Спосіб оптимізації процесу буріння свердловин

Спосіб оптимізації процесу буріння свердловин, який включає визначення питомої об'ємної роботи руйнування породи, вибір породоруйнівно го інструменту для умов певного геологічного розрізу, буріння свердловин, який відрізняється тим, що визначають фізико-механічні властивості порід певного геологічного розрізу (твердість, абразивність і коефіцієнт пластичності), при цьому тип породоруйнівного інструменту вибирають за способому руйнування породи (різальної або сколюючо-подрібнюючої дії) за найменшою величиною питомої об'ємної роботи руйнування породи і коефіцієнта пластичності породи певного геологічного розрізу, а конструкцію породоруйнівних елементів вибирають за відповідними величинами твердості і абразивності породи певного геологічного розрізу, буріння свердловин продовжують вибраним породоруйнівним інструментом. Корисна модель відноситься до буріння глибоких свердловин на нафту і газ, а саме до способів регулювання процесом буріння та підбору породоруйнівного інструменту для певних геологічних умов. Відомий спосіб регулювання процесу обертального буріння з метою підвищення його продуктивності і збільшення терміну служби долота, який включає контроль потужності, витраченої на буріння, зміну осьового навантаження, вимірювання механічної швидкості буріння, визначення корисної потужності, яка витрачається на власне буріння, при цьому задають позитивну різницю між добутком механічної' швидкості буріння на часткову похідну корисної потужності по механічній швидкості буріння і корисної' потужності. Цю різницю підтримують постійною за рахунок зміни осьового навантаження на породоруйнівний інструмент [див. а.с. СРСР №1252980 А1 МПК4 Е21В 44/00, публ. 23.08.86р., Бюл. №31]. вання графіків залежностей різних функцій. Такі розрахунки проводяться для різних осьових навантажень і частот обертання. Вказана робота потребує залучення додаткового кваліфікованого персоналу, застосування складних пристроїв для фіксації механічної швидкості буріння, корисної потужності і т.д. І саме головне, після проведення всіх розрахунків і складних замірів може вияснитися, що при бурінні застосовувався не ефективний породоруйнівний інструмент, який не відповідає певним геологічним умовам буріння, а саме фізико-механічним властивостям порід твердості, абразивності, пластичності. Відомий спосіб управління процесом двостадійного буріння [див. а.с. СРСР №1479630 А1 Е21В 44/00, публ. 15.05.1989р., Бюл. №18]. Спосіб забезпечує збирання інформації про властивості порід, що розбурюються, в процесі буріння в залежності від питомих енерговитрат на розбурювання, що дозволяє оптимізувати процес розбурювання свердловин за різними критеріями. Для забезпечення оптимальних параметрів буріння вимірюють поточні і задають граничні значення крутного моменту і номінальне значення потужності приводу. На кожному інтервалі буріння розраховують питомі енерговитрати на руйнування породи і по них кваліфікують гірські породи за Недоліком відомого способу регулювання процесу обертального буріння є те, що в процесі буріння необхідно постійно вимірювати механічну швидкість буріння, визначати корисну потужність на власне буріння, проводити розрахунки, в тому числі і часткової' похідної, що потребує застосування для розрахунків складних формул, побуду О сч о О) 11020 потужністю. Періодично в процесі розбурювання потужного прошарку визначають відносну зміну питомих енерговитрат на руйнування породи і порівнюють з заданою величиною питомих енерговитрат на розбурювання породи. Відомий спосіб дуже складний в застосуванні, бо потребує застосування спеціального складного вимірювального обладнання і виконання багаточисельних операцій з вимірювання і розрахунку параметрів, на підставі яких реалізується оптимізація процесу буріння. Спосіб не передбачає можливості вибору породоруйнівного інструменту в залежності від фізико-механічних властивостей породи та питомих енерговитрат на розбурювання породи. Відомий спосіб оптимізаци процесу буріння (прототип), для реалізації якого вимірюють енергію WA пружних коливань, викликаних породоруйнівним інструментом, в діапазоні частот 5-20кГц, регулюють режимні параметри, вимірюють повну енергію Wn, що витрачається на буріння, визначають величину відношення A=WA/WH ШЛЯХОМ регулювання режимних параметрів при конкретному типі породоруйнівного інструменту, досягають максимального значення величини А, змінюють тип породоруйнівного інструменту І знову досягають максимального значення величини А, вибирають породоруйнівний інструмент, при якому максимальне значення величини А найбільше, і з обраним таким чином для даного геологічного розрізу породоруйнівним інструментом продовжують буріння, підтримуючи шляхом регулювання режимних параметрів максимальне значення величини А. [див. а.