Способ регулирования режима бурения

 

Использование: бурение вертикальных скважин. Сущность изобретения: в процессе бурения фиксируют верхний конец бурильной колонны от продольных перемещений и измеряют величину осевой нагрузки на долото, вращающий момент, амплитуду собственную и частоту ν изгибных колебаний утяжеленного низа. Определяют осевые нагрузки P_i , соответствующие экстремумам измеряемых параметров. Рабочую осевую нагрузку P_p устанавливают в соответствии с соотношением P_p=0.5(P_i+P_i+1) или принимают равной P_i , а частоту вращения долота в соответствии с соотношением , где k - количество шарошек долота. При этом за счет снижения динамических нагрузок улучшаются условия работы долота. Периодически рабочую осевую нагрузку применяют от P_i до 0.5(P_i+P_i+1) и наоборот. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к бурению скважин и может использоваться при оптимизации режимов бурения, при борьбе с искривлением скважин.

Известен способ регулирования оптимальной нагрузки на долото при бурении скважин, который включает измерение упругих колебаний в процессе бурения, определение расходуемой при бурении упругой энергии колебаний и определение оптимальной нагрузки на долото по минимуму упругой энергии.

Известен способ регулирования режимов бурения, заключающийся в измерении энергии упругих колебаний, распространяющихся по бурильной колонне и горным породам, и определении оптимального режима бурения, соответствующего экстремальному соотношению энергий упругих колебаний, распространяющихся по бурильной колонке и горной породе.

Известен способ регулирования оптимальной нагрузки на долото в процессе турбинного бурения, который включает измерение амплитуды и частоты, возникающих от вращения долота колебаний, и по которому за оптимальную нагрузку принимают ее значения, соответствующие моменту совпадения минимальных значений амплитуды и частоты колебаний (1).

Указанные способы основаны на контроле колебательных процессов системы долото-бурильная колонна и на управлении ими путем регулирования режимных параметров бурения. Оптимизация режимов бурения в известных способах осуществляется по мгновенным значениям оптимизационной функции (упругой энергии колебаний, зависимости режимных параметров от амплитудно-частотных характеристик и т. д.), при этом не учитывается распределение контактных нагрузок на опоры и вооружение долота в процессе всего долбления, что ухудшает показатели бурения. В результате случайного распределения нагрузок на опорные элементы долота его опоры и вооружение преждевременно выходят из строя. Другим недостатком является то, что известные способы не рассчитаны на предупреждение искривления скважин. Недостатком является также то, что для реализации методов нужна дорогостоящая измерительная аппаратура, например сейсмографы.

Известен "способ регулирования процесса вращательного бурения горных пород", который включает контроль затрачиваемой на бурение мощности, определение оптимальных значений нагрузки на долото и скорости вращения долота и их поддержание в процессе бурения, при этом за оптимальные режимные параметры принимают их значения, соответствующие стабилизации значений мощности (2).

Недостатком способа является то, что не учитывает распределения контактных нагрузок на опоры и вооружение долота, причем при стабилизации значений мощности, которым соответствуют оптимальные режимные параметры могут создаваться условия для максимальной интенсивности разрушения опор и вооружения долота. Кроме того, способ не позволяет управлять искривлением скважины.

Цель изобретения - повышение скорости бурения при обеспечении снижения интенсивности искривления ствола скважины.

Кроме того, новый способ позволяет уменьшить аварийность с долотами и элементами компоновки низа бурильной колонны, увеличить их долговечность.

Сущность изобретения заключается в следующем. При вращательном бурении утяжеленный низ бурильной колонны (УНБК) находится, как правило, в изогнутом состоянии, причем изгиб может иметь как плоскую, так и пространственную форму. Известно также, что бурильная колонна, в т. ч. УНБК, может вращаться как вокруг собственной оси, так и вокруг оси скважины, возможно совместное вращение УНБК вокруг указанных осей.

