Способ определения энергоемкости процесса разрушения горных пород при бурении скважины

(19) (11) 51)5 Е 21 С 39/00 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОбРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ТЕЛЬСТ АВТОР 1(56) Лукьянов Э.Е. Исследования скважин впроцессе бурения. М,: Недра, 1979. с; 139,159,Спивак А,И:Попов А,НМеханика горных пород. М.: Недра, 1975.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИНЫ(57) Способ определения энергоемкостипроцесса разрушения горных пород при буИзобретение относится к горному делу и может быть использовано в разведочном бурении для изучениянапряженного состояния (горного давления) геологических структур путем механического (энергетического) каротажа скважины по энергоемкости процесса разрушения горных пород.В известных способах определения энергоемкости процесса разрушения. горных пород при бурении скважин контролируют технологические параметры режима бурения: подводимую к долоту механическую мощность М и скорость Ч углубления ствола заданного диаметра О Ц, Энергоемкость Эрасч. при этом рассчитывают по следующей формуле;4 йЭрасч. =, Па . (1)ЛО ЧОднако определяемая таким образом энергоемкость Эрасч. процесса бурения представляет собой сумму энергоемкостей процессов породоразрушения и износа дорении скважины. Использование: разведочное бурение. Сущность изобретения: реги. стрируют глубину проходки, осевую нагрузку на долото, частоту вращения, механическую скорость, рассчитывают энергоемкость по стволу каротируемой скважины.определяют динамику износа долота, коэффициент полезного действия и судят об энергоемкости процесса разрушения горных пород по формулеЭп= Эрасч. 1- (1 - ехр ф 1), Па, где Эрасч, - энергоемкость процесса бурения, Па;)1- КПД бурения;- степень износа вооружения долота. лота, весовые доли которых варьируют в зависимости от литологии геологического разреза и режи,ла бурения, что снижает Б точность каротажа скважины.При турбинном бурении энергоемкость процесса разрушения горной породы оценивается по гидродинамическому перепаду а давления Л Р, возникайщему в бурильной ф колонне после нагружения забойного турбобура 2. ФьЭя- ЬР КТ, Г 1 а, . (2) 3 где К - коэФфициент, учитывающий гидравлическую характеристику турбобура и режим промывки; Т - буримость горной породы, К недостаткам указанного способа следует отнести низкую точность измерения разности давлений ЬР, особенно в глубоких скважинах, и нестабичьность коэффициента К при. изменении режима промывки. Для вычисления коэффициента К необходима информация о плотности и расходе промывочной жидкости, а значит, возникают дополнительные источники погрешностей.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ, при котором в процессе каротажа бурящейся 5 скважины измеряют нагрузку 6 на долото,. частоту в его вращения и механическую скорость l углубления скважины, а энергоемкость Эрасч. оценивают по формуле.460.),: .- 10Э= з.го/ Па (З)Существенный недостаток указанного способа заключается в зависимости определяемой величины энергоемкости процесса Эп породоразрушения от состояния 15 вооружения долота. Известно, что по мере износа вооружения долота механическая скорость падает, а следовательно, происходит неконтролируемое завышение определяемой величины энергоемкости, не 20 связанное со свойствами горной породы.Ошибки каротируемой функции (энергоемкости) в течение одного рейса бурильного инструмента могут достигать ста и более прОцентов, 25Цель изобретения состоит в повышении точности каротажа путем исключения зависимости определяемой величины энергоемкости процесса разрушения горной породы от состояния вооружения долота. 