Система контроля процесса бурения нефтяных и газовых скважин

О П И С А Н И Е р 644942ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических Республикрисоединением заявк дарственный комите(43) Опубликовано 30.01,79. Бюллетень4 (45) Дата опубликования описания 30.01.79 53) УДК 622.24,026.(72) Авторы изобретени ч, Э. В. Бабаян, А. И. , В, В, Еременко, А. П Н, Н. Кошелев, В. И.В. П, Неудачин, А. Е Р. Э. Францев и Ю. Г ельский институт по овым растворам С. А. Алехин С. М, Гамзат С, Г, Кипни А, И. Леоно А, Я, Петерсон) СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН 1Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, в частности к системам контроля и управления процессом бурения.Известны системы контроля процесса бу рения, включающие датчики параметров бурения, показывающие и регистрирующие приборы. Такие системы предназначены для представления бурильщику результатов измерения параметров бурения 1.10Известны также системы, включающие, кроме датчиков параметров бурения, блоки для предварительной отработки информации с целью определения некоторых технико-экономических показателей процесса бу рения 2, 3.Недостатком известных систем является малая достоверность и точность преобразования информации, обусловленная как недостаточным ее объемом, так и несовершен ством алгоритмов обработки, вследствие чего отсутствует возможность предотвращения осложнений, возникающих в процессе бурения нефтяных и газовых скважин.Наиболее близким техническим решени ем к изобретению по сущности и достигаемому эффекту является система контроля процесса бурения нефтяных и газовыхскважин, включающая датчики параметров бурения (веса бурового инструмента, длины хода инструмента при спуско-подъемных операциях, число оборотов ротора, расхода раствора на входе в скважину) и блок контроля максимальной скорости спуска и подъема инструмента 4.Такая система также не обеспечивает возможности предотвращения осложнений в процессе бурения скважин.Целью изобретения является предотвращение возможности осложнений в процессе бурения за счет увеличения достоверности и точности преобразования информации.Поставленная цель достигается тем, что предлагаемая система снабжена датчиком плотности раствора на входе в скважину, датчиком глубины скважины, устройством для определения пластового давления, устройством для определения гидростатического давления, устройством для определения гидродинамического давления, анализатором баланса гидравлических давлений в скважине, анализатором скорости спуска инструмента, устройством контроля износа промежуточной колонны и блоком световых2 фхймтзвйд,"дщ.".мФ 14 В ю 4ственно, а к третьему - йфез"блоке инте" грирования пачек раствора. имо-,Устройство для определения гидродинамического давления выполнено в виде блока койтроля" изменения веса"ийструмента,блока измерения длины спущенного инструмента, датчика эффективйой вязкостираствора, блока вычисления гйдродинамического давления в процессе бурения, блока вычисления гидродинамического давления при спуско-подъемных операциях и"схемы совйадения, первый вход которойсоединен с выходом блока контроля изменения веса инструмента через блок"вьМЯЮения гидродинамического давления при бурении, а второй вход схемы совпадениячерез блок вычисления гидродинамйческогодавления при спуско-подъемно"операцияхсоединен"с выходом блока измерения длины спущенного инструмента и . выходомдатчика эффективной вязкости раствора.о 1 ъ.о. а/,, 1; На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемой системы контроля процесса бурейия нефтяныхй газовых скважин; нафиг. 2 - блок-схема устройства для определения пластового давления; на фиг, 3 -, блок-схема устройства для определениягйдростатйческого да"вления,"йа" фиг. 4 -блок-схема устройства для определениягидродинамического давления,Система контроля процесса бурения нефтяных и газовых скважин (см. фиг, 1)включает датчики 1 - 6 параметров бурения: плотности раствора на входе в скважйну 1;расхода"раствора на входе в скважину 2, глубины скважины 3, веса буровогоинструмента 4, длины хода инструментапри спуско-подъемных операциях (СПО) 5,числа оборотов ротора 6; устройство 7 дляопределения пластового давления, устрой;,ство 8 для определения гидростатическогодавления, устройство 9 для. определениягидродинамического давления, блок 10контроля максимальной скорости спуска йподъема инструмента, устройство 1.1 койт;,роля износа промежуточной колонныанализатор 12 баланса гидравлических давле-,ний в скважине, .