Система контроля процесса бурения скважин

(71) Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт геологических,геофизических и геохимических информационных систем и Специальное конструкторское бюро геофизического приборостроения(56) Лукьянов Э. И,скважин в процессеНедра, 1979, с. 195Миракян В. И Рукавицын В. Н.Системы контроля геофизических и технологических параметров при бурениискважин. - РНТС "Автоматизация и телемеханизация нефтяной промышленности". - М.: ВНИИОЭНГ, 1986, Р 6,с. 33-35. Исследованиебурения. - М.-196 ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(54) СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ СКВАЖИН(57) Изобретение относится к бурениинефтяных и газовых скважин и позволяет повысить точность контроля процес-,са бурения за счет получения информации о забойных параметрах. Системасодержит блоки 1 измерения механической скорости.2 крутящего моментароторного стола, 3, 5 и 6, 12 давле"ния и расхода промывочной жидкостина входе и выходе циркуляционной системы соответственно, 4 частоты вращения долота, 7 осевой нагрузки, 9плотности промывочной жидкости, 16глубины скважины, 29 преобладающейчастоты, а также блок 22 газовогокаротажа, датчики 10, 11 продольныхи поперечных упругих колебаний соответственно, два коррелятора 18 и 19,блок 20 дифференцирования, блоки 25,28 измерения максимума корреляционной функции и анализаторы 26 и 27492033 1 О 15 спектра. Для обработки информациисистема содержит блоки 13 и 14 вычитания, блоки 8, 15 и 17 умножения(БД), блок 24 суммирования, блок 30памяти и блок 31 совпадения (БС). Рациональные параметры бурения определяются в блоках 32, 33, 36 определения оптимальных осевой нагрузки,продолжительности процесса бурения ичастоты вращения долота соответственно, Режимные и технологические параметры процесса бурения фиксируются вблоке 38 регистрации и отображенияинформации. Сигналы с выходов БД 21и 23, пропорциональные коэффициенту Изобретение относится к областиконтроля Режимов бурения нефтяных игазовых скважин и может быть исполь, зовано при бурении глубоких разведочных и эксплуатационных скважин.Цельв изобретения является повышение точности контроля эа счет получения забойной информации.На чертеже представлена функциональная схема системы контроля процесса бурения скважин.Система содержит блок 1 измерениямеханической скорости бурения 11,блок 2 измерения крутящего момента ероторного стола М Р, блок 3 измерениядавления промывочной жидкости на входе циркуляционной системы Р , блок4 измерения частоты вращения долотаи, блок 5 измерения расхода промывочной жидкости на входе циркуляционнойсистемы Яв , блок 6 измерения расходаЬК хпромывочной жидкости на выходе циркуляционной системы8 блок 7 измеРения осевой нагРУзки Рос х первый 45блок 8 умножения (Чм К ), блок 9 изРмерения плотности промывочной жидкости ,к, датчик 10 продольных упругих колебаний Аг, установленный в верхнейчасти бурильной колонны с предварительным усилителем, датчик 11 поперечных колебаний Аэ, совмещенный в одной точкеизмерения с датчиком продольных колебаний с предварительным усилителем, блок 12 измерения давления промывочной жидкости на выходе циркуляционной системы Р , с приемным акустическим преобразователем сигналов давления Р , установленным в проницаемости горных пород и энерго 1емкости их разрушения, и с выходаБУ 8 поступают на соответствующиевходы БС 31, Одновременное превышениесигналами заданных пороговых значений распознается в БС 31 как признаквскрытия пласта-коллектора. Сигнал свыхода БУ 17 поступает на один извходов блока 24 суммирования, на выходе которого величина сигнала пропорциональна пластовому давлению, ана выходе БД 34, 35 и 37 - удельномумоменту на долоте, буримости проходимых пород и износу вооружения долота.1 ил. затрубном пространстве циркуляционной системы и прецварительным усилителем, первый блок 13 вычитания Р, х - С 1 ы, второй блок 14 вычитания ЬР - РР ы, второй блок 15 умножения, осуществляющий операцию умножения ИР и блок 16 измерения глубины скважины Н, третий блок 17 умножения, осуществлявщий операции умножения сигналов Н х х Рк, д (8 = сопят), первый коррелятор 18, осуществляющий измерение К второй коррелятор 