30Достигается это способом определения энергоемкости процесса разрушения горной породы при бурении скважины, заключающимся в регистрации глубины проходки, осевой нагрузки на долото, угло вой скорости его вращения, механической скорости бурения и расчете энергоемкости процесса разрушения горной породы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности каротажа, определяют динамику 40 износа вооружения долота, определяют коэффициент полезного действия бурения, а величину энергоемкости процесса разрушения горной породы определяют из выраженияЭп=ЭрасчО . - (1- /) ехр (у/ ), Па, (4)4 6 вгде Эрвсч- расчетная внергоем.ЗажОЧкость процесса бурения, Па;д - коэффициент полезного действия; 50П=,. Эрасч Ьъ/М - динамика износа1=1долота;Ьъ - интервал времени бурения одно родного пласта горной породы, с.На чертеже представлена структурная схема устройства автоматического контроля технологических параметров бурения, вычисления и регистрации энергоемкости процесса разрушения горных пород с привязкой к глубине скважины, осуществляющая в качестве примера предлагаемыйспособ; экспериментальные результаты каротажа скважины М 25 Абазовской площади по энергоемкости процесса разрушениягорных пород в сравнении с данными стандартного каротажа приведены на фиг. 2.В данном способе использован тотфакт, что вытекающая из закона сохраненияэнергии полная подведенная к долоту механическая возможность К тратится на разрушение горной породы Кп и на износ долотаКК=Кп+Кь Вт, (5)Так как не вся мощность может бытьиспользована на процесс породоразрушения, вводится понятие коэффициента полезного действия бурения , который.по мереизносавооружения изменяет свое значение от единицы до нуля. Это положениеформализуется следующим образомК= К(1-), Вт, (б)Скорость износа вооружения с/й зависит от энергоресурса М долота и впределяется потерями части механическоймощности К на нагрев ю различного родадеформации, зависящие от скорости Ч перемещения долота в горной породе,б. 4К= М - Ч, Вт, (7)б Огде тт(9 4 - интенсивность породораару.шения, м /с,Энергоресурс М физически обуславливает собой динамическую вязкость (в Па,с)материала режущих элементов долота. Износ этих элементов прямо зависит от вязкостного трения. С целью приведенияэнергоресурсов различных типоразмеровдолот к единому порядку величины в соотношении (7) введена площад 2 ь поперечногосечения забоя скважины л О /4.Энергоемкость процесса породоразрущения Эп рассматривается как реакция горной породы на механическое воздействиедолота и отождествляется с энергоемкостью горной породы - горным давлением.Э=, Па. (8)4 Кпг(После несложных преобразований системычетырех представленных уравнений (5)-(8)разрешаем их относительно скорости с/Фи выражаем динамику износа через параметры физико-математической модели работы долота на забое скважины;д 4 Й- -г)ч т), с (9)Поопределению расчетная величина энергоемкости Эрасч, процесса бурения оценивается по динамическим показателям технологического режима Эрасч.= , Па (10)4 МЛ(2 Ч, После подстановки в уравнение (9) выражения (10) и разделения переменных , т проинтегрируем полученный результат б 1(11) 10 Интегрирование выражения (11) при заданных начальных условиях (=О, т=-О) и соответствующее математическое преобразование дают решение для степени износа долота в нижеследующем видеЧ.Ч МоДля энергоемкости Эп процесса разрушения горной породы справедливо соотноше- ние сЭп= Эрасч,(1 - (1 - ф) дахр ( - -Эрасч.ст (13) .о 25 С достаточной для практики точностью, при условии малости КПД бурения (л 1), степень износадолотаможет быть выражена без экспоненциального члена= - ) ЭрасчФ. (14)30М оЭто позволяет трансформировать соотношение (13) в соотношение (4). В случае дискретности контроля динамики износапо интервалам времени Л бурения однород .ных пропластков вместо интегрирования (14) используется более простая операция - суммирование.= Я Эравц Ь 11/М. 1151 40=1Предполагается, что потенциальный энергоресурс (М 10 Па с) долота известен для каждого типа породоразрушающего инструмента. По мере разбуривания отдель ных пластов горных пород производят накоплейие в счетчике произведения ЭрасчЛ т 1 И ПОЛуЧЕННуЮ СуММу ВВОдят В качестве корректирующей функции в расчет (4) с одновременной привязкой полученного 50 результата к глубине скважины.