способ определения работоспособности породоразрушающего инструмента

Формула изобретения

Способ определения работоспособности породоразрушающего инструмента, включающий измерение колебаний давления промывочной жидкости и вычисление величины критерия работоспособности, отличающийся тем, что дополнительно измеряют колебания осевой нагрузки на долото и определяют энтропию колебаний давления промывочной жидкости S_1Р и энтропию колебаний осевой нагрузки на долото S_1Q в начальный момент бурения при новом долоте и энтропию колебаний давления промывочной жидкости S_2Р и энтропию колебаний осевой нагрузки на долото S_2Q текущего состояния долота, а в качестве критериев работоспособности принимают величины Ф_Р=S_2Р/S_1Р и Ф_Q=S_2Q/S_1Q, задают их эталонные значения и определяют степень работоспособности породоразрушающего инструмента по моменту достижения критериями этих эталонных значений.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контроля и измерения параметров в процессе бурения нефтяных и газовых скважин и преимущественно может быть использовано при диагностировании работоспособности породоразрущающего инструмента с целью его эффективной отработки, а также при разработке автоматизированных систем управления процессом бурения.

Известен способ определения степени износа породоразрушающего инструмента, заключающийся в измерении пульсации давления промывочной жидкости с его последующим преобразованием в спектр колебаний давления, причем за критерий износа породоразрушающего инструмента принимается ширина полосы нормированной спектральной плотности, а предельный износ характеризуется полным отсутствием преобладающей частоты (авторское свидетельство 1427059, СССР, Е 21 В 45/00, БИ 36, 1988).

Наряду с неоспоримыми достоинствами, спектральный анализ обладает и определенными недостатками. Во-первых, исходный сигнал заменяется на периодический. При Фурье-преобразовании изменяющихся параметров процесса со временем для всего исследуемого сигнала получаются усредненные коэффициенты. Поэтому методы, основанные на спектральном анализе, не позволяют на настоящий момент производить всесторонний анализ вибросигнала, что приводит к общим характерным погрешностям при проведении вибродиагностических исследований.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ определения работоспособности породоразрушающего инструмента путем регистрации колебаний давления промывочной жидкости в нагнетательной линии и вычисления величины критерия его работоспособности (авторское свидетельство 1800011, СССР, Е 21В 45/00, БИ 9, 1993).

В данном решении вычисляют корреляционную размерность в начале и в процессе бурения, определяют критерий работоспособности и его эталонное значение для каждой конкретной режимной пачки бурения, а границу времени работоспособности отождествляют со временем достижения критерием его эталонной величины.

Недостатками этого метода являются довольно сложная процедура определения критерия работоспособности и соответственно низкая точность оценки технического состояния долота в процессе эксплуатации.

Изобретение решает техническую задачу повышения точности оценки технического состояния породоразрушающего инструмента в процессе эксплуатации одновременно по двум измеряемым параметрам, а именно: по давлению промывочной жидкости и по осевой нагрузке на долото за счет определения энтропии измеряемых параметров и критерия работоспособности долота.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе определения работоспособности породоразрущающего инструмента, включающем измерение колебаний давления промывочной жидкости и вычисление величины критерия работоспособности, дополнительно измеряют колебания осевой нагрузки на долото и определяют энтропию колебаний давления промывочной жидкости S_1Р и энтропию колебаний осевой нагрузки на долото S_1Q в начальный момент бурения при новом долоте, и энтропию колебаний давления промывочной жидкости S_2Р и энтропию колебаний осевой нагрузки на долото S_2Q текущего состояния долота, а в качестве критериев работоспособности принимают величины Ф_Р=S_2Р/S_1Р и Ф_Q=S_2Q/S_1Q, задают их эталонные значения и определяют степень работоспособности породоразрушающего инструмента по моменту достижения критериями этих эталонных значений.

На чертеже изображено устройство для осуществления предлагаемого способа определения работоспособности породоразрушающего инструмента при бурении скважин. Устройство содержит приемник сигналов - датчики 1, 2, блок нормирования 3, аналого-цифровой преобразователь 4, блок обработки и управления 5, блок индикации 6, пульт управления 7.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. На устье скважины устанавливаются два датчика давления, как приемники сигналов. Датчик 1 устанавливается на неподвижном конце талевого каната или гидравлическом индикаторе веса для измерения колебаний осевой нагрузки на долото, а датчик 2 - на манифольдной линии для измерения колебаний давления промывочной жидкости.

