Способ определения работоспособности породоразрушающего инструмента

 

Изобретение относится к области контроля параметров бурения скважин и может быть использовано при диагностике состояния породоразрушающего инструмента. Способ включает измерение колебаний давления промывочной жидкости на долото и колебаний осевой нагрузки на долото, выбор текущих критериев работоспособности, задание их эталонных значений и определение работоспособности породоразрушающего инструмента сравнением текущих значений критериев с их эталонными значениями. Новым является то, что проводят вейвлет-преобразование одномерных сигналов Р(t) и G(t), измеренных в начале и в процессе долбления, с определением их масштабно-временной развертки и значений полной энергии. В качестве текущих критериев работоспособности принимают величины ХР= ЕfН)/ЕfТ) и ХG= Еf(GH)/Еf(GT) соответствующих сигналов, где ЕfН) и Еf(GH) - полная энергия соответственно колебаний давления промывочной жидкости и колебаний осевой нагрузки в начале долбления; ЕfТ) и Еf(GТ) - полная энергия соответственно колебаний давления промывочной жидкости и осевой нагрузки в процессе долбления. Эталонные значения критериев определяют в процессе бурения первой скважины на кусте для максимально изношенного инструмента. Изобретение позволяет повысить точность оценки технического состояния породоразрушающего инструмента в процессе. 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области контроля и измерения параметров в процессе бурения нефтяных и газовых скважин. Преимущественно может быть использовано при диагностировании работоспособности породоразрушающего инструмента с целью его эффективной отработки, а также при разработке автоматизированных систем управления процессом бурения.

Известен способ определения степени износа породоразрушающего инструмента, заключающийся в измерении пульсации давления промывочной жидкости с его последующим преобразованием в спектр колебаний давления, причем за критерий износа породоразрушающего инструмента принимается ширина полосы нормированной спектральной плотности, а предельный износ характеризуется полным отсутствием преобладающей частоты (А.с. 1427059, СССР, Е 21 В 45/00, БИ 36, 1988).

Наряду с неоспоримыми достоинствами, классическое преобразование Фурье (спектральный анализ) иногда оказывается недостаточно эффективным при обработке сложных сигналов. Например, Фурье-преобразование не отличает сигналы двух синусоид, один из которых представляет собой сумму синусоид с различными частотами, второй - последовательность следующих друг за другом синусоид. В обоих случаях их спектр будет выглядеть как пики на фиксированных частотах. Поэтому преобразование Фурье в своем традиционном виде не приспособлено для анализа нестационарных сигналов, в том числе локализованных на некотором временном интервале, так как теряется информация о временных характеристиках сигнала. Следовательно, спектральный анализ реальных сигналов необходимо осуществлять как на частоте, так и во времени.

Известен способ определения работоспособности породоразрушающего инструмента путем регистрации колебаний давления промывочной жидкости в нагнетательной линии и вычисления величины критерия его работоспособности (А.с. 1800011, СССР, E 21 B 45/00, БИ 9, 1993). В данном решении вычисляют корреляционную размерность и в начале, и в процессе бурения, определяют критерий работоспособности и его эталонное значение для каждой конкретной режимной пачки бурения, а границу времени работоспособности отождествляют со временем достижения критерием его эталонной величины.

Недостатком этого метода является довольно сложная процедура определения критерия работоспособности, и соответственно низкая точность оценки технического состояния долота в процессе эксплуатации.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения работоспособности породоразрушающего инструмента (А.с. 1102906, СССР, Е 21 В 45/00, БИ 26, 1984), включающий измерение колебаний давления промывочной жидкости на долото и колебаний осевой нагрузки на долото, выбор текущих критериев работоспособности, задание их эталонных значений и определение работоспособности породоразрушающего инструмента сравнением текущих значений критериев с их эталонными значениями. При этом в качестве текущих критериев работоспособности по прототипу используют коэффициенты вариаций большого количества замеряемых параметров, в том числе затрат мощности на бурение, скорости проходки и т.д., с учетом уровня значимости и цифрового значения интервала усреднения.

Известный способ сложен и недостаточно точен для определения состояния породоразрушающего инструмента в процессе бурения скважины.

Предлагаемое изобретение решает техническую задачу повышения точности оценки технического состояния породоразрушающего инструмента (долота) в процессе эксплуатации при упрощении за счет снижения количества контролируемых параметров.

