Система контроля процесса бурения нефтяных и газовых скважин

Система контроля процесса бурения нефтяных и газовых скважин

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

О П И С А Н И Е 1) )644942

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (б1) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 24.06.74 (21) 2036110/22-03 с присоединением заявки № (51) М. Клз

Е 21В 45/00

ГосудаРственнь и комитет (23) Приоритег

СССР по делам изобретений н открытий (43) Опубликовано 30.01.79. Бюллетень № 4 (45) Дата опубликования описания 30.01.79 (53) УДК 622.24.026. .3.001.5 (088.8) (72) Авторы изобретения

1Р"03 - е

С. А. Алехин, Ю. Г. Апанович, Э. В. Бабаян, А. И.

С. М. Гамзатов, А. П. Гольцов, В. В. Еременко, А. П

С. Г. Кипнис, Ф. Ф. Конрад, Н. Н. Кошелев, В. И.

А. И. Леонов, P А. Нелепин, В. П. Неудачин, А. Е

А. Я. Петерсон, Н. И. Сухенко, P. Э. Францев и Ю. Г

Всесоюзный научно-исследовательский институт по скважин и буровым растворам (71) Заявитель

""0ТЕ1 :А (54) СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ

НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, в частности к системам контроля и управления процессом бурения.

Известны системы контроля процесса бурения, включающие датчики параметров бурения, показывающие и регистрирующие приборы. Такие системы предназначены для представления бурильщику результатов измерения параметров бурения (1).

Известны также системы, включающие, кроме датчиков параметров бурения, блоки для предварительной отработки информации с целью определения некоторых технико-экономических показателей процесса бурения (2, 3).

Недостатком известных систем является малая достоверность и точность преобразования информации, обусловленная как недостаточным ее объемом, так и несовершенством алгоритмов обработки, вследствие чего отсутствует возможность предотвращения осложнений, возникающих в процессе бурения нефтяных и газовых скважин.

Наиболее близким техническим решением 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

5 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

10 возможности предотвращения осложнений в процессе бурения скважин.

Целью изобретения является предотвращение возможности осложнений в процессе бурения за счет увеличения достоверности

15 и точности преобразования информации.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемая система снабжена датчиком плотности раствора на входе в скважину, датчиком глубины скважины, устройством

20 для определения пластового давления, устройством для определения гидростатического давления, устройством для определения гидродинамического давления, анализатором баланса гидравлических давлений

25 в скважине, анализатором скорости спуска инструмента, устройством контроля износа промежуточной колонны и блоком световых

l 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, втброй; третйй и четвертый входы 10 устройства контроля износа промежуточной колонны соединены соответственйо с вЫхо - " 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 анализатора баланса гидравлических давлений в скважине соединены соответственно с выходами устройства для определения пластового давления, устройства для определения гидростатического давления, устройства для определения гигдродйнамичесКого давления, "... при этом первый вход устройства"для опре-.,:- ;. деления гиЩЬ|йЗамй4еского:давления coe-. 25 динен с вйходом"датчика веса ийструмента, .:: второй вход —" с выходом датчиКа длийы ::.:: хода инструмента при спуско-подъемных операциях, а третий вход — с выходом, . блока контроля максимальйой" скорости "З0 епуека инструмента, при этом первый вход устройства для определения гидростатического давления соединен с выходом датчика плотности раствора, Второй и.. третий„—. с выходом датчика расхода, четвертый и З5 пятый — с выходом датчика глуоййы скважины.

Устройство для определения пластового давлейия"выполнено — в виде датчика пластового давления, установки для определе- 40 ния пластового давления, блока контроля соотношения пластовых давлений и блока контроля и- регистрации истинного пластового давления, первый и второй входы котОрого сОединены соответственно с выхо- 45 дом 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 50 определения пластового давления. ;, Устройство для определения гидростатического давления выполнено в виде блока квантования, блока интегрирования пачек 55 раствора, блока вычисления времени, блока "вычислеиия "гидростатических давлений пачек раствора и блока контроля суммарного-гидростатического давления, вход которого подключен к выходам блока вычис- 60 ления времени через блок вычисления гидростатических давлений пачек раствора, а первый и второй выходы блока квантования подключены соответственно к первому входу блока вычисления времени непосрсд- 65