Сущность предлагаемого способа определения энергоемкости процесса разрушения горных пород заключается в измерении технологических параметров режима буре ния: нагрузки на долото 6, угловой скорости шбурильного инструмента, глубины проход,ки ЛЬ и времени Лт бурения литологически однородного интервала Л Ь. Для каждого интервала бурения вычисляют механическую скорость проходки Ч=Л ЬIЛ т, затем вдоль исследуемою ствола скважины рассчитывают энергоемкость. Эрасч, процесса бурения и оценивают степень износавооПружения долота (= ,), ЭрасчЛв), которая1=1зависит от предыстории его работы на забое времени и энергоемкости бурения), Учитывая коэффициент полезного действия , определяют энергоемкость процесса разрушения горных пород по всему разрезу каротируемой скважины.На фиг. 1 представлено автоматическое устройство для каротажа скважины в процессе геологоразведочного бурения, содержащее технологические датчики: 1 проходки, 2 осевой нагрузки, 3 угловой скорости вращения, 4 механической скорости; операционные множительно-делительные блоки 5, б, 7, 8, 10, 13; интегрирующее звена 9 (счетчик); сумматоры 12, 14 (блоки сравнения) и выходной блок 15 регистрации определяемой величины энергоемкости процесса разрушения горной породы в фун- кции глубины скважины,Устройство работает в автоматическом режиме при одновременном появлении сигналов от датчиков осевой нагрузки 2 и угловой скорости вращения 3, что свидетельствует о начале бурения. На выходе. множительного блока 5 реализуется градиент механической мощности (6 в), подведенной к долоту, В следующем множительном блоке б величина механической скорости проходки. масштабируется вводимой оператором значением диаметра О долота. Деление выходных сигналов блоков 5 и б формирует на выходе операционного делителя 7 сигнал, соответствующий аналитическому выражению для энергоемкости процесса бурения .ба)Э расч.= .(1 б)После интегрирования звеном 9 энергоемкости Эрасч. по времени бурения т 2 - 11 и деления в блоке 10 на койстанту М/и на вход потенцирующего блока 11 подается сигнал динамического состояния вооруже-. ния долота на момент времени 12 12( Эрасчбт=, (17) Образующаяся на выходе потенцирующего блока 11 экспонента ехр( ) после перемножения в блоке 13 с сигналом сумматора 12 заполняет один из входов второго сумматора 14, где осуществляется операция сравнения с единичным сигналом. Таким образомв сумматоре 12 реализуется разность(1- д),а в сумматоре 14 - 1- (1- у) ехр у),Двухвходовое множительное устройство 8 формирует в итоге значение энергоемкости процесса разрушения горной породыЭл с поправкой на степень износавооружения долота и коэффициент полезногодействия бурения ц.Фиксируемая каротажная энергограмма фазируется сдатчиком проходки 1 вфункциональном блоке регистрации 15 в виде (цифровом или аналоговом), удобном длядальнейшей обработки нэ ЭВМ,Результаты полевых иследований способа определения энергоемкости разрушения горных пород приведены на фиг, 2 ввиде каротажной диаграммы, где для сравнения изображены в едином масштабе глубин диаграммы стандартного каротажа икавернометрии. Каротаж по энергоемкостипородоразрушения был выполнен в процессе бурения скважины М 25 Абазовскойплощади на глубине 3400-3500 трехшарошечным долотом Д 269, 9-С-ГНУ М 10343,Использовались две методики определенияэнергоемкости процесса. бурения Зрасч покрутящему моменту Ма на долоте Эрасч.=ВМ.П-- и нагрузке на Долото Эрасч,=р 286 П- где П - частота вращения ротора.Первый вариант включает в себя измерение крутящего момента Мхх холостоговращения бурильного инструмента и часто-.