Спосіб оптимізації та регулювання режимів буріння свердловин

Способ оптимизации и регулирования режимов бурения скважин, основанный на ограничении упругих колебании в колонне бурильных труб от взаимодействия бурового инструмента с забоем, отличающимся тем, что устанавливают оптимальный уровень частоты вращения бурового ин 29672 ределяют по их соотношению сейсмический коэффициент полезного действия бурения. В связи с перечисленными недостатками, этот способ не обеспечивает виброзащиту буровой системы в области режимов бурения, связанных с резонансными явлениями в колонне бурильных труб, что приводит к аварийному износу бурового инструмента и снижению производительности буровой системы. Причинами, препятствующими получению технического результата предлагаемого изобретения прототипом являются: - определение момента изменения параметров режима бурения по снижению значения сейсмического коэффициента полезного деиствия бурения неэффективно, так как в условиях резонанса в колонне бурильных труб это т коэффициент возрастает вплоть до поломки бурового инструмента; - возрастание продольных упруги х перемещений в колонне бурильных труб (возрастание амплитуды упруги х колебаний), при одновременном увеличении сейсмического коэффициента полезного действия бурения, приводит к необходимости уменьшения оптимального уровня частоты вращения бурового инструмента, что снижает скорость бурения. Задачей изобретения является разработка способа оптимизации и регулирования режимов бурения скважин, при котором путем снижения динамических нагрузок в колонне бурильных труб, обеспечивающих возможность повышения оптимального уровня частоты вращения бурового инструмента при ограниченном развитии резонанса, достигают повышения стойкости бурового инструмента и скорости бурения. Поставленная задача решается тем, что в способе оптимизации и регулировании режимов бурения скважин, основанном на ограничении упруги х колебании в колонне бурильных труб от взаимодействия бурового инструмента с забоем согласно изобретению устанавливают оптимальный уровень частоты вращения бурового инструмента и изменяют его в процессе бурения на расчетно установленную величину числа оборотов с расчетно установленным интервалом времени колебания, равным времени развития и затухания явления резонанса в допустимых пределах величины параметра упруги х колебаний в колонне бурильных труб. Кроме того при определении времени развития и затухания явления резонанса в качестве параметра упруги х колебаний принимают амплитуду други х продольных перемещении верхнего конца колонны бурильных труб от взаимодействия бурового инструмента с забоем. Существенными признаками изобретения являются: - ограничение упругих колебаний в колонне бурильных труб от взаимодействия бурового инструмента с забоем; - установление оптимального уровня частоты вращения бурового инструмента; - изменение в процессе бурения оптимального уровня частоты вращения бурового инструмента на расчетно установленную величину числа оборотов с расчетно установленным интервалом времени колебания; - интервал времени колебания равен времени развития и затухания явления резонанса в допустимых пределах величины параметра упруги х колебаний в колонне бурильных труб; - при определении времени развития и затухания явления резонанса в качестве параметра упругих колебаний принимают амплитуду упругих продольных перемещений верхнего конца колонны бурильных труб от взаимодействия бурового инструмента с забоем. Новыми существенными признаками в данном изобретении являются: - установление оптимального уровня частоты вращения бурового инструмента; - изменение в процессе бурения оптимального уровня частоты вращения бурового инструмента на расчетно установленную величину числа оборотов с расчетно установленным интервалом времени колебания; - интервал времени изменения оптимального уровня частоты вращения бурового инструмента равен времени развития и затухания явления резонанса в допустимых пределах величины параметра упругих колебании в колонне бурильных тр уб; - при определении времени развития и затухания явления резонанса в качестве параметра упругих колебаний принимают амплитуду упругих продольных перемещений верхнего конца колонны бурильных труб от взаимодействия бурового инструмента с забоем. Указанные существенные признаки необходимы и достаточны во всех случаях осуществления способа. Благодаря тому, что устанавливают оптимальный уровень частоты вращения бурового инструмента происходит интенсификация разрушения забоя, что способствует повышению скорости бурения. Благодаря тому, что в процессе бурения изменяют оптимальный уровень частоты вращения бурового инструмента на расчетно установленную величину числа оборотов с расчетно установленным интервалом времени колебания происходит ограничение явления резонанса в колонне бурильных труб и, соответственно, ограничение динамических нагрузок на буровой инструмент, что способствует повышению его стойкости. Благодаря тому, что интервал времени изменения оптимального уровня частоты вращения бурового инструмента равен времени развития и затухания явления резонанса в допустимых пределах величины параметра упруги х колебаний в колонне бурильных тр уб происходит динамическое давление на буровой инструмент в допустимых пределах, что повышает его стойкость. Благодаря тому, что при определении времени развития и затухания явления резонанса в качестве параметра упруги х колебаний принимают амплитуду упруги х продольных перемещений верхнего конца бурильных тр уб от взаимодействия бурового инструмента с забоем происходит ограничение развития явления резонанса в пределах оптимальной осевой нагрузки на буровой инструмент, что способствует повышению его стойкости и скорости бурения. 