционной системы, снимаемые с помощью Ið блоков 5 и Ь измерения, поступают на соответствующие входы первого блока

13 вычитания, с выхода которого сигнал ЬЯ = Q ь, — Q>„„поступает на пер вый вход первого блока 21 делениия. 15

Соответствующие сигналы давления с выходов блоков 3 и 12 измерения поступают на соответствующие входы второго блока 14 вычитания, с выхода к тор гo г ал 5P = Р „ — P blx по- 20 ступает на второй вход первого блока

21 деления. В блоке 21 осуществляет<0 ся измерение величины К„г = ф,, пропорциональной коэффициенту прони- 25 цаемости горных пород. С выхода первого блока 21 деления сигналы поступают на один из входов блока 31 совпадения, в котором осуществляется определение момента вскрытия коллек- 30 тора непосредственно в процессе бурения. Сигналы с выходов блоков 2 и 4 измерения M „ и и поступают на соответствующие входы второго блока 15 умножения Где осуществляется опера ция умножения сигналов Ик, ° и; С выхода второго блока 15 умножения сигналы поступают на второй вход второго блока

23 деления, на первый вход которого поступают сигналы с выхода блока 1 4р измерения механической скорости бурения. Во втором блоке 23 деления осуществляется измерение параметра

М ° n пропорционального энергоЧм

45 емкости разрушения горных пород. С выхода второго блока 23 деления сигналы поступают на второй вход блока

31 совпадения. Сигналы с выходов датчиков IO и 11 продольных и поперечньгх 50 упругих колебаний поступают на входы первого и второго корреляторов 18 и 19 соответственно, где происходит измерение автокорреляционной функции продольных и поперечных колебаний R

55 и R . Одновременно сигналы с выходов блока .1 измерения Чм и первого коррелятора 18 поступают на входы первого блока 8 умножения, где происходит операция умножения величины R u V

Сигналы, пропорциональные величине

Vx, - R поступают на третий вход бл 1ка 31 совпадения. На выходе блока 31 совпадения сигнал появляется только при наличии на входах трех сигналов, превышающих заданные пороговые значения, что позволяет определить момент вскрытия пласта-коллектора и фикси» руется в блоке 38 регистрации и отображения информации в функции глубины как "признак коллектора", Сигналы с выхода блока 9 измерения плотности промывочной жидкости p + поступают на первый вход третьего блока 17 умножения, на второй вход которого посту-пают сигналы, пропорциональные величине глубины скважины 11 с блока 16.

В третьем блоке 17 умножения определяется величина гидростатического забойного давления столба жидкости Р

= p Н ° g (где g = 9,8 м/с ) беэ учета гидравлического сопротивления в кольцевом пространстве. С выхода третьего блока 17 умножения сигнал поступает на второй вход блока 24 суммирования, на первый вход которого поступают также сигналы с выхода второго блока 14 вычитания. В блоке 24 суммирования измеряется величина, пропорциональная пластовому давлению

P Р. + бР. Одновременно сигналы плавтокорреляционной функции продольных колебаний R с выхода первого коррелятора 18 поступают на вход блоков

25 и 26, в которых происходит соответственно измерение максимума

Р

К и измерение площади спектра макс

P продольных колебаний Б соответственз но. Аналогично сигналы R с выхода второго коррелятора 19 поступают на вход блоков 27 и 28, в которых происз ходит измерение площади спектра S (в блоке 27) и максимума автокорреляционной A HKöHH R „„поперечных ко5 лебаний. С выхода блоков 25 и 28 сигP з налы значений К „и К „, подаются на входы четвертого блока 35 деления. где осуществляется иэмерение величиPÐ ны к - — 4-р-" -, пррррррирRрльной

Рмакс удельному моменту на долоте. С выхоР 5 дов блоков 26 и 27 сигналы S S поступают на входы третьего блока 34 деления, где осущест ял не т ся иэмерение

1492033

Sp величины K = —, соответствующей тил s пу раэбуринаемых горных пород и величине их буримости.

Дополнительно выход первого корре5 лятора 18 соединен с входом блока 20 дифференцирования, где происходит дифференцирование огибающей автокорре ляционной функции R К„, вели. л - 10

Д / чина которой пропорциональна пористости горных пород. Выход второго коррелятора 19 дополнительно соединен с входом блока 29, где происходит изме-15 рение преобладающей частоты поперечных упругих колебаний f, . При этом выход блока 29 соединен с входом блока 36 измерения оптимальной частоты вращения долота при турбинном буре- 20 нии, где определяются значения и

I опт пх 60 Еов где п

3 Z o5

f значения преобладающей частоты поперечных упругих колебаний при холостом

25 ходе турбобура, а Z — число рабочих элементов долота.

Одновременно сигналы с выкода первого анализатора 26 спектра поступают последовательно через блок 30 папамяти на вход пятого блока 37 деления, где измеряется величина, пропорциональная износу вооружения долота

s (í,)

Р Р

8 ТгЙ) 35 площади спектров продольных колебаний на глубинах Н, и Н соответствен2 но, сигналы которых хранятся в блоке

,30 памяти.