Поставленная задача решается тем, что предлагается способ определения работоспособности породоразрушающего инструмента, включающий измерение колебаний давления промывочной жидкости P(t) и колебаний осевой нагрузки на долото G(t), определение текущих критериев работоспособности и их эталонных значений и сравнение текущих значений критериев работоспособности с их эталонными значениями, отличающийся тем, что проводят вейвлет-преобразование одномерных сигналов P(t) и G(t), измеренных в начале и в процессе долбления, с определением их масштабно-временной развертки и значений полной энергии, в качестве текущих критериев работспособности принимают величины Xp= Ef(PH)/Ef(PT) и XG= Ef(GH)/Ef(GT) соответствующих сигналов, где Ef(PH) и Ef(GH) - полная энергия соответственно колебаний давлений промывочной жидкости и колебаний осевой нагрузки в начале долбления, Ef(PT) и Ef(GT) - полная энергия соответственно колебаний давления промывочной жидкости и осевой нагрузки в процессе долбления, а эталонные значения критериев определяют в процессе бурения первой скважины на кусте для максимально изношенного инструмента.

Термин "вейвлет" (дословный перевод - маленькая волна) появился сравнительно недавно - его ввели Гроссман и Морле в середине 80-х годов в связи с анализом свойств сейсмических и акустических сигналов (Crossman A., Morlet J. , SIAM J. Math.Anal.15723, 1984). В настоящее время вейвлет-анализ начинает широко применяться в задачах распознавания образов; при обработке и синтезе различных сигналов; при анализе изображений самой различной природы; для изучения свойств турбулентных полей; для свертки (упаковки) больших объемов информации и во многих других случаях. Однако вейвлет-преобразование еще недостаточно широко известно кругу исследователей, занимающихся анализом экспериментальных и промысловых данных. Поэтому приведем некоторые сведения из теории вейвлетов, которые понадобятся при практическом его применении для анализа сигналов различной природы.

Вейвлет-преобразование одномерного сигнала (например, колебаний давления промывочной жидкости или колебаний осевой нагрузки на долото) состоит в его разложении по базису, сконструированному из обладающей определенными свойствами солитоноподобной функции (вейвлета) посредством масштабных изменений и переносов. Каждая из функций этого базиса характеризует как определенную пространственную (временную) частоту, так и ее локализацию в физическом пространстве (времени). Таким образом, в отличие от традиционного Фурье-анализа, который хорошо локализует частоту сигнала, но без временного разрешения, вейвлет-преобразование обеспечивает двумерную развертку исследуемого сигнала, при этом частота и координата рассматриваются как независимые переменные. В результате появляется возможность анализировать свойства сигнала одновременно в физическом (время, координата) и в частотном пространствах. Коэффициенты вейвлет-преобразования определяются как сумма по временной оси сигнала, помноженного на масштабированную и сдвинутую копию первоначального (базового) вейвлета: Чтобы обеспечить частотный анализ, базовый вейвлет должен иметь еще один аргумент - масштабный коэффициент, который является аналогом частоты в Фурье-анализе. Процесс масштабирования и сдвига по времени выглядит следующим образом: где - базовый вейвлет; s - масштабный коэффициент, введен как делитель t, причем масштабированию подвергается и сдвиг .

На фиг. 1 приведена частотно-временная локализация вейвлет-преобразования, из которой видно, что при увеличении временного масштаба уменьшается ширина прямоугольника, происходит сужении в частотной области, а это свойство вейвлет-преобразования дает преимущество при анализе сложных сигналов, выявляя их низкочастотные и высокочастотные характеристики. Существуют различные типы базисных вейвлетов, но все они должны удовлетворять следующим основным свойствам: она должна быть ограничена локализована, т.е. определена на конечном интервале времени и частоты; нулевые моменты должны быть равны нулю, Выбор типа базисного вейвлета зависит от того, какую информацию необходимо извлечь из анализируемого сигнала.

На фиг. 2 изображено устройство для осуществления предлагаемого способа определения работоспособности породоразрушаюшего инструмента при бурении скважин.

Устройство содержит приемник сигналов - датчики 1 и 2, блок нормирования 3, аналого-цифровой преобразователь 4, блок обработки и управления 5, блок индикации 6, пульт управления 7.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. На устье скважины устанавливаются два датчика давления как приемники сигналов. Датчик 1 устанавливается на неподвижном конце талевого каната или гидравлическом индикаторе веса для измерения колебаний осевой нагрузки на долото G(t), а датчик 2 - на манифолдьной линии для измерения колебаний промывочной жидкости Р(t).

Далее сигналы, каждый по своему каналу связи, поступают на блок нормирования 3, который обеспечивает согласование диапазонов выходных сигналов датчиков с диапазоном входных сигналов аналого-цифрового преобразователя 4. Блок обработки и управления 5 формирует управляющие сигналы, проводит вейвлет-преобразование одномерных сигналов P(t) и G(t) с определением их масштабно-временной развертки и значений полной энергии Еf процессов Ef P и Ef G в любой момент времени бурения. В качестве текущих критериев работоспособности принимаются величины соответствующих сигналов, измеренных в начале и в процессе долбления, а работоспособность породоразрушающего инструмента определяется сравнением текущих значений критериев XP и ХG с их эталонными значениями, определяемыми в процессе бурения первой скважины на кусте для максимально изношенного инструмента.

