UA151846U - A method of controlling the process of drilling wells in a rock mass - Google Patents

Abstract

A method for controlling the process of drilling wells in a rock mass includes changing the axial load on a working drilling tool depending on the characteristics of the rock. The axial load on the working drilling tool is changed by a certain amount sequentially, the change in the mechanical drilling speed, amplitude and frequency of axial, torsional and lateral vibrations of the drill string is measured, the obtained values are compared with the reference values determined for the corresponding physical and mechanical characteristics of the rocks and the state of the drilling equipment, the amount of energy consumed and wear of the drilling equipment is determined, and the results of which are used to adjust the amount of the next change in the axial load on the working drilling tool

Description

Корисна модель належить до техніки буріння свердловин в гірському масиві і може бути використана для оптимального керування процесом.The useful model belongs to the technique of drilling wells in a mountain massif and can be used for optimal control of the process.

Найбільш близьким аналогом є спосіб керування процесом буріння свердловин в гірському масиві (Патент на корисну модель Мо 132689опубл. в Бюл. Ме 5 від 11.03.2019). Спосіб керування процесом буріння свердловин в гірському масиві включає зміну осьового навантаження на робочий буровий інструмент залежно від характеристик гірської породи.The closest analogue is the method of controlling the process of drilling wells in a mountain massif (Patent for a utility model Mo 132689 published in Bul. Me 5 dated 03/11/2019). The method of controlling the process of drilling wells in the rock mass includes changing the axial load on the working drilling tool depending on the characteristics of the rock.

Недоліком відомого способу є те, що простою зміною осьового навантаження на робочий буровий інструмент залежно тільки від характеристик гірської породи неможливо досягти основної задачі буріння: максимальної механічної швидкості проходки з урахуванням величини витраченої енергії та вартості зносу бурового устаткування. Залежність механічної швидкості проходки від осьового навантаження на робочий буровий інструмент є нелінійною, в певних межах носить екстремальний характер, що потребує на кожному кроці формування оптимального керування визначення як характеристик гірських порід, так і стану бурового устаткування. Крім цього, при збільшенні механічної швидкості проходки непропорційно зростають енерговитрати та механічне навантаження на кожен елемент бурового устаткування, що призводить до зростання реального зносу та потенційних втрат від можливих аварійних ситуацій. Це також потребує врахування при формуванні оптимального керування процесом буріння.The disadvantage of the known method is that by simply changing the axial load on the working drilling tool, depending only on the characteristics of the rock, it is impossible to achieve the main task of drilling: the maximum mechanical penetration speed, taking into account the amount of energy spent and the cost of wear and tear of the drilling equipment. The dependence of the mechanical penetration speed on the axial load on the working drilling tool is non-linear, within certain limits it is of an extreme nature, which requires at each step of the formation of optimal management of the determination of both the rock characteristics and the condition of the drilling equipment. In addition, with an increase in the mechanical penetration speed, the energy consumption and mechanical load on each element of the drilling equipment increases disproportionately, which leads to an increase in real wear and tear and potential losses from possible emergency situations. This also needs to be taken into account when forming optimal management of the drilling process.

Задачею корисної моделі є удосконалення способу керування процесом буріння свердловин в гірському масиві шляхом підвищення точності управління за рахунок оперативної корекції осьового навантаження на робочий буровий інструментів залежності від фізико-механічних характеристик гірських порід та стану бурового устаткування.The purpose of the useful model is to improve the method of controlling the process of drilling wells in the rock mass by increasing the accuracy of control due to the operational correction of the axial load on the working drilling tools depending on the physical and mechanical characteristics of the rocks and the condition of the drilling equipment.

Поставлена задача вирішується тим, що спосіб керування процесом буріння свердловин в гірському масиві включає зміну осьового навантаження на робочий буровий інструмент залежно від характеристик гірської породи.The task is solved by the fact that the method of controlling the process of drilling wells in the rock massif includes changing the axial load on the working drilling tool depending on the characteristics of the rock.