На фиг. 1 а, б показаны два последовательных положения изогнутого УНБК (1) при его вращении вокруг оси х скважины (2). Точка касания УНБК со стенкой скважины (точка А) перемещается в этом случае по окружности поперечного сечения скважины. Шарошка 3 долота воспринимает наибольшую часть продольной осевой нагрузки на долото и находится в наихудших условиях по сравнению с шарошкой 4. В результате неравномерного распределения нагрузок на шарошки одна из них преждевременно выходит из строя. Снижается стойкость долота, уменьшается скорость бурения, возрастает аварийность с долотами. Однако при этом уменьшается вероятность искривления скважины, т. к. вектор отклоняющей силы на долото постоянно вращается вокруг оси скважины.

На фиг. 1 в, г показаны положения УНБК при его вращении вокруг собственной оси y. В этом случае точка А колонны вращается по окружности поперечного сечения трубы и положение колонны труб не меняется относительно стенки скважины. Шарошки 3 и 4 переходят поочередно через положения действия максимальных нагрузок, тем самым обеспечивается их равномерный износ, увеличиваются стойкость долота и скорость бурения, уменьшается аварийность с долотами. При этом, однако, возрастает опасность искривления скважины, т. к. направление вектора отклоняющей силы на долоте остается постоянным. Периодическое изменение нагрузки на долото от значений Р_i до 0,5(P_i + P_i±1) или наоборот позволит уменьшить вероятность искривления скважины и одновременно поддерживать высокую скорость бурения.

В результате многочисленных проведенных в процессе бурения экспериментов было установлено, что вращение колонны вокруг собственной оси или вокруг оси скважины в значительной степени определяется величиной осевой нагрузки на долото, причем эти нагрузки должны соответствовать значениям P_i или 0,5(Р_i + P_i+1), где Р_i - величина осевой нагрузки на долото, соответствующая i-му количеству касаний сжатой части УНКБ со стенками скважины. В случае плоского продольного изгиба УНКБ значения P_i соответствуют критическим нагрузкам, при которых образуется очередная полуволна продольного изгиба и которые определяются, например, по формуле А. Лубинского. Эксперименты на буровой показали, что нагрузки более надежно определяются по данным бурения с заторможенным барабаном лебедки. Если провести бурение без подачи бурильной колонны, при котором происходит монотонное уменьшение нагрузки на долото, то полученные по данным измерений экстремумы в зависимостях между темпом изменения нагрузки на долото, или между вращающим моментом, амплитудой (частотой) и величиной нагрузки будут соответствовать значениям Р_i.

Если частоту вращения долота поддерживать равной ν/K_ш, где ν - собственная частота изгибных колебаний УНКБ, К_ш - количество шарошек долота, то возникает резонансный процесс и в результате возрастает опасность аварий с элементами УНБК и долотами. Для предупреждения аварийности необходимо поддерживать частоту вращения шарошечных долот вне значений а ˙ν К_ш, где а = 1, 2, 3... .

Способ осуществляют следующим образом. Расчетным путем или методом бурения с заторможенным барабаном лебедки определяют нагрузки Р_i, которые соответствуют экстремумам в зависимости между темпом изменения нагрузки на долото и величиной нагрузки или в зависимостях между вращающим моментом на долоте (на роторе) или амплитудой (частотой) колебаний колонны и нагрузкой на долото. Если свойства проходимых горных пород и компоновка низа бурильной колонны обеспечивают предупреждение искривления скважины нагрузку на долото в процессе бурения поддерживают равной одному из значений Р_i, при котором обеспечивается, например максимальная рейсовая скорость бурения или вблизи значения Р_i. Если вероятность искривления скважины велика, о чем можно судить, например, по ранее пробуренным скважинам и необходимо предупредить искривление или уменьшить интенсивность искривления, то нагрузку поддерживают равной одному из значений 0,5х(Р_i + Р_i+1) или близкой к нему. В этом случае необходимо усилить контроль за износом долота, т. к. вероятность аварий с ним возрастает. Наиболее оптимальным вариантом в таких случаях является поддержание нагрузки, равной Р_i, с периодическим увеличением или уменьшением ее до значений 0,5х(Р_i + P_i+1), например, путем установки барабана лебедки на тормоз. Частоту переходов от нагрузки Р_i до 0,5х(P_i + P_i+1) лучше определять опытным путем. Для предупреждения резонансных явлений и сломов УНБК частоту вращения долота поддерживать вне значений а ˙νК_ш. Собственную частоту изгибных колебаний ν определяют расчетным путем или с помощью одного из практических приемов, например по экстремальным значениям частоты или амплитуды поперечных колебаний бурильной колонны (или долота), которые имеют место при плавном изменении скорости вращения долота.