Далее сигналы, каждый по своему каналу связи, поступают на блок нормирования 3, который обеспечивает согласование диапазона выходных сигналов датчиков с диапазоном входных сигналов аналого-цифрового преобразователя 4. Блок обработки и управления 5 формирует управляющие сигналы и вычисляет энтропию колебаний давления промывочной жидкости _1Р и энтропию колебаний осевой нагрузки на долото S_1Q в начальный момент бурения при новом долоте, и энтропии S_2Р, S_2Q для текущего состояния долота в процессе бурения. Определяют величины критериев работоспособности Ф_Р=S_2Р/S_1Р и Ф_Q=S_2Q/S_1Q, задают эталонную величину критериев Ф_РЭ и Ф_QЭ, с которой в процессе бурения сравниваются текущие величины критериев работоспособности Ф_Р и Ф_Q. Блок индикации 6 предназначен для визуального контроля за изменением текущей величины критериев Ф_Р и Ф_Q работоспособности долота и сохранения работоспособного состояния породоразрушающего инструмента в процессе бурения путем поддержания текущих значений критериев Ф_Р и Ф_Q в пределах Ф_РФ_РЭ и Ф_QФ_QЭ. Пульт управления 7 служит для ввода оператором необходимых параметров, изменениями которых сопровождается процесс бурения скважины. А именно: изменения типа породы, долота, забойного двигателя, режима бурения, и соответственно при каждом изменении параметра регулируются эталонные значения критериев Ф_РЭ и Ф_QЭ, а процесс бурения осуществляется при соблюдении условий Ф_РФ_РЭ и Ф_QФ_QЭ.

Конкретный пример реализации предлагаемого способа

При бурении двух скважин 15772 и 18061 на кусте 849 Самотлорской площади в ПО "Нижневартовскнефтегаз" получены следующие результаты, приведенные в таблицах 1 и 2. Анализ результатов показал, что минимальный износ вооружения (В) и опоры долота (П), по шифру износа В₁П₁ соответствует изменению критериев Ф_Р= 0,98-1,07 и Ф_Q=0,86-1,03. При увеличении износа долота увеличивается и критерий работоспособности. Максимальные значения при следующих износах долота составляют:

При В₂П₂ - Ф_Р=1,19 - Ф_Q=1,18

При В₃П₂ - Ф_P=1,21 - Ф_Q=1,34

При В₄П₂ - Ф_P=1,32 - Ф_Q=1,40

Поэтому значения критериев Ф_P=1,32 и Ф_Q=1,40 можно принять в качестве эталонных при бурении последующих скважин на этом кусте.

Известен способ регулирования оптимальной осевой нагрузки на долото при бурении скважин (патент 2124125, РФ, Е 21В 45/00, БИ 36, 1998), включающий измерение колебаний осевой нагрузки на долото, но без привлечения понятия энтропии.

В теории информации энтропия S рассматривается как мера неопределенности случайной величины. Если задано конечное множество {х₁, х₂,..., х_n} значений случайной величины с распределением вероятностей (p₁, р₂,... р_n), то энтропией распределения р_i называется

S = - p_ilogp_i (1)

Как вытекает из выражения (1), рост энтропии функционально связан с ростом вероятности состояния. Причем возрастание энтропии в необратимом процессе означает возрастание вероятности состояния, т.е. неупорядоченное состояние более вероятно, чем упорядоченное.

Можно предположить, что до начала бурения долото находится в равновесно-упорядоченном состоянии. Процесс бурения скважины и соответственно изменение технического состояния долота приводит к нарушению равновесия системы и возрастанию энтропии. Поэтому при бурении скважины техническое состояние долота должно удовлетворять тому состоянию системы, при котором не наблюдается рост энтропии (а именно критерия работоспособности Ф) и поддерживается ее значение на определенном уровне, что позволит не допускать аварии с долотом. Таким образом, энтропийный подход позволяет с определенной степенью точности интерпретировать техническое состояние долота и диагностировать процессы перехода одного технического состояния долота, например, почти нового B₁П₁ до максимально изношенного В₄П₃.

Предлагаемый способ может найти применение при разработке автоматизированных систем процесса бурения и при разработке нефтяных месторождений, где анализ динамических изменений технологических параметров позволяет производить оперативное диагностирование состояния залежи, для выбора момента времени проведения различного воздействия на пласт.

В таблице 3 приведен пример расчета значений энтропии.