Блок индикации 6 предназначен для визуального контроля изменения масштабно-временной развертки сигналов Р(t), G(t) и изменения текущей величины критериев ХP и XG для сравнения с их эталонными значениями, что позволит сохранить работоспособное состояние породоразрушающего инструмента в процессе бурения. Пульт управления 7 служит для корректировки оператором необходимых параметров, изменениями которых сопровождается процесс бурения скважины, а именно: изменения типа породы, долота, забойного двигателя, режима бурения.

В результате проведения многочисленных экспериментов на модельных (гармонический, трендовый, импульсный) и других видах сигнала нами был выбран вейвлет DOG (Different of Gaussians) с параметром производной m=2. Такой вейвлет носит название МНАТ-вейвлет (Mexican hat).

Для количественной оценки вейвлет-преобразования необходимо использовать его энергетические характеристики. Плотность энергии Ec(s,) = C2s, характеризует энергетические уровни исследуемого сигнала f(t) в пространстве (s,)= (масштаб, время). Полную энергию сигнала можно записать через плотность энергии: Пример реализации предлагаемого способа.

Для проведения вейвлет-преобразования были использованы измерения колебаний давления промывочной жидкости (Р) и осевой нагрузки на долото (G), полученные при бурении скважин на кусте 769 "бис" Самотлорского месторождения. Исследования проводились по следующей методике: внешний вид полученных записей P(t), G(t) для достаточно больших временных интервалов (порядка 20-25 мин) позволяет сделать предположения о стационарности и эргодичности случайных функций. Поэтому анализу подвергались оцифрованные данные с дискретностью 3 с. записей P(t), G(t) в начале и в процессе каждого из всех долблении на исследуемом кусте с определением технического состояния долот. В качестве критерия для оценки технического состояния долота в процессе эксплуатации выберем величины:
где Ef(PH) и Ef(GH) - полная энергия колебаний давления жидкости и осевой нагрузки соответственно в начале долбления;
Ef(PT) и Ef(GT) - полная энергия колебаний давления жидкости и осевой нагрузки соответственно в процессе долбления.

Проанализировано 36 долблений при бурении шести скважин. Выявлено, что в начале бурения любого из 36 долблений, когда долото новое, критерии работоспособности изменялись в следующих пределах:
Хр=4,58-8,84 и XG =5,41-9,83.

По мере эксплуатации долота величины критериев уменьшились, и к концу давления в зависимости от различного технического состояния долота критерии составили:
XP min= 2,50-3,50; ХG min= 2,00-4,00 (минимальный износ долота - B11, В1П2);
XP max=0,30-0,40; XG max=0,20-0,40 (максимальный износ долота - В4П3).

Следовательно, максимальное значение критериев Xp max и XG max можно принять в качестве эталонных при бурении последующих скважин на этом кусте.

В качестве конкретного примера рассмотрим результаты вейвлет-анализа и расчет эталонного значения критерия работоспособности долота при бурении первой скважины на этом кусте ( 30658). На фиг.3 и 4 представлены результаты вейвлет-преобразования, а именно масштабно-временные развертки для неизношенного долота (интервал 1201-1350 м, износ - В1П2) и изношенного долота (интервал 1047-1201 м, износ В4П3) соответственно. На левой картине фиг.3 когда долото новое в значениях коэффициентов легко различаются многочисленные периодически повторяющиеся детали в верхней части картины, что соответствует низкочастотным модам колебаний сигнала. Для правой части картины, при небольшом износе долота, характерны высокочастотные составляющие в нижней части картины, а периодически повторяющиеся детали укрупняются, растягиваются. Для изношенного долота, фиг.4, видим увеличение мелкомасштабных деталей в высокочастотной области, что говорит о наличии беспорядочных, хаотических колебаниях долота. В низкочастотной области на протяжении всего временного интервала масштабы деталей сохраняются, прослеживается похожая на периодическую структура.

В таблице приведены результаты расчета критерия работоспособности долота при бурении скв. 30568. Как видно из таблицы, значения критериев работоспособности долота ХP и XG отличаются для различных технических состояний долота. Для изношенных долот XP=0,36-0,85, XG=0,27-0,73. Следовательно, исходя из этих результатов в качестве эталонных значений критериев работоспособности долота, можно рекомендовать XP=0,30, ХG=0,20. При бурении последующих скважин на этом кусте необходимо контролировать текущие значения критериев и по мере их приближения к эталонным значениям критериев принимать оперативное решение.