Згідно з корисною моделлю, осьове навантаження на робочий буровий інструмент змінюють на певну величину послідовно, вимірюють зміну від цього механічної швидкості буріння, амплітуди та частоти осьових, крутильні та бічних вібрацій бурової колони, порівнюють отримані значення з еталонними, визначеними для відповідних фізико-механічних характеристик гірськихAccording to the useful model, the axial load on the working drilling tool is changed by a certain value in sequence, the change from this in the mechanical drilling speed, the amplitude and frequency of the axial, torsional and lateral vibrations of the drill string is measured, and the obtained values are compared with the reference values determined for the corresponding physical and mechanical characteristics mountain

Зо порід та стану бурового устаткування, визначають величини витраченої енергії та зносу бурового устаткування, за результатами яких корегують величину наступної зміни осьового навантаження на робочий буровий інструмент.From the rocks and the condition of the drilling equipment, the amount of spent energy and wear of the drilling equipment is determined, based on the results of which the amount of the subsequent change in the axial load on the working drilling tool is adjusted.

Технічний результат від використання корисної моделі полягає у підвищенні ефективності буріння гірських порід у широкому діапазоні їх фізико-механічних властивостей, зниженні енерговитрат при бурінні свердловин, підвищенні експлуатаційного ресурсу бурового обладнанняThe technical result of using a useful model consists in increasing the efficiency of rock drilling in a wide range of their physical and mechanical properties, reducing energy consumption when drilling wells, increasing the operational resource of drilling equipment

Спосіб реалізується таким чином.The method is implemented as follows.

Задачею керування процесом буріння є встановлення такої механічної швидкості проходки, яка б відповідала економічно обгрунтованій вартості цього процесу з урахуванням реального зносу бурового устаткування та потенційних втрат від можливих аварійних ситуацій.The task of managing the drilling process is to establish such a mechanical penetration speed that would correspond to the economically justified cost of this process, taking into account the real wear and tear of the drilling equipment and potential losses from possible emergency situations.

Відповідно до запропонованого способу, осьове навантаження на робочий буровий інструмент змінюють на певну величину (крок) послідовно. Тобто формують величину кожного кроку, на якій змінюється осьове навантаження на робочий буровий інструмент та вимірюють зміну механічної швидкості проходки. Залежність механічної швидкості проходки від осьового навантаження на робочий буровий інструмент в певних межах носить екстремальний характер.According to the proposed method, the axial load on the working drilling tool is changed by a certain amount (step) successively. That is, they form the value of each step at which the axial load on the working drilling tool changes and measure the change in the mechanical penetration speed. The dependence of the mechanical penetration speed on the axial load on the working drilling tool is extreme within certain limits.

Таким чином, кожен крок збільшення, у певних межах, осьового навантаження має наближувати робочу точку бурового устаткування до екстремума. Разом з тим, при збільшенні цього параметру зростають енерговитрати. Крім того, при збільшенні механічної швидкості проходки непропорційно зростає механічне навантаження на кожен елемент бурового устаткування, що призводить до зростання реального зносу та потенційних втрат від можливих аварійних ситуацій.Thus, each step of increasing, within certain limits, the axial load should bring the working point of the drilling equipment closer to the extremum. At the same time, increasing this parameter increases energy consumption. In addition, with an increase in the mechanical speed of penetration, the mechanical load on each element of the drilling equipment increases disproportionately, which leads to an increase in real wear and potential losses from possible emergency situations.

Однією з основних перешкод для досягнення максимальних механічної швидкості проходки та міжремонтного періоду роботи забійного обладнання є вібрації бурильної колони.One of the main obstacles to achieving the maximum mechanical penetration speed and the inter-repair period of the drilling equipment is vibrations of the drill string.

Розрізняють осьові, крутильні та бічні вібрації.There are axial, torsional and lateral vibrations.