2 29672 Таким образом, благодаря совокупности перечисленных выше известных и новых существенных признаков стало возможным осуществление причинно-следственной связи между ними, что обеспечивает возможность получения технического результата предлагаемого изобретения. Сущность изобретения способа оптимизации и регулирования режимов бурения скважин поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена номограмма динамических состояний буровой системы; на фиг. 2 - функциональная блок-схема средств реализации способа; на фиг. 3 - вариант исполнения блок-схемы фиг. 2. На номограмме представлены: в правом верхнем квадранте - значения амплитуды (y) упругих колебаний верхнего конца колонны бурильных труб в зависимости от частоты вращения бурового инструмента (n); в правом нижнем квадранте частоты (h) возмущающи х импульсов в зависимости от частоты вращения инструмента (n) и количества (z) зубцов в зубча тых венцах шарошечного бурового инструмента; в левом нижнем квадранте - первая частота собственных колебаний (f0) верхнего конца колонны бурильных труб в зависимости от ее длины (l) на примере станка шарошечного бурения типа СБШ-250МН для открытых горных работ; в левом верхнем квадранте представлены пределы допустимых уровней значения амплитуды упругих перемещении верхнего конца колонны бурильных труб (ymin , ymax). Функциональная блок-схема осуществления способа и ее вариант (фиг. 2 и 3) содержат задатчик 1 оптимального уровня частоты вращения бурового инструмента, установленный на пульте управления и связанный функционально с блоком 2 для управления приводом вращателя 3, связанного механически с верхним концом колонны бурильных труб 4, на нижнем конце которой закреплен буровой инструмент, источник 5 сигналов, корректирующи х в процессе бурения частоту вра щения бурового инструмента, связанный функционально с блоком 2 для управления приводом вращателя 3. Вариант блок-схемы содержит датчик 6 контроля упругих перемещений верхнего конца колонны бурильных труб, который входом функционально связан с верхним концом колонны бурильных труб 4, а выходом с входом источника 5 корректирующи х си гналов. Способ оптимизации и регулирования режимов бурения скважин осуществляется следующим образом. Задатчиком 1 устанавливают оптимальный уровень частоты вращения бурового инструмента, соответствующий этому уровню управляющий сигнал поступает с задатчика 1 на блок 2, который обеспечивает питание, вращателя 3, соответствующее оптимальной частоте вращения бурового инструмента посредством колонны бурильных труб 4. В процессе бурения в колонне бурильных тр уб возникает явление резонанса от взаимодействия бурового инструмента с забоем. В этих условия х с течением времени увеличивается амплитуда (y) продольных упругих колебаний верхнего конца колонны бурильных труб в соотве тствии с известными закономерностями. Их сущность заключается в том, что на колонну бурильных труб действуют импульсы реакции забоя с частотой h, соответ ствующей количеству зубцов (z) бурового инструмента. B результате действия этих импульсов раскачивается колонна 4 с частотой собственных колебаний (f0), связанной с длиной бурового става (l), как стержень с распределенной по длине массой. Изменение режима бурения (частоты вращения (n) бурового инструмента) приводит к временному уменьшению амплитуды колебания до минимального значения (ymin). Э то достигается, согласно предлагаемому способу, тем, что в процессе бурения источник 5 подает в блок 2 импульсы сигнала установленной продолжительности и величины, корректирующего частоту вращения бурового инструмента на расчетно установленную величину числа оборотов с расчетно установленным интервалом времени, равным времени развития и затухания явления резонанса в допустимых пределах (ymin-ymax) величины параметра упругих колебаний в колонне бурильных труб. Каждый импульс сигнала с источника 5 изменяет частоту вращения бурового инструмента на расчетно установленную величину числа оборотов. В промежутках между импульсами сигнала частота вращении восстанавливается до оптимального уровня, установленного задатчиком 1. Сигналы с источника 5 подаются в блок 2 с расчетно установленным интервалом времени колебания, в течении которого амплитуда упругих колебаний (у) верхнего конца колонны бурильных тр уб возрастает и затухает в установленных пределах ее величины, что ограничивает динамические нагрузки на буровой инструмент и, соответственно повышает его стойкость. Поддержание таким образом оптимального уровня частоты вращения бурового инстр умента способствует повышению скорости бурения. При использовании датчика 6 контроля упругих перемещений