Способ выделения осложнений в стволе скважины и устройство для его осуществления

 

Назначение: изобретение относится к нефтяной, газовой и геологоразведочной промышленности, в частности к бурению скважин, из пропластков которых возможно газовыделение. Сущность изобретения: способ включает определение перепада давления буровых насосов и производительности выбросов бурового раствора из кольцевого пространства скважины. Дополнительно подтверждают газовыделение в процессе бурения по дрилометру, что скажется на повышении веса бурового инструмента, ввиду снижения удельного веса раствора в кольцевом пространстве ствола скважины, за счет растворения в нем газа. Этот показатель в два раза более точно определяется также по дриллометру 3 кратковременной остановкой бурения скважины и вытеснения части бурового раствора из внутритрубного пространства в кольцевое. Кроме того, с весьма большой точностью судят о наличии осложнения в период, например, наращивания инструмента по опусканию уровня бурового раствора внутри колонны труб 7. Устройство для осуществления способа содержит подвижную ленту с регулируемой скоростью вращения, на которой записаны характеристики насосов для различных значений средних удельных весов бурового раствора. Характеристики сдвинуты по горизонтали относительно друг друга на заданную величину в зависимости от перепада давления буровых насосов к производительности его выброса через кольцевое пространство. Несовпадение самописца с одной из кривых и переход его на низлежащую говорит о факте проявления, который подтверждается также падением уровня жидкости внутри труб 7. 2 с. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к нефтяной, геологоразведочной и газовой промышленности, в частности к бурению скважин, из пропластков которых возможно выделение газа.

Известно устройство для контроля количества газа в промывочной жидкости (авт. св. N 648720, кл. Е 21 В 47/00) для выявления осложнений в стволе скважины, связанных с газопроявлением и последующими возможными выбросами и авариями. Способ раннего обнаружения выделения газа из скважины основан на том, что создают импульсы (перепады) давления бурового раствора, которые распространяются по внутритрубному и затрубному пространству скважины. Учитывая, что скорости в обоих случаях разные, ввиду того, что в кольцевом пространстве, насыщенном газом, она меньше, замерив их разницу, можно судить о наличии газа, а также его количестве. Устройство включает забойный генератор импульсов и преобразователь их, фильтры, дреггеры, электросигнализаторы, анализаторы и т.д.

Недостатком является низкая достоверность из-за наличия сложного электрооборудования на забое скважины, что усугубляется также наличием гидровибраций.

Известны способ и прибор регистрации осложнений в скважине при бурении ее буровым инструментом бурильными трубами, включающий датчики давления и расхода бурового раствора (Нефтяная промышленность. Серия бурение. Экспресс-информация. Зарубежный опыт, 1986, N 21, статья "Наземный регистрирующий прибор для выявления осложнений в стволе скважины" Parigot P.Surface recorder can signal down hele drilling problems World Oil, 1985, XI-Vol 201, N 6, p. 71, 72, 74, 76, 79). Прибор устанавливается на буровом насосе и обеспечивает построение графической зависимости перепада давления от объемного расхода бурового раствора, при этом строится зависимость давления ΔP от расхода ΔQ по следующей формуле ΔP = KΔQ^N. Также сообщается, что при проявлении перепад падает, а производительность растет на выходе из скважины, по этим признакам его и определяют. Строятся также теоретические зависимости для трех значений числа ходов поршня, например 30, 40 и 50 ходов в минуту. Другой график определяет нормативный перепад давления при расходе, обеспечивающем оптимальные показатели бурения, а также два значения перепада при расходах, близких к оптимальному. Рекомендуется периодически регулировать оба насоса так, чтобы получить идентичные характеристические прямые (прототип).

Недостатком является то, что требуется подтверждение достоверности факта проявления, так как уменьшение давления может произойти по причине ухода жидкости, замер же производительности может быть не точен. Кроме того, не автоматизировано сравнение графиков, то есть нет самописца для построения кривых сравнения фактической с теоретической и газ может попасть во внутритрубное пространство.

Технический результат, создаваемый изобретением повышение надежности обнаружения проявления, благодаря чему становится возможным предотвратить газовыделения и аварии.

