Спосіб гідродинамічного контролю буріння свердловин

Винахід стосується галузі буріння свердловин і може використовува тись при гідродинамічному контролі поглиблення свердловин з метою оперативної оптимізації процесу механічного буріння. Відомий спосіб визначення витрати середовища заснований на використанні залежності від витрати різниці тисків, що створюється пристроєм, який встановлений у трубопроводі, або ж самим елементом останнього [Кремлевский П.П. Расходометры и счетчики количества. - Л.: Ма шиностроение, 1989. -701с., с.10]. Згідно цього способу витрата середовища визначається із співвідношення, що зв’язує кінематичні та динамічні характеристики потоку, який рухається через пристрій або елемент трубопроводу. Недоліком даного способу визначення витрати середовища у привибійному контурі циркуляції при бурінні свердловин є неможливість визначення тиску безпосередньо на вибої. Це пов’язано з недосконалістю існуючих засобів передачі інформації про величину тиску у привибійній зоні свердловини в процесі буріння на пульт управління бурової установки внаслідок значної довжини каналу зв’язку, обмеження його діаметральних габаритів, наявності агресивного середовища, змінних умов роботи елементів гідромеханічної системи та інших факторів. Відомий також спосіб визначення масової витрати середовища [Авт.св.СССР №732670, кл. G01F1/00] за різницею тисків у двох точках потоку цього середовища Даний спосіб дозволяє визначити частину масової витрати в розгалуженні від основного потоку, для чого один з тисків визначають в основному потоці, а другий - в розгалуженні. Цей спосіб, як і попередній, передбачає необхідність безпосереднього визначення різниці тисків в потоці, що робить неможливим його використання в свердловині. Найбільш близьким до запропонованого є спосіб гідродинамічного контролю буріння свердловин [Авт.св.СССР №1121409 А, кл. Е21В47/06], який передбачає вимір тиску промивальної рідини на маніфольді бурових насосів та її витрату. Даний спосіб дозволяє здійснювати гідродинамічний контроль буріння свердловин у випадку застосування нерозгалуженої системи руху промивальної рідини, коли у привибійній зоні свердловини відсутні додаткові контури циркуляції бурового розчину. Витрата промивальної рідини в маніфольді бурових насосів в цьому випадку не відрізняється від витрати на вибої свердловини. Однак даний спосіб гідродинамічного контролю має невисоку точність визначення витрати промивальної рідини на вибої свердловини при використанні свердловинних ежекційних систем з додатковим замкнутим привибійним контуром циркуляції без виходу на поверхню, причому величина цієї витрати може суттєво відрізнятись від витрати промивальної рідини в маніфольді бурових насосів. Розбіжність витрат промивальної рідини в маніфольді бурових насосів та на вибої свердловини не враховується даним способом у випадку використання свердловинної ежекційної системи, внаслідок чого знижується ефективність гідродинамічного контролю буріння свердловин. Це, в свою чергу, веде до помилкового вибору необхідних параметрів промивання свердловини та зниженню техніко-економічних показників буріння. Задача винаходу полягає в підвищенні ефективності гідродинамічного контролю буріння свердловин шляхом врахування витрати промивальної рідини у привибійному контурі циркуляції та періодичного співставлення її величини з моделлю. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі згідно з яким визначається різниця тисків в двох точках потоку промивальної рідини, який включає вимір тиску та витрат промивальної рідини в маніфольді бурових насосів згідно з винаходом, додатково визначають витрату потоку у привибійному контурі циркуляції свердловинної ежекційної системи, величина якої співставляється з моделлю, причому визначення витрати промивальної рідини здійснюється за встановленим алгоритмом. Додаткове визначення витрати промивальної рідини у привибійному контурі циркуляції дозволяє підвищити точність визначення витрати на вибої свердловини порівняно з відомими способами. Використання для визначення витрат промивальної рідини розрахункового алгоритму дає можливість уникнути безпосереднього виміру значень тиску в дво х точках потоку, що є неможливим в умовах свердловини. Періодичне співставлення отриманої величини витрати промивальної рідини в привибійному контурі циркуляції з моделлю дозволяє більш ефективно контролювати процес буріння, оскільки відхилення фактичних значень витрати від контрольованих показників свідчить про порушення нормального функціонування ежекційної системи. Інформація про величину фактичних витрат промивальної рідини дозволяє здійснювати оперативне регулювання режиму роботи вибійної ежекційної системи з метою оптимізації процесу механічного буріння. Зокрема, у випадку недостатнього для ефективного очищення вибою свердловини значення витрати промивальної рідини у привибійному контурі циркуляції необхідно збільшити продуктивність бурових насосів або змінити геометричні та кінематичні параметри деталей ежекційної системи. Техніко-економічний