На фиг. 2 приведен график зависимости между временем изменения нагрузки на долото на величину заданного шага нагрузки (обратная величина темпу изменения нагрузки) и нагрузкой на долото G_g, построенный по данным бурения с заторможенным барабаном лебедки в процессе бурения скважины. Значения нагрузки на долото приведены в делениях гидравлического индикатора веса (ГИВ). Максимумы на графике для применяемой при бурении компоновки низа бурильной колонны соответствуют значениям Р_i, а минимумы - значениям 0,5х(Р_i + P_i+1), что подтвердили проведенные на скважине исследования: при отработке долота при нагрузках 0,5х(Р_i + P_i±1) стойкость трехшарошечных долот была в среднем на 44% ниже с опережающим износом опор одной из шарошек, чем при нагрузках Рi, при поддержании которых обеспечивался равномерный износ опор и вооружения шарошечных долот. Для других компоновок максимумы на графике могут соответствовать нагрузкам 0,5х(Р_i + Pi₊₁), а минимумы - нагрузкам Р_i.

Использование изобретения позволит увеличить показатели работы долот, оптимизировать количество утяжеленного низа и его размеры, уменьшить аварийность с долотами и элементами УНБК. Изобретение можно также использовать для управления формой изгиба УНБК (в плоскости или в пространстве), для управления вращением бурильной колонны вокруг собственной оси или оси скважины, что требуется для решения ряда задач в бурении, например, при зарезке второго ствола, при безориентированном управлении кривизной скважины.

Формула изобретения

1. СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМА БУРЕНИЯ, включающий спуск бурильной колонны с долотом в скважину, создание осевой нагрузки на долото, вращение долота, отличающийся тем, что, с целью повышения скорости бурения при обеспечении снижения интенсивности искривления ствола скважины, определяют величину рабочей осевой нагрузки P_р и поддерживают ее в соответствии с соотношением P_р = 0,5 (P_i + P_i+1) или принимают равной P_i, где P_i - величина осевой нагрузки, соответствующая i-му количеству касаний сжатой части утяжеленного низа бурильной колонны со стенкой ствола скважины при ее продольном изгибе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе бурения фиксируют верхний конец бурильной колонны от продольных перемещений и измеряют изненение осевой нагрузки во времени, или изменение вращающего момента на долоте, или амплитуды, или частоты колебаний бурильной колонны при изменении осевой нагрузки на долото, после чего освобождают верхний конец бурильной колонны, а за нагрузки P_i принимают значения нагрузок, соответствующие экстремумам зависимости между осевой нагрузкой и темпом ее изменения или между нагрузкой и вращающим моментом или амплитудой или частотой колебаний бурильной колонны.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту n вращения долота устанавливают в соответствии с соотношением n≥ a·ν/K , где a = 1,2, 3...; ν - собственная частота изгибных колебаний утяжеленного низа; K - количество шарошек долота.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочую осевую нагрузку на долото периодически изменяют от значений P_i до значений 0,5 (P_i + P_i+1) и наоборот.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2