с. СРСР №1809023 А1 Е21В 44/00, публ. 15.04.93р., Бюл. №14]. У відомому способі ефективність роботи породоруйнівного інструменту для умов певного геологічного розрізу в масиві гірської породи визначається коефіцієнтом використання енергії при бурінні. Коефіцієнт використання енергії представляє собою відношення енергії пружних коливань в діапазоні 5-20кГц до повної енергії, витраченої на буріння. Чим більший цей коефіцієнт, тим кращим являється породоруйнівний інструмент для умов певного геологічного розрізу. Ефективність буріння визначається шляхом регулювання режимних параметрів при конкретному типі породоруйнівного інструменту і визначення максимальної величини відношення енергії" пружних коливань до повної енергії, яка витрачається на буріння для даного геологічного розрізу. Повна енергія, яка витрачається на буріння, є комплексною величиною і складається з енергії на обертання бурильної колони, питомої об'ємної роботи руйнування породи, енергії на подолання зусиль реакції стінок свердловини, тертя між виступами стінок свердловини І елементами низу бурильної колони, калібраторами, буровим розчином тощо. Вимір і визначення кожного разу енергії пружних коливань, викликаних породоруйнівним інструментом, і повної енергії вимагає наявності додаткового вимірювального устаткування, а остаточне визначення значення їхнього відношення потребує виконання регулювання режимних параметрів при конкретному типі породоруйнівного інструменту та комплексу математичних операцій і розрахунків, що в свою чергу значно ускладнює оптимізацію процесу буріння свердловин. Недоліком способу за прототипом є те, що в процесі його реалізації1 необхідно декілька раз змінювати тип породоруйнівного інструменту для вибору оптимального після регулювання режимних параметрів і виконання багаточисельних вимірювальних операцій та математичних розрахунків. Крім того, спосіб за прототипом не визначає оптимальний тип породоруйнівного інструменту по способу руйнування породи певного геологічного розрізу - різання, сколювання, подрібнення; конструкцію озброєння породоруйнівного інструменту зубків, торцевої поверхні відповідно фізикомеханічним властивостям, а саме твердості, абразивності і пластичності порід певного геологічного розрізу, які необхідно ефективно розбурювати при поглиблені свердловин. Недоліком способу є також необхідність застосування складного електронного пристрою для реєстрації спектральних складових пружних коливань, які виникають при бурінні. Процес ускладнюється тим, що пружні коливання в глибоких свердловинах гасяться в колоні бурильних труб і їх реєстрування на поверхні практично неможливо, а прилади для заміру величини потужності на руйнування породи відсутні По вказаній причині спосіб не можна використовувати при бурінні глибоких свердловин на нафту і газ. Задачею корисної модепі є зменшення матеріальних витрат і підвищення ефективності оптимізації процесу буріння за рахунок спрощення визначення параметрів буріння, врахування фізикомеханічних властивостей порід для вибору оптимального породоруйнівного інструменту для буріння в певних умовах геологічного розрізу І відсутність необхідності у використанні додаткових людських ресурсів і складного електронного обладнання. Для вирішення поставленої задачі пропонується спосіб оптимізації процесу буріння свердловин, який включає визначення питомої об'ємної роботи руйнування породи, вибір породоруйнівного інструменту для умов певного геологічного розрізу, буріння свердловин, згідно корисної моделі визначають фізико-механічні властивості порід певного геологічного розрізу (твердість, абразивність і коефіцієнт пластичності), при цьому тип породоруйнівного інструменту вибирають за способом руйнування породи (різальної або сколюючо-подрібнюючої дії) за найменшою величиною питомої об'ємної роботи руйнування породи і коефіцієнта пластичності породи певного геологічного розрізу, а конструкцію породоруйнівних елементів вибирають