результат, який досягається при використанні способу полягає в підвищенні ефективності контролю за процесом буріння внаслідок чого зростає механічна швидкість буріння та проходження на долото, зменшуються витрати на матеріали і експлуатацію обладнання. В кінцевому результаті застосування винаходу дозволяє зменшити собівартість буріння свердловин. На фігурі показана принципова схема свердловинної ежекційної системи. Спосіб гідродинамічного контролю буріння свердловин здійснюється за допомогою визначення тиску РН і витрати QН промивальної рідини в маніфольді 1 бурових насосів 2 та витрати QВ у привибійному контурі циркуляції abсd, утвореному нижньою частиною бурильної колони 3, струминним насосом 4, долотом 5 та каналом затрубного простору 6. Причому в загальному випадку величина витрати QВ перевищує значення витрати QН на величину витрати Qі інжектованого потоку. Для визначення тиску РН використовується манометр 7, а витрати QН - витратомір 8. Контрольоване значення витрати промивальної рідини у додатковому контурі циркуляції, з яким співставляються фактичні значення визначається аналітичним шляхом в процесі спільного розв'язку рівнянь характеристик струминного насоса і гідравлічної системи, в якій він працює. Спосіб здійснюється наступним чином. За допомогою манометра 7 визначають величину тиску промивальної рідини РН в маніфольді 1 бурових насосів 2, витрату промивальної рідини QН на вході в свердловину визначають за допомогою витратоміра 8, або на виході з свердловини об'ємним способом. Отримані значення тиску РН та витрати QН використовуємо для визначення витрати промивальної рідини на вибої свердловини із співвідношення: 0, 5 2 é Р - (КК + К З + КРН ) × QН ù QВ = ê Н ú , Кд ê ú ë û де РН - значення тиску на маніфольді бурових насосів; КК, КЗ, КРН, Кд - коефіцієнти пропорційності для гідравлічних каналів бурильної колони і затрубного простору, робочої насадки струминного насоса та промивальної системи долота, які визначаються в процесі досліджень; QН - витрата промивальної рідини на виході або на вході з свердловини. Можливість застосування запропонованого алгоритму зумовлена існуванням залежності витрати потоку від різниці тисків визначених на початковій та кінцевій ділянках цього потоку. Величина тиску РН на маніфольді бурових насосів прямо пропорційна значенню витрат промивальної рідини та гідравлічним втратам в бурильній колоні 3, струминному насосі 4, промивальній системі долота 5, в каналі затрубного простору 6. Отримане значення витрати промивальної рідини на вибої свердловини співставляють з контрольною величиною, яка визначається шляхом спільного розв’язку рівнянь характеристики насоса та його гідравлічної системи. Приклад Глибина свердловини НС=1000м; продуктивність бурових насосів QН=0,02м 3/с; зовнішній діаметр бурильної колони dК3=0,127м; внутрішній діаметр бурильної колони dКВ=0,109м; діаметр свердловини DС=0,216м; діаметр отворів насадок долота dд=0,018м; гранична напруга зсуву t = 4Па; пластична в’язкість h = 0,003Па × с; густина 3 промивальної рідини r = 1000кг / м ; кількість насадок долота N=3; коефіцієнт витрати робочої насадки m = 0,95. струминного насоса mРН = 0,95; коефіцієнт витрати насадок долота д Швидкість потоку в бурильній колоні та затрубному просторі: 4 × QН 4 × 0,02 VК = = = 2,144м / с; 2 p ×d 3,14 × 0,1092 КВ 4 × QH 4 × 0,02 VЗ = = = 0,833м / мс; æ D2 - d2 ö 3,14 × æ 0,2162 - 0,1272 ö p ×ç ÷ ç ÷ КЗ ø è C è ø Параметр Сан-Венана для бурильної колони та затрубного простору: t × dКВ 4 × 0,109 SenК = = = 67,786; h × VK 0,003 × 2,144 t × (DС - dКЗ ) 4 × (0,216 - 0,127) SenЗ = = = 142,457. h × VK 0,003 × 0,833 Число Рейнольдса для бурильної колони та затрубного простору: r × VК × dКВ 1000 × 2,144 × 0,109 ReK = = = 6334,427; æ SenK ö æ 67,786 ö h × ç1 + ÷ 0,003 × ç 1+ ÷ 6 ø 6 ø è è r × VЗ × (DС - dКЗ ) 1000× 0,833× (0,216 - 0,127) ReЗ = = = 1313,988. æ SenЗ ö æ 142,457 ö h × ç1+ ÷ 0,003 × ç 1 + ÷ 6 ø 6 è è ø Коефіцієнт лінійного гідравлічного опору для бурильної колони та затрубного простору: 0,3164 0,1364 lК = = = 0,035; 0,25 ReK 6334,4270,25 96 96 = = 0,073. ReЗ 1313,988 Коефіцієнти пропорційності для бурильної колони та затрубного простору: 0,811× lК × НС × r 0,811× 0,035 × 1000 × 1000 KK = = = 1844,83 × 106 ; d5 0,1095 КВ 0,811× l З × НС × r 0,811× 0,073 × 1000× 1000 KЗ = = = 713,815 × 106. 3 2 3 2 (DC - dКЗ ) × (DC + dКЗ ) (0,216 - 0,127) × (0,216 + 0,127) Коефіцієнт пропорційності для робочої насадки: r r 1000 КРН = = = = 5619,058 × 106. 2 2 2 2 × m2 × fР 2 ö 2ö РН æ p × dРН æ 3,1415 × 0,02 2 ÷ ÷ 2 × mРН × ç 2 × 0,952 × ç ç 4 ÷ ç ÷ 4 è ø è ø Коефіцієнт пропорційності для промивальної системи долота: r r 1000 Кд = = = = 951642 × 106. , 2 2 2 2 2 × m д × fд æ p × d2 ö æ 3,1415 × 0,0182 ö 2 д÷ ÷ 2 × 0,95 × ç 3 × 2 × m2 × ç N × д ç ç ÷ 4 4 ÷ è ø è ø lЗ = Витрата промивальної рідини на вибої свердловини: 2 é Р - (К К + К З + КРН ) × QН ù é 5 × 106 - (1844,83 + 713,815 + 5619,058) × 106 × 0,022 ù QВ = ê Н ú=ê ú= Кд ê ú ê 951642× 106 , ú ë û ë û = 0,42625м3 / с = 42,625л / с.