Одновременно сигналы, пропорциональные величине крутящего момента с выхода блока 2 и сигналы, пропорциональные удельному моменту на долоте

К, с выхода блока 35 поступают íà 45 вход блока 32 измерения оптимальной осевой нагрузки на долото P „,.

1 1 лр

3 К

Сигналы с выходов блоков 32, 36 50 и 37 поступают на входы блока 33 измерения оптимальной продолжительности бурения „, где определяется оптимальное время работы долота на забое

1 55 т.е. момент

n, опт "апт

его подъема как при турбинном, так и при ро торном спо со бах бур ения.

При роторном способе бурения величина и „„поступает на вход блока 33 с выхода блока 4 измерения и. Сигналы оптимальных значений Р „, n „и опт поступают в блок 38 индикации и отображения информации и в случае наличия на буровой автомата подачи долота могут слухить сигналами обратной связи для автоматического подцержания оптимальных режимов бурения.

Одновременно в блок 38 поступают также сигналы с выходов блока 1 — 7, 9, 12, 16, 20, 22, 24 и 34, где происходит их аналоговая и цифровая регистрация как в функции глубины скважины, так и времени бурения.

Система контроля процесса бурения скважин позволяет повысить точность контроля бурения эа счет измерения забойных параметров, сократить сроки проводки глубоких скважин за счет оперативной оптимизации режимов бурения в реальном времени и исключить из комплекса исследований раэведоч- ных скважин каротажные работы.

Фо рмула из о бре те ния

Система контроля процесса бурения скважин, содержащая блоки измерения механической скорости бурения, крутящего момента роторного стола, давления расхода и плотности промывочной жидкости на входе циркуляционной системы, частоты вращения долота, осевой нагрузки и глубины скважины, а также блок газового каротажа, выходы которых соединены с соответствующими входами блока регистрации и отображения информации, о т л и ч а— ю щ а я с я тем, что, с целью повышения точности контроля за счет получения забойной информации, система снабжена датчиками продольных и поперечных упругих колебаний бурильной колонны, совмещеннык в одной точке измерения, блоками измерения давления и расхода промывочной жидкости на выходе циркуляционной системы, двумя блоками вычитания, тремя блоками умножения, пятью блоками деления, двумя корреляторами, двумя блоками измерения максимумов корреляционных функций двумя анализаторами спектра, блоком суммирования, блоком измерения преобладающей частоты, блоком памяти, блоком дифференцирования, блоком совпа1492033

I

Составитель В ° Шилов ,Редактор В. Бугренкова Техред А. Кравчук Корректор М. Шарощи

Заказ 3847/35 Тиоаж 514 Подпис ное

SHHHlIH Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, Ж-35, Рауыская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Ужгород, ул. Гагарина, 101 дения, блоком определения оптимальной осевой нагрузки, блоком определения оптимальной частоты вращения долота, при этом выходы блоков измерения расхода промывочной жидкости на входе и выходе циркуляционной системы соединены с соответствующими входами первого блока вычитания, выход которого подключен к первому входу перво- 10 го делителя, выходы блоков измерения давления промывочной жидкости на входе и выходе циркулйционной системы

1 .соединены с соответствующими входами второго блока вычитания, выход кото- 15 рого подключен к первому входу блока суммирования и второму входу первого делителя, выход первого делителя соединен с первым входом блока совпадения, выход блока измерения механичес- 20 кой скорости бурения подключен к первым входам второго блока деления и первого блока умножения, выходы которых соединены соответственно с вторым ,и третьим входами блока совпадения, выход блока измерения крутящего момента роторного стола соединен с первыми входами второго блока умножения и блока определения оптимальной осевой нагрузки, выход которого подклю- 30 чен к первому входу блока определения оптимальной продолжительности бурения, выход блока измерения частоты враще ния долота соединен с вторыми входа1 ии блока определения оптимальной про- 35 должительности бурения и второго блока умножения, выход которого подключен к второму входу второго делителя, выходы блоков измерения плотности промывочной жидкости и глубины сква- 40 ,жины, соединены соответственно с первьм и вторым входами третьего блока умножения, выход которого подключен к второму входу блока суммирования, выход да тчик а продольных упругих к олебаний через первый коррелятор соединен с вторым входом первого блока умножения и входами блока дифференцирования, первого блока измерения максимума корреляционной функции и первого анализатора спектра, выход которого подключен к первому входу третьего блока деления и входу блока памяти, вьмод датчика поперечных упругих колебаний через второй коррелятор соединен с входами блока измерения преобладающей частоты, второго блока измерения максимума корреляционной функции и второго анализатора, выход которого подключен к второму входу третьего блока деления, выходы первого и второго блоков измерения максимума корреляционной функции соединены с соответствующими входами четвертого делителя, выход которого подключен к второму входу блока определения оптимальной осевой нагрузки, выход блока измерения преобладающей частоты через блок определения оптимальной частоты вращения долота, а выход блока памяти через пятый блок деления соединены соответственно с третьим и четвертым входами блока определения оптимальной продолжительности бурения, причем выходы блоков измерения давления и расхода промывочной жидкости на в оде циркуляционной системы, блока дифференцирования, блока совпадения, блока суммирования, третьего блока деления, а также блоков определения оптимальной осевой нагрузки, продолжительности и частоты вращения долота соединены с остальными входами блока регистрации и отображения информации.