Способ предотвращения аварий бурильного инструмента в процессе бурения скважин

(50 4 ВСГГЛЩЗцц 6, ЕАИ." ИСАНИЕ ИЗОБРЕ ТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ Н СУААРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Центральная научно-исследовательская:лаборатория Производственного ордена Трудового Красного Знамени объединения "Оренбургнефть"(54)(57) СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ АВАРИЙ БУРИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ СКВАЖИН, основанный на регистрации упругих колеба"ний, возникающих от вибрации бурильной колонны в процессе бурения,преобразовании этих колебаний вэлектрический сигнал, .отфильтрованный от помех, о т л и ч а ю щ и й -с я тем, что, с целью повьппениянадежности прогнозирования аварийных ситуаций и предупреждения аварий бурильного инструмента в процессе бурения скважин, определяютпреобладающую частоту спектра упругих колебаний, на этой частоте определяют одновременно среднее значениедисперсии процесса вибрации за времяс начала измерения и текущие значенидисперсии процесса вибрации за равные промежутки времени и по уменьшению текущего значения дисперсиипроцесса вибрации по сравнению сосредним значением дисперсии в 3-5раз определяют наступление предаварииной ситуации.111915Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, а именно к предотвращению аварий бурильного инструмента в процессе бурения скважин. 5Цель изобретения - повышение надежности прогнозирования аварийных ситуаций и предупреждение аварий бурильного инструмента в процессе бурения. 1 ОНа фиг.1 представлена блок-схема устройства, поясняющая способ; на фиг.2 - графики спектральной плотности вибрационного процесса по способу. 15Реализация способа основана.нахарактерном развитии усталостногоразрушения длинных стержней с большим числом степеней свободы, к которым относится бурильная колонна.Причиной аварий бурового инструмента чаще всего является усталостное разрушение металла в результатесовокупности напряжений, действующих в буровой колонне. Концентрациянапряжений в определенных местахбуровой колонны ( изгибах, сеченияхмаксимального скручивания и т.д. ),а также при местных дефектах материала ( каверны )приводит к тому, чтоуровень сконцентрировавшихся инаведенных напряжений превосходитпредел прочности материала. Начинается развитие микротрещин, которые постепенно сливаются и развивают ся в более крупные магистрали, чтоприводит к слому бурильной колонны.Упругие свойства колонны бурильныхтруб изменяются. Это приводит к изменению условий распространения 40упругих колебаний в бурильной колонне, которые образуются при динамическом взаимодействии долота с забоем и всегда сопровождают процессбурения. В частности, вырастает диссипация энергии колебаний бурильнойколонны за счет поглощения, рассеивания других диссипативных процессов,что выражается в снижении интенсивности распространяющихся в ней упру бгих волн,Поскольку колебательные процессыв бурильной колонне описываются какслучайные в силу одновременногодействия целого ряда вызывающих их 55факторов (перекатывание шарошекдолота, удары долота по выступамзабоя и др, ), то энергетической характеристикой этих явлений может служить диспе 1 сия процесса вибрации.Таким образом, изменение дисперсии вибраций, развивающихся в колонне бурильных труб, может служить достаточно надежной характеристикойупругих свОйств напряженного состояния и целостности бурового инструмента,В данном техническом решении сцелью предотвращения аварий с бурилвной колонной определяют отношениетекущего и среднего значений дисперсии процесса на преобладающей частоте спектра.Применение этого техническогорешения основано на том, что реальные физические процессы исследуютсяв течение конечного времени и интегрирование ведется в пределах от момента начала наблюдений до данного текущего момента. Вследствиеэтого спектр является Функцией нетолько частоты, но и времени. Следовательно, изменение свойств процесса во времени будет отражатьсяна значении спектра. Это свойствоиспользуется при реализации способа.Текущее и среднее значения дисперсии определяются длительностьюТц. Среднее значение дисперсиихарактеризует общий ход процесса,текущее значение дисперсии - частные изменения его характера (например, при нарушении целостностиколонны ). Отношение среднего и текущего значений дисперсии позволяетопределить начало разрушения буриль.ной колонны. П р и м е р .Пусть среднее значение дисперсии определено за время с начала измерений Т = 20 м, а текущее значение дисперсии определяется через каждые 15-20 с в ходе долбления.Для стационарного эргодического процесса эти оценки должны сохраняться постоянными (по определению стационарного процесса), так как случайный волновой процесс при нормальном бурении стационарен по дисперсии. Следовательно, отношение среднего значения дисперсии к текущему будет равно 1 с точностью до ошибки измерений.