19, осуществляющий измерение К , блок 20 дифференцирова 5ния ЙК /о - К, первый блок 21 деления, осуществлявций измерение пара - Ц алыхметра К=Р, блок 22 гаэоРвыхвого каротажа, второй блок 23 деления Мх и/Чм = Ц, блок 24 суммирования "1"ж И + Р = Рпл, где Р- величина, пропорциональная пластовому давлению, первьй блок 25 измерения мак Рсимума корреляционной Функции К макс) первый анализатор 26 спектра (Б ),Рэ второй анализатор 27 спектра (Я ), второй блок 28 измерения максимумакорреляционной функции Кблок 29 измерения преобладающей частотыблок 30 памяти, блок 31 совпа хдения, блок 32 определения оптимальной осевой нагрузки Ро, блок 33 определения оптимальной продолжительности бурения с, третий блок 34 деления Б /Б - К, четвертьй блок 35Р эделения Кхщкс/Кмаке" К, блок 36 определения оптимальной частоты вращеподсоединены последовательно черезпервый блок 8 умножения на третийвход блока 31 совпадения, на второй вход которого подключен выход второго блока 23 деления, Выходы блока 9измерения плотности промывочной жидкости и блока 16 измерения глубиныскважины 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 Рьп (например, пьезоэлект" 5 1492033 ния долота ипятый блок 37 деления 8 (Н)/Ы (Н) = К , блок 38 регистрации и отображения информации.В системе контроля процесса буре 5 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 10 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 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 ото- ЗО бражения 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 3 вычи 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 скоростирического 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 1 О блоков 5 и Ь измерения, поступают на соответствующие входы первого блока 13 вычитания, с выхода которого сигнал Ьр 1 = Ч 5 - (15 ц 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 которого сигнал ЪР = Рз - РвыК по ступает на второй вход первого блока 21 деления. В блоке 21 осуществляет 60 сЯ измеРение величины К = аР , пропорциональной коэффициенту прони 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 тора непосредственно в процессе бурения, Сигналы с выходов блоков 2 и 4 измерения Ми п поступают на соответствующие входы второго блока 15 умножения, Где осуществляется опера ция умножения сигналов М 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 4 п измерения механической скорости бурения. Во втором блоке 23 деления осуществляется измерение параметраМипропорционального энергоЧм45 емкости разрушения горных пород, С выхода второго блока 23 деления сигналы поступают на второй вход блока 31 совпадения. Сигналы с выходов датчиков 1 О и 11 продольных и поперечных 5 О упругих колебаний поступают на входы первого и второго корреляторов 18 и 19 соответственно, где происходит измерение автокорреляционной функции продольных и поперечных колебаний КР55 и К. Одновременно сигналы с выходов блока, измерения Чм и первого коррелятора 18 поступают на входы первого блока 8 умножения, где происходит операция умножения величины К и Ч Сигналы, пропорциональные величине Чц К поступают на третий вход бл ка 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 фиксируется в блоке 38 регистрации и отображения информации в функции глубины как "признак коллектора", Сигналы с выхода блока 9 измерения плотности промывочной жидкости ж поступают на первый вход третьего блока 17 умножения, на второй вход которого поступают сигналы, пропорциональные величине глубины скважины Н с блока 16. В третьем блоке 17 умножения определяется величина гидростатического забойного давления столба жидкости РН8 (где 8 = 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 Р Р. + АР. Одновременно сигналыпвавтокорреляционной функции продольных колебаний К с выхода первого коррелятора 18 поступают на вход блоков 25 и 26, в которых происходит соответственно измерение максимумаРК и измерение площади спектрамаксРпродольных колебаний Б соответственБно. Аналогично сигналы К с выхода второго коррелятора 19 поступают на вход блоков 27 и 28, в которых проис 5 ходит измерение площади спектра Б (в блоке 27) и максимума автокорреляционной функции К поперечных ко 5лебаний. С выхода блоков 25 и 28 сигР 5налы значений К, и К , подаются на входы четвертого блока 35 деления. где осуществляется иэмерение величиРРны Ко -фп-"Н-, пропорпионяльнойРмаксудельному моменту на долоте. С выхо.