Крутильна (торсіонна) вібрація виникає в результаті короткочасної зупинки або зниження обертів бурового інструменту. Нерівномірне обертання часто спостерігається в процесі буріння і це крайня форма крутильної вібрації, при якій долото зупиняється на час. Збільшення довжини бурильної колони призводить до зростання ступеня прослизання, тривалість періоду завмирання долота збільшується, а потім долото звільняється з великим прискоренням.Torsional (torsional) vibration occurs as a result of a short-term stop or a decrease in the rotation of the drilling tool. Uneven rotation is often observed in the drilling process and is an extreme form of torsional vibration in which the bit stops for a time. An increase in the length of the drill string leads to an increase in the degree of slippage, the duration of the period of bit stagnation increases, and then the bit is released with great acceleration.

Крутильні коливання призводять до втомного пошкодження з'єднань бурильної колони та озброєння долота.Torsional oscillations lead to fatigue damage to drill string connections and bit arms.

Осьова вібрація виникає в результаті руху долота вздовж осі бурильної колони. Дане явище є підстрибуванням долота на вибої. Цей процес призводить до циклічного збільшення та зменшення навантаження на долото. Осьові коливання найчастіше виникають при бурінні свердловин у твердих породах з використанням шарошкових долот.Axial vibration occurs as a result of the movement of the bit along the axis of the drill string. This phenomenon is the bouncing of the bit on the holes. This process leads to a cyclical increase and decrease of the load on the bit. Axial oscillations most often occur when drilling wells in hard rocks using square bits.

Бічна (згинальна) вібрація викликана великими згинальними напругами, виникає в результаті бічного руху бурової колони від одного боку стінки свердловини до іншої, супроводжується ударами об стінки свердловини. Бічна вібрація - це найбільш руйнівний тип вібрації, який створює амплітуди коливань (шоки) високих значень, особливо при ударах бурової колони об стінки свердловини.Lateral (flexural) vibration is caused by large bending stresses, occurs as a result of the lateral movement of the drill string from one side of the well wall to the other, accompanied by impacts against the walls of the well. Lateral vibration is the most destructive type of vibration, which creates amplitudes of oscillations (shocks) of high values, especially when the drill string hits the walls of the well.

Сильні вібрації в процесі роботи інструмента можуть призвести до руйнування бурильних труб та елементів вежі, пошкодженню забійної апаратури, необгрунтованому збільшенню діаметра свердловини, передчасному зносу долота та відповідному зниженню механічної швидкості буріння. При посиленні вібрацій і за відсутності контролю над їх рівнем, може виникнути явище "резонансу", що у більшості випадків призводить до катастрофічних руйнувань елементів бурильних труб і долота. Усі види вібрацій між собою взаємопов'язані. Комбіновані вібрації виникають тоді, коли первинні досягають максимальних значень. Наприклад, крутильні вібрації можуть призводити до бічних та/або осьових вібрацій; бічні вібрації можуть породжувати осьові вібрації; осьові вібрації призводити до бічних вібрацій. Основними причинами виникнення коливань є: стрибкоподібний характер руйнування гірських порід; вибоїстість вибою свердловини, яка в свою чергу залежить від впливу бурильної колони на вибій при її бічні і крутильних коливаннях, різких і частих змін параметрів режиму буріння, неоднорідності, тріщинуватості і різкої мінливості по твердості порід, що розбурюються, дискретна подача інструменту, його спрацювання та ін.Strong vibrations during the operation of the tool can lead to the destruction of drill pipes and elements of the tower, damage to the drilling equipment, an unreasonable increase in the diameter of the well, premature wear of the bit and a corresponding decrease in the mechanical speed of drilling. When vibrations increase and in the absence of control over their level, the phenomenon of "resonance" may occur, which in most cases leads to catastrophic destruction of drill pipe and bit elements. All types of vibrations are interconnected. Combined vibrations occur when the primary ones reach their maximum values. For example, torsional vibrations can lead to lateral and/or axial vibrations; lateral vibrations can generate axial vibrations; axial vibrations lead to lateral vibrations. The main reasons for the occurrence of fluctuations are: the jump-like nature of rock destruction; bumpiness of the wellbore, which in turn depends on the impact of the drill string on the blowout during its lateral and torsional oscillations, sharp and frequent changes in the parameters of the drilling mode, heterogeneity, cracking and sharp variability in the hardness of the rocks being drilled, discrete feeding of the tool, its operation and others