тывращения Пхх без нагрузки на долото,После нагружения долота измеряют текущее значение крутящего момента Мг; и частоту вращения Па. Предполагается, чтокрутящий моментМа инструмента возрастает на величину крутящего момента надолоте ЬМд, т,е. справедливо равенствоМц= Ма - Мхх, Дж, (18)Мощность Мп, передаваемая горной породев процессе ее разрушения, прямо зависитот момента М и частоты вращения долотаПаЙя=М 2 к П 6, Вт (19)Контролируя механическую скорость Чуглубления скважины, вычисляют энергоемкость процесса разрушения горной породыпо формулеЭ -- , Па, (20)О 2 УДостоинством энергокаротажа по крутящему моменту М на долоте состоит в том,что не требуетая информация о КПД бурения, Существенным недостатком этого способа каротажа является недопустимобольшая погрешность в измерении на по Формула изобретения Способ определения энергоемкостипроцесса разрушения горных пород при бурении скважины, включающий регистрацию 50 глубины проходки, осевой нагрузки на долото, угловой скорости его вращения,механической скорости бурения и расчет энергоемкости процесса разрушения горной породы, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности определения, определяют динамику износа долота, опре 55 деляют коэффициент полезного действия бурения, а величину энергоемкости процесса разрушения горных пород определяют извыражения верхности крутящего момента Мд, особенно в глубоких и искривленных скважинах, В этом случае осевая нагрузка на долота может сопровождаться изменением знака раз ности Ма - Мхх, что недопустимо, Возникаюттрудности при оценке степени износа вооружения долота, более точно осуществляется каротаж по нагрузке на долото (второй вариант). Однако при этомвозникает необ ходимость в дополнительных сведениях оконструктивных особенностях породоразрушающего инструмента, Значительным преимуществом второго варианта определение энергоемкости породоразрушения в 15 процессе бурения скважины является возможность использования для этой цели дан. ных суточного рапорта бурового мастера,т,е, технологической базы вычислительных, центров буровых предприятий. Предложен ный в формуле изобретения алгоритм позволяет осуществить исследование ранеепробуренных скважин на основе современ.ных представлений. о развитии геологических структур.25 Экспериментальные данные исследований энергоемкости процесса разрушения вскрываемых скважиной горных пород по технологическим параметрам бурения представлены в таблице.30 Сравнение полученных данных с геоло-гическими показывает, что при одинаковой энергоемкости процесса бурения пористые, легко разрушаемые горные породы отличаются большим отношением механической 35 скорости проходки к частоте вращения долота.Повышение точности определенияэнергоемкости процесса разрушения горных пород способствует более верной гео. физической интерпретации результатовисследований геологического разреза и оценке напряженного состояния (горного давления) вскрываемых структур.1742477 О1- Эросч Ь Ф - динамика износа до=1 Эп=Эрасч. 1 - (1 - 7 ехр (д), Па,где Эрооч. - расчетная энергоемкость процесса бурения, Па;д- КПД бурения; лота; Л ц - интервал времени бурения, с,4 тология Интервал бурение,Иеханичес- Энерг, Энерг,кая око- нзиер гор.поррость,Оа 1 Ози/чй Полраека на износ,Нзносдолота Нагрузка Иощност ьлоролораз руления,кот Частота Ионент влечения долота ий р и н е ч а н и е, Долото г 10343 Д-го 9 9 С"ГОг И е 3,3 10 Пас 0,08 27 1 27 76 27 60 27 70 г 7 88 г 7 62 27 30 27 . 34 1,5233,2352,822 0,41518,93651426,37 2,72 2,3 5,8 7,5 6,7 6,5 2,5 2,4 2 ь 2 3.3 1;8 15 2,0: 1,619 2,2 2,2 4,3 2,О 5 1,96 3,04 1,71 1,58 1.89 бреля бурения,ч 0,7320,850.5170,860,447262,5 0,018 0,053 О,089 О, 24 0,16 0,26 о 315 1,75,381742477 Составитель Ю.ЛупичеваРедактор Е.Полионова Техред М.Моргентал Корректор:О,Ципл Заказ 2269 ТиражВ НИИПИ Государственного комитет113035, Москва,Ж оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10"а 30 5 "аЯ Подписноео.изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС5, Раушская наб., 4/5