Указанный результат достигается тем, что в способе, включающем определение перепада давления в буровых насосах и производительности выброса бурового раствора из кольцевого пространства скважины и построение графической зависимости перепада давления от объемного расхода бурового раствора, сравнение ее с теоретической зависимостью и выявление наличия газопроявления в скважине, в кольцевое пространство скважины направляют газ для растворения его в жидкости, затем в процессе бурения осуществляют торможение лебедки, прекращают подачу бурового инструмента и измеряют изменение веса бурового инструмента, после чего кратковременно останавливают промывку скважины, вытесняют часть бурового раствора через обратный клапан на конце бурового инструмента из внутритрубного пространства в кольцевое и измеряют величину l уровня раствора в колонне труб устройством для замера уровня жидкости или эхолотом, затем определяют увеличение веса ΔQ бурового инструмента и удельный вес γ_к бурового раствора в смеси с газом в кольцевом пространстве по формулам где Δ Q_тр чистый вес бурильной колонны труб; т; Z глубина скважины, m; D и d внутренние диаметры скважины и труб бурильной колонны, и графическую зависимость перепада давления от объемного расхода бурового раствора, а о наличии газопроявления в скважине дополнительно судят по (уменьшению) уровню бурового раствора в колонне труб и по увеличению веса бурового инструмента.

Причинно-следственная связь: торможение лебедки и прекращение подачи инструмента осуществляют для того, чтобы инструмент оказался в подвешенном состоянии и его можно было точно взвесить, и если вес увеличился по дриллометру по сравнению с предыдущим показанием, то это уже один из признаков проявления. Остановку промывки осуществляют для того, чтобы прекратить подачу бурового раствора во внутритрубное пространство бурильной колонны и тем самым в случае появления газа в межтрубном пространстве осуществить снижение уровня жидкости во внутритрубном, замер которого подтвердит проявление.

Технический результат изобретения подтверждается тем, что устройство содержит буровой инструмент, датчики давления и объемного расхода бурового раствора и подключенный к буровому насосу прибор для построения графической зависимости от объемного расхода бурового раствора, оно снабжено обратным клапаном, установленным на конце бурового инструмента, а прибор для построения графической зависимости давления от объемного расхода бурового насоса выполнен в виде подвижной ленты с механизмом регулирования скорости ее движения, концы которой намотаны на ролики, и подпружиненной стрелки, на одном конце которой закреплен с возможностью контакта с лентой самописец, а подпружиненный конец стрелки соединен с поршнем силового цилиндра, подпоршневая полость которого сообщена с гидравлической линией бурового насоса, при этом механизм регулирования скорости движения ленты выполнен в виде двух, расположенных в перпендикулярных плоскостях дисков, контактирующих друг с другом, причем один из дисков посажен на ось одного из роликов, которая соединена с узлом перемещения диска вдоль нее, а ось другого диска связана с приводом его вращения. Причинно-следственная связь: обратный клапан на конце бурильного инструмента ставится для того, чтобы жидкость вместе с газом из кольцевого пространства не перетекала во внутритрубное, а разность удельных весов в них позволяет судить о наличии газа в скважине. Подключение подпружиненной стрелке своим одним концом к поршню силового цилиндра, сообщенного с гидравлической линией бурового насоса, позволяет вести запись характеристики на ленте в зависимости от давления бурового насоса. Механизм регулирования скорости движения ленты необходим для налаживания прибора и построения графической зависимости от скорости бурения.

На фиг. 1 представлен график гидростатического давления столба жидкости в кольцевом пространстве скважины, сплошными линиями без проявления и пунктиром при проявлении (А), по внутритрубному пространству (Б), график изменения сил трения жидкости в кольцевом пространстве при отсутствии газа сплошной линией и пунктиром при наличии проявления (В), при внутритрубном пространстве (Г), разрез скважины при наличии газопроявления (Д); на фиг. 2 - графики зависимости изменения перепада P от производительности Q насоса для различных удельных весов раствора; на фиг. 3 пишущий механизм с двигающейся лентой, на которой нанесены указанные на фиг. 6 зависимости; на фиг. 4 - механизм регулирования скорости движения ленты.