Експериментально встановлено характеристики коливань: частота бічних коливань (високочастотні коливання - 110-170 Гц; низькочастотні коливання - 3-20 Гц); частота крутильних коливань (низькочастотні - 6-16 Гц; високочастотні - 120-220 Гц; проміжні - 20-110The characteristics of oscillations were experimentally established: the frequency of lateral oscillations (high-frequency oscillations - 110-170 Hz; low-frequency oscillations - 3-20 Hz); frequency of torsional oscillations (low-frequency - 6-16 Hz; high-frequency - 120-220 Hz; intermediate - 20-110

Гц). Амплітуда бічних коливань становить 0,1-14 мм. Хоча абсолютні значення частоти дляHz). The amplitude of lateral oscillations is 0.1-14 mm. Although the absolute frequency values for

Зо різних видів коливань різні та причини їх виникнення різні, однак порядок числових значень приблизно однаковий. При цьому осьові значення шоків мінімальні. Амплітуда значень крутильних та бічних шоків може сягати декілька десятків Сі і перевищує осьові шоки у 10-15 разів. Основну небезпеку для свердловинного бурового обладнання становлять саме бічні та крутильні шоки.Different types of oscillations are different and the reasons for their occurrence are different, but the order of numerical values is approximately the same. At the same time, the axial values of the shocks are minimal. The amplitude of the values of torsional and lateral shocks can reach several tens of Si and exceeds axial shocks by 10-15 times. The main danger for well drilling equipment is lateral and torsional shocks.

Таким чином, амплітуда та частота осьових, крутильних та бічних вібрацій бурової колони є комплексною механічною характеристикою поведінки та стану бурового обладнання у певній технологічній ситуації, визначає і характеризує реальний знос бурового устаткування при відповідних характеристиках гірських порід, які буряться, що дозволяє спрогнозувати стан бурового обладнання на майбутнє та потенційні втрати від можливих аварійних ситуацій.Thus, the amplitude and frequency of axial, torsional and lateral vibrations of the drill string is a complex mechanical characteristic of the behavior and condition of the drilling equipment in a certain technological situation, determines and characterizes the real wear of the drilling equipment with the corresponding characteristics of the rocks being drilled, which allows predicting the condition of the drilling equipment for the future and potential losses from possible emergency situations.

Величина витраченої енергії на кожному зробленому кроці проходки свердловини є енергетичною характеристикою процесу буріння, тобто знову ж таки фізико-механічних властивостей гірських порід і стану бурового обладнання. Сукупність механічних і енергетичних характеристик кожного кроку процесу буріння дозволяє визначити його оптимальні параметри.The amount of energy expended at each well drilling step is the energy characteristic of the drilling process, i.e., again, the physical and mechanical properties of rocks and the state of the drilling equipment. The set of mechanical and energy characteristics of each step of the drilling process allows you to determine its optimal parameters.