верхнего конца колонны бурильных труб, по варианту блок-схемы, установленный оптимальный уровень частоты вращения бурового инструмента изменяют когда параметры упругих колебаний верхнего конца колонны бурильных труб достигают предельных значении. Сигнал с датчика 6 о значении параметра упруги х колебаний подают на вход источника 5, где формируют, соответственно поступившему сигналу, сигнал на изменение частоты вращения бурового инструмента. В этом случае корректировка частоты вращения осуществляется при необходимости, когда амплитуда (y) дости гает установленного значения (ymax). При определении времени развития и затухания явления резонанса в качестве параметра упруги х колебаний принимают амплитуду упругих продольных перемещений верхнего конца колонны бурильных тр уб о т взаимодействия бурового инструмента с забоем, что позволяет использовать известные приемы расчетов (Я.Г. Пановко. Основы прикладной теории упруги х колебаний. М.: Ма шиностроение, 1967, с. 191) и известные датчики упруги х перемещений (датчики вибрации). Пример Способ широко опробован в промышленных условиях карьера ЮГОКа на станках шарошечного бурения типа СБШ-250МН при бурении взрывных скважин диаметром 250 мм на глубину до 27 м в породах крепостью f=16-18. 3 29672 Для осуществления способа в промышленных условиях использовалась серийно изготавливаемая аппаратура управления параметрами вибрации "ИВ", включающая электронный блок и датчик вибрации. В электронном блоке имеются регуляторы допустимого уровня величины параметра колебаний и интервала корректирующи х импульсов, датчик обеспечивает контроль амплитуды колебаний по виброскорости. На буровом станке имеется задатчик частоты вращения бурового инструмента и блок управления приводом вращателя связанного с колонной бурильных труб. Вход задатчика частоты вращения бурового инструмента связан с ручным приводом, а выход связан электроцепью управления с входом блока управления, выход которого связан силовой электроцепью с вращателем. Для осуществления предлагаемого способа выход электронного блока аппаратуры "ИВ" соединен с выходом задатчика частоты вращения бурового инструмента. Датчик аппаратуры "ИВ" установлен на верхнем конце колонны бурильных труб и связан выходом с входом электронного блока. Предварительно расчетно установлены величина числа оборотов и интервал времени изменения оптимального уровня частоты вращения бурового инструмента, равный времени развития и затухания явления резонанса в допустимых пределах величины параметра упругих колебаний в колонне бурильных труб. Регуляторами электронного блока заданы величина и интервал корректирующих импульсов, которые соответствуют необходимым изменениям установленного оптимального уровня частоты вращения бурового инструмента. Для осуществления процесса бурения машинист, воздействуя на задатчик частоты вращения бурового инструмента, устанавливает оптимальную частоту вра щения 130-140 об/мин. При этом буровой инструмент взаимодействует с забоем и реакция забоя передается на колонну бурильных труб в виде периодических импульсов осевой нагрузки. Под действием этих импульсов в колонне бурильных труб происходят упругие колебания с возможностью развития явления резонанса при определенной крепости пород (f>10). В условиях резонанса возрастают упругие колебания в колонне бурильных труб, усиливается сигнал с датчика на электронный блок, где формируются корректирующие импульсы, поступающие на выход задатчика частоты вращения, соединенный с входом блока управления приводом вращателя. Под действием корректирующи х импульсов с электронного блока происходит изменение оптимального уровня частоты вращения бурового инструмента на расчетно установленную величину числа оборотов 50-10 об/мин с расчетно установленным интервалом времени колебания 0,1-0,5 с, равным времени развития и затухания явления резонанса в допустимых пределах величин амплитуды упруги х колебаний верхнего конца колонны бурильных труб, контролируемой датчиком. С применением предлагаемого способа пробурено свыше 600 м скважин, достигнуто повышение средней стойкости долот от 80 м до 112,5 м и скорости бурения в 1,2 раза. Применение изобретения способа оптимизации и регулирования режимов бурения скважин позволяет повысить стойкость бурового инструмента (шарошечных долот) свыше 40%, а скорость бурения в 1,2 раза и более за счет снижения динамических нагрузок в колонне бурильных труб и повышения оптимального уровня частоты вращения бурового инструмента, в связи с тем, что установленный оптимальный уровень изменяют в процессе бурения на расчетно установленную величину числа оборотов с расчетно установленным интервалом времени, что ограничивает развитие явления резонанса в колонне бурильных тр уб от взаимодействия бурового инструмента с забоем. Применение предлагаемого способа оптимизации и регулирования режимов бурения скважин на действующи х буровых станках не требует изменений в их конструкции, повышаем стойкость бурового инструмента и скорость бурения, снижает вибрации, улучшает условия работы машиниста. Фиг. 1 4 29672 Фиг. 2 Фиг. 3 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 35 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5