анализатор 13 скоростиспуска инструмента и блок ,14 световых,табло и;,с, Ч:о,.,;,ы .;,;Устройство для определения . пластового,давления (см. фиг. 2) включает датчик 15пластового давления, установку 16 для,определения пластового давления, блок 17контроля соотношения пластовых давленцйи блок 18 контроля .и регистрации, истиц;ного пластового давления,о .э,;:.;н.о: , о;Устройство для -определения гидростатического давления .(см фиг. 3) включаетблоки 19 - 23: квантования, 19, интегрирования пачек. раствора 20, вычисления вре-,мени 21, вычисления гидростатических давлений пачек раствора 22 и контроля суммарного гидростатического давления 23,иА " .Ъ,64494фъ -. а,Р (113 Р Яlтабло, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом анализатора баланса гидравлическихдавлений вскважине и выходом анализатора скоростиспуска инструмента, вход которого подклю-5чен через блок контроля максимальнойскорости спуска и подъема инструмента свыходом датчика длины хода инструментапри спуско-подъемных операциях, при этом первый, второй третйй и четвертый входы 10устройства контроля износа промежуточнойколонны соединены соответственйо сВЫхо-"дами датчика числа оборотов ротора, датчика веса инструмента, датчика длины хода инструмента при спуско-подъемных операциях, датчика глубины скважины, а пер-вый, второй, третий входы анализаторабаланса гидравлических давлений в скважине соединены соответственно с выходамиустройства для определения пластового 20давления, устройства для определения гидростатического давления, устройства дляопределения"гигдродйнамического давления,при этом первый вход устройства"для опре-:.;.деления гидроДийамй 1 еского: давления сое-. 25динен с вйходом"датчикавеса инструмента, .:второй вход в ":свыходом датчиКа длиньгхода инструмента при спуско-подъемныхоперациях, а третий вход - с выходом , .блока контроля максимальйой" скорости"30епуека инструмента, при этом первый входустройства для определения гидростатического давления соединен с выходом датчика плотности раствора., Второй. итретий - ,с выходом датчика расхода, четвертый и 35пятый - с выходом датчика глуоййы скважины.Устройство для определения пластовогодавт ейия"выполненов- виде датчика пластового давления, установки для определения пластового давления, блока контролясоотношения пластовых давлений и блокаКонтроля и"регистрации истинного пластового давления, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом датчика пластового давления и выходом блока контроля соотношения пластовых давлений, первый вход которого подключен к выходу датчика пластовых давлений, а второй - . к выходу установки для 50определения пластового давления.;,Устройство для определения гидростатического давления выполнено в виде блокаквантования, блока интегрирования пачек 55раствора, блока вычисления времени, блока "Вычислеиия гидростатических давленийпачек раствора и блока контроля суммарногогидростатического давления, вход которого подключен к выходам блока вычисления времени через блок вычисления гидростатических давлений пачек раствора, апервый и второй выходы блока квантования подключены соответственно к первомувходу блока вычисления времени непосрсд5Устройство для определениягидродинамического давления (см. фиг. 4) включает блок 24 контроля изменения веса инструмента, блок 25 измерения длины спущенного инструмента, датчик 26 эффективной вязкости раствора, блок 27 вычисления гидродинамического давления в процессе бурения, блок 28 вычисления гидродинамического давления при СПО и схему совпадения 29.