При нарушении стационарности процесса, вызванном изменением Физики волновых явлений при усталостном1191565 ЭО разрушении колонны; текущее значение дисперсий 6 изменится ( уменьшится ), а отношение среднего значения дисперсии Й к текущему увелисрчится. Это изменение явится командой для выработки аварийного сигнала.Устройство, посняющее способ, содержит датчик продольных колебаний 1( см,фиг. ), блок полосовых фильтров 1 О2, блок усилителя сигналов 3, анализатор спектра случайных процессов 4,логический блок, включающий долговременное запоминающее устройство(ДЗУ) 5, оперативное запоминающееустройство (ОЗУ ) 6 и блок сравнениясигналов 7, блок выработки аварийного сигнала с интегрирующей схемой 8, а также блок сигнализации,состоящий .из звукового 9 и светового 10 табло.Устройство работает следующимобразом.,В процессе бурения скважины в результате взаимодействия долота с по- дродой возникают упругие колебания,передающиеся по бурильной колонне отзабоя к устью скважины и регистрирующиеся датчиком упругих колебаний 1, например СВ, которыйкрепится в верхней части бурильнойколонны под одним из болтов флянцавертлюга з.положении, обеспечивающем вертикальную ориентацию датчика,и который преобразует упругие коле 35бания в электрический сигнал. Электрический сигнал, отфильтрованный отпомех промьппленной частоты и от помех, возникающих при работе наземного, оборудования полосовым фильтром 2, поступает на вход усилителясигналов 3 (например, усилителя сейс.мостанции типа СМОВили любойдругой серийной сейсмической станции ).45 Усиленный сигнал с выхода усилителя поступает на вход блока анализатора.спектра случайных процессов (например, АСХЧ), в котором измеряется и осредняется дисперсия процесса вибрации бурильной колонны на преобладающей частоте спектра. Выход анализатора спектрасвязан с двумя входами логического блока. .55 Логический блок включает блок ДЗУ 5, блок ОЗУ 6 и блок сравнения сигналов 7. 4На один из входов логического блока, а именно ДЗУ 5, с блока анализатора спектра случайнйх процессов 4 поступает осредненное значение дисперсии процесса вибрации бурильной колонны на преобладающей частоте спектра и запоминается. На второй вход, связанный с ОЗУ 6, поступает текущее значение дисперсии процесса вибрации бурильной колонны на преобладающей частоте спектра сигнала.В процессе работы бурового инструмента непрерывно в блоке сравнения 7 происходит сравнение дисперсии процесса вибрации бурильной колонны на преобладающей частоте спектра, зафиксированной в блоке ДЗУ, и текущее значение дисперсии процесса вибрации бурильной колонны на преобладающей частоте спектра, зафиксирован" ной в блоке ОЗУ, Как только значение дисперсии процесса вибрации бурильной колонны на преобладающей частоте спектра текущего сигнала достигнет уровня в 3-5 раз меньше уровня диспер. сии сигнала, хранящегося в блоке памяти ДЗУ, вырабатывается сигнал рассогласования, по которому срабатывает система блока выработки аварийного сигнала 8, которая звуковым 9 и световым 10 сигналом предупреждает обслуживающий персонал буровой о возникшей аварийной ситуации. С целью предотвращения появлений сигналов ложной тревоги, которые могут возникнуть при кратковременных случайных изменениях дисперсии преобладающих частот (например, за счет, флуктуаций, случайных выбросов и т.д.), блок выработки аварийного сигнала снабжен схемой интегрирования, осредняющей текущее значение дисперсии частот в заданном временном интервале длительностью 10-12 с.Цифрами 11,12,14,15,17,19,20 (см.фиг.2 ) обозначены графики спектральной плотности сигнала на различных частотах, полученные при работе с нормальным ненарушенным инструментом. Цифрами 13,16,18 обозначены графики спектральной плотности сигнала, полученные за 4 ч до аварий (13 ), за 15 мин до аварии (16), за 10 мин до аварии (18 ), т.е. уже от работы аварийным инструментом. Характер аварий во всех трех случаях одинаков, а именно 13 лопнул корпус бурильной трубы,1191565 о ладю ОЛМ 40 И ФиГ Составитель Ю.ГавинскийТехред Л.Мартяшова Корректор Л.Пилипен дактор О.Колесник Тираж 539енного комитета СССетений и открытийЖраушская наб.,Заказ 7130/ Подписи НИИПИ Государспо делам изо 3035, Москва.4/ илиал ППП "Патент", г.Ужгоро Проектная, 4 16 - обрыв инструмента, 18 - поломка УБТ в муфтеЦифрой 21;обозначен график спектральной плотности сигнала, полученный за 3,5 мин до аварии (лопнул корпус верхней секции турбобура ). На представленных графиках отмечается изменение дисперсии на преобладающей частоте спектра вибрационного процесса, предшествующее сломубурильного инструмента.Таким образом, преимуществом предлагаемого способа по сравнению сизвестными является повышение надежности предупреждения аварийных ситуаций и своевременное их устранение,что позволит сократить число ава О рий бурильного инструмента и улучшит технико-экономические показателибуровых работ.