Пример осуществления способа. Имеем скважину глубиной Z=2000 м с внутренним диаметром D=190 мм бурящуюся 5" буровым инструментом, трубы d=142 мм, весом приблизительно 70 т (удельный вес труб g_тр 7,8 т/м³), удельный вес бурового раствора γ_бр 2 т/м³. При появлении в кольцевом пространстве скважины газа снижается перепад давления буровых насосов за счет насыщения кольцевого пространства газом и снижения при этом удельного веса смеси жидкости и газа в нем (фиг. 1). При этом повышается скорость восходящего потока в нем. Однако увеличение гидравлических потерь при этом незначительно ГД<ВА и скорость восхождения при этом существенно не снизится. При наличии этих двух факторов судят о начавшемся проявлении. Наличие проявления также подтверждается также в процессе бурения повышением веса бурового инструмента по дриллометру. Для этого в процессе бурения осуществляют торможение лебедки, выдерживают время полного снятия нагрузки со стороны бурового инструмента на забой скважины, т. е. прекращают подачу его (долота) на забой. Увеличение веса происходит за счет снижения веса (удельного) бурового раствора в кольцевом пространстве скважины, в который погружен буровой инструмент. При этом удельный вес жидкости в кольцевом пространстве Кроме того, точность замера повышается в два раза, когда кратковременной остановкой промывки скважины ввиду разницы гидростатических давлений А_IБ_I<АБ вытесняют часть бурового раствора из внутритрубного пространства в кольцевое, благодаря наличию обратного клапана на конце бурильных труб. Это также производят в период наращивания инструмента. При этом о наличии проявления судят по опущенному уровню l бурового раствора во внутритрубном пространстве колонны труб устройством для замера уровня жидкости, поплавкового или другого типа или эхолотом. При этом определяют увеличение веса инструмента из выражения в процентном отношении это составит К=2,6/70·100%3,6% что вполне удовлетворяется существующими конструкциями дриллометров.

Устройство для выявления осложнения в стволе скважины состоит из датчика давления манометра 1, установленного на напорной линии манифольда буровых насосов 2, самопишущего дриллометра 3, обратного клапана 4, смонтированного на конце бурового инструмента под долотом бурильной колонны труб 5, соединенной с насосами 2 гибким шлангом 6. Кольцевое пространство 7 соединено с желобом 8, к которому последовательно присоединены датчик 9 объема расхода бурового раствора, электропреобразователь 10 и сигнализатор-указатель 11. Буровые насосы 2 снабжены прибором для построения графической зависимости давления от объемного расхода бурового раствора самописцем 12, установленным на подпружиненной стрелке 13, записывающим на подвижную, с помощью роликов 14, ленту с механизмом регулирования скорости ее движения. На ленте нанесены кривые значений γ₀, γ₁, γ₂ удельных весов (средние) бурового раствора в процессе бурения скважины. Стрелка 13 контактирует с подвижной лентой 15, подпружинена с одной стороны пружиной 16, а с другой сообщена с силовым цилиндром 17, подпоршневая полость которого соединена с гидросистемой насосов 2. Ось одного из роликов 14 соединена с диском 18, ось другого 19 с приводом 20 его вращения. Диски 18 и 19 контактируются друг с другом и лежат в плоскостях, перпендикулярных друг другу. Диск 18 снабжен механизмом регулирования скорости вращения благодаря перемещению его вдоль своей оси. Для этого он посажен на шлицы 21 своей осью 22 с ответными шлицами, закрепляемыми двумя гайками 24 на неподвижной опоре 25. Выноской 26 показано шарнирное соединение. На двигающейся ленте 15 на оси абсцисс, по ходу ее движения, нанесены значения производительностей насоса, взятые из его характеристики P= f(Q), для различных средних удельных весов раствора γ₀, γ₁, γ₂ в полостях (внутритрубной и кольцевой), сдвинутые по горизонтали на заранее заданную величину, причем механизм скорости движения ленты выполнен с возможностью его регулирования в зависимости от скорости бурения. Для P=f(Q) для различных средних удельных весов выполнены также с различными наклонами к оси абсцисс зависимости от скорости бурения. На оси ординат нанесены давления, развиваемые насосами.