Основным назначением системы является детальный технический анализ процесса бурения, своевременное выявление ситуаций, способных привести к осложнениям, и предупреждение их. Такому анализу прежде всего подвергается величина и тенденция изменения пластового давления, величина гидростатического давления, создаваемого в скважине столбом раствора, величины гидродинамических давлений, возникающих в скважине в процсссе промывки при бурениии в процессе спуско-подъемных операций, баланс гидравлических давлений в скважине и динамика износа промежуточной обсадной колонны. Нарушение перечисленных параметров влечет за собой возникновение основной массы ослоянений.Система работает следующим образом.Устройство для определения пластовых давлений в системе является одним из основных; В устройстве применены два способа измерения пластового давления - наземной установкой 16 по анализу деформативности керна и глубинным датчиком 15, например на принципе испытателя пластов, - с замером пластовых давлении через определенную величину проходки в пределах от 0,5 до 5 м. Функцию изменения пластового давления от глубины, полученную по замерам глубиннь:м датчиком пластового давления, уточняют введением поправочного коэффициента, равного отношению пластового давления, замеренного1по поднятому керну Рк пластовому давлению Р, замеренному на этой яе отметке глубинным датчиком. Операцию деления этих величин выполняет блок 17 контроля соотношения пластовых давлений, Полученный коэффициент учитывает неточности глубинного измерения, вызванные как особенностями прибора, так и особенностями условий бурения на данной глубине, В связи с этим полученный коэффициент действует в системе до получения следующей возможности извлечения керна и вводится в блок 18, куда подают также информацию о результатах измерения глубинным датчиком, Таким образом, в блоке 18 производят умножение дискретно получаемых результатов измерения на постоянный для данного отрезка времени коэффициент и полученный результат регистрируется как истинное пластовое давл"ние для дальнейшего использования и ввода в анализатор 12.5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 б 5 6Гидростатическое давление в кольцевом пространстве скважины в настоящее время определяют как давление столба жидкости и рассчитывают по заданному значению плотности и глубине. Однако плотность раствора в течение времени меняется в значительных пределах и в действительности в скважине движутся отдельные пачки раствора разной плотности, В свзи с этим точный анализбаланса гйдравлических давлений в скважинах, особенно глубоких, требует более точного определения величины гидростатического давления в кольцевом пространстве, В системе эту задачу решают датчйками" илотрости раствора на входе в скважину 1, расода раствора на входев скважину 2, глубины скважины 3 и устройством 8 для определениягидростатическогб дав,чеййя: "Блок 19 осуществляет сглаживание и квантов апис "йепрерывйой фнкции р , полт 1 аемой от датчика 1, установленногов приемной емкости буровых насосов. Одновременно от датчика 2 в блок 20 поступает текущее значение расхода раствора, закачиваемого в скважину. В блоке 20 производится интегрирование расхода и запоминание общей его величины1 : , ч,.= оа до тех пор, пока из блока 19 не поступит сигнал об изменении плотности раствора на величину шага квантования. По этому сигналу информация о накопленном объеме и о соответствующей этому объему плотности раствора поступает в блок 21, выполняющий роль линии задержки информации на рассчитываемый эгим же блоком интервал времени Величина О поступает в блок как сигналот датчика 3 глубины скважины; величина Я - как сигнал от датчика 2 расхода раствора; а величина Р, - как известная ве- личина, равная площади поперечного сечения отверстия в бурильных трубах, Таким образом, время 1 является временем, в течение которого данная пачка раствора движется по трубам до забоя скважины и ещеис оказывает влияния на величину гидро- статического давления в кольцевом пространстве. Через время 1 информация Р; и и о, поступает в блок 22, предназначенный для определения величины гидростатического давления, создаваемого в кольцевом пространстве пачкой раствора с объемом 1; и плотностью р;, Вычисление производится