На фиг. 5 показан процесс изменения критерия работоспособности долота, определенный по колебаниям осевой нагрузки на долото в процессе второго долбления на скв. 30568. Контролируется критерий

где Ef(GT)- полная энергия текущих значений колебаний осевой нагрузки на долото, измеряемых с интервалом дискретности - 3 с в течение 25 мин. Как видно из фиг.5, величина критерия работоспособности постепенно уменьшается с XG max=2,0 до ХG min=0,24 для сильно отработанного долота.

Таким образом, предлагаемый способ контроля технического состояния породоразрушающего инструмента с применением методов вейвлет-преобразований дополняет другие критерии оценки глубинного оборудования и может найти применение при разработке и эксплуатации автоматизированных систем управления процессом бурения.


Формула изобретения

Способ определения работоспособности породоразрушающего инструмента, включающий измерение колебаний давления промывочной жидкости Р(t) и колебаний осевой нагрузки на долото G(t), определение текущих критериев работоспособности и их эталонных значений, и сравнение текущих значений критериев работоспособности с их эталонными значениями, отличающийся тем, что проводят вейвлет-преобразование одномерных сигналов Р(t) и G(t), измеренных в начале и в процессе долбления, с определением их масштабно-временной развертки и значений полной энергии, в качестве текущих критериев работоспособности принимают величины ХР= Еfн)/Еfт) и ХG= Еf(GH)/Еf(GT) соответствующих сигналов, где Еfн) и Еf(GH) - полная энергия соответственно колебаний давления промывочной жидкости и колебаний осевой нагрузки в начале долбления; Еfт) и Еf(GT) - полная энергия соответственно колебаний давления промывочной жидкости и осевой нагрузки в процессе долбления, а эталонные значения критериев определяют в процессе бурения первой скважины на кусте для максимально изношенного инструмента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6

PC4A - Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение

Прежний патентообладатель:
ООО "Центр исследований и разработок ЮКОС"

(73) Патентообладатель:
Интерсино Инвестментс Лимитед (SC)

Договор № РД0002462 зарегистрирован 30.09.2005

Извещение опубликовано: 20.11.2005        БИ: 32/2005



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области контроля параметров бурения скважин и может быть использовано при диагностике состояния породоразрушающего инструмента

Изобретение относится к бурению скважин и может быть использовано для контроля крутящего момента при свинчивании с помощью машинного ключа труб над устьем скважины

Изобретение относится к бурению скважин и предназначено для измерения крутящего момента ротора буровой установки при бурении скважин

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для измерения силовых параметров в колонне бурильных труб,в том числе и над долотом

Изобретение относится к буровой технике, в частности к автономным техническим средствам контроля забойных параметров, и может найти применение для регистрации продольной и поперечных сил и крутящего момента, действующих на колонну бурильных труб в компоновке низа бурильной колонны над буровым долотом в процессе бурения ствола скважины

Изобретение относится к контролю и измерению параметров в процессе бурения нефтяных и газовых скважин

Изобретение относится к автоматизации бурения нефтяных скважин и позволяет обеспечить оптимизацию процесса бурения путем непосредственной его регулировки в каждый момент времени в зависимости от измеряемых параметров, характеризующих движение бурильной головки

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к технике измерения продольных колебаний распространяющихся по бурильной колонне при вертикальном сейсмическом профилировании при проведении геофизических работ

Изобретение относится к контролю и управлению процессом бурения скважин и может быть использовано для выбора оптимальных показателей работы долот в процессе механического бурения

Изобретение относится к области контроля параметров бурения скважин и может быть использовано при диагностике состояния породоразрушающего инструмента

Изобретение относится к управлению подачей машины для бурения горной породы

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для автоматического управления режимами бурения скважин

Изобретение относится к бурению скважин с использованием гидравлического механизма подачи и позволяет повысить надежность за счет предотвращения поломки бурового инструмента при внезапном отключении электроэнергии

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для бурения шпуров

Изобретение относится к горной промышленности

Изобретение относится к алмазному бурению скважин и позволяет повысить надежность обнаружения аварийных ситуаций за счет увеличения точности определения порогов распознавания аварийных ситуаций

Изобретение относится к области горной пром-ти и позволяет увеличить длину пространственно-ориентиро ванных скважин при одновременном повышении надежности работы машины при бурении скважин в автоматическом режиме в породах, перемежающихся по физико-механическим свойствам

Изобретение относится к эксплуатации бурового оборудования, а именно к системам управления гидроприводной буровой установкой
Наверх