Принцип работы устройства следующий: перемещением вдоль оси диска 18 и прижатием его к торцу диска 19 на том или другом радиусе R добиваются вращения роликов 14 со скоростью, соответствующей скорости бурения, например V₀₃, благодаря чему самописец 12 будет перемещаться вдоль кривой, соответствующей нормальному удельному весу γ₀ бурового раствора. В случае начала проявления, когда удельный вес в кольцевом пространстве уменьшится и средний удельный вес станет γ₁ производительность, к примеру, увеличится с 37 до 38 м/с на выходе из кольцевого пространства за счет появления в жидкости кольцевого пространства газа, перепад давления между насосами 2 и устьем скважины уменьшится с 95 до 80 кг/см², конец самописца перейдет на кривую с V₁₃. Графики автоматизируют процессе сравнения параметров и по ним всегда можно судить на какой глубине и когда было проявление и прошло оно или нет. Таким образом, если по дриллометру во взвешенном состоянии показания веса одной и той же длины бурильного инструмента увеличиваются, то это будет дополнительный сигнал, помимо сигналов подаваемых сигнализатором указателем 11 о производительности и манометром 1 о начале проявления газа в стволе скважины.

Таким образом, изобретение позволят без каких-либо сложных приборов повысить надежность обнаружения газопроявления, благодаря чему становится возможным предотвратить аварии.

Формула изобретения

1. Способ выявления осложнений в стволе скважины при бурении, включающий определение перепада давления в буровых насосах и производительности выброса бурового раствора из кольцевого пространства скважины и построение графической зависимости перепада давления от объемного расхода бурового раствора, сравнение ее с теоретической зависимостью и выявление наличия газопроявления в скважине, отличающийся тем, что предварительно направляют газ в кольцевое пространство для растворения его в жидкости кольцевого пространства при бурении, затем в процессе бурения осуществляют торможение лебедки, прекращают подачу бурового инструмента и измеряют изменение веса бурового инструмента, после чего кратковременно останавливают промывку скважины, вытесняют часть бурового раствора через обратный клапан на конце бурового инструмента из внутритрубного пространства в кольцевое и измеряют величину l уровня бурового раствора в колонне труб устройством для замера уровня жидкости или эхолотом, затем определяют увеличение веса ΔQ бурового инструмента и удельный вес γ_к бурового раствора в смеси с газом в кольцевом пространстве по формулам


где Q_тр чистая масса бурильной колонны труб, т;
D и d внутренние диаметры скважины и труб бурильной колонны,
и графическую зависимость перепада давления от объемного расхода бурового раствора строят для разных удельных весов бурового раствора, а о наличии газопроявления в скважине дополнительно судят по уменьшению уровня бурового раствора в колонне труб и по увеличению веса бурового инструмента.

2. Устройство для выявления осложнений в стволе скважины в процессе бурения, содержащее буровой инструмент, датчики давления и объемного расхода бурового раствора и подключенный к буровому насосу прибор для построения графической зависимости от объемного расхода бурового раствора, отличающееся тем, что оно снабжено обратным клапаном, установленным на конце бурового инструмента, а прибор для построения графической зависимости давления от объемного расхода бурового насоса выполнен в виде подвижной ленты с механизмом регулирования скорости ее движения, концы которой намотаны на ролики, и подпружиненной стрелки, на одном конце которой закреплен с возможностью контакта с лентой самописец, а подпружиненный конец стрелки соединен с поршнем силового цилиндра, подпоршневая полость которого сообщена с гидравлической линией бурового насоса, при этом механизм регулирования скорости движения ленты выполнен в виде двух расположенных в перпендикулярных плоскостях дисков, контактирующих друг с другом, причем один из дисков посажен на ось одного из роликов, которая соединена с узлом перемещения диска вдоль нее, а ось другого диска связана с приводом его вращения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4