по формуле(9) 9нормы и Снизить плотность раствора,при удовлетворении неравенстваг+ як р выход анализатора подключается к световому табло Возможен гидроразрыв и к световому табло Снизить скорость спуска при спуско-подъемных операциях или к табло Снизить расход, снизить плотность при бурении; при удовлетворении неравен- ства выход анализатора подключается к световому табло Возможно проявление и световому табло Повысить расход, повысить плотность при бурении, или к табло Ускорить спуск, промывать с повышением плотности и к табло Прекратить подъем, спустить инструмент, промывать с повышением плотности при спуско-подъемных операциях, причем эти указания на табло касаются момента спуска инструмента или его подъема соответственно.Одним из важных моментов в предотвращении осложнений при бурении глубоких скважин является выбор правильного режима восстановления циркуляции в процессе спуска инструмента. Перед подъемом инструмента после износа долота раствор в скважине несколько утяжеляют для компенсации величины гидродинамического давления, которое не будет действовать на пласты во время смены долота и для компенсации отрицательных гидродинамических давлений, вызванных подъемом инструмента эффект поршневания). Неподвижный раствор в скважине набирает структуру и при спуске инструмента развиваются повышенные гидродинамические давления, определяемые устройством 9 и постоянно учитываемые анализатором 12. Поэтому с увеличением длины спущенного в скважину инструмента скорость его спуска непрерывно снижается при условии недопущения осложнений. Практика показывает, что уменьшение скорости спуска еще не главный недостаток, вытекающий из этого положения. Значительно затрудняется также последующее восстановление циркуляции, так как необходимы высокие давления для того, чтобы сдвинуть столб раствора.Предлагаемая система предупреждает возможность возникновения такой ситуации путем анализа величины допустимой скорости спуска. Анализатор 13 скорости спуска инструмента получает непрерывную информацию о ее текущей величине и производит сравнение с заданной минимальной величиной скорости Уэи. им.Многочисленные эксперименты показывают, что величина Уэи, является ограничением не только из экономических соображений, из-за нерационально больших затрат времени на спуск инструмента, но и 15 20 25 Зо 35 40 45 50 55 60 65 10позволяет определить наиболее выгодный момент, когда необходимо произвести промежуточную промывку со снижением плотности раствора. В соответствии с этим при достижении момента, когдаУ,п -- Уэк.минвыход блока 13 подключается к сигнальному табло Прекратить спуск, промыть со снижением плотности.Одним из трудноликвидируемых осложнений при бурении глубоких скважин является смятие промежуточной обсадной колонны в результате недопустимо большого ее износа за счет истирания движущимся в ней инстоументом.Предлагаемая система решает задачу автоматического контроля динамики износа обсадной колонны, анализ величины износа и выдачу предупреждающего сигнала, когда износ достигает предельной допустимой величины. Учет величины износа производится по сигналам датчиков числа оборотов ротора, веса инструмента, длины хода инструмента при СПО и глубины скважины. Формула изобретения 1. Система контроля процесса бурения нефтяных и газовых скважин, включающая датчики параметров бурения (веса бурового инструмента, длины хода инструмента при спуско-подъемных операциях, числа оборотов ротора, расхода раствора на входе в скважину) и блок контроля максимальной скорости спуска и подъема инструмента, отличающаяся тем, что, с целью предотвращения возможности осложнений в процессе бурения за счет увеличения достоверности и точности преобразования информации, система снабжена датчиком плотности раствора на входе в сквакину, датчиком глубины скважины, устройством для определения пластового давления, устройством для определения гидро- статического давления, устройством для определения гидр одинамического давления, анализатором баланса гидравлических давлений в скважине, анализатором скорости спуска инструмента, устройством контроля