2 мФ 4 4 В .,"( ственно, а к третьему — 1ерез "блок Йнтегрирования пачек раствора. им,,:;;: -, Устройство для определения гидродинамического давления выполнено в виде блока* койтроля изменения вес а ий ст р умента, блока измерения длины сп(ущенн(ого инструмента, датчика эффективйой вязкости раствора, блока вычисления"гйдрЬдинамического давления в процессе бурения, бло ка вычисления гидродинамического давления при спуско-подъемных операциях и "схемы совйадения, первый вход которой соединен с выходом блока контроля изменения веса инструмента через блок"вьйййения гидродинамическаго давлейия при бурении, а второй вход схемы совпадения через блок вычисления гидродинамйческого давления при спуско-подъемнИХ"операциях соединен"с выходом блока измерения длины спущенного инструмента и выходом датчика эффективной вязкости раствора.

1. и . о :. ; /"(..; На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемой системы контроля процесса бурейия нефтяных и газовых скважин; на фиг. 2 — блок-схема устройства для определения пластового давления; на фиг. 3— блок-схема устройства для определения гйдростатйческого давления,"йa"ôèã. 4 — блок-схема устройства для определения гидродинамического 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 бурового инструмента 4, длины хода инструмента при спуско-подъемных операциях (СПО) 5, числа оборотов ротора 6; устройство 7 для определения пластового давления, устрой;, ство 8 для определения гидростатического давления, устройство 9 для определения гидродинамического . давления, блок 10 контроля максимальной скорости спуска и подъема инструмента, устройство 11 койт;, роля износа промежуточной колонны,, анализатор 12 баланса гидравлических давле-. ний в скважине, анализатор 13 скорости спуска инструмента и блок,14 световых. табло... и;г,(.,:D(l: >:.(;::;..:;..;dug,:.ь л.;.

Устройство для определения пластового, давления (см. фиг. 2) включает дат, ик 15 пластового давления, установку 16 для,определения пластового давления, блок 17 контроля соотношения пластовых давленцй и блок 18 контроля и регистрации, истиц; ного пластового давления,>,> .э;,:,,;,,;,;,,.„.

Устройство для -определения гидростатического давления (см. фиг. 3) включает блоки 19 — 23: квантования, 19, интегрирования пачек. раствора 20, вычисления вре-. мени 21, вычисления гидростатических давлений пачек раствора 22 и контроля суммарного гидростатического давления 23, 644942

Устройство для определения гидродинамического 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 бурении и 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 измерений пластового давления — наземной установкой 16 по анализу деформативности керна и глубинным датчиком 15, например на принципе испытателя пластов, с замером пластовых давлений 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, замеренного

1 по поднятому керну Р„„к пластовому давлению P„"„, 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 полученньпл 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. у тО

Q р 1 и

10F

5 10

6

Гидростатическое 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 связи с этим точный анализ баланс а гйдр а вли ческих давлений в скважинах, особенно глубоких, требует более точного определения величины гидростатического давления в кольцевом пространстве. В системе эту задачу решают датчйк ами" и ло трости раствор а на входе в скважину 1, рас .;ода раствора на входе в скважину 2, глубины скважины 3 и устройством 8 для определения гидростатичесйогб даавлеййя: "

Блок 19 осуществляет сглаживание и квантов апис "йепре рывйой функции р1 (t), пол ч аемой от "датчика 1, установле нного в 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 величины ч

,= (op)e

f, до тех пор, пока из блока 19 не поступит сигнал об изме,.енин 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 H поступает в блок как сигнал от датчика 3 глубины скважины; величина

Q — как сигнал от датчика 2 расхода раствора; а величина F„„— как известная ве-.. личина, равная площади поперечного сечения отверстия в бурильных трубах. Таким образом, время t является временем, в течение которого данная пачка раствора дви>кется по трубам до забоя скважины и еще ис оказывает влияния на величину гидростатического давления в кольцевом пространстве. Через время t информация V; и и о,. поступает в блок 22, предназначенный для определения величины гидростатического давления, создаваемого в кольцевом пространстве пачкой раствора с объемом

V; и плотностью р;. Вычисление производится по формуле

644942

10 (4) (2) 55 (6) 60

7 где Рц — гидростатическое давление, создаваемое пачкой раствора;

F„„— площадь поперечного сечения кольцевого пространства сква-! жины.

Блок 23 осуществляет суммирование значений Рц по всей высоте столба жидкости и определяет тем самым полное гидростатическое давление, действующее в кольцевом пространстве скважины, т. е.