відповідно величинам твердості і абразивності породи певного геологічного розрізу, буріння свердловин продовжують вибраним породоруйнівним інструментом. Величина питомої об'ємної1 роботи руйнування порід певного геологічного розрізу, їх фізикомеханічні властивості визначені відомими методами: - розшифруванням діаграм деформації породи-керна при вдавлюванні пуансона; 11020 - розшифруванням діаграм геофізичних досліджень в свердловині Для ВСІХ нафтогазоносних регіонів України питома об'ємна робота ' руйнування породи, фізикомеханічні властивості порід певного геологічного розрізу визначені по стратиграфічних комплексах і літологічних пачках Вибір породоруйнівного інструменту проводиться за наступною схемою На Фіг "Область застосування породоруйнівного інструменту (доліт) по способу руйнування порід певного геологічного розрізу" приведені залежності питомої об'ємної роботи руйнування порід (Av) від коефіцієнта пластичності (К пл ) Для порід з твердістю 200, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1400, 1600МПа (ВІДПОВІДНО це криві 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) при застосуванні породоруйнівного інструменту, а саме доліт ріжучої дії (криві р-р лезові, алмазні, ІНМ, PDC, одношарошкові долота) і сколюючо-подріблюючої дії (криві ш-ш три шарошкові долота) Долота, які мають найменші значення питомої об'ємної роботи руйнування в породі певного геологічного розрізу, є найбільш ефективним породоруинівним інструментом для розбурювання таких порід Вибір типу породоруйнівного інструменту (доліт) І конструкції породоруйнівних елементів (зубків, матриці) проводиться наступним чином, як приведено прикладамиПриклад 1 Алевроліт нижнього карбону Дніпровсько-донецької западини має твердість 1200МПа, коефіцієнт пластичності 3 (точка А, Фіг) Поставивши перпендикуляр з точки А до перетину з кривими 6-6 (твердість порід 1200МПа), одержимо точки Ср і С ш , з яких проводимо паралельні лінії осі абсцис до перетину з вертикальною віссю ординат (значення питомої об'ємної роботи руйнування породи) Одержимо точки Ау=29Дж/см для доліт ударної (тришарошкові долота) Менше зна чення мають долота ріжучої дії лезові, алмазні, ІНМ, PDC, для яких Ау=26Дж/см3 Приклад 2 Пісковик башкирського ярусу нижнього карбону Дніпровське-Донецької западини має твердість 1200МПа (криві 6-6, рис 1), коефіцієнт пластичності Кпл=1,5 (точка Б, Фіг) 3 точки Б поставимо перпендикуляр до кривих 6Ш-6Ш і 6Р-6Р, одержимо точки Бш, Бр На вертикальній осі Av для доліт ріжучої дії становить 31Дж/см3, що менше A v для шарошкових доліт, які рекомендовані для буріння Після вибору породоруйнівного інструменту (долота) по способу руйнування породи (ріжучої дії або сколюючо-подрібнюючої дії) вибирають долота по конструкції породоруйнівних елементів (зубців, матриць) Породам з різною твердістю, абразивністю, коефіцієнтом пластичності відповідають конкретні конструкцГі зубків, матриць (таблиці 1, 2) В таблиці 1 приведені типи конструкцій зубків тришарошкових (ударноі-сколюючо-подріблюючої ди) доліт відповідно твердості, абразивності і коефіцієнта пластичності порід для певного геологічного розрізу В таблиці 2 приведені ВІДПОВІДНО конструкції матриці доліт ріжучої діґ Вибір типу конструкції озброєння доліт (зубків, матриці) проводиться, наступним чином, як приведено прикладами Приклад 1 Для порід з твердістю 700МПа, абразивністю 10-15мг найефективнішими будуть тришарошкові долота з зубками типу "С" (таблиця 1) Для порід такої ж твердості, але з абразивністю 15-50мг найефективнішими будуть долота зі вставними зубками типу "СЗ" Приклад 2 Із доліт ріжучої дії для порід з твердістю 300-700МПа найефективніші будуть долота ІНМ, PDC {таблиця 2) Для порід із твердістю 5001500Мпа - алмазні долота ДР-СТ Ь ДР-СТ2 Таблиця 1 Типи тришарошкових доліт ВІДПОВІДНО фізико-механічними властивостям порід певного геологічного розрізу Тип тришарошкових доліт 1 М МС мсз с сз ст т тз ткз Фізико-механічні властивості порід Твердість Рш МПа 2 100-250 250-350 350-400 400-750 500-1000 1000-1500 1500-2000 2000-2500 >2500 Абразивність А, мг 3 40 11020 8 Таблиця 2 Типи алмазних доліт відповідно фізико-механічними властивостям порід певного геологічного розрізу Тип алмазного долота 1 ІНМ (ИСМ) PDC, ОДГ ДК-С6, ДКСИ-Сб, ДИ-Се, ДУС, ДЛ-С ДР-СТ1.ДРСТ2 ДРТ1.ДРТ2 Фізико-механічні властивості порід Твердість Рщ, МПа Абразивність А, мг 2 3