износа промежуточной колонны и блоком световых табло, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом анализатора баланса гидравлических давлений в скважине и выходом анализатора скорости спуска инструмента, вход которого подключен через блок контроля максимальной скорости спуска и подъема инструмента с выходом датчика длины хода инструмента при спуско-подъемных операциях, при этом первый, второй, третий и четвертый входы устройства контроля износа промежуточной колонны соединены соответственно с выходами датчика числа11оборбтов ротора, датчина веса инструмента, датЧика"длийЬ 1"хдда"инструмента прй спуско-подъемных операциях, датчика глубины ЬкваЖййы, а первый, второй, третий входы анализатора баланса гидравлических давлений в скважине соединены соответственно с выходами устройства для определения пЛ(ас(тов(бго да)влейия, устройствадля опреде)лен(йя"1 идроста(тического" давления, устройства для определениягидродинамичесКогб"давления" ,при этом первый вход устройства для определения гид 1 одийамического "да)вл(ения" соединен с выходом датчика веса("ИнструМенгй,"второй вход - с вы- ХоДоМЯаЖИка длины хода инструмента при спуско-подъемных операциях, а третий вход - "с вь 1 ходо(м бЛока" контроля максимИьн(ой "скорое)ги спуска" инструмента, при этбмпервый вход "устройства для" определенияг(и(дростатичесйого давлейия соединен с(йййодом" датчика "(пло 1 носФи" раствОра, вгорой и третий - "с"выходом("датчика расхЬда,"четвертый и пйтый - с выхоДом(датчика глубины скважи(йы.2. Системапо" п.1; о т"ли чающ ая с я тем, что устройство для определения пла- стового давления выполнено в виде датчика (пластового давления, установКи для определения ,пластового давления, блока Койт 11 оЛ я содтибйения пЛасгОвыХ давлений иблока контроля" ирегистрации истинного пласгдвогодавления,"первый и второй вхоДыкотбрбго сое(динеййсодтветственно с выхдЯом датЧика" пластдвого "давления и вйходом блокакойтролясоотношения пластовь 1 х давЛений, йервый вход которого пбдключенквыходдатчикапластовых давлений а втдрбй -к выходуустановки для ойределения" пластовогд"давления.3. Система по й: 1, отли ча(ю щ а я с я тем","ч 1 Ь"устройство"для определения гидрбстатичеЬкого Давления выпо( лнено"в"виде блока квантбвания, блокаинтегрйрования пачек раствора, блоКа вычисления времени, блока вь 1 числения гидростатическйхдавле) 12ний пачек раствора и блока" контролясуммарного гидростатического давления, входкоторого подключен к выходам блока вычисления времени через блок вычислениягидростатических давлений пачек раствора,а первый и второй выходы блока квантования подкЛючейы соответ(ственйо кпервомувходу блокавычисления времени непосредственно",а" к третьему в через блок инте 10 грирова(ния"пачекраствора.4. Система по п. 1, отличающаясятем, что устройство дляопределения гидродинамического давления выполнено в ви,((.де блока контроля изменейия веса инстр- мента, блока измерения длийы спущенногоинструмента, датчика эффективной вязкости раствора, блокавычисленйя гидродинамического давления в процессе бурения,блока вычисления гидродинамического давления при спуско-подъемных операциях исхемы совпадения, первый вход которойсоединен с выходом блока контроля изменения весаинструм"нта через блок вычис-ления гидродинамич(еского давления прибурейии, а второй вход схемы совпадениячерез блсквычислейия гидродинамическогодавления )при спуско-подъемных операцияхсоединен с выходом блока измерения длины спущенного инструмента и выходомЗО датчика эффективной вязкости раствора.Источники информации,принятыево внимание приэкспертизе1. Куликовский Л. Ф., Ушмаев В. И, Информационно-измерительные системы дляуправленйя процессом бурения, М Недра, 1972,с. 10.2. Авторское свидетельство248591, кл.Е 21 В 45/00, 1967.3. Патент США3541852, кл. 73 - 151,40 опублик, 1970.4. Портер Л. Г., Басович В. С. Приборыназемного контроляпроцесса бурения. -Серия Техника и технология геолого-разведочных работ, организация производст 45 ва, М., ВИЭМС, 1971, с. 107, (пография, пр. Сапунова, 2 аз 2704/9 Изд.122 НПО Государственного комитета СССР 113035, Москва, 5 К, Р