Н

Р, = Р, О

При поступлении в кольцевое пространство новой пачки раствора с новым значением плотности давление, создаваемое ею, прибавляется, а давление, которое создавалось верхней пачкой раствора, выходящего в этот момент из скважины, вычитается из общей суммы. Таким образом, на выходе блока 23 формируется непрерывная функция Р,(t).

Одной из важных составляющих баланса гидравлических давлений в бурящейся скважине является величина гидродинамического давления, возникающего в скважине в процессе бурения и в процессе спускоподъемных операций.

Величина гидродинамического давления при бурении определяется по формуле

ЬР„= (3) где КЄ— гидродинамическое давление (или при потере напора в кольцевом пространстве скважины);

h0 — уменьшение веса инструмента под действием восходящего потока раствора; .0 — диаметр ствола скважины;

d — диаметр инструмента (труб).

Эта зависимость проверена многочисленными экспериментами и показала высокую сходимость результатов, В соответствии с ее реализацией устройство 9 для определения гидродинамического давления работает следующим образом.

После полного спуска инструмента включают блок 24 контроля изменения веса инструмента при промывке, в который в этот момент поступает информация о весе свободно подвешенного инструмента от датчика 4 и запоминается. Вслед за этим включают в работу буровые насосы, и вес колонны под воздействием потока раствора уменьшается. В блоке 24 производят вычитание величины второго сигнала из величины сигнала, хранящегося в памяти. Разностный сигнал,,выражающий уменьшение веса инструмента hG под действием потока раствора, подают в счетно-решающий блок

27, который производит вычитание величины гидродинамичсского давления по формуле (3). На выходе блока 27 формируется

8 сигнал о величине давления hP„ и через схему совпадения 29 подается в анализатор 12. Гидродинамическое давление, возникающее в скважине при спуске инструмента, также определяется системой на поверхности, а в основу определения положена известная зависимость этого давления от размеров инструмента, скорости его движения, размеров скважины и величины эффективной вязкости раствора ьп„=зз """, D — d где У, — скорость спуска инструмента;

L — длина инструмента;

q0e — эффективная вязкость раствора;

D — диаметр скважины;

d — диаметр инструмента.

Вь|числение величины ЬР„производится в блоке 28, куда величина U,„ïîäàåòñÿ от блока 10 контроля скорости спуска инструмента, величина L поступает от блока 25 измерения длины инструмента, а величина

11„1, поступает от датчика 26 эффективной вязкости раствора. Сигнал о величине

ЛЄ— гидродинамическом давлении при спуско-подъемных операциях — из блока

28 через схему совпадения 29 поступает в анализатор 12.

Таким образом, в анализатор 12 непрерывно поступает информация о всех трех составляющих баланса гидравлических давлений в скважине — о пластовом давлении в виде непрерывной ступенчатой функции от устройства 7, о гидростатическом давлении также в виде непрерывной ступенчатой (квантованной) функции от устройства 8, о гидродинамическом давлении при бурении скважины или при спускоподъемных операциях от устройства 9.

Анализатор баланса гидравлических давлений в скважине осуществляет циклический, с регулируемым шагом цикла от 1 до

5 мин, контроль алгебраической суммы всех трех составляющих баланса и сравнение полученного результата с заданными величинами. В зависимости о-. удовлетворения проверяемых неравенств выход анализатора подключается к блоку 14 световых табло, причем при удовле-."зрении неравенства

5) Р,+ hP — Р„, О (5) выход анализатора подключается к световому табло «Бурение на;авповссии:>, при удовлетворении неравенства

35) P,+ÜP,— Р„,) 5 выход анализатора подключается к световому табло «Бурение с превышением давления.>> при удовлетворении неравенства

Р,+ЯР,— Р„„) 35 (7) выход анализатора подключается к световым табло «Превышение давления выше

644942 (8) 10

P, + КЄ— P„„(O (9) 9 нормы» и «Снизить плотность раствора», при удовлетворении неравенства

P+dP, AP, H 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 неравенства 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 U»< „ии.