Р 5 дов блоков 26 и 27 сигналы Б, Я поступают на входы третьего блока 34 деления, где осуществляется иэмерениеБрвеличины К = - , соответствующей тил 8пу раэбуринаемых горных пород и величине их буримости.Лополнительно выход первого корре 5 лятора 18 соединен с входом блока 20 дифференцирования, где происходит дифференцирование огибающей автокорре ляционной функции К К, вели.л.101 л чина которой пропорциональна пористости горных пород. Выход второго коррелятора 19 дополнительно соединен с входом блока 29, где происходит измерение преобладающей частоты поперечных упругих колебаний Е, . При этом выход блока 29 соединен с входом блока 36 измерения оптимальной частоты вращения долота при турбинном буре нии, где определяются значения илоптих 60 Еовгде и3 Е и озЕ значения преобладающей частоты поперечных упругих колебаний при холостом25 ходе турбобура, а 2 - число рабочих элементов долота.Одновременно сигналы с выкода первого анализатора 26 спектра поступаютпоследовательно через блок 30 папамяти на вход пятого блока 37 деления, где измеряется величина, пропорциональная износу вооружения долота8 Р(н )Р Р к Ран ) гн н (н,)н (н,) - 35 площади спектров продольньпс колебаний на глубинах Н, и Н соответственлно, сигналы которых хранятся в блоке ,30 памяти.40Одновременно сигналы, пропорциональные величине крутящего момента с выхода блока 2 и сигналы, пропорциональные удельному моменту на долоте К , с выхода блока 35 поступают на 45 вход блока 32 измерения оптимальной осевой нагрузки на долото Р ,.2 ИкрФ3 КСигналы с выходов блоков 32, 36 50 и 37 поступают на входы блока 33 измерения оптимальной продолжительности бурения, где определяется оптимальное время работы долота на забое1 55т,е. моментн, опт имтего подъема как при турбинном, так ипри 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 , и , ио т Со 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 буренияскважин позволяет повысить точностьконтроля бурения эа счет измерениязабойных параметров, сократить срокипроводкифглубоких скважин эа счетоперативной оптимизации режимов бурения в реальном времени и исключить из комплекса исследований раэведоч-ных скважин каротажные работы.формула изо бретенияСистема 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, вьпсоды 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 совпа,Редактор В. Бугренкова Техред А. Кравчук Корректор М. Шарощи Заказ 3847/35 Тиоаж 514 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раущская наб., д. 4/5 Производственно"издательский комбинат "Патент", г.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 го делителя, выходы блоков измерения давления промывочной жидкости на входе и выходе циркулйционной системы 1соединены с соответствующими входами второго блока вычитания, выход кото 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 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 чен к первому входу блока определения оптимальной продолжительности бурения, выход блока измерения частоты вращения долота соединен с вторыми входаии блока определения оптимальной про должительности бурения и второго блока умножения, выход которого подключен к второму входу второго делителя, выходы блоков измерения плотности промывочной жидкости и глубины сква ,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 ипервого анализатора спектра, выходкоторого подключен к первому входутретьего блока деления и входу блокапамяти, вьмод датчика поперечных упругих колебаний через второй коррелятор соединен с входами блока измерения преобладающей частоты, второгоблока измерения максимума корреляционной Функции и второго анализатора,выход которого подключен к второмувходу третьего блока деления, выходыпервого и второго блоков измерения максимума корреляционной Функции соединены с соответствующими входами четвертого делителя, выход которогоподключен 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 вьмоде 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.