Відповідно до запропонованого способу, вимірюють амплітуду і частоту осьових, крутильних та бічних вібрацій, а також величину витраченої енергії на кожному зробленому кроці проходки свердловини. Отримані дані є спостереженнями фізичного процесу буріння, поведінки бурового устаткування в процесі його робочої експлуатації та, відповідно, інтегральною (механічною та енергетичною) характеристикою. Кожне спостереження складається з п виміряних змінних, згрупованих у відповідні набори даних. Ці набори являють собою характеристику реального навантаження бурового обладнання та дозволяють спрогнозувати відпрацювання існуючого його ресурсу у відповідності до характеристик гірських порід, що буряться. Для того, щоб на підставі отриманих результатів вимірювань ідентифікувати наслідки певної технологічної ситуації, яка характеризується відповідним механічним навантаженням бурового обладнання, попередньо проводять аналогічні вимірювання на еталонних зразках. Для оброблення отриманих наборів даних можуть бути застосовані чіткі або нечіткі методи кластеризації, зокрема кількісні (числові), якісні (категоріальні) або їх суміші.According to the proposed method, the amplitude and frequency of axial, torsional and lateral vibrations are measured, as well as the amount of energy spent at each step of drilling the well. The obtained data are observations of the physical process of drilling, the behavior of the drilling equipment during its operational operation and, accordingly, an integral (mechanical and energy) characteristic. Each observation consists of n measured variables grouped into appropriate data sets. These sets represent the characteristics of the real load of the drilling equipment and allow to predict the exhaustion of its existing resource in accordance with the characteristics of the rocks being drilled. In order to identify the consequences of a certain technological situation, which is characterized by the corresponding mechanical load of the drilling equipment, on the basis of the obtained measurement results, similar measurements are previously carried out on reference samples. Exact or fuzzy clustering methods, including quantitative (numerical), qualitative (categorical) or their mixtures, can be used to process the resulting data sets.

Відповідно до фізико-механічних характеристик гірських порід, визначеного стану бурового обладнання і енергетичної характеристики процесу буріння, послідовно, по кроках змінюють осьове навантаження на робочий буровий інструмент. Це дозволяє досягти робочої точки з бо відповідними параметрами процесу буріння, які забезпечують оптимальне співвідношення між механічною швидкістю проходки, енерговитратами, технічним станом та зносом бурового обладнання.According to the physical and mechanical characteristics of rocks, the determined condition of the drilling equipment and the energy characteristics of the drilling process, the axial load on the working drilling tool is changed in steps. This allows you to reach the working point with the appropriate parameters of the drilling process, which ensure the optimal relationship between the mechanical speed of penetration, energy consumption, technical condition and wear of the drilling equipment.

Таким чином запропонований спосіб дозволяє підвищити точність керування процесом буріння та зменшити питомі витрати на проходку погонного метру свердловини за рахунок обгрунтованого вибору осьового навантаження на робочий буровий інструмент залежно від комплексної характеристики гірської породи та стану бурового обладнання. Для його використання не треба додатково проводити каротаж свердловин, що сприяє розширенню сфери його застосування.Thus, the proposed method makes it possible to increase the accuracy of the drilling process control and reduce the specific costs for drilling a linear meter of the well due to the reasonable selection of the axial load on the working drilling tool depending on the complex characteristics of the rock and the condition of the drilling equipment. For its use, it is not necessary to additionally log wells, which helps to expand the scope of its application.

Claims (1)

ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб керування процесом буріння свердловин в гірському масиві, що включає зміну осьового навантаження на робочий буровий інструмент залежно від характеристик гірської породи, який відрізняється тим, що осьове навантаження на робочий буровий інструмент змінюють на певну величину послідовно, вимірюють зміну від цього механічної швидкості буріння, амплітуди та частоти осьових, крутильних та бічних вібрацій бурової колони, порівнюють отримані значення з еталонними, визначеними для відповідних фізико-механічних характеристик гірських порід та стану бурового устаткування, визначають величини витраченої енергії та зносу бурового устаткування, за результатами яких корегують величину наступної зміни осьового навантаження на робочий буровий інструмент.USEFUL MODEL FORMULA A method of controlling the process of drilling wells in a rock massif, which includes changing the axial load on the working drilling tool depending on the characteristics of the rock, which is characterized by the fact that the axial load on the working drilling tool is changed by a certain value sequentially, and the change in mechanical speed from this is measured drilling, amplitudes and frequencies of axial, torsional and lateral vibrations of the drill string, compare the obtained values with reference values determined for the corresponding physical and mechanical characteristics of rocks and the condition of the drilling equipment, determine the amount of energy spent and wear of the drilling equipment, based on the results of which the amount of the next change is adjusted axial load on the working drilling tool.