Многочисленные эксперименты показывают, что величина U,„„,,„„„„„ „является ограничением не только из экономических соображений, из-за нерационально больших затрат времени на спуск инструмента, но и

Зо

10 позволяет определить наиболее выгодный момент, когда необходимо произвести промежуточную промывку со снижением плотности раствора. В соответствии с этим при достижении момента, когда - си: эк.мин выход 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 скважину, датчиком глубины скважины, устройством для определения пластового давления, устройством для определения гидростатического 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 числа

644942

/. ° /! // «> /! . i

11 оборотов"ротора, датчика веса инструмента, датЧика длийЬ1"хдда"инструмента прй спуско-подъемных операциях, датчика глубины с/кйаЖййы, а первый, второй, третий входы анализатора баланса гидравлических давлений в скважине соединены соответственно с выходами устройства для определения прас«тов>дго да>влейия, устройства для 6пределен>йя гидростатического " давления, устройства для определения " гидрбдинамичесКЬгб "дав/ления, при этом первый вход устройства для определения гидродийамическог6 "давл/ения" соединен /с выходом датчиKB веса/ I1HHруМенга," второй вход — с выходдМ даЖик/а/ длины хода инструмента при спуско-подъемных операциях, а третий вход —" c вьйодо«м бЛока" контроля максимйльн/ой "скорост и спуска" инструмента, при этбм первый вход "устройства для" определ/ения г/и/дростатичесйого давлейия соеди«нен с выходом" ЯтчиЫа ">плотности" раствдра, В>го/рОй и третий — C âûõ6Êoì "датчика расход/а,"четвертый и пйтый — с выхоДом датчик а глу бины ск в айййы. 2. Сист е" а по" п. 1; о т"л и ч а ю щ а я с я тем, что устройство для определения пла- стового давления выполнено в виде датчика пластового давления, установКи для определения,пластового давления, блока

Конт/ 11оЛ>я содти6т11ения пЛасгОвыХ давлений и блока контроля" и регистрации истинного п3тасгдвого дав>Иния,"первый и второй вхоу(ы к/отбрдго сое/динейы содтветственно с выхд4ом датЧика" пластового "давления и выходом блока койтроля соо/тйошения пластовь1х давЛений, йервый вход которого пбдйлючен к выход датчика пластовых давлений а втдрбй †к выходу установки для ойределения пластойогд"давления.

3. Система по 1i: 1, о т л и ч а/ю щ а я с я тем,"/чт Ь" устройство "для 6пределения гидрбстатичеЬкого Давления выпо/лн/е/ но" в "виде блока квантбвания, блока интегрйрования пачек раствора, блоКа вычисления времени, блошка вычисления гидростатическйх давле"(»» - .>т; >!.,/ »:f/,;:>>i!.! . > />и»»>! >;

12 ний пачек раствора и блока"контроля /фммарного гидростатического давления, вход которого подключен к выходам блока вычисления времени через блок вычисления гидростатических давлений пачек раствора, а первый и второй выходы блока квантования подЫЛючейы соответственйо к первому входу блока вычисления времени непосредственно",а" к третьему — через блок интегрированияия "пачек р а створ а.

4. Система по п. 1, отлич а юща яся тем, что устройство для определения гидродинамического давления выполнено в ви. /, де блока контроля изменейия веса инструмента, блока измерения д/ лийы спущенного инструмента, датчика эффективной вязкости раствора, блока вычисленйя гидродинамического давления в процессе бурения, блока вычисления гидродинамического давления при спуско-подъемных операциях и схемы совпадения, первый вход которой соединен с выходом блока контроля изменения веса инструм"нта через блок вычис- ления гидродинамического давления при бурейии, а второй вход схемы совпадения через блдк вычис/лейия гидродинамического давления при спуско -подъемных операциях соединен с выходом блока измерения длины спущенного инструмента и выходом датчика эффективной вязкости раствора.

Источники информации, принятые во:внимание при экспертизе

1. Куликовский Л. Ф., Ушмаев В. И, Информационно-измерительные системы для управленйя процессом бурения. М., «Недра», 1972, с. 10.

2. Авторское свидетельство № 248591, кл.

Е 21В 45/00, 1967.

3. Патент США № 3541852, кл. 73 — 151, 4О опублик, 1970.

4. Портер Л. Г., Басович В. С. Приборы наземного контр6ля процесса бурения.—

Серия «Техника и технология геолого-разведочных работ, организация производст45 ва», М., ВИЭМС, 1971, с. 107,, 644042

Риа 2

Редактор 3. Ходакова

Заказ 2704/9 Изд. № 122 Тираж 657 Подписное

НПО Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 5К-35, Раушская наб., д 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2

Составитель Н. Чижикова

Техред А. Камышннкова

Корректоры: Е. Хмелева и А Галахова